陶瓷自动成型生产线的一次干燥控制研究

徐永谦，杨 海，符智杰

（广东省自动化研究所，广东广州 510070）

陶瓷自动成型生产线的一次干燥控制研究

徐永谦，杨 海，符智杰

（广东省自动化研究所，广东广州 510070）

采用窑炉余热对陶瓷泥坯进行一次干燥是一种比较通用的方法，这种方法一般采用人工控制的方式，具有产品质量不稳定的缺点，迫切需要提高产品合格率的途径。根据陶瓷的一次干燥工艺，建立了相关的物理模型，设计了自动控制系统，该控制系统能根据温度、湿度等因素的变化，自动调节工艺参数，克服了人工控制的不足。

窑炉余热；干燥；自动控制系统

0 引言

干燥是陶瓷成型工艺中重要的一个环节。干燥可提高陶瓷成型后坯体的强度，便于后续加工工艺，比如脱模、修坯、上釉等。在陶瓷的整个生产过程中，干燥可分为一次干燥、二次干燥和三次干燥[1]。一次干燥是指带模干燥，即泥坯经滚压成型后的干燥，经过一次干燥后，坯体的强度要达到脱模的要求。一次干燥有很多种干燥方式，比如微波干燥、红外干燥和自然干燥等[2]。广东潮州一带的陶瓷企业普遍采用窑炉余热对陶瓷进行干燥，干燥的过程采用人工控制的方式。人工控制主要依靠操作人员的经验控制，当外界因素发生变化时，比如窑炉余热温度下降或者空气的湿度上升，人工控制就不能及时反应并调整工艺参数，导致产品质量不稳定，产品合格率只有70%左右。干燥的效果与环境的温度、湿度等条件相关，这些条件都是会随着时间而改变的，有必要在陶瓷一次干燥的过程中采用自动控制系统，避免外界条件的变化对干燥质量的影响。

1 陶瓷干燥工艺的设计

干燥过程可分为加热、等速、降速和平衡四个阶段[3]，如图1所示。一次干燥的目的是去除陶瓷泥坯内的少部分自由水，经过加热和等速两个阶段就会结束。

加热阶段：热空气传递给坯体的热量大于水分蒸发吸收的热量，多余的热量使坯体温度升高，同时蒸发量也不断加大。

等速阶段：就是热空气传递给坯体的热量等于水分蒸发吸收的热量，坯体温度不再变化。

陶瓷在干燥过程中如果外表面干燥速度过快，会造成陶瓷内外收缩不均匀，产生内应力，当内应力过大，超过坯体的强度时，坯体就会开裂。为避免开裂，陶瓷干燥在加热阶段的湿度梯度要很小，在等速阶段的湿度梯度也不能太大。基于此原因，陶瓷与干燥介质应成对流关系，设计的干燥工艺如图2所示。

泥坯经滚压区滚压成型后，进入隧道干燥室，然后再到脱模区脱模。热风与环境冷风混合后，在脱模区附近进入干燥室隧道，然后由另一端的抽湿排风机抽出。

图1 干燥过程的四个阶段

图2 陶瓷一次干燥工艺示意图

泥坯与热空气是对流关系。在排风机附近的热空气由于充分吸收了前面泥坯蒸发出来的水蒸气，相对湿度很高，降低了泥坯干燥加热阶段的湿度梯度。

2 物理模型的建立

从窑炉输送出来的热空气，与室内空气混合成具有固定温度T进的热空气，然后被输入干燥系统。输入的热风量对于干燥的质量至关重要，风量过少，则干燥不到位，坯体的强度达不到脱模的要求，风量过大，则造成能源的浪费。有必要建立相关的物理模型，为进风量的自动控制提供理论依据。

2.1 蒸发水量

每小时从泥坯中蒸发的水量，如式（1）所示：其中：Q为单位小时所有泥坯的蒸发水量，kg；

n为生产线每分钟加工的泥坯个数；

m为单个泥坯的质量，kg；

H1为泥坯干燥前的含水率；

H2为泥坯干燥后的含水率。

自动生产线每小时生产的数量基本是固定的，泥坯的含水率固定为23.5%，可认为Q是固定的。

2.2 进风量与温度、湿度的关系

进风量要同时满足热量和排潮性要求。

2.2.1 热量要求

根据能量守恒，水分蒸发吸收的热量等于热空气释放出来的热量，如式（2）所示：

其中：L为水的汽化热，为温度的函数，kJ/kg；

C为空气的比热容，kJ/（kg·K）；

M为每小时进入的空气总质量，kg；

T进为干燥系统热风进口处的温度，℃ ；

T出为干燥系统热风出口处的温度，℃ 。

那么所需的热风量为：

其中：V热为满足热量要求的热风量，m3；

ρ空为空气密度，kg/m3。

2.2.2 排潮性要求

为满足排潮性要求，每小时排走的风量所携带走的水蒸气质量应不小于每小时所有泥坯的蒸发水量Q。如式（4）所示：

其中：V排为满足排潮性要求的热风量，m3；

ρb1为进口处饱和空气中的饱和水蒸气密度，见表（1），g/m3；

ρb2为出口处饱和空气中的饱和水蒸气密度，见表（1），g/m3；

ϕ进为进口处空气的相对湿度；

ϕ出为出口处空气的相对湿度。

所以：

表1 饱和湿空气表[4]

2.3 窑炉热空气的预混合

陶瓷的最高干燥温度不能高于70℃[5]，而从炉窑输运过来的热空气是大于70℃的，所以需要用环境冷空气与之混合，使其温度降到所需的温度T进。根据能量守恒，热空气释放出的热量等于冷空气吸收的热量，如式（6）所示：

其中：C为空气的比热容，kJ/（kg·K）；

M1为热空气的质量，kg；

T1为热空气的温度，℃ ；

M2为室内空气的质量，kg；

T2为室内空气的温度，℃。

可得热冷空气的质量比为：

换算成体积比为：

其中：V1为热空气的体积，m3；

V2为环境冷空气的体积，m3；

ρ1为热空气的密度，kg/m3；

ρ2为环境冷空气的密度，kg/m3。

3 一次干燥过程控制

为减少控制的复杂性，将整个控制过程分为两部分。第一部分控制窑炉热空气与环境冷空气的混合，根据式（8）计算出冷热空气的比例，然后通过控制变频器调整各自进风电机的转速，获得具有温度比较稳定的混合热空气，这一部分的控制很简单，不再赘述。

第二部分控制干燥室的进风量。从式（3）和式（5）可得出，温度、湿度是影响进风量是主要因素。温度和湿度与窑炉的余热情况以及环境因素有关，可由系统的传感器测得，作为控制风量的参数，共有四个参数：进风口的温度和湿度、出风口的温度和湿度。在实际应用中，因为能满足排潮性要求的风量通常都能满足热量要求，所以可只根据式（5）对风量进行控制，减少了两个温度的参数，输入参数只剩下进风口的湿度以及出风口的湿度，控制过程大为简化。控制原理如图3所示。

图3 进风量控制原理图

由上位机给定一些运算参数，比如风量的修正系数。混合后的热空气通过调节阀，由余热进风机压入干燥室，最后由抽湿排风机抽排走。在干燥室的进风口和排风口都装有湿度计，采集到的数据被传输到PID控制器，经处理后，由PLC控制调节阀以及两个风机的变频器，从而改变进入干燥室的热风量。经自动控制工艺参数的干燥室内的温湿度分布如图4所示。

图4 干燥室的温湿度状况分布图

干燥室的状态在控制系统的控制下，能保持一个比较稳定的状态，干燥室内的温湿度分布情况也比较适合陶瓷一次干燥的工艺要求。

4 小结

通过对陶瓷一次干燥原理的分析，设计了比较合理的干燥工艺，并建立了相关的物理模型。以物理模型的分析结果为依据设计了干燥工艺的自动控制系统，取得了良好的干燥效果，与原有的生产线相比，产品合格率提至95%以上。

［1］陈帆.陶瓷工业机械设备［M］.北京：中国建筑工业出版社，1981.

［2］曾令可，王慧.陶瓷工业干燥技术和设备［J］.山东陶瓷，2003，26（1）：14-18.

［3］王艳辉，付广清.烧成窑炉余热的再利用［J］.中国高新技术企业，2007（8）：78-79.

［4］丁皓，吉晓燕.高温高压下饱和湿空气焓与湿度的预测［J］.化工学报，2002，53（8）：879-882.

［5］张柏清，黄志诚.微波干燥技术及其在陶瓷坯体干燥中的应用研究［J］.中国陶瓷，2004，40（3）：17-20.

(编辑：阮 毅)

图9 80 cm测距结果

参考文献：

［1］高丙坤，潘翔.非介入式超声波液位检测系统设计［J］.科学技术与工程，2012（1）：42-45.

［2］姚兆，陈喜龙，黄丹丹.基于AT89S51单片机的控制系统在超声波液位测控装置中的应用［J］.单片机应用技术，2011（8）：159.

［3］马莹，郑文斌.基于单片机的超声波液位检测系统设计［J］.海峡科学，2007（10）：76-78.

［4］李春玲.基于单片机的高精度超声波液位检测系统［J］.电子科技大学学报，2006（3）：371-374.

［5］赵珂，向瑛，王忠，等.高准确度超声波测距仪的研制［J］.传感器技术，2003（2）：57-59.

第一作者简介：鲁 可，女，1981年生，河南新郑人，硕士，讲师。研究领域：软件技术和嵌入式技术。已发表论文11篇。

(编辑：阮 毅)

Study on Drying Control of Ceramic Forming Automatic Production Line

XU Yong-qian，YANG Hai，FU Zhi-jie
（Guangdong Institute of Automation，Guangzhou510070，China）

Using the waste heat of the kiln to dry the ceramic mud blank is a general method.It is controlled by artificial，with the defect of unstable product quality，and needs a way to improvethe rate of qualified products.According to the drying process of ceramics，the article established a related physical model，and designed a automatic control system.The automatic control system can adjust the process parameters according to the change of temperature，humidity and other factors,and has overcame the shortcomings of manual control.

waste heat of the kiln；dry；automatic control system

TP273

A

1009－9492(2014)08－0032－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.010

徐永谦，男，1972年生，广东饶平人，硕士，副研究员。研究领域：复杂工业过程控制与监测系统，先进制造技术，计算机控制技术及其应用，工厂自动化技术服务。

2014－06－26