前言：本文阐述了日用瓷窑炉还原焰的主要影响因素，从燃烧系统的设计和结构优化、窑压平衡等方面对还原焰的精确控制技术进行了详细论述。

一、日用瓷还原焰简介

按照燃烧火焰的性质划分，分为氧化焰（或氧化气氛，指燃烧烟气中有过剩氧气）、中性焰（或中性气氛，指窑内所产生的一氧化碳和氢气与进入窑中的空气中的氧气刚好燃烧完全，处于平衡状态）及还原焰（或还原气氛，燃烧烟气因氧气不足产生CO、H2等还原气体）。由于中性焰范围太小，很难控制，日用瓷一般常用到的主要是氧化焰和还原焰烧成技术。

在还原焰烧成的窑炉中，根据制品烧成工艺和气氛作用不同，两种焰性都是存在的。氧化焰主要存在于1050℃以下区域，其作用是排出坯釉中的水分，让有机物氧化燃烧和挥发，碳酸盐、硫酸盐类快速分解，以使这些气体在釉料熔融前充分逸出，以免在釉表产生针孔等缺陷；而在1050℃至最高温区，采用还原焰烧成，将高价铁还原成低价铁，以达到预期的烧成效果。

高温瓷坯、釉中由于含有高价铁Fe2O3，易使瓷器呈黄白色，为了保证瓷器白度，一般采用还原焰烧成，以便将坯釉中的Fe2O3还原成氧化亚铁（FeO），达到“白里泛青”的效果，获得人们喜爱的色调。

二、影响还原焰控制的主要因素

还原焰在国内外已不是新技术，从传统的煤烧隧道窑，到现在的气烧辊道窑、隧道窑和梭式窑，早已得到大量应用。但真正能够稳定地将还原焰实行精确控制的，几乎是凤毛麟角，主要原因是还原气氛受到的影响因素非常多。有些企业曾尝试自动控制气氛，但是却稳定不了温度，反倒使温度和气氛大起大落，很难将两者有效结合起来；有些干脆用“手动”的调节方式，仅凭经验来控制，国内还原焰控制技术仍然以经验操作为主。

还原焰控制的主要影响因素如下：

2.1 燃烧系统设计的影响

燃烧系统设计是决定燃烧火焰性质的核心和根本，任一环节或配件设计不到位，都难以达到良好的效果，产生不了CO（主要检测在燃烧烟气中的体积百分比），或者含量不稳定；甚至可能产生了CO，但烧嘴又会出现“结焦”等问题。

2.1.1 烧嘴的影响

烧嘴主要起到分配燃料和助燃空气并以一定方式喷出后燃烧的作用。烧嘴是关键燃烧部件，有燃料、空气入口和燃烧室喷出孔三部分。如果三者的设计不协调、结构不合理，不仅影响到燃烧状况、火焰射程，还会白白增加燃气消耗量。而如果还原焰烧嘴设计不好，则要么火焰不稳定，要么烧不出还原焰，要么产生“结焦或积碳”。

2.1.2 风量、气量的影响

如果在燃烧设计上光重视燃气量控制，而不注重空气量控制，往往会导致窑内气氛不稳定。

2.1.3 风、气管路及风机选型的影响

风机选型不合理、管径大小设计不合适、风压或气压不够等，都会使温度和气氛无法满足使用要求。

2.2 窑压的影响

这里说的窑压主要细分为预热带和烧成带窑压、急冷带和缓冷带窑压、尾冷区窑压。这五带由于同在一个“通道”内，任何一带的压力变化都会引起其它带的压力变化，彼此都是相辅相成、互相影响和制约的。

在还原焰烧成中，尽管窑炉结构设计和布局各有不同，但各带窑压的平衡和稳定是控制还原气氛的关键所在，窑内压力的任何变化都会使CO含量产生波动，同时会导致温度不稳定，因此如何让几种窑压平衡就显得尤为重要。

2.2.1 预热带窑压和烧成带窑压的影响

预热带窑压和烧成带窑压是直接影响窑内气氛变化的主要因素。当排烟量减少时，由于燃烧烟气流速减慢，CO集聚，含量升高；当排烟抽力加大时，会将冷却带的空气抽到烧成带产生“二次燃烧”，CO含量会下降。

2.2.2 急冷带和缓冷带窑压的影响

急冷带和缓冷带的窑压主要受急冷供风、缓冷供风和抽风影响。为了加快陶瓷制品的冷却，有效控制急冷温度，现在的窑炉大多数采取直接鼓风冷却制品。为了保证急冷温度稳定，一般采用自动控制的方式。但是，当通过的制品体积和重量（因订单导致产品结构多样化）发生改变时，需要的冷风量会发生变化，而直接鼓入的风量必将会影响到此区的窑压。缓冷带同急冷带的影响一样，当此区的窑压升高时，会连带提高急冷带窑压，从而影响到烧成区。如供风量加大时，若不能有效排走，此处冷风有部分会流到烧成带，空气中的O2与还原气体相遇，产生二次燃烧，提高了烧成温度，冲淡了CO含量，使制品还原不足，产生“阴黄”缺陷；反之，烟气会倒流或滞流，烧成区CO含量增加，引起制品“积碳”，产生“烟熏”（发灰发黑）缺陷。

2.2.3 尾冷区窑压

由于同在一根“连通管”内，此区的窑压会通过缓冷、急冷影响到烧成区窑压。但此区制品已过了573℃时的SiO2晶型转换易裂点，制品温度较低，一般全部采用手动控制供风和抽风。只要第一次调试平衡，室外环境气压波动不大，尾冷窑压影响气氛的因素可以忽略不计。

2.3 产品变化的影响

由于日用瓷种类繁多，大多数采用多层垫板装烧方式。当单位制品太重，吸热量较大时，耗气量将增加，如果空气和燃气比例搭配不当，CO含量将会升高，反之会减少；产品装载较密或高度增加，排烟阻力加大，窑内抽力减小，CO含量提高，反之，CO含量会降低，这些因素都直接影响到窑内气氛的变化。

2.4 其它因素的影响

除了上述因素外，还有原料配方成份、泥料添加剂、窑炉调试状况、窑体结构及大气压等影响因素，都可能给CO的控制带来不同程度的影响。

三、还原焰的精确控制技术

从上文介绍可以看出，影响还原焰烧成的因素很多，如何在保持温度稳定的同时控制好CO含量呢？下面以一些新的设计理念和控制方法，结合本人多年的窑炉操作和设计经验，仅从设计和调试方面谈一下用于日用瓷辊道窑和隧道窑还原焰的精确控制技术，供读者参考。

该窑炉采取的方式是以稳定窑压为基础，在一定范围内将温度和气氛同时实现精确控制。具体方式如下：

3.1 燃烧系统的设计和结构优化

3.1.1烧嘴的设计和选择

要烧还原焰，燃烧烟气中首先必须要有还原性气体，否则就没有意义。烧嘴是燃烧系统的核心部件，因此必须要设计出能够产生还原焰气体的烧嘴，这一点主要从风片的面积；旋流槽结构；孔径的大小和数量；喷气头孔径的大小、数量及与风孔的位置关系；烧嘴砖（或SISIC套管）的结构、长短、喷出口大小；风片与“砖或套”的配合公差方面来解决。需要理论计算与实际燃烧状况相结合，不断试验和优化，直到满足“还原焰”的要求才行。

3.1.2 还原焰精确控制技术

还原焰精确控制技术的原理见图1。

还原焰精确控制技术的原理

在图中，温度和CO含量是通过控制空气过剩系数λ来实现的。其主要新颖之处在于，温度变化时，同时用流量传感器按流量比例精确提供风、气量，并保持λ设定值不变，可稳定CO含量；当气氛波动时，λ设定值自动变化，通过风量增减达到新的λ值，精确控制CO含量。此方法最大的优点在于，将温度和气氛调节有机结合起来，调节温度时，先稳定气氛；调节气氛时，先稳定温度，有效防止了顾此失彼。

基本控制原理如下：

（1） 温度的精确控制

当热电偶检测的温度高于设定值时，信号送到燃气电动阀，按照温度控制器“预定的偏差范围（根据操作经验灵活设定）”关小流量，燃气流量实测信号同时传给λ控制器。为了保持λ设定值，λ控制器提供信号给空气电动阀，使其减小开度，通过PID（微积分）调节，逐步将空气过剩系数λ保持到设定值，从而稳定气氛。反之，需加大气量和风量。

（2） CO的精确控制

当在线气氛检测仪的CO含量高于设定值时，信号送到λ控制器并将设定值按“预定的偏差范围（根据操作经验灵活设定）”提高风量。λ设定值变化后，经过与实测值比较后再给信号到空气电动阀开关，通过PID（微积分）调节，逐步达到设定值。反之，需减小风量。

3.2 几种窑压平衡的设计和调试要求

在3.1.2 还原焰精确控制技术中提到的两个仪表“预定的偏差范围”，主要是因为这种控制必须在一定范围内进行，否则，如果温度和气氛在不受限的范围内大幅调节会产生相互干扰。如何让其在小范围内波动，又可满足制品温度和气氛的不同要求呢？窑压的平衡和稳定至关重要。

3.2.1 预热带和烧成带窑压平衡

要保证这两带之间的平衡，需采取如下措施：

（1） 气幕风的设计

在氧化还原过渡区需要设置气氛气幕，在烧成结束、急冷开始处需设置急冷气幕。气氛气幕表面作用是供风以燃烧掉还原区过来的CO，迅速转换为制品所需要的氧化气氛；急冷气幕主要是冷却制品，除此之外，实际上还起到封闭还原区、阻隔两端压力波动影响到还原区窑压的作用。

（2） 隔焰装置的设置

隔焰装置的设置主要是在不同区域缩小窑内截面积、增加排烟阻力，保证隔焰区内的压力相对稳定。

（3） 还原烧成区的正压控制

在还原焰烧成中，必须保持还原区全部为正压操作，否则会从窑炉的孔洞（如观火孔、观察孔等）或缝隙中（如辊棒四周、事故口周围等）吸入冷风冲淡气氛，导致气氛不均和不稳定，甚至会从冷却带正压区吸入空气。

（4） 稳定和控制好预热带的零压点

稳定和控制好预热带的零压点，主要是通过排烟风机自动控制排烟抽力大小来实现。

3.2.2 急冷带和缓冷带窑压平衡

（1） 急冷平衡烟囱的设计

在急冷区设计独立的抽热装置，主要作用是排掉急冷气幕和急冷风，防止可能对还原区产生的影响。

（2） 急冷区采用间接冷却的方式

当急冷温度变化时，如果采取间接冷却方式，始终没有直接鼓风入窑内，同时又可控制温度，将不会对窑压产生影响。

（3） 在缓冷区设置窑压自控

在缓冷区设计窑压传感器实行自动控制，主要是通过抽热风机平衡尾冷或缓冷供风，达到设定的与预热带平衡的窑压。

综上所述，只要设计和调试做到“保中间稳两端”，即将还原区“两端”窑压控制稳定，消除两端窑压波动的干扰，加上燃烧系统设计可靠，自身能够自动满足“还原区”的气氛数据要求，从而达到了精确控制的目的。从使用效果来看，上述设计和调节方式控制的气氛和温度比较稳定，基本上保证了日用瓷正常烧成还原焰的要求，受产品装载量、产品高低变化等因素的影响很小。

从我公司两条天然气还原窑炉的实际应用分析，日用瓷烧成在正常运行中，其还原区温度控制器内燃气预定的偏差范围在3～25m3/h，而λ控制器预定的偏差范围在±0.07m3/h之间，基本上可将温度波动控制在±3℃以内（与设定温度的控制偏差），CO含量波动可控制在±0.2%（与设定气氛的偏差）内，这种变化范围对产品质量和白度基本上没有影响。

四、该控制技术的缺点及解决办法

4.1 在烘窑、点火或升降温阶段要调整参数

由于在正常生产中燃气流量和λ系数有一定限制，在升、降温幅度太大的情况下必须要修改参数，否则难以控制相应参数。

解决措施：配备电脑，储存相应升降温曲线、λ及燃气允许波动范围，需要相应参数时立即调出来设置好，就可以消除这些影响。第一次升、降温时，将偏差范围放大，再逐步纠正参数。

4.2 不同燃料的λ值及燃气波动范围不同

由于不同燃料发热值相差悬殊，所需的空气过剩系数及燃气控制范围不同，第一次必须要依据理论参数，并以此为基础调试和摸索出合理的数据，并做好相应记录和设定值的更改工作。我公司在这方面已积累了不同燃料的数据范围。

五、结 语

总体来说，上述设计在实际应用中是比较成功的，基本上实现了温度和还原气氛的同步精确控制，使用稳定可靠，产品质量大幅提高，烧成气氛和温度因素造成的产品缺陷几乎可以忽略不计。除此之外，窑压、温度、气氛和风压、气压实行了数据化管理和记录，不受操作人员素质的影响，给工厂带来了实实在在的好处，具有较高的推广应用价值。

作者：熊亮