一种烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉的制作方法

本发明涉及一种烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉，属于陶瓷烧制技术领域。

背景技术：

目前高温工艺陶瓷的烧成温度多在1200℃到1350℃区间，根据不同陶瓷的烧成需求需要对陶瓷烧成的气氛进行控制，如现有大部分还原气氛烧成瓷器需要在980℃到1020℃间完成从氧化气氛到还原气氛的转换(注：烧成气氛的性质是由窑炉内的燃料产物中所含的游离氧与还原成分的百分比决定的。一般可以将烧成气氛分为氧化气氛和还原气氛两种。游离氧含量在8％～10％称为强氧化气氛，游离氧含量在4％～5％的称为一般氧化气氛,游离氧含量1％～1.5％的称为中性气氛；当游离氧的含量小于1％，并且CO含量在1％～2.5％以下时，称为弱还原气氛，CO含量在3％～7％以上的称为强还原气氛。)。陶瓷烧成中的温度制度与气氛制度是影响陶瓷烧成过程中的关键因素，因此陶瓷烧成过程中就需要对陶瓷烧成窑炉中的温度和气氛进行精确控制。随着生产力的发展，人们对温度的控制能力有了极大的提高，但对窑炉内气氛特别是还原气氛的控制仍然较难实现。

燃气窑炉因其可同时产生高温和还原烧制环境，是目前陶瓷生产的主流窑炉。由于反应气不但要燃烧作为能量来源，同时还要依靠其不同的燃烧程度来控制窑炉内的气氛环境，这便造成窑炉内温场和气氛浓度场的强耦合现象，使得窑内环境稳定性很差，一般来说气氛浓度基本就只能依靠烧窑人员个人经验来决定的。现有燃气窑反应气多为丁烷等分子量较大的气体，在高温下极其容易分解并产生单质碳组分，对瓷器的烧制有非常不利的影响。而更为传统的柴窑除了和气窑一样难以控制外，还对环境有较大影响，目前除少数特殊工艺品烧制外，已经不再使用。当前较有前景的陶瓷窑炉为采用电阻加热方式的陶瓷电炉，而该形式的电炉已在现代工业陶瓷材料的制备中广泛应用。采用电加热的陶瓷窑炉可以拥有非常稳定的温度场，一般优化以后的电炉可以控制温度波动在±5℃之内，特殊应用场合的电炉温场均匀性能达到±2℃以下。非常利于烧制一致性好的陶瓷器皿。但电炉也同样存在无法控制气氛的重大缺陷，所以目前多采用电炉烧制氧化气氛的瓷器。也有陶瓷研发人员通过向电炉中通入配置好的还原气来形成所需的还原性气氛，但这种做法第一，十分危险，操作不慎非常容易引起炸炉；第二，气体利用率极低，损耗极大；第三，控制稳定性不足，虽然能够控制输入的精确配比，但却无法知晓窑炉内部实际的气氛浓度。且该种改进型电炉很难操作，所以除少数科研人员用之进行实验外，其它应用面非常狭窄。目前的陶瓷烧成技术正因为缺少有效可靠的气氛控制方法，导致高品质陶瓷器皿烧成的成品率很低，许多陶瓷从业人员也在不断寻找合理的解决方法。

在专利申请《一种可产生柴烧气氛的烧瓷电窑》中提出了一种合理有效的双腔窑炉结构(专利公开号CN105910437A)，其具有产生还原性烧成气氛的功能。具有双腔结构的柴电结合窑是使电窑能产生还原气氛的根本所在，但是该专利申请并未涉及陶瓷烧成过程中对窑内气氛的控制等。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉，对已有的陶瓷窑炉的结构作出改进，以实现在稳定控制温度的同时，还能有效调节和控制窑炉内部气氛，便于烧制不同种类瓷器制品的目标。

本发明提出的烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉，包括保温外壁、烧制区和气氛生成区，烧制区和气氛生成区位于保温外壁的内腔中，烧制区内的气体和气氛生成区内的气体通过多孔隔板相连通，烧制区和气氛生成区之间分别设有气体内循环通路和气体外循环通路，气体内循环通路上设有内循环闸板；所述的烧制区内沿四壁设有上加热器，烧制区内设有支架棚板，待烧成坯体置于支架棚板上，烧制区的上部设有一氧化碳检测仪和循环气出口，循环气出口上设有排气阀；所述的气氛生成区设有炭架，炭架的下部设有下加热器，下加热器的下部设有一次风管道，一次风管道通过一次风控制阀与气体外循环通路相连通，气体外循环通路上设有循环气总控制阀；气氛生成区的侧面设有二次风管道，气氛生成区通过二次风控制阀与气体外循环通路相连通，新风管道通过新风控制阀与气体外循环通路相连通。

本发明提出的烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉，其优点是：

本发明的陶瓷窑炉解决了已有技术的电窑内部无法生成稳定可控还原气氛的问题，并且和传统的柴窑相比，本发明一次烧成只需使用极少量的木炭或其它碳组分反应物，控制了能量损失，减少了大量的二氧化碳及其它有害气体排放，同时能够使炉内达到更高的温度，提高陶瓷性能，提升工艺美术特性。与目前市场上常用的气窑相比，不但提高了安全性，也减少了废气排放，而且气氛生成和炉内控温相互独立，用户操作简便，陶瓷产品成品率极大提升。而且提高了制陶设备运行的灵活性及操作的便利性。因此，本发明提出的陶瓷烧制窑炉，对于陶瓷特别是工艺美术陶瓷行业具有极其广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提出的烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉的结构示意图，其中1为烧制区，2为气氛生成区，3为保温外壁，4为上加热器，5为排气阀，6为循环气总控制阀，7为内循环闸板，8为支架棚板，9为气体内循环通路，10是下加热器，11为新风控制阀，12为一次风控制阀，13为二次风控制阀，14为炭架，15为气体外循环通路，16为多孔隔板，17为一氧化碳检测仪。

图2为本发明烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉在利用新风控制法工作时的控制原理图，其中图2(a)为陶瓷烧制窑炉中气体流向图，图2(b)是利用新风控制法工作时的控制流程框图。

图3为本发明烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉在利用气流内循环控制时的控制原理图，其中图3(a)为陶瓷烧制窑炉中气体流向图，图3(b)是利用气流内循环控制时的控制流程框图。

图4为本发明烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉在利用气流外循环控制时的控制原理图，其中图4(a)为陶瓷烧制窑炉中气体流向图，图4(b)是利用气流外循环控制时的控制流程框图。

具体实施方式

本发明提出的烧成气氛可控的陶瓷烧制窑炉，其结构如图1所示，包括保温外壁3、烧制区1和气氛生成区2，烧制区1和气氛生成区2位于保温外壁3的内腔中，烧制区1内的气体和气氛生成区2内的气体通过多孔隔板16相连通，烧制区1和气氛生成区2之间分别设有气体内循环通路9和气体外循环通路15，气体内循环通路9上设有内循环闸板7。烧制区1内沿四壁设有上加热器4，烧制区内设有支架棚板8，待烧成坯体置于支架棚板8上，烧制区1的上部设有一氧化碳检测仪17和循环气出口，循环气出口上设有排气阀5。气氛生成区2设有炭架14，炭架14的下部设有下加热器10，下加热器10的下部设有一次风管道，一次风管道通过一次风控制阀12与气体外循环通路15相连通，气体外循环通路15上设有循环气总控制阀6。气氛生成区2的侧面设有二次风管道，气氛生成区2通过二次风控制阀13与气体外循环通路15相连通，新风管道通过新风控制阀11与气体外循环通路15相连通。

本发明所涉及的窑炉一般由两个主要部分构成，即烧成区和气氛生成区。本发明的主要内容就是通过控制炉内气体在不同区域间循环流转协同气氛生成区的燃烧反应来产生烧成区所需的一氧化碳浓度(即烧成气氛)。炉内气体在不同区域间循环流转包括但不限于内循环和外循环等方案。

炉内气体组分之间的相互反应主要为以下几种：

C+O₂＝CO₂(新风进气充足，或循环气中氧含量较高)(1)

2C+O₂＝2CO(新风进气不足，或循环气中氧含量较低)(2)

C+CO₂＝2CO(循环气和碳源反应)(3)

2CO+O₂＝2CO₂(还原气消耗)(4)

通过控制以上几组反应的强度，就可以使炉内气氛保持在一种稳定的状态，通过算法控制来修正气体组分和炉内釉和胎进行化学反应后带来的气氛变化。

本发明通过以下技术方案来实现对上述化学反应式的控制：

第一种是控制新风进气流量和进气通路。通过控制新风进气总量，并通过管路上的阀门大小按比例分配新风至其相应的进气通路，可以控制式(1)和式(2)，同时也可以使炉内发生反应式(3)或(4)；

第二种是控制气体内循环量的大小，通过内循环通路上的闸板可以控制内循环过程中，炉内气氛再次回到气氛生成区的量，从而控制反应式(3)的强度，并且一定程度控制反应式(1)和(2)的进行。

第三种是通过强迫排风促进炉内气体流动，首先可以通过阀门控制气体排出窑炉或进入气体循环，从而来控制反应式(3)的反应强度；并且通过外循环通路上的控制阀门，可以分配循环气进入位置，根据循环气和炭源的接触情况，来控制整个循环气是按反应方程式(3)进行提高还原浓度或按方程式(4)进一步消耗减少还原浓度。

与之对应的通过气体流动控制炉内一氧化碳浓度的方法包括但不限于以下三种：

新风控制法，通过调节新风进气阀门、一次风阀门和二次风阀门来控制新风量大小，从而控制一氧化碳。

内循环控制法，通过开启并控制排气阀和内循环闸板来控制气体炉膛内部气体循环量的大小，从而控制一氧化碳浓度。

外循环控制法，通过控制循环气量以及将循环气按比例分配，通过和炭反应量来控制一氧化碳浓度。

经过工艺陶瓷中郎红釉的标准试验，这三种控制方法都能有效地调节窑炉内部的一氧化碳组分浓度，可以烧制出品相完美瓷器。

以下结合附图，详细介绍本发明的结构和控制方式。

在本发明的陶瓷烧制窑炉中，烧制区1和气氛生成区2两个区域之间用隔板16隔开，隔板16主要保证两个区域各自的工作温度，不会互相影响。同时隔板16上也分布有小孔，使得气氛生成区2所产生的气氛能够进入到烧制区1。同时两个区域之间的气流通路通过流道设计和不同的阀门控制，每个阀门相邻处均安装有流量计用以反馈实时气体流量。本发明的陶瓷窑炉就是通过控制炉内气体在不同区域内循环流转协同气氛生成区的燃烧反应，来产生所需的一氧化碳浓度，即烧成气氛。一氧化碳浓度检测仪17测点安装在窑炉烧制区1。

本发明的陶瓷烧制窑炉的第一种控制实施方式如图2所示，为直接采用新风控制法控制一氧化碳浓度的工作方式，即通过新风分配的方式控制一氧化碳浓度，其中图2(a)为陶瓷烧制窑炉中气体流向图，图2(b)是利用新风控制法工作时的控制流程框图。

如图2所示，在窑炉烧制区1装入待烧瓷器，关闭炉门后同时通过加热烧制区1和气氛生成区2，使其按预设工艺进行升温。

当烧制区1温度达到预设温度，开启气氛生成区2炉门，将木炭或其它用于产生一氧化碳的反应物(如焦炭，机制炭，木柴等)作为碳源装入气氛生成区2内部炭架14上，之后关闭气氛生成区2炉门。之后关闭外部循环阀6及内循环闸板7。稳定烧制区1温度，并逐渐升高气氛生成区温度。打开新风控制阀11，确保一定量的新风进入气氛生成区2，保持整个炉内对外界形成正压，防止外部气体组分不受控地进入烧制区域。进入气氛反应区2的新风和炭发生反应，部分氧气转化为一氧化碳和二氧化碳。

其中新风进气量需要达到某一特定阈值，当新风量过小时，产生的一氧化碳量则不足以在一定时间内置换完烧制区1里的原有气体。该阈值即表示能够在单位时间内产生最多一氧化碳的新风进气量。

进行气氛控制中，当要减少烧制区1一氧化碳浓度时，通过开大新风控制阀11可以增加新风进气量，使反应式向产生二氧化碳方向发展，同时过量的游离氧也可能直接进入烧制区1，和一氧化碳进行反应，这个过程一样能够减少烧制区1一氧化碳浓度。当要再次增加烧制区1中一氧化碳浓度时，则减少新风量，使一氧化碳浓度向反应阈值靠近。

通过一氧化碳传感器的反馈，来控制新风控制阀11的大小，从而调节新风进气量的大小，实现控制烧制区1一氧化碳浓度(即还原气氛强度)的功能。

同时也可以引入新风分配系统，直接控制进入新风的流向，一部分进入气氛生成区2参与炭反应，另一部分作为二次风避免其与炭的反应从而实现调节的作用。

上述控制一氧化碳浓度的升降的过程可以通过计算机实现自动化控制。通过一氧化碳传感器反馈烧制区1浓度，并采用设计好的算法输出进气路及排气路的流通量，可以有效的控制一氧化碳浓度随时间的变化量，从而满足整个陶瓷烧成过程。待陶瓷烧成过程结束后，按工艺要求降低烧制区1和气氛生成区2的温度，并撤除残余木炭，并保持一定量的新风输入，使炉内气氛快速转化成工艺所需的氧化氛围。随后完成整个陶瓷烧制过程，获得理想的陶瓷制品。

本发明的陶瓷烧制窑炉的第二种控制实施方式如图3所示，图3中，图3(a)为陶瓷烧制窑炉中气体流向图，图3(b)是利用气流内循环控制时的控制流程框图。本控制方式采用气体炉内自然对流循环控制的工作方式。

前期的升温过程和装载木炭以及达到还原要求的过程与第一种控制方式相同。稳定烧制区1温度，并逐渐升高气氛生成区2的温度。打开新风控制阀11入口，确保一定量的新风进入气氛生成区2，保持整个炉内对外界形成正压，防止外部气体组分不受控地进入烧制区域。打开气体循环闸板7，由于烧制区1高温和气流流道之间形成温差，气体密度发生变化，从而形成了如图3(a)所示的气体流动。烧制区1气体通过气体流道进入气氛反应区2，和木炭二次接触，并在高温下发生反应，从而将混合气中一定量的二氧化碳组分转化为一氧化碳，并再次进入烧制区1。以此往复提高烧制区域内的一氧化碳浓度，使之达到陶瓷烧制中所需的还原气氛环境。

当还原环境气氛满足烧成条件后，将烧制区1和气氛生成区2的温度按工艺要求进行控制。在保证烧成温度的过程中，还需同时检测烧制区1内的一氧化碳浓度(即还原气氛强度)，当一氧化碳浓度达到并超过预设值后，通过减少气体循环闸板7的通路截面，同时增加顶部排气口5的打开量，减少循环量，从而降低烧制区1的一氧化碳浓度。

上述控制一氧化碳浓度的升降的过程可以通过计算机实现自动化控制。通过一氧化碳传感器反馈烧制区1浓度，并采用设计好的算法输出循环路及排气路的流通量，可以有效的控制一氧化碳浓度随时间的变化量，从而满足整个陶瓷烧成过程。

烧成及降温过程与第一种控制方式相同。

本发明的陶瓷烧制窑炉的第三种控制实施方式如图4所示，图4中，图4(a)为陶瓷烧制窑炉中气体流向图，图4(b)是利用气流外循环控制时的控制流程框图。

本实施方式采用气体炉外强迫对流循环控制的工作方式，同时通过循环气分配的方式控制一氧化碳浓度。

前期升温，装载木炭以及达到还原要求的过程上述两种控制方式相同，如图4所示，首先关闭排气阀5，内循环闸板7，打开循环路控制,6，使气体进入外循环工作方式。

当要减少烧制区1一氧化碳浓度时，通过控制循环气分配阀门，即一次风阀门12和二次风阀门13进行调节，减少一次风量，即减少和木炭接触的循环气量，同时将二次风通过气氛生成区顶部侧面直接引入烧制区1。这部分的气体没有参与CO生产反应，同时由于底部新风引入及排气的联合作用，使得烧制区1的一氧化碳浓度降低。当要增加烧制区1一氧化碳浓度时，增加一次风阀门12开度，提高一次风量，即增加木炭和循环气的反应量；同时减少二次风阀门13开度，即减少循环气直接进入入烧制区1的气量。通过一氧化碳传感器的反馈，以及对循环气一次风阀门12和二次风阀门13的控制，可以有效地调节烧制区1内部的一氧化碳浓度(即还原气氛强度)。

烧成及降温过程也与第一种控制方式相同。