陶瓷工业节能、智能技术分析及发展趋势

蓝天旺

（广东省大埔陶瓷工业研究所，梅州 514247）

1 前言

当前，我国陶瓷生产整体表现为陶瓷产品年产量大和能耗严重。2012年我国陶瓷砖总量达到90亿m2，卫生洁具2亿件，日用陶瓷300亿件，工艺美术陶瓷50亿件，均占全球的60%以上，总能耗达2～3亿t，占全国总能耗的3～5%。再加上当前世界性能源紧张形势，我国已为实现节能降耗和资源高效利用，制定了多项节能减排政策法规。因此，当前陶瓷生产企业面临着更为紧迫的节能降耗任务。如何采取恰当合理的生产控制技术措施，在保证产品性能不降低、生产过程不繁杂等前提下，最大限度地节约能源、提高效率、改善生产条件，已成为陶瓷行业亟待解决的问题。

创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。要想走在时代前列，就一刻也不能没有创新思维，一刻也不能停止创新。

近些年来，随着计算机的广泛应用和人工智能技术的日益发展，出现了以人工智能、控制理论和计算机技术为基础的新型控制技术——智能控制，即利用计算机技术对窑炉烧成进行智能控制，实现更加便捷高效地调控窑内的烧成温度、气氛和压力，使烧成保持最佳状态，从而有效地提高生产效率、减少能耗。当前，智能控制技术已成为窑炉控制技术的新趋势，也为陶瓷行业的自动化智能发展提供了新思路。本文就节能、智能控制技术在陶瓷工业的应用加以综述，以期达到进一步地节约能源、提高效率、改善生产条件的目的。

2 陶瓷工业中的节能技术

2.1 陶瓷原料制备过程中的节能措施

2.1.1 球磨制粉

陶瓷制品的主要能耗在制粉（包括球磨和喷雾干燥）和烧成两个工序，制粉的耗能基本接近烧成。在制粉时，应该放弃使用噪音大、能耗高、污染严重的破碎系统，例如粗细颚式破碎机和旋磨机，可以采用球磨机或质量可靠的系统；其次，可以采用效率更高的球磨机，可以大幅度提升产量，并且减少耗电量。另外，球磨机橡胶衬的设计既减少了负荷，也增加了有效容积，所以不仅提高了产量，又节约了电能。球磨机在实际使用过程中，可以根据具体的生产条件使用不同的设计，可以提高其工作效率，如果使用了氧化铝球，在原来的基础上还可以省电。

2.1.2 干法制粉

制粉的耗能大部分是用于水分蒸发；两个工序存在实质性差异：制粉工序中水分蒸发耗能是为了除去无用的水，烧成耗能是陶瓷制品形成产品特性的吸热反应必需。可以看出，不额外加水进入可以实现大量节能，干法制粉应运而生。

与湿法工艺相比，干法具备明显优势，主要表现在：干法制粉工艺在干燥粉料/浆料时耗热能远远小于湿法制粉工艺，干法工艺将增湿后粉料由10%干燥至6～7.5%，湿法工艺将含水35%的浆料干燥至6～7.5%，干法可以大量减少水分去除，电耗远小于湿法制粉工艺，减少电耗达20～30%。颗粒物排放也明显低于湿法工艺，不需要额外添加处理设备，配套集成的除尘系统，完全可以符合标准要求，无需进一步处理。能源消耗量小，SO2与NOx排放量低，不需添加新环保设备。

2.1.3 原材料标准化

陶瓷产业在不断发展的过程中逐渐形成了原材料标准化的趋势，这样不仅可以充分利用资源，还有如下的优点：

（1）通过标准化，可以保证生产质量，提高产品的稳定性；

（2）原材料标准化便于对原材料进行集中处理，从而提高原料加工设备的利用率，减少企业特别是新建企业的开发和投资；

（3）工厂不用存储大量的原料以供生产，工厂在任何需要的时候就可以买到标准的原料。

2.2 陶瓷窑炉烧成中的节能技术

窑炉是陶瓷工业最关键的热工设备，也是耗能最大的设备，干燥及烧成中的能耗占陶瓷生产总能耗的60～80%，窑炉设备能耗的水平，主要取决于窑炉的结构与烧成技术，其中窑炉的结构是根本，烧成技术是保证；只有使两者合理的搭配才能既保证窑炉烧成质量的提高，又减少能源消耗。窑炉型式主要有梳式窑或倒焰窟、隧道窑及辊道窑。

2.2.1 窑炉结构优化

（1）窑炉内高

随着窑炉内高的增加，单位制品热耗和窑墙散热量也增加。窑内高度增加会引起通道内温度分层，增大窑内热气流的上、下分层，特别是隧道窑，有的内高达1 m以上，其上、下温差，特别是预热带内的上、下温差高达300～500℃。窑内通道太高，会导致温差太大而无法烧成，所以从烧成质量控制、节能降耗的角度讲，窑内高度越低越好。

（2）窑炉内宽

随着窑炉内宽度的增大，单位制品热耗和窑墙散热减少。如果窑墙外表面温度与环境的温度差不变，则窑体外壁的散热损失可减少27.2%。所以在一定范围内，窑越宽越好，窑越宽，节能率越高。故只要能很好地解决断面温差的问题，宽体窑是发展的方向。

（3）窑炉长度

当窑内宽和内高一定的情况下，随着窑长的增加，单位制品的热耗和窑头烟气带走的热量均有所减少。早期的窑炉均为几十米长，现在的辊道窑最长达450 m，隧道窑长140 m以上。因此，应重点研究和优化窑炉结构，减少能耗，并逐步缩小窑内各断面的温差，加快烧成周期，以达到节能、低碳的目的。

（4）平顶和拱顶

早期辊道窑多数采用平顶吊砖方式，施工方便、气流流动顺畅。气流的流动靠布置一定的挡火墙及闸板以改变气流的流动及气流的搅拌，由于窑通道矮，一般为30～50 cm，故气体流动阻力大。特别在烧成带，通道不高，降低热辐射层厚度，因在高温段的传热方式以辐射传热为主，约占总传热中80%左右，故无法发挥辐射传热的优点。实践经验证明，宽窑的高温段采用拱顶结构，可增加辐射层厚度，大大地有利辐射传热。拱顶结构的传热有利于烧成带温差的减小，而在低温段采用平顶结构，有利于低温段温度的均匀，特别是把这两种窑顶结构相结合，更有利于窑内气流的搅拌和温度的均匀，减少窑内温差。

（5）加强窑体的密封和窑压的控制

窑体的密封可减小窑内热气体的外流和窑外冷气体的渗入，既有利于减小窑内温差的形成，又有利于节能、稳定窑内压力分布，特别有利于气氛烧成。

2.1.6 窑车窑具的轻质化

（1）隧道窑窑车热损失占总能耗的10～15%，较好的隧道窑低蓄热窑车只有传统窑车重量的1/3，蓄热量的2/7，节能量可达17%。

（2）烧日用瓷的隧道窑，窑具质量是产品的2倍以上，最多达5.4倍。

（3）烧外墙砖垫板由10.5 mm厚改为7.3 mm（最薄为6.5 mm），每块重由4 kg减为2.3 kg，节能18.7%。

2.1.7 窑型向辊道化发展

传统的陶瓷多半使用隧道窑烧结，而现在，墙体砖多半使用辊道窑烧结，同时辊道窑也不断应用到卫生陶瓷和日用陶瓷的烧结中。辊道窑是目前为止优良性最好的窑型，它具有高产量、体积小、耗能少、智能、操作简单等优点。利用辊道窑进行日用瓷的快速高温还原烧成，节能显著，单耗0.294 tce/t瓷，窑炉热效率达68.8%，是隧道窑烧成热耗1.71 tce/t瓷的1/6。所以，在生产中，辊道窑逐渐代替了传统的隧道窑和梭式窑。

2.2 烧成技木的创新

2.2.1 采用低温快烧技术

在陶瓷生产中，烧成温度越低，能耗就越低。据热平衡计算，若烧成温度降低100℃，则单位产品热耗可降低10%以上，且烧成时间缩短10%，产量增加10%，热耗降低4%。因此，应用低温快烧技术，不但可以增加产量，节约能耗，而且还可以降低成本，实现低碳目标。

2.2.2 一次烧成技术

采用一次烧成技术比一次半烧成（900℃左右低温素烧，再高温釉烧）和两次烧成更节能，综合效果更佳。同时，可以解决制品的后期龟裂，延长制品的使用寿命，制品的合格率也大大提高。

2.2.3 采用裸装明焰烧成技术

目前我国陶瓷窑炉烧成方式主要有：钵装明焰、裸装隔焰和裸装明焰。其烧成方式各有特点。日用瓷、工艺美术瓷、卫生洁具等在隧道窑、辊道窑内的烧成均采用裸装明烧，相对于匣装烧可以大大减少烧成的能耗。

2.2.4 采用洁净液体和气体燃料

采用洁净的液体、气体燃料，不仅是裸装明焰快速烧成的保证，而且可以提高陶瓷的烧成质量，大大节约能源，更重要的是可以减少对环境的污染。采用洁净气体作为燃料，节能降耗明显。

2.3 余热回收利用技术

采用先进的烟气余热回收技术，降低陶瓷窑炉排烟热损失是实现工业窑炉节能的主要途径。当前国内外烟气余热利用主要用于干燥、烘干制品和生产的其它环节。采用换热器回收烟气余热来预热助燃空气和燃料，具有降低排烟热损失、节约燃料和提高燃料燃烧效率、改善炉内热工过程的双重效果。一般认为：空气预热温度每提高100℃，即可节约燃料5%。

2.4 先进的燃烧器是关键

喷嘴使用时的温度控制容易出现偏差。由于高温火焰流因浮力而上升，形成窑内温度上高下低，使热电偶检测到的温度偏高，故造成热电偶所连接的仪表显示温度与窑内制品实际温度发生很大的偏差。采用新型高速喷嘴或脉冲烧成技术，可以使窑内温度变得均匀，减小了窑内上下温差，不但能缩短烧成周期，降低能耗，而且可以提高制品的烧成效果。

2.5 选用高效的保温材料和涂层技术

窑体热损失主要分为蓄热损失与散热损失。对于间歇式窑炉来说两者均存在，但连续式窑炉仅存在散热损失。减少热损失的主要措施是加强窑体的有效保温。并且在保证窑墙外表温度尽可能低的情况下，选用最合理最经济的材料以取得最薄的窑墙结构。高性能保温材料或绝热材料在陶瓷窑炉上的应用，将使陶瓷窑炉的窑墙结构发生革命性的变化，不但可以减少窑墙的蓄散热，而且可以大大地减薄窑壁的厚度，使窑壁的结构简单化。

3 陶瓷工业中的智能技术

3.1 几种应用广泛的复合控制策略概述

将各种控制策略有机地结合起来所形成的复合控制策略，可以更加有效地完成复杂系统的控制工作，这也是目前实际应用中较为广泛的。特别是模糊逻辑控制，是应用模糊集合理论统筹考虑系统的一种控制方式，它不需要精确的数学模型，是解决不确定系统控制的有效途径。

目前有如下多种应用广泛的控制策略：（1）模糊IPD复合控制（FI）；（2）模糊变结构控制（FV）；（3）模糊神经网络自适应控制（FNA）；（4）模糊预测控制（FP）；（5）模糊神经网络专家控制（FNE）；（6）专家模糊控制（EF）。另外，专家 I P D控制（E I）由美国Foxboor、日本横河等公司所开发的具有专家PID自整定控制器的广泛应用，也逐渐成为一种较为成熟、控制效果好的方法。

3.2 AI在陶瓷配方中的应用

陶瓷配方是一个复杂的科学领域，一方面配方本身还没有一个通用的理论公式或数学模型，要凭科技人员的实践经验，另一方面科技人员积累了宝贵的经验。如何将这些宝贵的经验用计算机构建一个专家系统，实现配方计算、优化设计、正交实验设计与分析等的计算机化，无疑是一件极有意义的工作。

早在上世纪九十年代，西北轻院的高力明教授就利用计算机，采用广义杠杆规则、线性规划等方法对陶瓷配方的优化进行了研究，其后又运用逐次线性回归分析、陶瓷原料预均化技术等方法对陶瓷坯釉配方的优化进行了研究，开发出陶瓷坯釉料配方最优化计算集成软件，并在生产中得到了实践应用。景德镇陶瓷学院章义来、胡国林等人也对陶瓷配方的专家系统进行了研究，并开发出相应的软件；章义来主持完成的国家863项目，在陶瓷配方专家系统的基础上开发出陶瓷CAD集成系统，从原料的选择、配方优化到产品造型与装饰的设计都可用计算机完成。

3.3 AI在陶瓷工业窑炉工况监控中的应用

窑炉是陶瓷行业中最重要的热工设备，近些年来，随着计算机的广泛应用和人工智能技术的发展，出现了以人工智能、控制理论和计算机技术为基础的新型控制技术——智能监控。

现代智能控制的几个研究方向：

（1）基于模糊集合理论模拟人的模糊推理和决策过程的模糊控制。

（2）专家系统与传统控制理论相互结合的专家控制方法。

（3）将人工神经网络用于智能控制的神经元控制及神经网络控制。

（4）模拟生物进化机制的遗传算法，其在自动控制中的应用主要是进行优化和学习，可与其它的控制策略结合，获得很好的效果。

例如目前在陶瓷窑炉上广泛使用着的AI人工智能温度调节器等就是模糊控制系统的应用。近年来，专家系统对工况监测的研究与应用在国外进行得较多，在国内的冶金、电力等行业也有一些报道；但在对陶瓷窑上的应用较少见到报道。陶瓷工业窑炉作为一个整体，所要控制的参数将是多个方面的，系统的不确定性也很大，是一个复杂控制系统。但是，如果将各种智能控制策略加以广泛应用，必将全面地促进我国陶瓷工业窑炉的自动控制水平。

3.4 AI在陶瓷工业生产过程中的应用

随着计算机的发展和普及，计算机在陶瓷行业中的地位也显得越来越重要，从陶瓷配方设计到陶瓷生产参数的控制，从陶瓷造型和装饰设计到陶瓷的销售、企业的管理都可以利用计算机来进行控制、调节，以提高效率，减轻劳动强度。如何将AI技术融入到这些计算机应用技术中，我国陶瓷工程技术人员已开始进行这方面的探索。例如，章义来等人研究开发了基于专家系统的智能图案设计系统，通过引入基于专家系统进行图案创作，大大减轻了陶瓷装饰花纸设计人员的工作复杂度，也提高了设计质量。产品质量是任何企业的生命线，陶瓷工业是传统劳动密集型产业，生产工序繁多，影响产品质量的因素也多，如何分析产品缺陷及其原因对现场技术人员来说是一项重要又困难的工作，更不要说一般工人了。但是如果到各个工序中去总结专家的经验，并利用这些经验建立一个数据库，一个便于工人查询的专家系统，工人在当班时发现产品质量出现问题便能马上上机查询，可能问题就能及时解决。

4 陶瓷工业发展的趋势及新特点

4.1 更节能，更智能化

就目前陶瓷工业的发展来看，我国的节能技术落后于欧美发达国家，所以采用先进的节能、智能技术对我国陶瓷业的发展至关重要。可以预见，今后陶瓷的发展趋势为：采用轻质陶瓷纤维涂制的连续更长的窑体；使用低温、低污染的烧结方式；采用控制性能更佳、更加智能化的自动控制技术。相信中国的陶瓷业经过不断努力，节能、智能技术及设备一定可以达到国际先进水平。

4.2 协作式服务平台

2015年李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划，“推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场”。支持企业间业务协作的服务平台开始受到研究者与企业的重视。近年来，协作式服务已经为许多企业解决了大量的信息化问题，因其相对于传统工作方式在时效和沟通成本等方面的优势，让它已经成为支撑产业间协作的重要手段。

随着经济全球化、产业专业化和社会化分工的发展，世界上的一些产业发生了重大变化，产业的发展呈现横向一体化趋势。支持企业间业务协作的服务平台将与陶瓷工业进行深度融合，提升陶瓷工业的创新能力和生产力。

5 结语

陶瓷行业作为高能耗、高消耗的行业，通过节能技术的实施、研发新型节能技术及设备、发展循环经济和窑炉技术革新，都可以实现节能的目标，可为发展低碳经济发挥举足轻重的作用。而且，随着计算机技术的发展，智能控制技术在节能方面具有很强的优势和应用市场。通过智能控制，不仅提高了调节的精度，还避免了人工调节的高工作量需求。智能控制在其它方面的节能应用由于智能控制技术具有较强的自适应特征和超前调节的功能，与传统控制技术相比，智能控制技术在改善劳动条件，促进窑炉生产科学化等方面具有突出优势。同时，智能控制技术更显优质、高效、节能。在大力提倡节约能源的今天，推广使用智能控制技术，对于提高企业劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。