中国陶瓷热工技术和窑炉的发展水平与前景
作者：高 力 明

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来源：中国陶瓷  发布时间：2013-7-23

摘 要：对 20 世纪最后 20 年我国的窑炉热工理论研究与技术开发做了一个回顾，在此基础上对陶瓷窑炉及其产业的发展水平和前景做了展望。将回顾的结果归纳成 1 4 个问题，逐一做了评述；然后指出我国已经形成了初具规模、技术水平较高、配套基本齐全的陶瓷窑炉产业，主要窑型—辊道窑、窑车式隧道窑和梭式窑均已达到或接近 2 0 世纪 9 0 年代国际先进水平。现在，我国的陶瓷窑炉产业不仅已经可以为国内的陶瓷行业提供成套的优质窑炉装备，而且还可为其他一些行业提供部分的工业炉装备，并已具有出口这些窑炉装备的能力。
关键词：陶瓷,窑炉,工业炉,热工技术,窑炉产业 

1引 言

  国外陶瓷工业的窑炉热工技术从 20 世纪 50 年代末开始至 70 年代初，随着燃料结构的改变，即由燃煤、重油等转向使用天然气、液化石油气和轻油等，实现了窑炉热工技术的三大突破：(1)高速调温烧(喷)嘴的发明和使用；(2 )新型、高级耐火材料和隔热材料的广泛使用；(3)精密完善的自动控制系统的采用。在这三大技术突破的基础上，产生并发展了以推板窑、辊道窑为连续式作业窑炉代表，以梭式窑（抽屉窑）、高帽（钟罩窑）为间歇式作业窑炉代表的全新一代窑炉。

  随着中国的改革开放，自上世纪80 年代开始从国外引进了一批先进的窑炉设备，同时也引进了相应的热工技术。随着设备及技术的引进、改革的深入和开放的扩大，人们的观念也发生了根本性的转变。由于经济体制的转型，对于陶瓷工业及窑的要求，也由过去奉行的“高产、优质、低消耗”逐渐转向追求“优质、低耗、高产、灵活、绿色”等更能适应新的经济体制的目标。

  我国的陶瓷窑炉热工理论工作者也为我国窑炉热工技术的进步做出了自己的贡献。自上世纪 80 年代初就积极投身于引进设备和技术的消化、吸收，以及后来的仿制、创新工作。他们很快就学会并掌握了计算机技术，接着在原有工作的基础上，同时开展了数学分析研究、物理模型的试验研究和数学模型的数值模拟研究，在多方面取得了一大批有价值、水平较高的成果。通过这些研究，使人们对窑炉中的热工过程有了更深入的了解，对于其中的若干重要问题有了一些新的认识。这些具体成果和认识的提高，对于热工技术的发展和窑炉结构、作业的进步有较大的指导意义，并产生深远的影响。在热工理论研究、技术引进与自主开发的基础上，各窑炉公司先后研制、开发出许多优秀的陶瓷工业窑炉，对一些技术问题有了更新、更深入的了解，并在窑炉产业界基本达成了共识。

  改革开放以来，经过一代人的不懈努力，我国已经形成了初具规模、技术水平较高、配套基本齐全的陶瓷窑炉产业，主要窑型—辊道窑、窑车式隧道窑和梭式窑均已达到或接近 20 世纪 90 年代国际先进水平。现在，我国的陶瓷窑炉产业不仅已经可以为国内的陶瓷(建筑卫生陶瓷、日用陶瓷、电工陶瓷、电子陶瓷等)行业提供成套的优质窑炉装备，而且还可为化工、冶金、环保等行业提供部分工业炉装备，已具有出口这些窑炉装备的能力。近二十年来，我国陶瓷窑炉的技术进步和陶瓷窑炉产业的形成与发展是有目共睹，并为世人所称道的。

  陶瓷窑炉产业形成与发展的推动力是改革开放的国策，建筑卫生陶瓷行业的大发展，国外先进装备和技术的引进。经过广大企业家、工程技术人员及全行业员工的努力，才形成今天的局面。它是来之不易的。因此，我们应该珍惜它，并且共同努力维护它，以促使它有更大的发展。

  借此机会，想就中国的陶瓷窑炉热工理论研究和技术开发、陶瓷窑炉的发展水平与前景等谈几点看法和意见，以与中外陶瓷学术界和产业界进行交流与切磋。
2 陶瓷窑炉热工理论研究和技术开发的进展

  我们曾对这些理论研究工作和技术开发进行了回顾，现将其归纳成 14 个问题，然后每一做出评述和展望。上世纪最后 20 年，我国的陶瓷窑炉热工理论研究和技术开发大致集中在以下一些方面：
2.1 对受限射流（流股）的作用的认识

  高速调温烧（喷）嘴的发明和使用，使窑内的热工过程发生很大的变化：气流搅动剧烈，温度均匀性极好，尤其是在低温带或低温阶段效果更佳。这就需要从理论上给出解释。研究工作者利用热工理论对高速调温烧（喷）嘴中的燃烧和流体流动过程、窑膛内受限射流（流股）的作用等给出了比较充分的说明，从而促进了高速调温烧（喷）嘴的推广和进一步的研发。
2.2 中空窑与非中空窑的划分

  中空窑的特点是装载制品较少，多为单层平装，窑膛内表面的温度较高，其热辐射在传热中的作用较大，加热快而均匀，易实现快速烧成。冶金工业中的炼钢平炉、玻璃工业池窑、陶瓷工业辊道窑和许多电热窑等均属于中空窑。陶瓷工业传统的隧道窑、倒焰窑等由于装窑密度较大，则属于非中空窑。中空窑相对于非中空窑有明显的优点，因此充分认识中空窑的特性，并加以推广是很有必要的。研究工作者对于中空窑与非中空窑的划分、中空窑特性的研究做了开创性的工作。
2.3 窑体中稳定传热的研究

  现在利用计算机电算已可解算窑体中稳定传热的所有相关的工程问题。对于变物性、高维、多层复合壁（包括“热桥”和带空气夹层的）、任意不规则物体等的导热问题及其结构优化设计、技术经济比较等均已可用电算很好解决。
2.4 衬砌等结构中周期性热过程的研究

  周期性热过程是不定常传热中的一个特殊的典型情况。隧道窑窑车衬砌在正常工况下就处于周期性热过程中。它的显著特点是以从一次进窑至下一次再入窑的时间间隔作为“作业周期”，呈现出“周期定常”现象。我们采用电学中的四端网络对衬砌做了热电模拟，求出其传递函数，并用热响应系数、Z- 传递系数等在时域计算响应。我们还发现并命名了多层衬砌中特有的“背衬效应”，即由于表层与其下面的背衬层之间的热传递过程的交叉耦合作用，使表层的外观热特性发生变化的一种奇特效应。例如在重质表层下面砌一层轻质背衬后，会出现衬砌的蓄热量减少、外观热惰性减小、热响应速度加快、“冷壁效应”减轻等现象。这就是一个典型的背衬效应。在此研究的基础上，进一步给出了衬砌的一组热技术特性指标。利用这组指标可以对衬砌的热特性做出全面、准确的评价，特别适合于技术经济比较和选型。这组指标还可推广用于间歇式窑炉的窑体上。以上的工作是基于一维、常物性、线性系统的。后来，另外的研究工作者对于高维、变物性的非线性系统有进一步的研究，在其工作中采用了 F E M 和系统辨识等方法。
2.5 对窑炉热工对象的自动控制特性的认识与分析

  要想设计优良完善的自动控制系统，并使之正常有效地运行，那么，充分了解被控制对象的控制特性是其必要之前提。经过多年的努力，现在人们对于窑炉热工对象的自动控制特性已基本达成共识。对控制特性的研究，不同的工作者分别在频域、复频域和时域中进行，均取得了成果。在充分注意到了热工对象控制特性后所设计的自动控制系统投入运行时，效果都有明显改善。近年来，人们对窑炉的动态响应特性开始比较注意，并进一步认识到许多新式窑炉的优点正是由于采用了低蓄热、轻质窑体、窑车衬砌结构，从而改善了其动态响应特性带来的。这方面在快速烧成和间歇式窑炉中更为明显突出。有的研究者还试图通过找出某些被控制变量（如温度与气氛）之间的定量依从关系，以求解耦，从而简化自动控制系统，并使其更有效地工作。
2.6 制品在烧成过程中内部的温度场和热应力

  场的分析研究合理的烧成制度的制定，一方面要考虑坯体中的物理化学变化，另一方面则需注意其内部的温度场和热应力场。近年来，采用二维和三维有限单元法（F E M ）求解了制品在烧成过程中内部的温度场和热应力场。在求解过程中，将有制品的物化反应热效应的“内热源”问题转化成了“表观平均比热” 随温度变化的变物性问题，从而简化了求解工作。
2.7 窑内的辐射传热和综合传热的研究

  由于陶瓷窑炉有向中空窑炉发展的趋势，另外一段时间内在卫生陶瓷行业使用隔焰式隧道窑，因而推动了对窑内辐射传热的理论研究。主要采用数值模拟方法进行了研究，采用段法，应用辐射网络计算辐射传热。在计算中还用有限单元法（F E M ）求取辐射角系数。研究了陶瓷烧成用隔焰式隧道窑窑膛内的辐射传热和明焰式隧道窑中通过匣钵的综合传热。此外，还有人研究了搪瓷烧成窑中的辐射传热，并进一步对其结构进行了优化分析。
2.8 火焰温度分布的研究及其温度测量技术的进展

  在传热分析研究中，温度场是至关重要的。尤其是在实体模型试验研究和生产现场测试中，火焰和制品温度的测量更是不可或缺。近年来采用红外遥感测量技术较好地解决了火焰温度和制品表面温度的非接触遥感测量。研究了辊道窑内火焰温度分布及其受结构（如挡板设置等）的影响。目前对制品在加热或冷却过程中其内部温度场及随时间的变化的测量尚有一定的困难。这常使得这方面的数值模拟结果无从得以印证。
2.9 窑内气体的流动和对流换热的模拟研究

  窑内的气体流动和对流换热的模拟研究仍主要在相似理论的指导下，用物理实体模型通过实验方式进行。在研究对流换热时，常采取反向热流的实验方法。近年来对隧道窑预热带、冷却带，梭式窑等都曾有过试验研究，并取得了成果。
2.10 煤的气化及煤气的净化、输配技术的进展

  在中国推行煤的气化及煤气燃用技术是符合国情的，因此应该将这件事情做好。目前主要的受限条件，即“瓶颈”是投资太大和污染环境，关键技术是气化方法和设备的选择、煤种选配及其预处理、煤气净化等。两段式气化炉有一定的技术优势，可以考虑优先选用。有研究者尝试采用多目标决策分析方法对气化方法与炉型选择进行过研究。
2.11 燃烧器与燃烧技术的进展

  国内对预混式和非预混式高速烧嘴和喷嘴都已研制成功，有的并已形成系列，应用情况良好。目前还在引进和自行研究新型燃油喷嘴、低污染烧嘴。引进了脉冲燃烧技术，今后应该对这种技术加强研究、加快推广。我国的烧（喷）嘴的研制、生产一直是一个薄弱环节，严重制约了窑炉热工技术的发展，对窑炉的技术经济特性影响也很大。今后应加强研究，尽快实现规格化、系列化、产业化大生产。
2.12 管网设计计算与节能技术的进展

  管网设计计算在化工、采暖通风、给排水等专业中是很成熟的技术。它对于能耗和保证管网正常运行是很重要的。但在陶瓷等行业中却长期未得到应有的注意和重视，因而出现许多不应出现的问题。近年来，我们比较系统地引入和介绍了当量阻力法。它既可用于管道的流动阻力计算，也可用于预定阻力下的配管。进一步利用图论和矩阵方法对管网进行了拓扑分析，使管网设计更适合于电算。还强调指出了管网与通风机匹配的重要性以及对能耗的影响。
2.13 窑炉单耗的估计与计算

  窑炉热工设备的热平衡是基于能量守恒和热力学原理的。虽然它只是用静态平衡的方法处理问题，并不能说明和解决窑炉的所有重要问题，但因热平衡的概念明晰、简单，所需数据容易测量和获得，其结果对于能源使用的管理有较大的价值，因此仍受到工程技术人员和能源管理部门的重视和欢迎。刘振群在对热平衡进行必要简化的基础上提出了隧道窑中烧成制品单耗的计算公式。由该公式可使人们对于影响单耗高低的主要因素有更进一步的了解和认识。有的研究工作者利用计算机对隧道窑（包括火焰窑和电热窑）更细致地分成若干小段，分段做热平衡及传热计算。结果自然更加细致，可用于窑炉设计。
2.14 余热利用技术的进展

  陶瓷窑炉与其它许多工业窑炉一样，热利用是很不充分的，这无异于是在浪费宝贵的有限能源。因此，回收废热、利用余热永远应该是热工工作者的重要任务之一。余热利用主要是技术手段和经济上的投入产出问题。一些年来，旧的、传统的余热利用设备和装置，如隧道窑上装设的余热锅炉等逐渐被淘汰，而另外一些新的技术及设备，如热管（及其换热器）、热泵等开始试验使用。现在，人们已经普遍认识到：只有优质、低耗、绿色的陶瓷产品和窑炉产品才会有市场。为此，我们必须与国际接轨，参照发达国家走过的发展的必由之路，即在燃料结构洁净化的基础上，抓住热工技术三项突破的几个主要问题，在高速烧(喷)嘴及燃烧技术，自动控制技术，辊棒、砌筑材料及窑具材料上舍得投入，大力研究开发，必要时可以引进技术或产品(包括零部件)。一切都要以做出优质的窑炉，最终烧出优质陶瓷制品为终极目的。当然，在窑炉的研发过程中，也应遵循简单实用的原则。用较小的投入，以期获得较大的产出总是人们所最希望的。
3 陶瓷工业窑炉及其产业的发展水平与前景

  随着我国国民经济的迅速发展、人民生活水平的大幅度提高以及人们的一些陈旧观念的改变，厨房、卫生间在住宅中的地位发生了根本性的变化。作为住宅及其厨房、卫生间的主要装修材料及设备—日用陶瓷和建筑卫生陶瓷，尤其是高中档的产品的需求大增。另外，电工陶瓷等的需求也大幅增长。由此带动了传统陶瓷行业的迅猛发展，烧成陶瓷制品的关键设备—窑炉也因此而有了巨大的市场和长足的进步。现在，在这一行业中，窑型多种多样，已广泛采用洁净燃料，一些窑炉的主要技术经济指标也已达到或接近国际先进水平，从而可为陶瓷行业提供强大而坚实的技术支持，使该行业走上可持续发展的健康之路，并为用户提供足够数量的优质窑炉，逐步取代进口产品并可望出口部分产品。另外，窑炉作为“产品”也将走向国际市场，参加全球性竞争。在此，我们认为有必要介绍近几年来在陶瓷行业中窑炉的发展情况和水平，及时推介一些国内设计建造，已成功运行的技术经济指标先进、技术成熟的优秀窑炉，让更多的中外窑炉用户了解这些动向，以进一步推进国内外窑炉市场的发育成长，共同为陶瓷窑炉产业的发展做出自己的贡献。长期以来，我国传统陶瓷烧成用窑炉一直不够先进，多数只能生产中低档产品。经过近二十年来的引进、仿造、研究与开发，我国的窑炉的技术水平得到迅速的大幅度的提升。传统陶瓷烧成用窑炉的三种主要窑型—辊道窑、窑车式隧道窑和梭式窑均有了飞跃的进步。它们的的主要的技术进步和特点可以归纳如下：
1)、多采用明焰裸烧工艺。燃烧产物与制品直接接触，热交换充分，制品受热均匀，可以实现低温快烧。
2)、采用低导热率、低蓄热的轻质耐火或隔热材料。窑墙及窑顶砌体大量使用耐火纤维，窑车衬砌采用轻质、低蓄热材料及合理的结构，因而使窑炉升、降温快，保温好，窑体外表面及车下温度低，散热及蓄热均少，从而大大降低了能耗。
3)、窑膛空间结构、断面构造设计及气幕等设置合理。
4)、采用天然气、液化石油气或轻柴油等洁净燃料，选用高速调温烧（喷）嘴，并采用合理布置、分组控制的方式设置燃烧系统。高速调温烧嘴喷出气体速度可大于 100m/s，质量流量大，搅动剧烈，温度又可调，从而大大强化了窑内尤其是低中温段的对流换热，使窑内制品加热极为均匀，烧成周期大为缩短。还可以通过改换燃料供应系统和烧（喷）嘴来适应对燃料有变更要求的用户，拓宽适应范围。
5)、窑炉的温度、压力、气氛及流量等参数的自动控制一般已用计算机控制，并多采用先进的控制算法，例如多变量模糊控制（FC， Fuzzy Control）结合 P I D 的控制算法，通过计算机、模糊控制器、可编程序控制器（P L C ）和智能仪表，实现高精度的自动调节、控制和管理。控制系统的关键部位尚多选用进口设备，以充分保障窑炉运转和使用的可靠性，且使维护修理费用大幅度下降，从而降低窑炉运行成本。
6)、配置了合理的通风工作系统。不仅全面地满足了窑炉的工作要求，而且还做到了通风机与管网的良好匹配，从而减少了电能的消耗。窑炉进出风管多采用不锈钢材质。既可防止污染制品，又增加了管道的使用寿命。
7)、自动进出窑系统、窑车运转系统、步进回车系统等均采用 P L C 实现全自动程序控制，从而大大降低了操作人员的劳动强度。现代化的安全和报警系统设施、科学化的连锁程序编排，还大大提高了窑炉操作的安全性和可靠性。
8)、采用先进的计算机控制和管理软件使操作变得简单直观和人性化，且更利于数据的积累与分析，进而实现对窑炉的科学化管理。
9)、窑炉装配化程度高。可全部在工场制造，再在现场组装，因而施工周期短，且适合于模数化生产。

  作为一个概貌的介绍，表 1 至表 3 列出了国内一些窑炉公司的传统陶瓷烧成用窑炉的三种主要窑型的若干技术经济指标及与国外某些相关窑型的对照。
  由表 1 至表 3 可以看出，传统陶瓷烧成用窑炉的三种主要窑型的主要技术经济指标，如烧成周期、烧成气氛、控制方式、温度控制精度、所需操作控制人员数、使用寿命、窑体外壁面温度等均已达到国外同类型窑炉的先进水平，而部分技术经济指标，如投资额、建设周期、烧成合格率、单位产品能耗和维修等还优于进口窑炉，因此，是替代进口的理想产品。

  从以上的介绍和对照中可以看到我国传统陶瓷烧成用的窑炉经过近年来的迅速发展和提升，已经达到国际先进水平，进入了成熟期，并将会在较高水平的“平台”上稳定一个时期。这些窑炉相对于进口窑炉已有较强的竞争力。目前应该增加这些窑炉的产量，迅速推广，以产生更大的经济效益和社会效益。在此，也希望中外窑炉用户了解这一动向，并予以选用。

  然而，科学技术的进步是没有止境的。况且我国目前的窑炉及其产业也都还存在一些明显的不足之处，例如，对于高速烧(喷)嘴及相关的燃烧、控制、窑内过程的理论研究和技术开发均较薄弱。烧(喷)嘴和自动控制仪表、调节器等主要还依赖进口，亟待加强这方面的基础性研究开发工作。应组织一些窑用关键部件（烧嘴，自动化仪表、元器件等）的攻关，并实现产业化生产，争取早日国产化，以取代进口。以我国目前窑炉产业的技术水平和实力，已可组织窑炉成套出口。应尽可能多地占领中档以下窑炉的国际市场，并争取向高端窑炉的国际市场进军。

  陶瓷窑炉产业在自身的迅速发展和走向全球化的进程中，除了科学研究和技术开发之外，还有一个问题是不容忽视的，那就是标准化。在标准化这一基础性建设中，首先要做好窑炉结构的定型与规格系列化工作。这项工作需要陶瓷窑炉产业所有公司全体同仁的共同参与和努力才能做好。

  目前，我国的陶瓷窑炉产业虽然已经形成，并已有了较大的发展，但公司总数偏多，规模普遍偏小，且一般没有独立的科研力量，技术开发能力也有待加强。今后应进一步完善陶瓷窑炉产业的内部结构，通过正当竞争发展优势企业，逐步形成大而强的龙头企业，并增强企业内部的研发能力。对于技术的开发，既要加强自主开发，也要注意技术引进；既要追求先进，与国际接轨，也要讲求实效，以实用、简单为原则。还应加强与高校、研究设计单位的协作与联合，走产学研三结合的道路。

  另外，现代的陶瓷窑炉已远非是昔日的土木砖石“构筑物”，而早已变成了机电一体化、有较高技术含量的综合技术产物－—“烧成机器”。窑炉上安装使用了大量的新材料和机电产品，因此仅仅依靠窑炉公司自身的力量是不可能研发和生产所有这些材料和产品的。窑炉公司只有通过与众多的相关产业的协作，才能完成建设窑炉项目的任务。与陶瓷窑炉产业密切相关产业有燃料化工，燃烧设备、耐火材料、通风机、自动化仪表设备制造产业等。今后应进一步加强与这些相关产业的协作，以获得双赢的结果。
 

参 考 文 献
[1] 刘振群．建筑陶瓷辊道窑分析比较．全国性建材科技期刊－陶瓷，1994(6)：14－15
[2] 高力明．中空窑的若干热特性．全国性建材科技期刊－陶瓷，1994(6)：25－28
[3] 高力明．我国陶瓷窑炉产业及其市场的形成与发展．中国陶瓷，2004年增刊：7—9
[4] 余阳春，傅力．日用瓷高温烧成辊道窑研制开发的几点体会．中国陶瓷，2004年增刊：11—13
[5] 徐胜昔．从卫生瓷烧成隧道窑的技术开发看窑炉发展趋势．佛山陶瓷，2004年增刊：19－22
[6] 徐胜昔．梭式窑在卫生陶瓷中的应用．中国建筑卫生陶瓷，2004(7)：56－59
[7] 高力明．对于辊道窑的结构定型与规格系列化的几点意见．
[9]张雄福,王金渠,殷德宏,刘长厚.Cuihua Xuebao(Chinese J.Catalysis),21(2000)5,451.
[10]Tuan V.A.，Falconer J.L.，Noble R.D. Ind.Chem.Res.，38(1999)，3635