CN101586882A - 陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄方法和装置 - Google Patents

陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄方法和装置 Download PDF

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Abstract

以前用真空挤出成型的陶瓷太阳板的外壁厚度是由模具决定的，壁厚越薄的陶瓷太阳板成型难度越大，成型成品率越低，甚至无法成型，试验表明陶瓷太阳板的阳光吸收面(向阳面)的壁厚越薄，则陶瓷太阳板集热器的效率越高。本发明提出采用手工、手提磨机、专用设备对陶瓷太阳板素坯的向阳面进行磨削或铣削加工，减薄向阳面壁厚，从而使陶瓷太阳板具有较高的生产成品率同时具有较高的太阳能吸收效率。

Description

陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄方法和装置
(一)技术领域
本发明涉及陶瓷制造和陶瓷制品应用的技术领域，具体说是关于陶瓷太阳能集热体-陶瓷太阳板，更详细地说是关于减薄陶瓷太阳板向阳面壁厚的方法和设备。
(二)背景技术
太阳能是煤、石油、天然气等常规化石能源以及风能、水能、海洋能、生物质能的根本来源，辐射到地球陆地表面的太阳能是全球人类同期消耗总能量的数万倍，是全球风能总量的一万倍，水能的十万倍。
太阳能的优点是普遍、巨大、无害，缺点是分散、随机、间歇，太阳能利用的研究主要是对太阳能收集、转换及其装置的研究，由于太阳能是低密度能源，巨大的能量散布在广阔的区域，所以对太阳能利用的研究更重要的是对太阳能收集器的研究，是对太阳能收集器的成本、寿命、效率的研究。
目前太阳能收集器主要包括金属平板型、玻璃真空管型、聚光型收集器和太阳能电池等，太阳能利用装置主要包括太阳能热水器、太阳能热水系统、太阳能热风系统、太阳灶、太阳房，太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能制冷与空调系统、太阳能热发电系统、太阳能光伏发电系统等。
目前已工业化、市场化、规模化利用的太阳能收集器主要是金属平板型、玻璃真空管型收集器和太阳能电池。
利用太阳能的目的是为了节约和替代常规能源，关键是能量的得失，即收集器寿命期间得到的太阳能与收集器所消耗的常规能源的比值，我们称此值为A值，由于收集器本身消耗的能量难以计算而用该太阳能装置其寿命期间所取得的太阳能总量折合为标煤价值与装置价格的比值，以此得出的A值不是一个严格符合定义的值，但是A值是客观存在的。A值也可看作是一个经济指标。
目前太阳能集热器以铜、铝、硼硅玻璃、不锈钢、彩钢板为基本材料，以制作精细的低温涂料为阳光吸收层，以复杂工艺工序制造集热体、以保持高真空度为保温措施之一，但是这些太阳能集热器的阳光吸收比会衰减、金属材料会腐蚀、真空度随时间而下降，效率随之降低，以此高能耗、高代价、较短寿命、较低平均效率的制品面对非常稀薄、低密度的太阳能，不可能取得较高的A值。只有改变相关材料、制造工艺和部件结构，使现有太阳能集热器的成本下降数倍、寿命延长数倍、阳光吸收比长期稳定，才可能取得较高的A值。
初步估算认为玻璃真空管型热水器的A值为2.16-0.864，金属平板型热水器的A值为1.44-0.48，太阳能电池的A值为0.1左右。
目前一吨普通瓷质实心毛板约600元，铸铁3000元，钢材4500元，铝材24000元，铜材70000元，瓷质材料价格低廉是由于原料储量大、分布广泛、运距短、烧成温度约1200℃、烧成时间短、加工工艺简单。金属材料价格昂贵是由于原料储量少、有效含量低、运距远、冶炼温度约1600℃、或需电解冶炼、加工工艺复杂。制造玻璃真空管的硼硅玻璃3.3是特种玻璃，其中二氧化硅80％，氧化硼12％，熔制温度高于1600℃，加工工艺复杂，氧化硼售价每吨约20000元，每平方米采光面玻璃真空管重约14kg，另需不锈钢汇集器，这些因素是难以改变的。目前800×800×12mm普通陶瓷毛板生产成本约10元/m2，钒钛黑瓷装饰毛板生产成本可低于17元/m2，中空陶瓷太阳板总厚20～60mm，连续成型时，壁厚3-5mm，从原料种类、单位面积原料用量、成型方法和效率、干燥烧成的能耗、设备种类、相同产量的厂房面积、用工数量等方面衡量比较，可以认为当两者均采用大规模生产时，两者的每平方米生产成本具有可比性。
无白度要求的陶瓷材料是已知成本最低的工程材料、建筑材料之一，其不腐蚀、不老化、不褪色、不氧化、高强度、高刚性、高硬度、高致密度、耐高温、长寿命的特性非常适合制造太阳能集热体，其唯一缺点-脆性也由于使用时处于玻璃板覆盖下，保温材料包围中而体现不出来，所制造的太阳能集热器与传统的太阳能集热器相比，成本可能下降几倍至十倍，寿命可能延长几倍至十倍，保持初始阳光吸收比的时间可能延长十倍至几十倍，所以陶瓷太阳板集热器的A值可能比传统太阳能集热器的A值大几倍至几十倍，从而可能使太阳能比常规能源具有更低的生产成本，更少的其他资源消耗量，更好的环境保护效果。
目前科学界的共识是：到达地球陆地表面的太阳辐射能总量，比地球上同期消耗各种能源的总量大几万倍，一旦技术上取得突破，使之在成本上具有竞争力，太阳能可以满足人类大部分的能源需求。
陶瓷太阳板及其太阳能集热系统的主要技术突破、方案和设想
1.初步研制成功大尺寸、连续成型、前后贯通、薄壁、瓷质扁盒式的陶瓷太阳板的制造方法。
2.研制成功以低成本、具有较高并长期稳定的阳光吸收比的钒钛黑瓷作为陶瓷太阳板的阳光吸收层。
3.初步研制成功陶瓷太阳板附件及与陶瓷太阳板组成纵列的方法和密封连接方法。
4.提出以无机材料容器尤其以带孔混凝土管作为太阳能集热系统储水箱的方案。
5.提出以陶瓷太阳板建造陶瓷太阳能房顶及以陶瓷太阳能风道、陶瓷太阳能集热场用于发电的设想。
以上技术突破、方案和设想可能使太阳能装置大幅度提高A值，使太阳能与常规能源相比在经济上具有竞争力，使太阳能成为大规模可替代能源。
本发明人申报并取得的中国发明专利CN85102464“黑色陶瓷制品原料的生产方法及其制品”、CN86104984“一种陶粉末”叙述了以提钒尾渣为原料之一生产各种黑色陶瓷制品的方法，这种黑色陶瓷称作钒钛黑瓷。此发明又以“陶瓷粉末及其制品”(Ceramrc powder anddrticles)为名称申报并已取得九国外国发明专利证书，分别是美国专利4737477、日本专利1736801、英、法、德、奥地利专利(欧洲专利局)0201179、澳大利亚专利578815、新加坡专利1009/91、芬兰专利81336和香港专利1077/1991。二十世纪80年代后期本发明人申报了“黑色陶瓷太阳瓦”、“黑色陶瓷拦板式太阳能集热器”、“黑色陶瓷太阳能房顶”、“黑色陶瓷太阳能集热盒”、“带有承插接口的黑色陶瓷太阳能集热瓦”、“黑色陶瓷太阳能远红外开水器”、“陶瓷储水箱”、“复合水泥板”、“陶瓷套管式红外元件”、“黑色陶瓷红外椅”等专利。
2006年5月25日至2008年2月20日本发明人申报了“复合陶瓷中空太阳能集热板的制造方法”、“一种新型太阳能房顶的结构和材料”、“陶瓷太阳板”、“陶瓷太阳板集热器的制造和安装方法”、“在陶瓷太阳板上复合立体网状黑瓷阳光吸收层的方法”、“黑瓷复合陶瓷太阳板”、“陶瓷中空板胶结成型方法及其应用”、“陶瓷太阳能风道”、“陶瓷太阳能集热场热水发电装置”、“陶瓷太阳板集热器墙面”、“一种多孔陶瓷板纵列的密封连接方法”、“太阳能房顶热水容器”“槽型陶瓷太阳板”等中国发明专利和相应的国际PCT专利。
以前制造的真空挤出成型的平板型陶瓷太阳板和槽型陶瓷太阳板的外壁厚度是由模具决定的，试验表明陶瓷太阳板的外壁厚度尤其是陶瓷太阳板的阳光吸收面(向阳面)的壁厚越薄，则陶瓷太阳板集热器的效率越高，以普通陶瓷泥料用真空挤出成型制造的陶瓷太阳板，在晴天时和其他条件相同情况下，每平方米壁厚为4毫米的陶瓷太阳板可将12.2公斤18℃的水加热到100℃，而每平方米壁厚为3毫米的陶瓷太阳板则可在相同时间内、相同条件下将17公斤18℃的水加热到100℃，然而，壁厚越薄的陶瓷太阳板成型难度越大，成型成品率越低，甚至无法成型。
(三)发明内容
本发明的目的：
以加工的方法减薄陶瓷太阳板向阳面的壁厚，提高陶瓷太阳板的集热效率、降低陶瓷太阳板的成型难度，提高成型成品率。
本发明是这样实现的：
以普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用平板型多孔模具由真空挤制机挤制方法挤出成型为平板型陶瓷太阳板素坯，如图1所示，采用槽型多孔模具由真空挤制机挤制方法挤出成型为槽型陶瓷太阳板素坯，如图2所示，对槽型陶瓷太阳板来说，可以在素坯阶段经加工去除槽型陶瓷太阳板素坯四角的部分槽帮，也可以在烧结成瓷后经加工去除槽型陶瓷太阳板四角的部分槽帮，如图3所示，去除部分槽帮的槽型陶瓷太阳板有利于采用承插接口相互连接。
平板型陶瓷太阳板的上下平面都可以作为阳光收集面即向阳面，槽型陶瓷太阳板一般采用槽内底面和槽帮内侧表面作为阳光收集面即向阳面，平板型陶瓷太阳板素坯和槽型陶瓷太阳板素坯经过干燥后成为具有一定强度、干燥的素坯，对干燥后的平板型陶瓷太阳板素坯的上平面或槽型陶瓷太阳板素坯的槽内底面即对陶瓷太阳板素坯的向阳面进行磨削或铣削加工，减薄外壁厚度，即减薄向阳面壁厚，然后，以陶瓷工业常规方法将黑色泥浆覆盖在上述平板型陶瓷太阳板素坯的上平面的表面或槽型陶瓷太阳板素坯的内底面和槽帮内侧面的表面，经干燥、烧制成为薄壁平板型或薄壁槽型黑瓷复合陶瓷太阳板，所述的黑色泥浆是以提钒尾渣和/或其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣和/或富含第四周期过渡金属元素的天然矿物和/或富含第四周期过渡金属元素的化合物和/或陶瓷黑色着色剂加入或不加入普通陶瓷原料磨制成的泥浆；或者以提钒尾渣和/或其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣和/或富含第四周期过渡金属元素的天然矿物和/或富含第四周期过渡金属元素的化合物和/或陶瓷黑色着色剂与普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用多孔模具由真空挤制机挤制方法成型，经干燥后，以上述方法进行磨削、铣切加工，再烧制成为薄壁平板型或槽型无表面层的黑色或深色的均质陶瓷太阳板，即薄壁平板型或薄壁槽型黑色或深色陶瓷太阳板。
所述富含第四周期过渡金属元素的工业废渣、天然矿物、化合物是指含有第四周期过渡金属元素的氧化物或化合物总量超过5％的工业废渣、天然矿物、化合物。
去除槽型多孔陶瓷太阳板素坯四角的部分槽帮是为了便于采用承插接口将陶瓷太阳板连接为纵列以利应用，上述四角的部分槽帮也可以在烧成后再加工去除。采用承插接口连接为一体的陶瓷太阳板纵列具有直通式结构，具有较小的循环阻力，较高的循环效率。
上述对干燥后的平板型陶瓷太阳板素坯的上平面和槽型陶瓷太阳板素坯的槽内底面进行磨削、铣削加工，减薄壁厚的方法，可以采用手工、手提磨机、专用设备于以实现。
本专利申请所述平板型陶瓷太阳板素坯和槽型陶瓷太阳板素坯的通常尺寸是宽度500-1000毫米，长度800-2000毫米，甚至更大，总厚20-60毫米，壁厚3-5毫米，其特点是①采用挤出成型，经过干燥后的素坯表面不平度可能达到3-5毫米，②强度比较低，容易破碎。因此不能采用普通用于金属加工的平面磨床和平面铣床，考虑到加工成品率、加工效率和加工成本，也不能采用仿型磨床、仿型铣床等各种现有的金属加工设备，为此专门设计陶瓷太阳板壁厚减薄装置。
陶瓷太阳板壁厚减薄装置是陶瓷太阳板生产线中的一部分，陶瓷太阳板壁厚减薄装置主要由陶瓷太阳板素坯输送装置、定位装置、运动机架、机架上的传感器、机架上的旋转轴组成，旋转轴上安装磨轮或铣刀，运动机架可以做与陶瓷太阳板素坯运动方向垂直的横向往复运动，旋转轴可以按照传感器的指令上下运动，传感器的探头是与旋转轴联动的机械探头或光线探头，传感器与旋转轴的位置尽量接近，陶瓷太阳板素坯向前运动，前端首先达到传感器的下方，与探头相遇，设备开始工作，传感器的探头与陶瓷太阳板素坯上表面接触并使磨轮或铣刀的工作面始终低于陶瓷太阳板素坯上表面一定的距离，陶瓷太阳板素坯的尺寸具有一定的误差，陶瓷太阳板素坯上表面会有高低起伏，当探头接触到的陶瓷太阳板素坯上表面上升时磨轮或铣刀的工作面也随着上升，陶瓷太阳板素坯上表面下降时磨轮或铣刀的工作面也下降，当陶瓷太阳板素坯通过陶瓷太阳板壁厚减薄装置时，陶瓷太阳板素坯的上表面(向阳面)经过加工其壁厚达到了均匀减薄的目的。
上述方法和装置的优点在于：以普通陶瓷泥料用真空挤出成型制造陶瓷太阳板时，陶瓷太阳板的壁厚对陶瓷太阳板成型、干燥、烧成的成品率的影响很大，较薄的壁厚会导致较低的成品率，过薄的壁厚会导致很低的成品率，而对于陶瓷太阳板的使用来说，在强度许可的前提下，向阳面壁厚越薄陶瓷太阳板吸收太阳能的效率越高，陶瓷是高强度、高刚性的材料，即使1毫米的壁厚也能够满足工作时的强度要求，使用时上方有玻璃或钢化玻璃的保护，可以阻挡外来意外的冲击，所以上述方法和装置的优点在于既能使陶瓷太阳板生产时具有较高的成品率又能使陶瓷太阳板产品具有较高的太阳能吸收效率。对于生产来说，可以进行高成品率的生产，对于应用来说，可以得到高效率的陶瓷太阳板。
(四)附图说明
以下结合附图详细说明本发明的特点：
图1表示平板型陶瓷太阳板素坯
图2表示槽型陶瓷太阳板素坯
图3表示去除了四角部分槽帮的槽型陶瓷太阳板素坯或槽型陶瓷太阳板
图4是陶瓷太阳板壁厚减薄装置主视图
图5是陶瓷太阳板壁厚减薄装置右侧视图
图6是陶瓷太阳板壁厚减薄装置俯视图
图7表示上表面(向阳面)已减薄的平板型陶瓷太阳板素坯
图8表示上表面(向阳面)已减薄的槽型陶瓷太阳板素坯
图中：
1-平板型陶瓷太阳板素坯    2-槽型陶瓷太阳板素坯
2.1-槽型陶瓷太阳板素坯或槽型陶瓷太阳板的槽帮
3-去除四角部分槽帮的槽型陶瓷太阳板素坯或槽型陶瓷太阳板
4-陶瓷太阳板输送装置    5-陶瓷太阳板定位装置
6-传感器的探头          7-传感器            8-运动机架
9-磨轮或铣刀            10-陶瓷太阳板      11-加工断面
12-陶瓷太阳板进出陶瓷太阳板壁厚减薄装置的输送装置
13-上表面(向阳面)已减薄的平板型陶瓷太阳板素坯
14-上表面(向阳面)已减薄的槽型陶瓷太阳板素坯
(五)具体实施方案
实施例
1、以普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用平板型多孔模具由真空挤制机挤制方法挤出成型为平板型陶瓷太阳板素坯，如图1所示，干燥后的尺寸：长度1300毫米、宽度670毫米、总厚度28毫米、上下壁厚各为3.2毫米、板面不平度3毫米，经过陶瓷太阳板壁厚减薄装置加工后，陶瓷太阳板素坯上表面(向阳面)的壁厚减薄到1.6毫米，以提钒尾渣55％，普通陶瓷原料45％，共同球磨成为泥浆喷涂在陶瓷板太阳板素坯的表面，经干燥、烧成为平板型黑瓷复合陶瓷太阳板，陶瓷太阳板上表面(向阳面)的壁厚为1.4毫米。
2、以普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用槽型多孔模具由真空挤制机挤制方法挤出成型为槽型陶瓷太阳板素坯，如图2所示，干燥后的尺寸：长度1200毫米、宽度670毫米、总厚度28毫米、槽帮高度30毫米、上下壁厚各为5毫米、板面不平度4毫米，经过陶瓷太阳板壁厚减薄装置加工后，陶瓷太阳板素坯上表面(向阳面)的壁厚减薄到2毫米，以提钒尾渣50％，普通陶瓷原料50％，共同球磨成为泥浆喷涂在槽型陶瓷太阳板素坯的槽内底面和槽帮内表面，经干燥、烧成为槽型黑瓷复合陶瓷太阳板，陶瓷太阳板上表面(向阳面)的壁厚为1.7毫米。
3.普通陶瓷原料60％，钒钛磁铁矿20％，锰矿10％，钛铁矿10％，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槽型陶瓷太阳板素坯，如图2所示，干燥后的尺寸：长度1200毫米、宽度670毫米、总厚度28毫米、槽帮高度30毫米、上下壁厚各为6毫米、板面不平度4毫米，经过陶瓷太阳板壁厚减薄装置加工后，陶瓷太阳板素坯上表面(向阳面)的壁厚减薄到1.5毫米，烧成为整体黑灰色的均质槽型陶瓷太阳板，陶瓷太阳板上表面(向阳面)的壁厚为1.3毫米，去除四角部分槽帮后的槽型陶瓷太阳板如图3所示。

Claims (3)

1、陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄方法，其特征在于：以普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用平板型多孔模具由真空挤制机挤制方法挤出成型为平板型陶瓷太阳板素坯或采用槽型多孔模具由真空挤制机挤制方法挤出成型为槽型陶瓷太阳板素坯，平板型陶瓷太阳板素坯和槽型陶瓷太阳板素坯经过干燥后成为具有一定强度、干燥的素坯，对干燥后的平板型陶瓷太阳板素坯的上平面或槽型陶瓷太阳板素坯的槽内底面即对陶瓷太阳板素坯的向阳面进行磨削或铣削加工，减薄外壁厚度，即减薄向阳面壁厚，然后，用陶瓷工业常规方法将黑色泥浆覆盖在上述平板型陶瓷太阳板素坯的上平面的表面或槽型陶瓷太阳板素坯的内底面和槽帮内侧面的表面，经干燥、烧制成为薄壁平板型或薄壁槽型黑瓷复合陶瓷太阳板，所述的黑色泥浆是以提钒尾渣和/或其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣和/或富含第四周期过渡金属元素的天然矿物和/或富含第四周期过渡金属元素的化合物和/或陶瓷黑色着色剂加入或不加入普通陶瓷原料磨制成的泥浆；或者以提钒尾渣和/或其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣和/或富含第四周期过渡金属元素的天然矿物和/或富含第四周期过渡金属元素的化合物和/或陶瓷黑色着色剂与普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用多孔模具由真空挤制机挤制方法成型，经干燥后，以上述方法进行磨削、铣切加工，再烧制成为薄壁平板型或槽型无表面层的黑色或深色的均质陶瓷太阳板，即薄壁平板型或薄壁槽型黑色或深色陶瓷太阳板。
2、根据权利要求1所述的陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄方法，其特征在于：陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄是采用手工打磨或者用手提磨机打磨或者用专门设计的陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄装置进行加工的方法实现的。
3、陶瓷太阳板向阳面壁厚的减薄装置，其特征在于：陶瓷太阳板壁厚减薄装置由陶瓷太阳板素坯输送装置、定位装置、运动机架、机架上的传感器、机架上的旋转轴组成，旋转轴上安装磨轮或铣刀，运动机架可以做与陶瓷太阳板素坯运动方向垂直的横向往复运动，旋转轴可以按照传感器的指令或连杆机构作上下运动，传感器的探头是与旋转轴联动的机械探头或光线探头，，传感器与旋转轴的位置尽量接近，陶瓷太阳板素坯向前运动，前端首先达到传感器的下方，与探头相遇，设备开始工作，传感器的探头与陶瓷太阳板素坯上表面接触并使磨轮或铣刀的工作面始终低于陶瓷太阳板素坯上表面一定的距离，陶瓷太阳板素坯的尺寸和平整度具有一定的误差，陶瓷太阳板素坯上表面会有高低起伏，当探头接触到的陶瓷太阳板素坯上表面上升时磨轮或铣刀的工作面也随着上升，陶瓷太阳板素坯上表面下降时磨轮或铣刀的工作面也下降，当陶瓷太阳板素坯通过陶瓷太阳板壁厚减薄装置时，陶瓷太阳板素坯的上表面(向阳面)经过加工其壁厚达到了均匀减薄的目的。
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