98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯的研制

于勝磊，韓　祎，王洪猛，邢書濤，趙新力

（機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450007）

98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯的研制

于勝磊，韓祎，王洪猛，邢書濤，趙新力

（機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450007）

新研制的98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯具有截面溫差小、臺車裝載量大、產(chǎn)量高、單位產(chǎn)品能耗低、控制系統(tǒng)先進的特點；該窯爐配備的自動進出車系統(tǒng)有效降低了人工進出車對產(chǎn)品質(zhì)量帶來的影響；機械化的回車系統(tǒng)顯著降低了工人的勞動強度；高效余熱利用系統(tǒng)顯著降低了產(chǎn)品的綜合能耗，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

隧道窯；自動燒成；高產(chǎn)量；低單位能耗；節(jié)能減排

隧道窯是陶瓷磨具連續(xù)燒成的主要設(shè)備。較大的截面溫差、自動化控制水平較低等原因?qū)е碌某善仿什桓叩膯栴}一直影響著陶瓷磨具隧道窯的產(chǎn)量和能耗。如何控制隧道窯截面溫差、實現(xiàn)溫度的分區(qū)自動控制、確保較高的成品率、提升產(chǎn)量、進一步降低產(chǎn)品單位能耗從而節(jié)能減排、降低成本成為陶瓷磨具企業(yè)的期盼，也為爐窯工作者指明了努力的方向。

1　設(shè)計要求參數(shù)

（1）年工作日：330 d；

（2）燒成對象：陶瓷磨具，直徑100～1 600 mm，厚度10～200 mm；

（3）年產(chǎn)量：約6 000 t；

（4）控制方式：DCS分區(qū)控制，控溫精度≤±2℃；

（5）溫度均勻性：預(yù)熱帶/冷卻帶截面上下最大溫差≤±50℃，燒成帶及保溫帶截面上下最大溫差≤±20℃；

（6）最高工作溫度（三角錐溫度）1 400℃；

（7）煙氣排放、噪音：符合國家標(biāo)準(zhǔn)；

（8）窯內(nèi)氣氛控制：從氧化性氣氛和還原性氣氛間連續(xù)可調(diào)；

（9）燃料類型：天然氣［QDW≥3 400 kJ/m3，工作壓力：10～15 kPa（相對于大氣壓）］。

（10）推車系統(tǒng)：油壓推桿機，速度在1～10 mm/s之間連續(xù)可調(diào)；

2　設(shè)計方案

2.1隧道窯的結(jié)構(gòu)及配套設(shè)備

根據(jù)隧道窯的產(chǎn)量及產(chǎn)品的燒成曲線進行熱工計算（因過程復(fù)雜，此處省略計算過程），按照隧道窯的傳熱及冷卻方式，最終確認(rèn)窯爐的設(shè)計參數(shù)如下：

（1）隧道窯總長度98 m，其中預(yù)熱帶32 m，燒成帶15 m，冷卻帶51 m（包括急冷帶、緩冷帶和尾冷帶）；

（2）窯爐排煙方式：風(fēng)機強制排放；

（3）總裝機容量：70 kW；

（4）全窯燒嘴數(shù)量：48只；

（5）氣氛調(diào)節(jié)方式：通過調(diào)節(jié)風(fēng)燃比確保窯內(nèi)氣氛從氧化性氣氛到還原性氣氛間方便可調(diào)（可通過火焰顏色來直觀判定）。

（6）產(chǎn)品載體：臺車式窯車，窯車數(shù)量70臺，窯內(nèi)容納49臺；

（7）窯車推進速度：2.5～4 h/臺車（連續(xù)可調(diào)）；

（8）窯爐配套設(shè)備：窯頭自動轉(zhuǎn)運車1臺；窯尾自動轉(zhuǎn)運車1臺；自動回車機3套；裝車升降平臺1套；卸車升降平臺1套。

窯爐及配套設(shè)備平面布置如圖1所示。

圖1　窯爐及配套設(shè)備平面布置示意圖

2.2窯爐組成

2.2.1燃燒系統(tǒng)

窯爐燃燒系統(tǒng)主要包括燃氣管路系統(tǒng)和燒嘴控制系統(tǒng)。

燃氣管路系統(tǒng)主要由管道、閥門（包括手動球閥、電動球閥、電磁切斷閥）、調(diào)壓閥、過濾器等組成。經(jīng)管道輸送來的燃氣，經(jīng)調(diào)壓后進入各區(qū)支管，在燒嘴內(nèi)與助燃風(fēng)混合燃燒后直接進入窯內(nèi)。

燒嘴控制系統(tǒng)采用燃氣高速等溫?zé)臁ＨG48只燒嘴（均采用國產(chǎn)高速等溫?zé)?，助燃風(fēng)管徑DN50，燃氣管徑DN20，助燃風(fēng)壓力2～2.5 kPa，最大功率約為110 kW），其中預(yù)熱帶8個（均位于窯車下部火道部位），燒成及保溫帶36個，緩冷帶4個。預(yù)熱帶燒嘴具有遠程自動點火及火焰監(jiān)視功能；燒成帶燒嘴分成4個控溫帶，采用DCS分區(qū)控制系統(tǒng)，每個控溫帶包含8～10只燒嘴，上下交錯分布；根據(jù)隧道窯運行工況穩(wěn)定的特點、同時為了降低設(shè)備造價，燒成帶的燒嘴均采用手動點火方式；其余4只燒嘴均位于緩冷帶，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求考慮是否需要點火。

2.2.2通風(fēng)管路系統(tǒng)

窯爐通風(fēng)系統(tǒng)包括風(fēng)機、管道和閘閥。風(fēng)機包括排煙風(fēng)機、助燃風(fēng)機、抽熱風(fēng)機、冷卻風(fēng)機及氣幕風(fēng)機。管路及閥門等優(yōu)化設(shè)計與布置，滿足燒成制度與溫度均勻性要求。

排煙系統(tǒng)采用機械排煙方式，窯內(nèi)煙氣經(jīng)預(yù)熱帶各排煙口、兩側(cè)煙道后首先焚燒，盡可能減少煙氣中的有害物質(zhì)對環(huán)境造成的危害。焚燒后的煙氣余熱流經(jīng)煙氣換熱器后，由排煙風(fēng)機強制排入排空煙囪。排煙風(fēng)機采用變頻控制技術(shù)，與設(shè)置在預(yù)熱帶的壓力變送器相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)預(yù)熱帶窯壓的自動控制。經(jīng)過換熱器的熱空氣被連通冷卻帶的被抽熱風(fēng)機抽取窯內(nèi)的熱空氣直接送入干燥室進行坯體干燥。助燃風(fēng)采用冷卻帶抽取的熱空氣（溫度控制在200℃左右），從而達到節(jié)能減排的目的。排煙風(fēng)機、抽熱風(fēng)機及助燃風(fēng)機所用軸承均為耐高溫軸承，確保風(fēng)機的長期運行穩(wěn)定性；為保護風(fēng)機葉輪，在排煙風(fēng)機、抽熱風(fēng)機和助燃風(fēng)機的進風(fēng)口部位均設(shè)有兌冷風(fēng)閥，用于調(diào)控進入風(fēng)機的熱氣體溫度，從而減少因溫度過高對風(fēng)機葉輪帶來的變性損害。

為了保護窯具及燒成后的磨具，鼓入窯內(nèi)的急冷風(fēng)采用爐壁換熱系統(tǒng)進行加熱，盡可能減少因急冷風(fēng)溫度過低帶來的窯具損壞。所有風(fēng)機均采用減震系統(tǒng)，盡可能減小振動對風(fēng)機造成的傷害，同時有利于減少環(huán)境中的噪音強度。

在預(yù)熱帶第一輛車的位置有兩道氣幕，氣流自窯頂和兩側(cè)墻高速噴入，以阻擋窯內(nèi)熱氣流外溢窯外冷空氣進入。同時預(yù)熱帶設(shè)有攪拌風(fēng)系統(tǒng)，采用小噴管技術(shù)，在預(yù)熱帶的多點噴入窯內(nèi)，形成攪拌氣流，均衡預(yù)熱帶上下溫度。

窯爐冷卻帶采用直接冷卻與間接冷卻相結(jié)合的方式，設(shè)有急冷控制系統(tǒng)，抽熱及間接冷卻系統(tǒng)，窯尾冷卻系統(tǒng)。抽熱系統(tǒng)的余熱為較潔凈的空氣，在引風(fēng)機的作用下直接抽送干燥窯對陶瓷磨具坯體進行烘干。

2.2.3檢測及控制系統(tǒng)

（1）溫度控制

溫度控制采用分區(qū)控制，通過各控溫區(qū)的閉環(huán)控制系統(tǒng)組件，實現(xiàn)窯爐內(nèi)溫度的準(zhǔn)確溫度控制，窯溫控制精度高。

該隧道窯的48只燃燒器被分為6個控制區(qū)，每個控制區(qū)由DCS分區(qū)控制，可按程序控制器設(shè)定曲線自動調(diào)整爐內(nèi)溫度；全窯共設(shè)置19個頂部控溫點，其中1～4號溫控段分布在預(yù)熱帶，5號溫控段位于預(yù)熱帶和燒成帶的連接處，6～9號溫控段分布在燒成保溫帶，10號溫控段位于急冷帶，11號溫控段位于緩冷帶，12～19號溫控段分布在尾冷帶。綜合考慮窯爐操作工的操作習(xí)慣以及陶瓷磨具的燒成溫度制度、壓力制度和氣氛制度，同時兼顧控制線路的簡潔性、施工難易程度、設(shè)備建造及運行成本，19個溫控段中，5～9號及11號溫控段為自動控溫段，采用DCS分區(qū)控制系統(tǒng)，其余各段為手動控溫段。

（2）氣氛控制

窯爐氣氛主要分為三種：氧化性氣氛、還原性氣氛和中性氣氛。98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯的氣氛控制是通過調(diào)節(jié)燃料和空氣的配比來實現(xiàn)的，也可通過火焰的顏色判斷氣氛的性質(zhì)。氧化性氣氛條件下空氣系數(shù)較大，火焰清晰明亮，可以清楚地看到料跺；還原性氣氛時助燃風(fēng)量略微不足，火焰昏濁，不容易看清料跺；中性氣氛一般在陶瓷磨具中不常使用。陶瓷磨具的氣氛不同，燒成氣氛也不太一樣，一般情況下，剛玉磨具的燒成氣氛偏中性或弱氧化性，碳化硅磨具的燒成氣氛為強氧化性。

（3）壓力控制

壓力控制的最終目的還是是為了保證窯爐的溫度控制和氣氛控制。全窯共設(shè)置4個壓力測試點，分別位于預(yù)熱帶、預(yù)熱-燒成帶、燒成-急冷帶、尾冷帶，均由微差壓變送器測量。其中預(yù)熱帶窯壓與排煙風(fēng)機相關(guān)聯(lián)、尾冷帶窯壓與抽熱風(fēng)機相關(guān)聯(lián)。其控制原理為：微壓差變送器測得的壓力信號傳送給控制器和指示儀表顯示其實際壓力，當(dāng)預(yù)熱帶壓力超過設(shè)定值時，報警提示操作人員處理。

（4）窯爐計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)分為工業(yè)控制計算機、控制軟件、控制器三個部分，工業(yè)控制計算機作為數(shù)據(jù)管理平臺，進行數(shù)據(jù)處理和功能顯示。

控制軟件基于微軟的Windows系統(tǒng)的操作平臺，可實現(xiàn)溫控曲線的運行、實時數(shù)據(jù)采集和管理、模擬工藝運行畫面、分級報警提醒和報警記錄、歷史趨勢曲線查詢、報表打印等功能。

98 m隧道窯的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)摸擬量與開關(guān)量的控制，具有功能強、可靠性好等特點?？蓪崿F(xiàn)自動/手動雙向無擾切換。同時該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)動態(tài)管理，對各區(qū)的給定、實測、偏差、控制狀態(tài)進行適時顯示與監(jiān)控，并用功能鍵提示操作；實現(xiàn)各區(qū)P.I.D等控制參數(shù)的自動調(diào)用并實時顯示?？赏瑫r設(shè)置、保存多條燒成溫度曲線，便于用于根據(jù)產(chǎn)品種類的不同選擇設(shè)定不同的燒成溫度曲線，并將對應(yīng)的曲線保存在控制系統(tǒng)內(nèi)。點火操作前可將對應(yīng)的燒成曲線調(diào)出，待窯爐溫度制度、氣氛制度和壓力制度達到設(shè)定值后，隧道窯將按選定的產(chǎn)品燒成曲線運行。

整個控制系統(tǒng)具有信號報警、信號聯(lián)鎖、聯(lián)鎖保護功能；系統(tǒng)可動態(tài)顯示窯內(nèi)各熱電偶的設(shè)定值和跟蹤值、助燃風(fēng)溫度、排出煙氣的溫度、抽取的熱空氣的溫度、天然氣的壓力；在家裝流量計的條件下可動態(tài)顯示助燃空氣及天然氣的瞬間流量及總流量，并可實現(xiàn)窯用設(shè)備的能源管理，為企業(yè)節(jié)能減排提供切實的數(shù)據(jù)支持。

該控制系統(tǒng)可完成上位機工藝曲線的總設(shè)定、修改，并可實現(xiàn)窯爐運行狀態(tài)的動態(tài)管理；軟件可實現(xiàn)窯爐模擬圖顯示，并動態(tài)顯示各燒嘴的燃燒狀態(tài)及窯爐系統(tǒng)各檢測控制參數(shù)值（包含窯爐各溫度段的溫度參數(shù)、各壓力點的壓力參數(shù)、燃氣壓力參數(shù)、助燃風(fēng)壓力參數(shù)等）。燒成歷史工藝參數(shù)至少可以保留五年的時間，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格，為工藝人員進行產(chǎn)品性能分析提供充實的數(shù)據(jù)；根據(jù)需要設(shè)置的各類參數(shù)高低限報警（包括燃氣壓力高低限報警；助燃風(fēng)、排煙風(fēng)和抽熱風(fēng)超溫報警；風(fēng)機、轉(zhuǎn)運車、推車機、回車機故障報警），時刻提醒操作人員對必要的窯爐操作進行必要的干預(yù)和修改，實現(xiàn)窯爐長期運行安全性和穩(wěn)定性；配備的打印機能實現(xiàn)窯爐運行曲線、歷史趨勢、實施數(shù)據(jù)的在線打印功能。

2.2.4窯體與窯車

窯體由窯體鋼結(jié)構(gòu)和耐火材料砌體組成。

窯體鋼結(jié)構(gòu)：側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)主要采用矩形管，外用冷板制作裝飾面板，可根據(jù)客戶要求噴涂相應(yīng)的防護油漆；窯頂?shù)趿翰捎眯弯摷庸?，與側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)焊接在一起，整個鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、美觀大方。

耐火材料砌體：在隧道窯的預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶，根據(jù)窯內(nèi)使用溫度不同，窯墻及窯頂分別由不同使用溫度的莫來石隔熱磚、高鋁隔熱磚、粘土隔熱磚、硅酸鋁纖維、硅酸鈣板及防火板組成。窯頂采用吊掛式平頂結(jié)構(gòu)，所有窯頂耐火磚均為高強度輕質(zhì)莫來石磚；為減輕窯頂重量和窯頂磚的蓄熱，同時為了防止窯內(nèi)氣體通過窯頂砌體外溢，根據(jù)不同的溫度區(qū)間，不同部位的窯頂磚上鋪設(shè)不同厚度的硅酸鋁耐火纖維毯。

窯車：該隧道窯采用臺車式窯車。為減少隧道窯窯車的蓄熱，同時減輕油壓推車機的運行負荷，窯車砌體同樣采用全輕質(zhì)耐火材料。為保證窯體與窯車的配合，窯墻上將設(shè)置曲折密封和砂封，通過增加氣流流經(jīng)路徑上的阻力來減少熱氣體向車下運行，從而減輕溫度過高給窯車車輪造成損害。與窯墻匹配部位的窯車用曲封磚采用特殊設(shè)計的異形輕質(zhì)莫來石耐火磚。在溫度超過1 000℃的砌體托架部位設(shè)置車下冷卻風(fēng)系統(tǒng)，利用風(fēng)機鼓入的冷風(fēng)形成氣幕，從而減少熱氣體向窯車下部流動。

3　窯爐調(diào)試運行性能參數(shù)

98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯投產(chǎn)后，該企業(yè)的產(chǎn)品性能明顯提高，產(chǎn)品能耗明顯下降，工人的勞動強度明顯降低，贏得了業(yè)主和同行的廣泛贊同。具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

3.1高產(chǎn)量

傳統(tǒng)陶瓷磨具自動燒成隧道窯裝載尺寸為：寬×高=1 300 mm×750 mm；98 m寬體隧道窯裝載尺寸為：寬×高=1 950 mm×1 000 mm，從而使得在推車速度一定的條件下，產(chǎn)量從傳統(tǒng)陶瓷磨具自動燒成隧道窯的1.1～1.2 t/臺車提升至2.2～2.4 t/臺車，產(chǎn)量成倍提高。

3.2低單位能耗

全輕質(zhì)窯體及較高的產(chǎn)量使得本次設(shè)計的98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯在最高燒成保溫溫度1 280℃的條件下，天然氣消耗量下降為155～160 m3/t（傳統(tǒng)陶瓷磨具在1 250℃的燒成保溫溫度下天然氣消耗量下降為180～220 m3/t）；若通過改變結(jié)合劑來降低產(chǎn)品的最高燒成保溫溫度，產(chǎn)品能耗將進一步降低。

3.3溫度均勻性較高

98 m寬體隧道窯采用的平吊頂結(jié)構(gòu)可有效降低隧道窯上下部位的溫差，小功率、多分布的燒嘴安裝特點有利于整個燒成系統(tǒng)的溫度均勻性，最終經(jīng)過測溫車測定，不同溫度段的窯爐橫截面溫差結(jié)果為：預(yù)熱帶溫差為30～50℃；燒成保溫帶溫差為± 10℃；冷卻帶溫差為20～40℃。

3.4先進的窯爐智能化控制系統(tǒng)

98 m寬體隧道窯采用計算機分區(qū)控制和智能儀表控制相結(jié)合的控制方式（兩套控制系統(tǒng)互為備用，保證在任何一個控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題的條件下，隨時將窯爐切換至另外一套控制系統(tǒng)，保證了窯爐長期穩(wěn)定運行），各溫度帶的溫度實現(xiàn)了智能化自動調(diào)節(jié)，避免了因人工調(diào)節(jié)的滯后性和溫度不均勻性帶來的產(chǎn)品質(zhì)量問題，同時也減少了操作工人的數(shù)量，節(jié)約了人力資源成本。整條隧道窯具有危險信號分級控制、自動報警、燃氣斷電自動切斷的功能，最大限度地降低了窯爐運行的風(fēng)險；歷史數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)可存儲5～10年內(nèi)的窯爐運行數(shù)據(jù)，為工藝人員開發(fā)新產(chǎn)品、實時掌握窯爐運行參數(shù)提供了數(shù)據(jù)支持。

3.5自動化的進出車控制系統(tǒng)

98 m寬體隧道窯窯頭轉(zhuǎn)運車和窯尾轉(zhuǎn)運車具有窯車到位自動識別、窯車進出窯爐自動運行、轉(zhuǎn)運車自動對軌的特點，避免了因人工進車、出車的速度不均衡給產(chǎn)品造成的破壞，同時降低了工人的勞動強度，降低了廢品率。

3.6機械化的回車控制系統(tǒng)

位于回車軌道上的兩臺回車機完全機械化操作，降低了裝車、卸車工人的勞動強度，提高了效率。

3.7高效余熱利用系統(tǒng)

98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯的余熱完全用于該公司陶瓷磨具產(chǎn)品坯體的干燥，省去了輔助加熱系統(tǒng)帶來的能耗，節(jié)能效果十分顯著。

4　推廣應(yīng)用前景

我公司研制的98 m陶瓷磨具自動燒成隧道窯具有裝載量大（單車裝載量2.0～2.4 t），產(chǎn)量高（年產(chǎn)量可達6 000 t），單位產(chǎn)品能耗低（天然氣消耗量150～160 m3/t），控制系統(tǒng)先進（DCS分區(qū)控制系統(tǒng)），有效降低了人工進出車對產(chǎn)品質(zhì)量帶來的影響；機械化的回車系統(tǒng)顯著降低了工人的勞動強度；高效的余熱回收利用系統(tǒng)不但進一步降低了產(chǎn)品的整體能耗，并且順應(yīng)了國家節(jié)能減排的號召，該系統(tǒng)值得在磨料磨具企業(yè)推廣。

［1］王改民.磨具工業(yè)熱工過程及設(shè)備［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

98 m Automatic-Tube-Kiln for Ceramic Grind Sintering

YU Shenglei，HAN Yi，WANG Hongmeng，XING Shutao，ZHAO Xinli
（SIPPR Engineering Group Co.，Ltd，Zhengzhou 450007，China）

The new developed 98 m automatic-tube-kiln for ceram ic grind sintering has many advantages，such as small difference in temperature of the section，high trolley load，high producing，low energy consumption of per unit production and the advanced control system.The automatic import and vehicle system equipped with the tube kiln can effectively reduce the effect on the quality of products with the artificial loading，the mechanized carriage-returning system significantly reduced the labor intensity of the workers；efficient waste heat utilization system can significantly reduce the overall energy consumption of the products，which has a good popularization and application prospect.

tube-kiln；automatic sintering；high producing；low energy consumption；energy saving and emission-reduction

TQ174

B

1001-6988（2016）04-0020-04

2016-03-21

于勝磊（1982—），男，工程師，主要從事工業(yè)窯爐的設(shè)計、制造和研發(fā)工作.