CN101100366A

CN101100366A - 陶瓷太阳板

Info

Publication number: CN101100366A
Application number: CNA2006100452894A
Authority: CN
Inventors: 曹树梁; 许建华; 蔡滨; 王启春; 石延岭; 许建丽
Original assignee: SHANDONG TIANHONG CAMBERED PLATE CO Ltd
Current assignee: SHANDONG TIANHONG CAMBERED PLATE CO Ltd
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2026-07-05
Also published as: CN101100366B

Abstract

以普通陶瓷原料、过渡元素化合物总量超过5％的工业废弃物、过渡元素总量超过20％的金属矿物制造深颜色的陶瓷太阳板，以上述原料经常规加工成泥料，用挤制法挤出成型多孔通孔板，经加工使通孔在两端处连通，两端粘接同种材质带进出口的堵头，形成陶瓷太阳板坯体，将陶瓷太阳板坯体经干燥、烧成即得到陶瓷太阳板或表面覆盖深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板，与现有的太阳能集热体如真空玻璃管、铜铝复合太阳能集热体相比具有生产成本低、使用寿命长、阳光吸收率不衰减、在整个寿命期间平均工作效率比较高的特点。与以提钒尾渣为基础的钒钛黑瓷太阳能集热板和复合陶瓷中空太阳能集热板相比具有原料来源广泛、原料分布点广、原料运输距离短、生产成本更为低廉的优点。

Description

陶瓷太阳板

(一)技术领域

本发明涉及太阳能利用的方法，具体说是关于太阳能集热体的制造方法，更详细地说是关于用普通陶瓷原料、富含过渡元素的工业废弃物、金属矿物为原料制造陶瓷太阳能集热体的方法。

(二)背景技术

太阳能是可再生、取之不尽、不危害环境的绿色能源，又是不稳定、稀薄、低密度能源，太阳能光热利用主要采用太阳能热水器，太阳能热水器关键部件是太阳能集热体，目前主要是真空玻璃管和铜铝复合集热体，两者均存在以下不足：1.价格高——每平方米售价数百元；2.寿命短——金属易腐蚀，尤其焊缝易腐蚀，真空玻璃管存在真空寿命和管体易破碎等问题，导致两者平均寿命难以达到10年；3.平均效率不高——两者均采用低温涂层，①低温涂层几年内开始老化，阳光吸收率逐步下降，整个寿命期间平均效率不高；②铜材昂贵，管间距离大，铝板吸收太阳能后横向传递给铜管中的介质，平均传热距离30毫米左右。由于结构限制，真空玻璃管管间空隙大，黑色吸收层只占结构面积50％左右，中午阳光强烈，但是中午阳光直射时大量阳光从管间空隙中穿过，影响了集热效率。

太阳能涂料难以彻底解决阳光吸收率衰减问题，因此价格低廉，使用寿命长、具有一定的阳光吸收率的太阳能集热体应该是更具实用价值的产品。

(三)发明内容

本发明的目的是利用廉价原料、简单生产工艺制造低成本、长寿命、具有较高阳光吸收率，并且阳光吸收率不会随时间衰减的陶瓷中空太阳能集热体，称作陶瓷中空太阳能集热板，简称陶瓷太阳板。

本发明是这样实现的：

太阳能光热利用的核心部件是中空的太阳能集热体，以水为主要导热介质和加热目的物，最主要的技术经济指标是生产成本、使用寿命、工作效率。

生产成本：

主要由原材料价格、生产工艺复杂程度、制造过程中的能源消耗等因素构成，普通陶瓷原料是粘土、石英、长石，这类原料的价格与影响制品白度的Fe、Ti等杂质含量有关，制造陶瓷太阳板不要求白度，可采用廉价陶瓷原料，也可采用各种工业废弃物、采矿尾矿、金属矿物等。本发明陶瓷太阳板以采用真空练泥挤出法生产多孔通孔板为基础，这是一种连续化、大规模、高效率的成型方法，生产工艺简单。陶瓷制品具有较高的强度，陶瓷太阳板使用温度100℃左右，对强度无过高要求，可以采用较多的低熔点原料，使烧成温度降低，烧成温度可控制在1000～1250℃之间，并采用大规模连续化生产的窑炉，进一步降低烧成能耗。

制品售价反映生产成本，目前各种有关制品的大致市场售价：普通陶瓷平板500～600元/T，20～30元/m²，生铁约3000元/T，钢板4500元/T，铝材24000元/T，铜材70000元/T，陶瓷比重约为钢铁的1/3，大规模生产的陶瓷太阳板有可能实现每平方米数十元的生产成本。

使用寿命：

太阳能集热体中的水温可以达到100℃，热水比冷水更容易腐蚀金属材料，空晒时太阳能集热体内温度可以接近200℃，在上述温度下陶瓷材料完全可以做到不腐蚀、不老化、不退色，现代陶瓷工业的热处理可以使陶瓷制品具有较小的内应力，内壁水碱可以用除垢剂或酸类溶液去除，以实现数十年甚至上百年的使用寿命。

工作效率：

表面为反光面或纯白面的物体阳光吸收率较低，一般来说，对表面非反光面的物体而言表面颜色越深阳光吸收率越高，陶瓷太阳板采用廉价陶瓷原料、工业废弃物、采矿尾矿、金属矿物等，可以使陶瓷太阳板具有浅灰色、灰色、深灰色、褐色、红色、紫色、灰褐色、黑灰色、黑褐色、黑色的基体或表面层，使其具有较高的阳光吸收率，陶瓷太阳板烧成温度超过1000℃，结构十分稳定，即使长时间处于200℃左右温度下也不会退色，阳光吸收率不随时间衰减，从而使其在几十年、上百年的寿命期间始终具有较高的工作效率。

进一步详细叙述陶瓷太阳板的原料，普通陶瓷可分为日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等，通常陶瓷制品出自白度和电绝缘性的要求，往往排斥呈色或降低电绝缘性的过渡元素如：Fe、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Co、Zn、Zr、Nb、Mo、W等，这些元素被看作陶瓷原料中的杂质，他们会降低制品的白度和破坏电绝缘性，所以普通陶瓷坯体的原料主要是Si、Al、Mg、Ca、K、Na的氧化物，纯度越高，品质越高，价格越贵。也有个别例外，如紫砂壶、红地砖、黑陶艺术品等的原料，紫砂壶以紫砂泥为原料，红地砖以红粘土为原料，其中赤铁矿(Fe₂O₃)的含量接近10％，烧制品为红色，黑陶艺术品是以强还原焰煅烧粘土制品，使其中红色的Fe₂O₃还原为黑色的FeO，使制品呈现带光泽的黑色表面。为降低成本，陶瓷业也使用某些工业废弃物如煤矸石等作为陶瓷原料。

然而，由于商业原因陶瓷并非都是白色的，除白色釉以外，其他釉料具有各种色彩，无釉磨光的瓷质抛光砖的坯体也有各种颜色，为使陶瓷呈现各种颜色，人们在陶瓷原料中加入各种陶瓷着色剂，绝大部分着色剂都是由易呈色的过渡元素，主要是量大易得的第四周期过渡元素的氧化物或化合物，为取得这些着色剂人们用工业纯的金属氧化物、化合物经过精心配制、严格控制烧成温度、烧成气氛使其呈现各种鲜艳的颜色。这些氧化物、化合物一般是用金属矿物经过复杂的富集、冶炼生产工艺、消耗大量能源从金属矿物中提炼出来，再化合、提纯才得到这些陶瓷着色剂，代价十分昂贵。

过渡元素一般是指电子层结构中d轨道仅部分填充的元素，d轨道容易分裂，造成电子发生跃迁而呈色，d电子可以全部或部分参与成键，造成不同价态，同一种元素处于不同价态可以呈显不同颜色，如钒元素不同价态可以呈现黄、兰、绿、紫色，三价铁为红色、二价铁为黑色等等，多种过渡元素混合后在陶瓷烧成温度烧成时其中发生的反应非常复杂，所呈现的颜色难以用理论来推断，一般需通过大量实验来确定，如黑色陶瓷颜料一般采用钴系着色剂，可以采用CoO 20％、CuO 10％、Cr₂O₃10％、Fe₂O₃20％、MuO40％混合后经1200℃烧结再粉碎即成为一种陶瓷黑色着色剂。

陶瓷太阳板是具有流体进出口的陶瓷中空板，中空板内可以覆盖釉层，外表面可以覆盖表面层，为尽可能多地吸收阳光，其外表面或向阳面是不反光、非白色的，表面可以具有较深的颜色，如浅灰色、灰色、深灰色、褐色、红色、紫色、兰色、灰褐色、黑灰色、黑褐色、黑色等各种颜色，颜色越深，阳光吸收率越高，陶瓷太阳板的原料是普通陶瓷原料包括氧化铁含量超过3％的陶瓷原料、红粘土、富含过渡元素的工业废弃物、金属矿物。

上述普通陶瓷原料是指陶瓷工业大量使用的粘土、石英、长石原料，氧化铁含量超过3％的陶瓷原料是指对通常陶瓷业来说是劣质的、价格低的低档的粘土、石英、长石等陶瓷原料，红粘土是指外表为红色、氧化铁含量＞5％可以用于制造红地砖的红色粘土，富含过渡元素的工业废弃物是指以第四周期过渡元素为主的Fe、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Co、Zn、Zr、Nb、Mo、W的氧化物或化合物总量超过5％或含有大量SiC、单质硅的工业废弃物，这些废弃物或称作废渣通常是深色和黑色的，包括铁合金工业废渣、钢铁业废渣、有色冶金业废渣、化工业废渣。铁合金工业废渣中各种锰铁渣含MnO 5-50％、FeO 0.2-2.5％，硅铬合金渣含Cr₂O₃ 0.1-5％、Cr 2-10.5％、SiC 4-22％、Si 7-8％，中、低、微碳铬铁渣含Cr₂O₃ 2-7％、FeO 1-3％，硅铁渣含FeO 3-7％、SiC 20-29％、Si 7-10％，钨铁渣含MnO 20-25％、FeO 3-9％，钼铁渣含FeO 13-15％，金属铬浸出渣含Cr₂O₃ 2-7％、Fe₂O₃ 8-13％，金属铬冶炼渣含Cr₂O₃ 11-14％，电解锰渣含MnSO₄约15％、Fe(OH)₃约30％，硅锰渣含MnO 8-18％、FeO 0.2-2％，硅锰烟尘含MnO₂ 20-24％，镍铁炉渣含FeO 40％、Cr₂O₃ 40％。钢铁业废渣中转炉钢渣含Fe₂O₃ 1.4-11％、FeO 7-21％、MnO 0.9-4.5％，平炉钢渣含Fe₂O₃ 1.7-7.4％、FeO 7-36％，MnO 0.6-3.9％，轧钢氧化铁皮含Fe₂O₃接近100％，钒钛磁铁矿炼铁渣含TiO₂ 10-17％、Fe₂O₃约4％，钒钛磁铁矿炼钢渣含氧化铁11-13％、MnO 1-1.2％、V₂O₅ 2.3-2.9％、TiO₂ 2-2.9％。有色冶金业废渣中电炉铜渣含FeO26-34％，铜鼓风炉水淬渣(俗称黑砂)含FeO+Fe₂O₃40-50％，湿法炼铜浸出渣含Fe 50％、Cu 1.13％、Pb 1.05％、Zn 0.2％、Bi 0.15％、Mn 0.04％，铅烟化炉水淬渣是将炼铅产出的鼓风炉炉渣再经烟化炉回收铅、锌后的弃渣内含Fe₂O₃ 38.6-38.7％、Pb 0.06-0.37％、Zn 0.8-1.3％，炼铝厂制造Al₂O₃时排出弃渣赤泥含Fe₂O₃ 8-10％、TiO₂ 2.5％，化工业废渣中以硫铁矿制造硫酸时产出的硫铁矿烧渣含Fe₂O₃ 41-49％，FeO 10-10.4％、TiO0.4-0.5％、MnO 0.1-0.5％、CuO 2-4％。金属矿物是指含有第四周期过渡元素的矿物如普通铁矿，褐红色，含Fe₂O₃ 30-70％，铬铁矿，暗红色，含Cr₂O₃ 30-54％、FeO 12-17％，钛铁矿，黑紫色，含TiO 50-60％、FeO 22-35％、Fe₂O₃ 7-15％、MnO 0.5-4％，锰矿，黑褐色，MnO₂ 40-78％、Mn₃O₄ 4-32％、Fe 1-18％，含镍褐铁矿，褐色，含Ni 1.2-1.4％、Co 0.1-0.2％、Cr₂O₃ 3％、Fe 35-50％，钒钛磁铁矿，黑色，含V 0.4-1.8％、TiO₂ 9-34％、Fe₂O₃15-50％、FeO 9-34％、MnO 0.2-6％、Cr₂O₃ 0.1-0.7％，铌铁矿，黑色，含Nb₂O₅ 9-68％、Ta₂O₅ 1-15％、TiO1-3％、MnO 1-3％、SnO 2-5％、FeO 12-20％，黑钨矿、黑褐色，含WO₃ 65-67％、FeO 12-15％、MnO 8-12％、Sn 0.17-0.8％。选用这些富含过渡元素的工业废弃物和金属矿物的目的是为陶瓷太阳板坯体或表面层提供着色的成分，使坯体或表面层呈现深色或黑色，使其吸收更多的阳光。

陶瓷太阳板是投影面积大于0.2平方米，具有进出口的非白色、深颜色、表面不反光的中空陶瓷板，或者是板外表面覆盖深色或黑色陶瓷层的中空陶瓷板，或者是板内表面覆盖釉层，板外表面覆盖深色或黑色陶瓷层的中空陶瓷板，以普通陶瓷原料、除提钒尾渣以外的过渡元素化合物总量超过5％(重量)的工业废弃物、过渡元素化合物总量超过20％(重量)的金属矿物的一种或几种制造深颜色陶瓷制品，尤其是陶瓷太阳板，以上述原料经常规加工成泥料，用挤制的方法挤出成型多孔通孔板，经加工使通孔在两端处连通，两端粘接同种材质带进出口的堵头，形成陶瓷太阳板坯体，或者以普通陶瓷原料用上述方法制造陶瓷太阳板坯体将普通陶瓷原料与上述工业废弃物或(和)金属矿物混合磨成泥浆覆盖在陶瓷太阳板坯体的外表面上形成具有表面涂层的陶瓷太阳板坯体，将上述陶瓷太阳板坯体经干燥、烧成即得到陶瓷太阳板或表面覆盖深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板，或者以普通陶瓷原料用上述方法制造陶瓷太阳板坯体，板内覆盖普通釉料，将普通陶瓷原料与上述工业废弃物或(和)金属矿物混合磨成泥浆覆盖在陶瓷太阳板坯体的外表面上形成具有表面涂层的陶瓷太阳板坯体，坯体经干燥、烧成即得到内表面有釉面和外表面有深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板。

陶瓷太阳板的原料来源十分广泛，供应数量非常充足，可以制造巨大数量的陶瓷太阳板，但对于具体某个生产者而言，生产地附近未必具有各种原料，在目前随石油涨价运输费用大幅提升的情况下，原料运费对生产成本具有重大影响，所以本发明为生产者提供了原料种类的多方案选择，使每个生产者都可以尽可能低的原料成本进行生产。

陶瓷太阳板的生产工艺受生产地附近原料供应的影响，不同的原料供应采用不同的生产工艺，如生产地附近有廉价的瓷质陶瓷原料和富含过渡元素的工业废渣，可以采用生产工艺一：将陶瓷原料与废渣分别或共同粉碎后、混合制成泥料，经真空练泥和陈腐成为塑性较好的泥料，以挤出成型机将泥料成型为多孔通孔板坯体，将两端头的两孔之间的泥料去掉，另做同种材质的带有进出口的堵头粘贴在多孔通孔板的两个端头面上，使两端管口与通孔板中的每个孔都相通，形成陶瓷太阳板的坯板，坯板经干燥、烧成即成为表面为深色或黑色的陶瓷太阳板。

若生产地附近有陶瓷原料而缺乏富含过渡元素的工业废渣或金属矿物，可采用生产工艺二：以生产工艺一的方法将陶瓷原料制成陶瓷太阳板的中空坯板，将陶瓷原料与购得的上述废渣或矿物混合、磨细成为陶瓷泥浆覆盖在坯板的向阳面的外表面上，再经干燥、烧成即成为表面具有深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板，注意调整表面层的配方和烧成温度，使表面层烧结成瓷，而不使其成为玻璃质的釉面，釉面会造成反光，减少对阳光的吸收。

若生产地采用的陶瓷原料烧成后具有一定的渗透性，可采用生产工艺三：将陶瓷原料粉碎制成泥料经真空练泥、陈腐、挤制成型为多孔通孔板坯体，将两端头的两孔之间的泥料去掉，另做同种材质的带有进出口管口的堵头粘贴在多孔中空板的两个端面上，使两端管口与中空板中的每个孔相同，形成陶瓷太阳板坯体，在坯体内壁或外表面上覆盖普通陶瓷釉料，再将陶瓷原料与上述废渣或矿物混合磨制的泥浆覆盖在坯板向阳面的外表面上，经干燥、烧成即成为表面有釉面和深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板。

(四) 附图说明

以下结合附图详细说明本发明陶瓷太阳板成型的方法：

1-多孔通孔板 2-两端通孔相连的通孔板 3-具有进出口的堵头 4-陶瓷太阳板坯体

(五)具体实施方案

实施例

1.以陶瓷业通常认为是劣质原料的氧化铁含量为5％、氧化钛含量为3.2％的陶瓷原料用通常陶瓷设备和工艺制成泥料，经真空练泥和陈腐后以真空挤出机挤制成为多孔通孔板坯体，将两端头的两孔之间的泥料去掉，另做同种材质的带有进出管口的堵头粘贴在多孔通孔板的两个端头面上，使两端管口与通孔板中每个孔都相通，形成陶瓷太阳板坯板，坯板经干燥、烧成即成为表面为灰色的陶瓷太阳板。

2.如实施例1所述的方法，采用氧化铁含量为9％的红粘土，所制造的陶瓷太阳板为红色。

3.如实施例1所述方法，采用普通陶瓷原料和锰铁渣为原料，其中锰铁渣占35％，锰铁渣中含MnO 15％、FeO 2％，所制造的陶瓷太阳板为深灰色。

4.如实施例1所述方法采用普通陶瓷原料和钨铁渣为原料，其中钨铁渣占40％，钨铁渣中含MnO 21％、FeO7％，所制造的陶瓷太阳板为黑灰色。

5.如实施例1所述方法采用普通陶瓷原料和钢渣为原料，其中钢渣占35％，钢渣中含Fe₂O₃8％、FeO 11％，MnO 3％、所制造的陶瓷太阳板为深灰色。

6.如实施例1所述方法采用普通陶瓷原料和湿法炼铜浸出渣为原料，其中浸出渣占30％，浸出渣中含Fe40％、Cu 1％、Pb 0.8％、Zn 0.1％、Bi 0.1％，所制造的陶瓷太阳板为深灰色。

7.如实施例1所述方法采用普通陶瓷原料和硫铁矿烧渣为原料，其中硫铁矿烧渣占50％，硫铁矿烧渣中含Fe₂O₃ 28％、FeO 8％、Ti 0.4％、MnO 0.3％、CuO 3％，所制造的陶瓷太阳板为深灰色。

8.如实施例1所述方法，在普通陶瓷原料中加入金属铬冶炼渣20％，钼铁渣25％，金属铬冶炼渣中含Cr₂O₃13％，钼铁渣中含FeO 14％，所制造的陶瓷太阳板为黑灰色。

9.如实施例1所述方法，以普通陶瓷原料制造陶瓷太阳板坯体，在普通陶瓷原料中加入60％的钨铁渣磨成泥浆，喷涂在陶瓷太阳板坯体的外表面上，所制造的陶瓷太阳板为黑色。

10.如实施例1所述方法，以普通陶瓷原料制造陶瓷太阳板坯体，在普通陶瓷原料中加入70％的铌铁矿磨成泥浆，喷涂在陶瓷太阳板坯体的外表面上，所制造的陶瓷太阳板为黑色。

11.如实施例1所述方法，以某种劣质陶瓷原料制造的陶瓷太阳板有渗透现象，坯体经素烧，在太阳板素坯内表面浸涂一层普通陶瓷釉浆，再在太阳板的向阳面上喷涂一层如实施例9所述的泥浆，所制造的陶瓷太阳板的向阳面为黑色，陶瓷太阳板不渗水。

Claims

1.制造陶瓷太阳板的方法，其特征在于陶瓷太阳板是投影面积大于0.2平方米，具有进出口的非白色、深颜色、表面不反光的中空陶瓷板，或者是板外表面覆盖深色或黑色陶瓷层的中空陶瓷板，或者是板内表面覆盖釉层，板外表面覆盖深色或黑色陶瓷层的中空陶瓷板，以普通陶瓷原料、除提钒尾渣以外的过渡元素化合物总量超过5％(重量)的工业废弃物、过渡元素化合物总量超过20％(重量)的金属矿物的一种或几种制造深颜色陶瓷制品，尤其是陶瓷太阳板，以上述原料经常规加工成泥料，用挤制的方法挤出成型多孔通孔板，经加工使通孔在两端处连通，两端粘接同种材质带进出口的堵头，形成陶瓷太阳板坯体，或者以普通陶瓷原料用上述方法制造陶瓷太阳板坯体将普通陶瓷原料与上述工业废弃物或(和)金属矿物混合磨成泥浆覆盖在陶瓷太阳板坯体的外表面上形成具有表面涂层的陶瓷太阳板坯体，将上述陶瓷太阳板坯体经干燥、烧成即得到陶瓷太阳板或表面覆盖深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板，或者以普通陶瓷原料用上述方法制造陶瓷太阳板坯体，板内覆盖普通釉料，将普通陶瓷原料与上述工业废弃物或(和)金属矿物混合磨成泥浆覆盖在陶瓷太阳板坯体的外表面上形成具有表面涂层的陶瓷太阳板坯体，坯体经干燥、烧成即得到内表面有釉面和外表面有深色或黑色陶瓷层的陶瓷太阳板。

2.根据权利要求1所述制造陶瓷太阳板的方法，其特征在于所述的普通陶瓷原料是指粘土、长石、石英，包括氧化铁含量超过3％的陶瓷原料和红粘土。

3.根据权利要求1所述制造陶瓷太阳板的方法，其特征在于所述的过渡元素化合物总量超过5％(重量)的工业废弃物是指铁合金工业废渣中各种锰铁渣，硅铬合金渣，中、低、微碳铬铁渣，硅铁渣，钨铁渣，钼铁渣，金属铬浸出渣，金属铬冶炼渣，电解锰渣，硅锰渣，硅锰烟尘，镍铁炉渣，钢铁业废渣中转炉钢渣，平炉钢渣，轧钢氧化铁皮，钒钛磁铁矿炼铁渣，钒钛磁铁矿炼钢渣，有色冶金业废渣中电炉铜渣，铜鼓风炉水淬渣，湿法炼铜浸出渣，铅烟化炉水淬渣，赤泥，化工业废渣中硫铁矿烧渣。

4.根据权利要求1所述制造陶瓷太阳板的方法，其特征在于所述的过渡元素化合物总量超过20％(重量)的金属矿物是指普通铁矿、铬铁矿、钛铁矿、锰矿、含镍褐铁矿、钒钛磁铁矿、铌铁矿、黑钨矿。