陶瓷燒成溫度的工業(yè)熱電偶在線(xiàn)校準分析

[摘要]通過(guò)了解景德鎮地區陶瓷行業(yè)窯爐配置使用工業(yè)熱電偶的情況，研究了燃氣梭式窯燒成溫度調節控制因溫度量值沒(méi)有溯源造成能源浪費的現狀，分析了利用標準熱電偶和巡檢測溫系統對陶瓷企業(yè)安裝在燒成設備上的工業(yè)熱電偶進(jìn)行在線(xiàn)校準的必要性提出了“在窯爐上預留測溫孔，以實(shí)現窯用工業(yè)熱電偶的在線(xiàn)校準”的建議，為窯爐上使用的工業(yè)熱電偶的在線(xiàn)校準提供了一種實(shí)用、易操作的可直接比較測量的校準方法，促使企業(yè)根據窯爐的實(shí)際運行狀況，實(shí)時(shí)獲取所需的量值可溯源的溫度測量數據，為窯爐的節能改造及自動(dòng)化控制提供有效的數據支撐;以提高窯爐燒成的熱效率，達到節能減碳的目的。
引言
　　陶瓷是一種需要高溫燒成的無(wú)機非金屬材料，其產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素取決于燒成的工藝條件。其主要的工藝條件包括燒成制度、窯爐結構的合理性、燃料的品質(zhì)、燃燒技術(shù)等等"。
　　在我國陶瓷工業(yè)不僅是傳統的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，也是高能耗行業(yè)，能耗占總成本的25%~40%，干燥、燒成部分占據80%的總能耗，其中燒成約占60%"1。
　　窯爐是陶瓷企業(yè)能耗最大的燒成設備，其能耗的高低主要取決于窯爐結構和燒成技術(shù)。目前有關(guān)優(yōu)化窯爐結構、富氧燃燒與高溫空氣節能技術(shù)及減少排煙損失等方面的研究不少，但鮮少見(jiàn)到關(guān)于窯爐控溫熱電偶測量結果的量值溯源對于節能減排的價(jià)值與意義方面的文獻資料。
　　以江西景德鎮地區生產(chǎn)日用瓷的燃氣梭式窯為例，通過(guò)分析景德鎮地區日用瓷生產(chǎn)中普遍使用的自吸式燒嘴燃氣梭式窯(以下簡(jiǎn)稱(chēng)引射梭式窯)和全.自動(dòng)控制的調溫高速燒嘴燃氣梭式窯(以下簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)力梭式窯)的溫度監測現狀，研究了這兩種典型的陶瓷工業(yè)燃氣梭式窯的溫度測量準確性對其減少不必要的能源浪費的重要性。建議在窯爐上預留測溫孔，從測溫孔內插人已溯源的熱電偶，對其使用的工業(yè)熱電偶.進(jìn)行在線(xiàn)校準或用于監測窯溫，以促進(jìn)陶瓷工業(yè)梭式窯的自動(dòng)化監測水平及其節能改造技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)窯爐節能發(fā)展的進(jìn)程。
1陶瓷窯爐
1.1陶瓷窯爐的測溫技術(shù)
　　我國早期的制陶工藝中司窯工采用肉眼看火、吐痰，人窯、鉤照子等原始的方法觀(guān)測陶瓷窯爐的溫.度。而現代的測溫技術(shù)主要是通過(guò)熱電偶、測溫錐、測溫環(huán)(塊)、光學(xué)高溫計等器具測量陶瓷窯爐的溫度。目前陶瓷窯爐多是采用熱電偶測溫，由于窯爐的工況條件惡劣，熱電偶連續使用一段時(shí)間后其性能會(huì )下降，而且工業(yè)熱電偶的準確性不高，所以企業(yè)會(huì )根據需要配以測溫錐、測溫環(huán)(塊)作為監控窯溫的對比參照物。
　　“人工觀(guān)火”是指有經(jīng)驗的窯爐操作，人員通過(guò)觀(guān)察火焰的顏色變化來(lái)判斷窯爐內的火候，進(jìn)而調節燃氣的閥門(mén)門(mén)來(lái)控制窯爐溫度。
　　測溫錐、測溫環(huán)(塊)可機動(dòng)靈活，簡(jiǎn)易、方便地放置在窯內三維空間的任何位置，借此可以了解窯內溫場(chǎng)的分布情況。測溫錐是通過(guò)觀(guān)火孔察看其彎倒時(shí)來(lái)獲知窯內其所在部位的那一時(shí)間的溫度。測溫環(huán)(塊)則是根據其與制品同時(shí)經(jīng)受一個(gè)燒成周期的焙燒過(guò)程時(shí)，所產(chǎn)生的在其測溫范圍內的線(xiàn)性收縮來(lái)獲知其承受的最高溫度。通常是在其燒后取出測量環(huán)徑(長(cháng)度)，對照換算表得出其在窯內位置對應的最高燒成溫度"。兩者都不能進(jìn)行連續測溫，只能作為窯內監測點(diǎn)的最高溫度參照，而且至今仍無(wú)明確的量值溯源方法。
　　熱電偶是將溫度轉換成熱電勢的一種感溫元件其配以毫伏計或其它二次儀表可連續測量和記錄溫度，并且線(xiàn)性好，測溫范圍寬準確性高性能穩定，還可遠距離傳輸應用最為廣泛。因窯內坯垛的堆放，使得熱電偶只可插入窯內幾厘米，其測溫僅能通過(guò)熱工儀表顯示窯內某監測點(diǎn)的溫度，并不能反映窯內溫場(chǎng)與制品熱交換的實(shí)際受熱狀態(tài)，而且因受燒成工藝、現場(chǎng)環(huán)境等條件的制約，企業(yè)一般不會(huì )拆卸下來(lái)送去校準，即進(jìn)行量值溯源。對于連續式窯爐，如輥道窯、隧道窯，企業(yè)一般會(huì )在緊鄰坯體的周?chē)胖脺y溫環(huán)(塊)用作監控窯溫的對比參照。梭式窯的溫控通常是以人工觀(guān)火或在窯內放置測溫錐作為最高燒成溫度的對照，其中引射窯大多在窯頂插入一只熱電偶，動(dòng)力窯則是在兩側窯墻上對角插入多對熱電偶。
1.2陶瓷窯爐的溫度測量及其溫度控制系統
　　陶瓷生產(chǎn)一般實(shí)施倒班制生產(chǎn)控制以車(chē)間或崗位為單位由操作人員集中操作依靠?jì)x表監控。窯爐控制系統多是通過(guò)配置儀表形成單回路數字PID控制系統自動(dòng)調控產(chǎn)品進(jìn)窯、出窯、溫度、壓力、排煙、急冷、點(diǎn)火、報警等裝置，由數據采集系統軟件來(lái)實(shí)現了熱工數據的在線(xiàn)采集與實(shí)時(shí)監控。
　　對陶瓷窯爐溫度的實(shí)時(shí)監控是燒制陶瓷過(guò)程中必須具備的條件。企業(yè)需要對每一次燒成記錄的完整數據進(jìn)行分析以?xún)?yōu)化燒成曲線(xiàn)提高生產(chǎn)效率保證產(chǎn)品質(zhì)量。所以，窯內溫度場(chǎng)變化的大量數據都會(huì )實(shí)時(shí)傳送至窯爐控制室。
　　窯爐的溫度測量大多先以熱電偶作為溫度傳感器通過(guò)將獲取的電信號輸入到溫度二次儀表中或依靠人工讀取數據的方式以定時(shí)紙質(zhì)記錄形式予以保存井依據溫度制度調節爐溫;或者應用自動(dòng)化控制系統中的智能巡檢控制儀表作為窯爐溫度數據的采集器，配以溫度數據采集系統軟件，則在巡檢表的顯示屏上依次讀取所測窯內各點(diǎn)的溫度值，即可省去人工填寫(xiě)數據環(huán)節。這對穩定燒成工藝、提高燒成質(zhì)量非常有利，同時(shí)也為窯爐燒成制度的優(yōu)化提供了可常的數據"'。
2梭式窯.
21最德鎮梭式窯的溫度監控實(shí)況
　　溫度是燒成過(guò)程中最重要的熱工參數之一它直接影響著(zhù)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本以及設備的使用壽命等因素。因此窯爐溫度測量的準確性顯然極為重要。
　　景德鎮地區的燃氣梭式窯主要有兩種，引射梭式窯和動(dòng)力梭式窯。盡管窯爐的燒成工況通常是由數字儀表監控的，但仍需要司窯工來(lái)操作控制。不同的是引射梭式窯只在窯頂安插一只熱電偶，由溫度單元儀表或智能儀表顯示所測點(diǎn)溫度或熱工參數，司窯工憑此了解窯內的大致溫度或窯溫、窯壓等熱工工況。此外，全憑經(jīng)驗肉眼觀(guān)火，井通過(guò)觀(guān)火孔觀(guān)察放置窯內的測溫錐的彎倒，以測溫錐的彎倒溫度來(lái)判斷窯內是否已達到所需的最高燒成溫度。
　　動(dòng)力梭式窯則是根據窯內實(shí)際尺寸的大小、噴嘴的分布、窯車(chē)與排煙孔的位置等，分區布設熱電偶，通過(guò)燒成控制系統和數據采集軟件實(shí)時(shí)監控顯示窯爐的溫度等熱工參數。而陶瓷窯爐溫度控制系統是一個(gè)非線(xiàn)性、大遲滯的純滯后的變參數系統又因系統控制的熱工參數如溫度、氣氛，壓力等變量之間的較強耦合，使得監測溫度的不確定性更為明顯"，所以仍然需要司窯工通.過(guò)觀(guān)火孔實(shí)時(shí)察看熱工工況。
在燒成的低溫階段熱電偶所測點(diǎn)的溫度比較接近窯內煙氣溫度;而在高溫階段接近制品溫度。相對于容積大的梭式窯，監測點(diǎn)的溫度是否能看作是所測區域的平均溫度、以及熱電偶檢測.的靈敏度與滯后性對掌握窯內溫場(chǎng)的變化來(lái)說(shuō)都非常關(guān)鍵。
　　窯爐結構與燒成工藝的復雜，使得對窯爐溫場(chǎng)測量的難度很大。通常是根據梭式窯結構的特:點(diǎn)、燒嘴的數量及排布、燒嘴燃燒煙氣的流速、煙道布設的排煙方式等因素，確定窯內溫場(chǎng)監測.點(diǎn)的數量及位置。一般情況下，動(dòng)力窯大多是在燒嘴相對位置另一側窯墻上安插熱電偶，依據燒嘴的布設情況分區監控溫場(chǎng)溫度，而引射窯僅在窯頂中央部位安插一只熱電偶。
2.2景德鎮燃氣梭式窯能源浪費現狀及其原因分析
　　目前，景德鎮地區以天然氣為燃料的陶瓷工業(yè)燃氣梭式窯近1000座。其中絕大多數都是熱耗大、能效低的引射梭式窯。根據燃氣公司提供的梭式窯用氣數據計算，景德鎮地區的燃氣梭式窯全年所用燃氣折算標準煤約為10萬(wàn)噸，相當于20戶(hù)重點(diǎn)用能單位的年綜合能耗。
　　下面就景德鎮地區某瓷廠(chǎng)燒制酒瓶的引射窯和動(dòng)力窯在高火保溫階段因燒成溫度量值沒(méi)有溯源存在的燒成工藝燃氣消耗造成的浪費情況進(jìn)行分析說(shuō)明。以在熱平衡測試結果"為基礎，計算能源浪費的相關(guān)數據詳見(jiàn)窯爐熱平衡計算有關(guān)參數表。表中燃氣消耗超量mr(m³)、單位產(chǎn)品燒成氣耗超量(m³/kg瓷)、單位產(chǎn)品燒成氣耗超量占比(%)、單位產(chǎn)品燒成熱耗超量(kJ/kg瓷、kcal/kg瓷)等數據的計算依據如下:
　　燃氣消耗超量是指因熱電偶測溫誤差造成的高火保溫時(shí)間的延長(cháng)，根據實(shí)際高火保溫時(shí)間超出工藝所需保溫時(shí)間的那段時(shí)間的燃氣消耗流量計算出所浪費的燃氣消耗量。其它的能耗超量參數均由此計算所得。井據此推算，景德鎮地區全年因此產(chǎn)生的燃料浪費達388.7萬(wàn)m³的天然氣?，F就造成這種能源浪費的原因分析如下:
　　引射梭式窯大多將排煙口設在窯尾，煙氣在窯頭滯留的時(shí)間比窯尾長(cháng)，導致窯內局部對流換熱速度不同以及窯內換熱不均勻，窯尾溫度要比窯門(mén)方向溫度高出40-85℃;動(dòng)力梭式窯大多將排煙口布置在靠近窯車(chē)底部的兩側窯墻上，相.對來(lái)說(shuō)，這樣的布置使其窯內的溫場(chǎng)要比引射窯均勻。無(wú)論是哪種梭式窯，其能耗都主要集中在.高溫段，在最高燒成溫度處及高火保溫階段能耗最多。
　　最高燒成溫度必須要控制在坯料的燒結溫度范圍之內，燒結溫度范圍是指坯體燒結至開(kāi)始軟化變形的溫度區間。燒結范圍寬的坯料，可在相對較短的時(shí)間內以上限溫度燒成;燒結范圍窄的坯料，宜在下限溫度以較長(cháng)的時(shí)間進(jìn)行燒成。燒還原焰的坯體一般在氧化階段結束轉入還原期之前，須進(jìn)行一次保溫(中火保溫)，至將近止火時(shí)又須進(jìn)行一次保溫(高火保溫)。而保溫的目的是縮小窯內溫差，使窯內各部位產(chǎn)品的高溫反應均勻一致。保溫時(shí)間的長(cháng)短取決于窯爐結構與容積、窯內溫場(chǎng)的均勻度、坯件的大小與厚度以及制品所要達到的?；瘻囟?，應以瓷體致密、能耗又少為目的。
　　通常，普通日用瓷的燒結范圍較寬，約為20℃左右。司窯工只要將燒成溫度控制在燒結范圍內，就不會(huì )影響產(chǎn)品的燒成質(zhì)量。而很少會(huì ).去考慮能源消耗的浪費問(wèn)題。因為他們關(guān)注的是燒制產(chǎn)品的質(zhì)量，這會(huì )直接影響他們的工資收人或績(jì)效考核。該例中造成燃氣浪費的還有一個(gè)重要原因就是燒成監控的溫度量值沒(méi)有溯源，司窯工無(wú)法獲取準確的窯內溫度值。具體情況說(shuō)明如下：
　　此批產(chǎn)品的燒成溫度是1230℃，由國家標準GB/T13794--2017《標準測溫錐》可知，企業(yè)選用的測溫錐應是標準溫度為1240℃的錐號為CN124的工業(yè)窯爐用測溫錐，其彎倒溫度與對應錐號的標準溫度之間的允許誤差為±6℃，并且標準規定的加熱條件是升溫速率在室溫至低于其標準溫度200℃的范圍內，應按(8~10)℃/min升溫速率加熱，然后按2.5℃/min升溫速率加熱至它的彎倒溫度。而實(shí)際上的燒成工藝要求的溫度制度并不都能達到標準規定的加熱條件，其間的差異必然會(huì )使彎倒溫度產(chǎn)生與標準允許誤差的偏離。此外，司窯工不可能每一次都能在測溫錐開(kāi)始彎倒的時(shí)刻恰好看到,這也是其還要憑經(jīng)驗觀(guān)火來(lái)確定制品燒熟燒透。
2.3用于陶瓷燒成溫度監控的工業(yè)熱電偶的在線(xiàn)校準的必要性分析
　　陶瓷窯爐的燒成控制是陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中非常關(guān)鍵的一個(gè)工序。其燒成溫度的在線(xiàn)監測與產(chǎn)品的質(zhì)量息息相關(guān)。企業(yè)通常都用工業(yè)熱電偶測量窯內溫度。插人窯內的工業(yè)熱電偶由于在窯爐制造時(shí)就已固定安裝了，如果不是壞了，而企業(yè)又需要用熱電偶測量窯內溫度的話(huà)，一般不會(huì )將其拆下或更換。然而，長(cháng)期惡劣的工況環(huán)境，更易造成熱電偶的計量性能下降。所以如果想要知道其測溫的準確性，就必須對其進(jìn)行在線(xiàn)校準。
 
　　由圖片“景德鎮某瓷廠(chǎng)輥道窯燒制瓷磚的窯爐溫度紙質(zhì)記錄表”可見(jiàn)，熱電偶所測溫度與測溫環(huán)收縮表示的溫度差距很大。表中備注欄里記錄了當天上午8點(diǎn)鐘測溫環(huán)指示的溫度1161℃,“高溫區上下降10℃”是指測溫環(huán)在該輥道窯燒成帶的高溫段所標示的溫度比往常偶溫與環(huán)溫的溫差還下降了10℃。這種測量比較是忽略了偶溫隨時(shí)間變化、環(huán)溫隨批次變化的差異而得出的結論，而實(shí)際上此次比較結果應該是偶溫與環(huán)溫相差53℃。
　　此外，由實(shí)例分析可知，窯內溫度實(shí)時(shí)監測的準確性對于調節、控制窯爐的熱工制度、減少不必要的燃料消耗及提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面都.有著(zhù)非常重要的作用。
3建議
　　陶瓷企業(yè)一般都在每年春節放假前停工時(shí),對窯爐進(jìn)行檢修。那時(shí)，可根據窯爐現有測溫熱電偶的配置情況，選擇合適的位置鉆孔，以此預留測溫孔。尤其是引射梭式窯，更需要在兩側窯墻.上預留多個(gè)測溫孔，以備窯溫的監控測量。
　　建議:給用于校準窯用工業(yè)熱電偶的標準偶預留的測溫孔大小約為1~2cm，選擇在被校的工業(yè)熱電偶四周5cm以?xún)?，最為臨近被校偶并離煙氣出口相對較遠的位置上。不需測溫孔時(shí)，應用石棉將其堵上。對于引射梭式窯，還應在需要對窯內溫度監測點(diǎn)附近的窯墻、窯門(mén)、窯頂的相應位置上預留測溫孔。時(shí)可選用溫場(chǎng)自動(dòng)測試系統與標偶配套作為校準設備進(jìn)行在線(xiàn)校準，其中校準時(shí)的連續測量時(shí)間按燒成工藝特點(diǎn)應不少于一個(gè)燒成周期。
 
4結語(yǔ)
　　結合景德鎮地區梭式窯燒成的實(shí)際工況，從窯爐的節能角度分析了用于窯爐溫度監控的工業(yè)熱電偶的在線(xiàn)校準的必要性。為陶瓷窯爐在可控范圍內縮短產(chǎn)品的燒成周期，繼而達到減少燃料消耗，節約能源提供了簡(jiǎn)單可行的途徑。