一种太阳能陶瓷烧结炉及其控温方法

1.本发明涉及陶瓷烧制技术领域，特别是涉及一种太阳能陶瓷烧结炉及其控温方法。


背景技术：

2.陶瓷烧结需要的温度为800-1600℃，而窑炉是提供陶瓷烧结温度的主要设备，其主要用耐火材料砌成，是现有技术中陶瓷烧结中的必备设施。窑炉从原始社会的露天堆烧、挖坑筑烧到馒头状升焰圆窑、半倒焰马蹄形窑、半坡龙窑、鸭蛋形窑，发展到现今的室内气窑、电窑。目前为烧结炉提供能源燃料的主要是燃煤、煤气、天然气、油品、电力、生物质燃气或生物质秸秆等等。上述燃料主要来源于传统的非可再生能源，存在污染环境的缺陷。而如何能够降低对于传统能源的依赖，是需要考虑的问题。
3.太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，已有专利文献中也有利用太阳能作为窑炉的能量来源的相关技术。例如，公开号为cn101382390a的中国专利公开了以太阳能和风能为热源的窑炉及烘干设备，该设备期望在工作时不排出任何温室气体有害成分和粉尘，无噪声，不污染烘干品。但是，该设备在运行时需要首先将太阳能转换成空气的热能，再将空气的热能传递到窑炉为其提供热量。在能量转换过程中必然存在能量损失的问题，导致太能能的利用效率较低。
4.再如，申请公布号为cn 111521014a的中国专利公开了一种用于烧制陶瓷的太阳能窑，包括太阳能聚光板，太阳能聚光板上设有若干反光镜，太阳能聚光板的一侧设有集热换热器，集热换热器靠近太阳能聚光板的一侧卡接固定有太阳能聚光孔，集热换热器的内侧壁上安装有若干热交换翅片，集热换热器通过输热导管连接到窑室，窑室的一侧通过输热导管连接有风机，风机通过循环管连接到集热换热器内。同样的，该方案在利用太阳能时需要先将太阳能转换成集热换热器内介质的能量，再将热量传递到窑室，存在太阳能转换过程中能量的损失。
5.太阳能聚光后可产生3500℃高温，能流密度可达2000kw/m2，如果将聚光后的太阳能直接用于提供陶瓷烧结需要的温度和热量，将会大大提高太阳能的利用率，然而，已有技术中陶瓷的温度难以调控，因此，直接利用聚光后的太阳能存在导致陶瓷容易发生热震断裂的问题。
6.因此，如何能够实现利用太阳能直接烧结陶瓷是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种太阳能陶瓷烧结炉及其控温方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过将太阳能聚光器的聚光区或其发散光线照射到炉本体的工件上实现利用太阳能进行烧结工件的目的，同时，利用纵向移动装置驱动炉本体相对于聚光区的远近来调整工件的加热温度，保证工件在适宜温度范围内完成烧结，提高工件烧结的成品率。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.本发明提供一种太阳能陶瓷烧结炉，包括太阳能聚光器、设置有采光口的炉本体以及与所述炉本体连接的纵向移动装置，所述采光口朝向所述太阳能聚光器的入射方向，并与所述太阳能聚光器的聚光区位于同一水平高度，所述聚光区或所述聚光区的发散光线能够通过所述采光口照射到所述炉本体内的工件上，所述纵向移动装置能够驱动所述炉本体朝向或远离所述聚光区移动。
10.优选地，所述炉本体底部贯穿设置有旋转台，所述旋转台包括位于所述炉本体内的承载部和位于所述炉本体外的连接部，所述承载部用于支撑工件，所述连接部用于连接旋转驱动结构，在所述承载部的旋转下，工件能够相对所述聚光区转动。
11.优选地，所述连接部的幅面大于所述旋转台贯穿所述炉本体的开口的面积，所述连接部能够遮挡所述旋转台与所述炉本体之间的缝隙。
12.优选地，包括温度控制器，所述温度控制器包括温度检测单元和控制单元，所述温度检测单元用于检测工件的温度，所述控制单元用于根据所检测的温度调整所述纵向移动装置。
13.优选地，所述炉本体包括由外向内顺次设置的外围护结构、耐火保温材料和耐火墙。
14.优选地，所述耐火墙包括耐火外墙和耐火内墙，所述耐火内墙采用碳化硅板，耐受温度不低于1800℃，所述耐火外墙采用低于所述耐火内墙导热系数的耐火材料，耐受温度不低于1600℃。
15.优选地，所述外围护结构采用反光不锈钢板制成。
16.优选地，所述采光口安装有能够透射所述聚光区或所述聚光区的发散光线的石英玻璃窗。
17.优选地，所述纵向移动装置的移动部连接有横向移动装置，所述横向移动装置的移动部连接有竖向移动装置，所述竖向移动装置的移动部连接有所述炉本体。
18.本发明还提供一种太阳能陶瓷烧结炉的控温方法，应用前文记载的所述的太阳能陶瓷烧结炉，包括以下内容：
19.升温：控制单元控制纵向移动装置运动，工件缓缓向太阳能聚光器的聚光区处移动，工件的温度缓慢上升，待温度检测单元测得的温度达到烧结温度和时间长度时，升温过程结束；
20.保温：控制单元控制纵向移动装置运动，工件往复移动，维持在一定温度范围内，且保证烧结时间达到工艺曲线要求的烧结时间；
21.降温：工件烧结完成后，控制单元控制纵向移动装置运动，工件缓慢远离太阳能聚光器的聚光区，工件的温度缓慢下降，工件移至远端后，自然降到室温。
22.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
23.(1)本发明通过将太阳能聚光器的聚光区照射到炉本体的工件上实现利用太阳能进行烧结工件的目的，同时，利用纵向移动装置驱动炉本体相对于聚光区的远近来调整工件的加热温度，保证工件在适宜温度范围内完成烧结，提高工件烧结的成品率；
24.(2)本发明在炉本体底部贯穿设置有旋转台，利用旋转台驱动炉本体内的工件转动，能够使得工件各处与聚光区重合，即工件均匀受热，避免工件局部受热所导致的烧结问题，进一步提高烧结质量；
25.(3)本发明利用温度检测单元检测工件的温度，利用控制单元根据所检测的温度调整纵向移动装置，从而能够根据工件的实际温度实时调整纵向移动装置，在工件温度高时远离聚光区，在工件温度低时靠近聚光区，从而实现对工件按照设定温度进行烧结，得到满足烧结温度需求的成品工件；
26.(4)本发明纵向移动装置的移动部连接有横向移动装置，横向移动装置的移动部连接有竖向移动装置，竖向移动装置的移动部连接有炉本体，既能够利用纵向移动装置驱动炉本体远离和靠近聚光区移动，还能够利用横向移动装置和竖向移动装置分别调整炉本体相对于聚光区的横向位置和竖向位置，便于炉本体的采光口对准聚光区位置。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明整体结构示意图；
29.图2为图1中位置调整机构的另一方向侧视图；
30.图3为本发明炉本体剖面结构示意图；
31.其中，1、太阳能聚光器；2、炉本体；3、竖向驱动电机；4、竖向移动装置；5、横向驱动电机；6、横向移动装置；7、纵向移动装置；8、纵向驱动电机；9、温度控制器；10、旋转台；11、移动台；12、支撑台；13、采光口；14、外围护结构；15、耐火保温材料；16、耐火外墙；17、耐火内墙；18、工件。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明的目的是提供一种太阳能陶瓷烧结炉及其控温方法，以解决现有技术存在的问题，通过将太阳能聚光器的聚光区或聚光区的发散光线照射到炉本体的工件上实现利用太阳能进行烧结工件的目的，同时，利用纵向移动装置驱动炉本体相对于聚光区的远近来调整工件的加热温度，保证工件在适宜温度范围内完成烧结，提高工件烧结的成品率。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.如图1～3所示，本发明提供一种太阳能陶瓷烧结炉，包括太阳能聚光器1、设置有采光口13的炉本体2以及与炉本体2连接的纵向移动装置7。太阳能聚光器1用于聚焦太阳能，并将太阳能聚焦于聚光区以达到需求的高温，太阳能聚光器1可以采用一次聚光，也可以采用二次或多次聚光；可以采用反射式聚光，也可以采用透射式聚光，或者采用反射式加透射式聚光；可以采用点聚光，也可以采用线聚光。无论采用哪种形式的太阳能聚光器1，均有一可以固定的聚光区，也就是说，随着太阳位置的改变，太阳能聚光器1能够通过自身位
置的调节保证其聚光区可以不随太阳位置的变化而变化。需要说明的是，太阳能聚光器1这一特性是现有技术手段可以实现的，此处不再赘述。另外，炉本体2与太阳能聚光器1对应设置，将炉本体2的采光口13朝向太阳能聚光器1的入射方向，并与太阳能聚光器1的聚光区位于同一水平高度，此时，聚光区或聚光区的发散光线能够通过采光口13照射到炉本体2内的工件18上。在需要调节工件18的温度时，则可以通过纵向移动装置7驱动炉本体2朝向或远离聚光区移动实现，即需要升温时，则靠近聚光区，需要降温时，则远离聚光区，需要保持温度时，则反复靠近和远离聚光区。综上，本发明通过将太阳能聚光器1的聚光区或其发散光线照射到炉本体2内的工件18上实现利用太阳能进行烧结工件18的目的，同时，利用纵向移动装置7驱动炉本体2相对于聚光区的远近来调整工件18的加热温度，能够保证工件18在适宜温度范围内完成烧结，提高工件18烧结的成品率。
36.炉本体2底部贯穿设置有旋转台10，旋转台10可以为回转体结构，例如圆柱体，在安装圆柱体时，在炉本体2底部开设贯穿的圆孔即可，在旋转台10转动时，可以避免旋转台10与炉本体2之间过大的缝隙。旋转台10包括位于炉本体2内的承载部和位于炉本体2外的连接部，承载部用于支撑工件18，连接部用于连接旋转驱动结构，旋转驱动结构能够驱动旋转台10转动，对于旋转驱动结构的具体形式不作要求，可以为电机直驱，也可以通过减速器或联轴器连接等等。在炉本体2固定的基础上，旋转台10的承载部能够带动工件18转动，工件18能够相对聚光区转动，从而，能够不断的改变聚光区或其发散光线在工件18上的位置，使得工件18各处均能够与聚光区或其发散光线重合，通过控制旋转台10在合适的转速内转动，能够使得工件18均匀受热，避免工件18局部受热所导致的烧结质量问题，进一步提高烧结质量。
37.如图3所示，连接部的幅面可以大于旋转台10贯穿炉本体2的开口的面积，也就是说，承载部的直径小于连接部的直径，此时，连接部能够遮挡旋转台10与炉本体2之间的缝隙，炉本体2内的热量不会从缝隙处排出而影响到旋转台10所连接的旋转驱动结构。
38.如图1～2所示，包括温度控制器9，温度控制器9包括温度检测单元和控制单元，温度检测单元用于检测工件18的温度，控制单元用于根据所检测的温度调整纵向移动装置7。温度检测单元的温度信号可以来自测温热电偶，也可以是红外测温仪器等。控制单元与温度检测单元连锁控制，具体的，当检测到的工件18温度超过设定温度时，则利用控制单元控制纵向移动装置7移动，进而驱动炉本体2远离聚光区动作；当检测到的工件18温度低于设定温度时，则利用控制单元控制纵向移动装置7移动，进而驱动炉本体靠近聚光区动作。因此，通过温度控制器9的设置能够实现对工件18温度的自动化控制，保证工件18加热温度满足需求。
39.工件18烧结过程需求的温升工艺曲线由纵向移动装置7、温度控制器9(包括温度检测单元和控制单元)组成的自动控温系统实现。太阳能聚光器1投入工作后，在温度控制器9中设定好温升工艺曲线，随后同时启动温度控制器9和纵向移动装置7，温度控制器9通过计算温度控制器9的设定温度与炉本体2内所测得的温度的差值，控制纵向移动装置7运动，实现工件18的温度调控。
40.如图3所示，炉本体2可以包括由外向内顺次设置的外围护结构14、耐火保温材料15和耐火墙。外围护结构14主要对炉本体2进行防护，避免外部受到光照影响寿命或碰撞等机械损害。耐火保温材料15主要用于保持炉本体2内的温度，避免内部热量的散失，提高太
阳能的利用率。耐火墙则作为炉本体2的最内侧结构，用于直接接受聚光区或其发散光线的烘烤，进行隔绝炉本体2腔体内温度，并保持炉本体2结构的稳定性。
41.进一步的，耐火墙可以包括耐火外墙16和耐火内墙17，其中，耐火内墙17可以采用高导热系数的碳化硅板，耐受温度不低于1800℃，耐火内墙17距离工件18(被烧结陶瓷体)最近，可使炉本体2内壁面温度分布更均匀，有利于工件18均匀受热。耐火外墙16可以采用低于耐火内墙17导热系数的低导热系数的耐火材料，耐受温度不低于1600℃。
42.外围护结构14可以采用反光不锈钢板制成，采用反光率较高的不锈钢板可将大部分光线反射出去，减少热量吸收，有效避免炉本体2被烧坏。
43.为了进一步的保证炉本体2内的温度和热量，避免热量散失，可以在采光口13安装有能够透射聚光区或其发散光线的石英玻璃窗，石英玻璃窗可以透过光线，但能在一定程度上阻止炉本体2内的对流热损失。
44.如图1～2所示，炉本体2连接有位置调整机构，位置调整机构固定在支撑台12上。位置调整机构包括有纵向移动装置7，纵向移动装置7的移动部连接有横向移动装置6，横向移动装置6的移动部连接有竖向移动装置4，竖向移动装置4的移动部连接有炉本体2。竖向移动装置4的移动部可以为移动台11，移动台11还可以连接有另一可以驱动炉本体2转动的转动驱动装置。纵向移动装置7、横向移动装置6和竖向移动装置4分别连接有纵向驱动电机8、横向驱动电机5和竖向驱动电机3，各驱动电机可以通过丝杠螺母等结构驱动各移动部的动作。通过多种移动或转动装置的组合设置，既能够利用纵向移动装置7驱动炉本体2远离和靠近聚光区移动，还能够利用横向移动装置6和竖向移动装置4分别调整炉本体2相对于聚光区的横向位置和竖向位置，以及利用转动驱动装置调整采光口13的朝向角度，便于炉本体2的采光口13对准聚光区位置。需要说明的是，位置调整机构中的横向移动装置6和竖向移动装置4主要在初始对准聚光区时对炉本体2的位置进行调整，在调整到位后，后续对于工件18烧结温度的调整主要利用纵向移动装置7来实现。
45.结合图1～3所示，本发明还提供一种太阳能陶瓷烧结炉的控温方法，可以应用前文记载的太阳能陶瓷烧结炉，包括以下内容：
46.升温时：温度控制器9的控制单元控制纵向移动装置7运动，工件18缓缓向太阳能聚光器1的聚光区处移动，工件18的温度缓慢上升，待温度控制器9的温度检测单元测得的温度达到烧结温度和时间长度时，升温过程结束；
47.保温时：控制单元控制纵向移动装置7运动，工件18往复移动，维持在一定温度范围内，且保证烧结时间达到工艺曲线要求的烧结时间；
48.降温时：工件18烧结完成后，控制单元控制纵向移动装置7运动，工件18缓慢远离太阳能聚光器1的聚光区，工件18的温度缓慢下降，工件18移至远端后，自然降到室温。
49.本发明具体的一实施例中，工件18为被烧结陶瓷，被烧结陶瓷的外径为55mm，高为40mm，壁厚为2-3mm。炉本体2的外形为长方体，采光口13为圆形，内腔为可容纳被烧结陶瓷的空腔。
50.初始时，被烧结陶瓷处于室温。
51.升温过程：温度控制器9控制位置调节机构的纵向移动装置7运动，被烧结陶瓷缓缓向太阳能聚光器1的聚光区处移动，被烧结陶瓷的温度缓慢上升，待温度传感器测得的温度达到烧结温度和时间长度时，升温过程结束。
52.保温过程：温度控制器9控制位置调节机构的纵向移动装置7运动，被烧结陶瓷在当前位置处轻微移动，被烧结陶瓷的温度维持在一定温度范围内，且保证烧结时间达到工艺曲线要求的烧结时间。
53.降温过程：被烧结陶瓷烧结完成后，温度控制器9控制位置调节机构的纵向移动装置7运动，被烧结陶瓷慢慢远离太阳能聚光器1的聚光区，被烧结陶瓷的温度缓慢下降。当位置调节机构的纵向移动装置7将被烧结陶瓷移动到距太阳能聚光器1的聚光区最远时，被烧结陶瓷的温度已降至最低，此过程持续2小时。但此时还没达到室温，用保温材料将炉本体2的采光口13封闭，被烧结陶瓷在炉本体2中自然降温。
54.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。