陶瓷生产中的温度参数及温度控制
作者：程春明, 程昭华

来源：佛山陶瓷    发布时间：2013-7-27

   “原料是基础，成型是条件，烧成是关键”，在陶瓷的发展中，烧成一直是至关重要的。其实，烧成，狭义地说是温度的控制。从远古的肉眼看火，至当代的热电偶、热电阻、光学高温计等先进测量设备测量，都是了解烧成过程中的温度参数。陶瓷生产，特别是现代的广义陶瓷生产（建筑卫生陶瓷、艺术陶瓷、日用陶瓷、特种陶瓷等），由于它们各自的特殊工艺性能要求对温度的要求更为严格!所以对陶瓷生产中的理论温度、实际温度等温度参数进行一番深入了解是非常有意义的。在此主要从建筑陶瓷角度出发去剖析陶瓷生产中的温度参数及温度控制。
1 温度参数
1.1理论温度

  在陶瓷生产领域里，理论温度是个广义的温度概念，热工方面有，工艺方面也有，怎样去分别众多的温度表述。
1.1.1 理论燃烧温度

（1）量热计式燃烧温度：这是指在绝热条件下的燃料燃烧放出的全部热加热砖坯的温度。事实上在生产上是不可能的。
（2）理论燃烧温度：燃料燃烧放出的全部热量，补偿高温时燃烧产物中部分CO2、和水的分解反应吸收掉的热量后，加热燃烧产物所得的温度。从理论燃烧温度可以看出，这种温度在实际操作中具体意义不大，但它对窑炉设计时燃料选择及燃料质量好坏确定有指导作用。在广义陶瓷领域里，通常存在固体燃料（如煤等）、液体燃料（如柴油、重油等）、气体燃料（如天然气、发生炉煤气、液化石油气等）和电这四类热能来源。这些热源的理论燃烧温度是各不相同的，所以不同的窑炉生产不同的品种、产量等，通过热平衡计算，从而确定所需的热源。在现代陶瓷墙地砖生产中，普遍运用的是柴油、重油、发生炉煤气等。
1.1.2  理论烧成温度

  通常陶瓷墙地砖的生产在工艺配方确定后都要进行实验试烧，甚至在窑炉上小试。在工艺配方中，各种原材料的成瓷温度是不一样的，经过理论综合计算评估确定下来的该配方的烧成温度（达到产品工艺质量指标所需的最高烧成温度）就是理论烧成温度。
1.1.3 理论烧成曲线

  跟理论烧成温度性质相同，理论烧成曲线就是配方在实验、小试过程中的随时间梯度而对应的温度制度，通过这两种梯度绘制的温度曲线。
1.1.4 矿物的理论温度

  陶瓷墙地砖的配方组成中有Al、Si、K、Na、Mg、Ca、Fe、Ti等元素，基本以高岭土、长石、石英等矿物存在。而这些矿物在不同温度下存在水分分解排除、晶型转变、物理化学反应等，如石英在573度的贝塔石英与阿发石英的晶型转变等，这些都是指矿物在实验过程中所测得的理论温度。所以诸如573-270度等的石英晶型转变；100度水沸腾蒸发；850-1050度氧化还原反应等。矿物的理论温度给在实际生产控制中提供了制定烧成曲线、干燥曲线的依据，比如急冷温度的控制、入窑水分的控制、干燥出窑砖坯含水率的控制、窑头温度及预热带温度梯度等的控制。
1.2  测量温度

  建陶企业的大规模生产对现代烧成窑炉的要求越来越严格，随着窑炉长度、宽度的加大，对测量温度仪器的选型与安装要求越来越严谨。通常在辊道窑上应用的有以下几种。
1.2.1 热电偶所测温度

  热电偶是现代辊道窑上运用最为广泛的基本测量仪器。我们通常所说的哪条窑的烧成曲线，都是指该窑上热电偶所测温度，通常操作控制也基本是从热电偶所测温度出发，但热电偶所测温度通常受对应的温度显示仪、补偿导线、热电偶分度号及使用范围的误差等（热电偶使用说明书上都有注名使用温度范围及对应的允许误差）所影响。这是由于热电偶所测的温度信号产生的电势信号在补偿导线上的传送、显示仪上的转化质量等影响而产生或多或少的误差。所以热电偶所测温度也不能真实地反映窑内的情况，除了它的余差（误差）外，也在于它所测的位置。当然因为整条窑低温区、高温区的热电偶一致和安装一致，也就有规律可循，然后可凭经验从窑尾出窑砖的质量出发去重新调整烧成曲线，不应过多受理论温度或理论曲线制约。那么热电偶所测的温度又是什么温度呢？首先，火焰温度即烧嘴外焰、内焰综合温度，只有热电偶在此区域所测温度才能反映火焰温度。而烟气温度即燃烧形成的烟气流温度，根据气体力学原理，温度高的气体密度小，往往上浮，即在炉膛内，因存在几何高度，通常存在上炉膛烟气温度高于下炉膛烟气温度的现象。砖坯温度通常实际意义上多指砖坯的表面温度，辊道窑内顶部热电偶位置往往与辊面存在20公分甚至更高的距离。综上分析，热电偶所测的温度既不是火焰温度，也不是实际烟气的温度，更不是砖坯的温度，但它可近似地认为是烟气温度。从实际生产来说，在正常生产状况下，烧成带火焰温度高于烟气温度，高于砖坯温度。由于热电偶所测温度并非砖坯温度，且热电偶安装位置点的不足，也无法反映窑内的水平温差情况，故而通常采用测温锥、测温环、光学高温计等的测量仪器
进行补充测试。
1.2.2 测温环、测温锥、光学高温计等的测量温度

  测温环、测温锥的测温原理一样，都是通过理论高温软化温度（也有的是高温成色不同），让测温环、测温锥进入窑内跟踪砖坯，通过出窑时环、锥的变形不同对应找出窑内砖坯表面烟气温度。但窑内局部温度往往易造成对环、锥软化的影响。同时，砖坯吸热除与温度有关，还与吸热时间有关，锥、环的测温也不尽完美。所以，为了找出窑内不同区域窑墙等的实际温度（正常生产下窑墙对砖坯辐射传热），通常靠光学高温计在窑炉外测量。光学高温计结合不同温度下受热物体（如窑墙、砖坯）的呈色不同的原理，通过光学高温计内灯丝不同电流下呈色不同，两者进行比色分析，认为窑内颜色与光学高温计内灯丝颜色相同，然后根据高温计的电流不同对应显示温度不同，从而确定窑内温度。虽然从理论上分析，这种测温仪灵活方便，窑内，特别是辊道窑的看火孔较多，可测不同区域的温度，但它的呈色受肉眼对颜色（通常为红色系中的不同红色）的灵敏度影响。不同的人肉眼对颜色的灵敏度不同，即便是同一个人，也因眼睛的疲劳度不同而影响对色彩的感应。但实际生产中，砖坯的实际温度从产品烧成质量上来说才是最有实际意义的。所以表面温度计的运用是相当有意义的。
1.2.3 表面温度计测温

  表面温度计通过金属片受热感应，不同温度下感应度不同，对应数显出的温度数字不同的原理工作，它的出现解决了对表面温度无法确知的难题。然目前只存在测量较低的环境温度下的不同制品的表面温度。尽管如此，在陶瓷墙地砖生产中，特别是特殊工艺砖，如渗花砖、印花砖，因渗花前的坯体表面温度对渗花深度有影响；印花前坯体表面温度对印花效果有影响；大规格砖出窑温度，特别是硅含量高的制品，因石英在270-180度时存在阿发方石英与贝塔方石英晶型转变体积收缩易导致后期裂的影响等，可见测量表面温度的重要性。
2 温度控制
2.1 辊道窑内烟气测量温度与砖坯表面实际温度的联系和差别

  通过对辊道窑中各种温度参数及温度测量方法以及测量重要性的分析，不难看出，了解窑内温度分布情况是十分重要的 （当然这些也不仅是辊道窑，隧道窑等也同样）。通常，我们把烧成辊道窑分为预热带、烧成带、冷却带，那么砖坯在窑内这三带中的温度与这三带烟气或者热气体温度的关系如何，有什么样的联系，又有什么样的差别呢？在预热带，砖坯从温度低的室温状态进入烟气温度高的预热干燥带，砖坯表面温度高，处于吸热状态，所以在预干燥带中烟气的温度是高于砖坯温度的。因为砖坯内部的温度升高依赖于坯体的传导作用，而坯体的导热性差，故内部温度升高是相当缓慢的。而同时由于坯体内水分的排除及碳酸盐的分解都是吸热过程，故可以说整个预热带烟气温度高于坯体温度，特别是快速烧成状态下和大规格制品烧成状态下，而且这种温度差是比较大的。在烧成带，砖坯由固相逐步熔融为液相，这在物理学当中就已经知道是个吸热过程。正常烧成状态下，整个烧成过程都是液相量不断增多的过程，也就是砖坯一直是个吸热过程。既然砖坯要吸热，那么加热介质—烟气的温度必须高于坯体的温度。所以在烧成带，一般都是烟气温度高于坯体温度，这时两者的温差不大。在冷却过程中，砖坯中液相转化为固相，一方面存在放热现象，同时也由于要使砖坯快速冷却，必须导入冷空气，所以在整个冷却过程中，坯体都处在一个向冷介质散热的过程，即砖坯温度高于介质温度，特别是急冷处，温差就更大。随着冷却的进行，砖坯温度不断下降，这时温差才慢慢减小。
2.2  生产过程中的温度控制

  在陶瓷墙地砖的实际生产过程中，只有对生产运行中的辊道窑温度实际控制才是最有现实意义的。然而陶瓷厂的生产不可能完全正常，这是哪个企业都无法避免的，所以对生产过程中的辊道窑进行控制，要分为“正常生产”和“非正常生产”两部分来阐述。
2.2.1 正常生产下的温度控制

  从理论上说，同一件砖坯在辊道窑内如果前中后、左中右、上中下温度均匀，那么砖坯出窑绝对是完好的，但这是不现实的，因为同一件砖坯前中后、左中右温度要均匀，它受坯体的导热性能影响，特别是在预热带与冷却带。总的来说，追求砖坯前中后、左中右、上中下温度均匀性是正常生产情况下的温度控制方向。一般而言，窑头的温度相对高些 ，那么整个预热带温度相应提高，砖坯在此段的吸热过程加长，吸热量多，这对控制后期砖坯在吸附水、结构水的排除，避免热工原因的中心裂大有作用，同时相应延长了氧化还原区，对控制砖坯的黑心、黑点、针孔等缺陷是有好处的。但如果入窑水分高，砖坯又由于边部水分急剧排除而边裂，以及内部水分未及时排除出现沸腾引起炸坯等缺陷。所以控制入窑水分乃前提条件，而预热带末期的实际温度（火焰温度）也不能太高，所以多枪小流量的燃烧状态使得砖坯升温缓慢，这对砖坯的氧化、平直度等都有好处。在烧成过程中，砖坯的上下温差控制是不容忽视的，所以不能盲目地迷信于显示仪表上所示的温度（前面已述热电偶所测温度有些什么影响因素）。在冷却过程中，一方面要注意上下冷却温度，再注重石英573度晶型转变的冷却速度，这是相当必要的。对于实际温度控制，只能是个笼统的概述，因为不同的产品种类、规格对烧成制度的影响是不一样的，例如垫板支撑烧成彩玛（或仿石砖）与裸烧彩玛的烧成制度不一样；同规格大颗粒砖、超微粉砖与普通耐磨砖不一样，产品规格越大，前中后、左中右、上中下温度均匀性则更难达到，那么三带各点的温度控制是不尽相同的。同时，同一品种，加快窑速后的烧成曲线也不同于原烧成曲线。具体操作控制方式，还得靠实践去一一掌握各自窑炉的特性。
2.2.2  非正常生产的温度控制

  非正常生产情况一般表现为开窑、空窑、停窑三种情况。通常开窑、停窑都是有计划的，而空窑是不定时的。造成空窑的因素较多，如粉料的供应不济、压机故障、干燥窑故障、釉线故障（包括印花机故障）、窑头进砖不连续、窑头故障、窑炉故障乃至停电等。不管何种因素都会引起原烧成制度的波动，控制不好，就会出现各种缺陷，轻则为小批量色差或尺差，重则出现变形或裂砖（炸坯、口裂、风裂、脆性）等，甚至大量生烧、过烧、色差、尺差、断棒等，也可能由此导致堵窑事故。基于上述可能出现的问题，分析不正常生产下的热工原理是至关重要的。对于砖坯的烧成过程，事实上从温度角度来说是砖坯的吸热、放热过程。如果砖坯在烧成过程中吸热量够砖坯成瓷所需的热量，则砖坯能烧结瓷化；如果不够，则砖坯生烧，吸水率偏大。砖坯的实际吸热量除了与加热介质的温度有关外，还与吸热过程的时间长短有关。所以同一品种烧成，窑速的加快，相应地必须提高烧成温度，反之亦然。砖坯在窑内的吸热状态传热方式是：在预热带，砖坯的吸热主要靠对流，在烧成带，则主要是辐射。砖坯在烧成带所吸收的高温辐射热是决定砖坯烧结度的因素之一。辐射传热与温度的四次方成正比，可见温度波动对砖坯烧结的影响。而砖坯所受辐射传热主要来自于烟气和窑体耐火材料（乃至辊棒）的辐射热。任何一个变化都对砖坯吸热有决定性影响。同时，烟气与窑体间也存在辐射传热，由于窑体耐火材料的气孔率特性，吸热（蓄热）、散热的速度是不尽相同的，相对而言蓄热散热比较慢，而烟气温度的变化则可通过控制燃料燃烧迅速控制。所以在窑炉开窑时，要求窑炉热电偶温度高于理论烧成温度，砖坯才可烧熟，特别是快速烘窑高火保温待坯时间短时更是如此。因为此时窑体的蓄热低于烟气温度，烟气对窑体放热，砖坯入窑所吸收的窑体辐射热比正常生产时低。要保证砖坯烧结瓷化，就必须吸收比正常生产时更多的烟气辐射热，烟气温度就必须高于正常生产时的烟气温度。正常生产后一旦烟气温度降低，窑内的实际温度也不会马上降低，这也就是因窑体耐火材料的气孔结构蓄热的原因，与前所述烟气温度升高，窑体实际温度不会立即跟着升高同理。当空窑时，如烟气温度保持不变，那么此时烟气的热量主要向窑体（以及辊棒）辐射传热，时间越长窑体蓄热越多，此时窑内的实际温度高于正常生产时的温度。如果此时烧成，从烟气中吸收的辐射热量不变，但从窑体中吸收的辐射热量多，砖坯整体吸收的热量比正常生产时多，砖坯成瓷度更好，甚至过烧，空窑时间越长越明显。通常开窑时，都需对窑进行烘窑，尤其是新建窑，这一般都会有个合理的烘窑制度。在烘窑过程中，烟气是对窑体加热的，所以烟气温度高于窑体温度，那么在坯体首次入窑时，烧成温度应稍高于理论烧成温度，以免由于砖坯的吸热使得窑内实际温度急剧下降，造成生烧。同时，在冷却段，由于原来未有砖坯带温使冷却带窑体蓄热（实际温度低），很可能使制品风裂，所以应注意冷却段急冷风、余热抽出对冷却温度的影响。而在停窑过程中，正好与窑炉开窑的温度变化相反，但也应当注意冷却速度对耐火材料、辊棒的影响。在短时间空窑时，应基本保证各点温度波动不大，这样如果制品烧成范围宽，就不会产生多大问题，甚至不明显。而在长时间空窑时，由于辊面无砖坯，热气流自然上聚，气体流动状态变化温度显示失真。这时高温烟气流更多热加热辊棒 、窑墙，恶化窑墙、辊棒的工作环境，在砖坯入窑烧成时，极可能导致砖坯对高温下的辊棒吸热，使辊棒高温热震稳定性能遭破坏而断棒；而在预热带，因热烟气未被生坯换热，故高温烟气加热窑体、辊棒，使得预热带，特别是窑头实际温度升高。这对抽烟风机十分不利，也可能导致砖坯重新入窑时因窑前段温度过高而炸坯；而长时间高温待坯，浪费能源。所以，长时间空窑应降温，控制窑头温度不升得太高；控制烧成区温度低于原设定温度，待砖坯入窑时能及时升起；控制冷却段温度降低不太低等。

  窑炉各有各的特性，空窑时温度的调节措施并不完全相同，是关烧嘴、降油（气）压还是调闸板，应结合窑炉的特性来决定。