CN1414928A - 煅烧陶瓷的混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制用于煅烧陶瓷的微波辅助窑中的微波能量和常规辐射或对流的热量的方法。该方法包括用可调节的微波能量发生器(16)产生的电磁微波辐射辐照陶瓷材料，给其施加热能。施加给陶瓷的微波能量根据预定的微波功率－时间规程随着时间而改变，就能传递足够的微波能量，用来加热该陶瓷体(14)至其煅烧保温温度。此外，该方法涉及连续测量陶瓷制品的核心部分温度和表面温度，并根据所测得的两个温度之差控制常规的热量。将常规热量调节到一定的水平，使得表面温度为使该表面温度和核心部分温度之间的温度差维持在可接受水平的温度。继续使用微波能量和常规热量煅烧该陶瓷制品至煅烧保温温度，使该陶瓷制品在保温温度维持一段时间，完成该制品的煅烧。

Description

煅烧陶瓷的混合方法

本申请是1999年12月28日提交的序列号由09/473864申请的部分继续申请。

                               发明背景

1.发明领域

本发明涉及制造陶瓷材料的方法。具体而言，本发明涉及进行微波加热和常规幅射/对流加热煅烧陶瓷的一种混合方法，更具体而言，本发明涉及通过分别控制微波和常规的辐射/对流能量的比例从而有效控制加热速率的方法。

2.相关技术的讨论

在陶瓷材料的制造中使用的常规热处理一般包括辐射气体加热或电阻加热。使用常规的辐射/对流加热通常引起陶瓷体中的温度差，部分原因是辐射加热仅是施加在陶瓷体的表面，然后热量的传递依赖于陶瓷体通常很差的导热率，产生表面下面的温度以及坯体内部的温度。换言之，常规加热主要是通过对陶瓷表面的辐射或对流、接着通过从陶瓷体的表面传导到内部的传热而实现的。如果产生核心部分和表面温度差过大，则陶瓷体中可能产生内部裂纹和变形。而快速的烧结会使传热差的问题更形严重，最终产生裂纹。核心部分和表面温度梯度的存在也可能导致不均匀的煅烧，具体是表面煅烧以更快的速度发生在内部煅烧之前。结果，陶瓷体可能具有不均匀的性质。更好的解决办法是减少加热速度或是加长在某些温度保温的时间。这些解决办法都能使热量传导到陶瓷体的核心部分中，转而使陶瓷体核心部分的温度“赶上”表面的温度，从而使表面/核心部分的温度差最小化。总之，常规的辐射或对流加热的理论限制通常导致整个陶瓷体(除了小的陶瓷体外)加热速率的放慢。

陶瓷的微波加热作为一种可用的办法，已成功地使用在煅烧陶瓷体上。与常规热处理相比，微波热处理是使能量直接存储在陶瓷体中，并且涉及到体积加热的机制。换言之，微波能量的利用是将能量均匀地施加到陶瓷制品的整个截面上，而不是施加在其表面上。虽然由于这种体积加热的缘故，陶瓷体的微波加热要远快于常规的辐射加热，但是它如同辐射热处理一样，也在陶瓷体具中产生温度差，却是个相反的温度差，陶瓷体的核心部分温度高于表面的温度。具体而言，在低温或中等温度下对微波能量的吸收通常差的陶瓷材料，被微波加热到高温，此时它的内部快速地开始吸收大量的微波能量，这种结果即众所周知的热散发。虽然陶瓷体的表面与核心部分一起被加热，但是表面将大量热量快速传递到环境中，而环境通常冷于陶瓷材料的平均温度。由于核心部分开始优先吸收微波能量，所以这种热散发现象变成自动扩展的。简言之，随着陶瓷体温度的增加，越来越多的热量传出，核心部分和表面的温差增大，结果再次导致陶瓷体内热应力的产生，最终会使该陶瓷体破裂。

除了热量从陶瓷体的表面传出外，窑中微波的不均匀性和陶瓷的不均匀材料性质也引起了微波能量的吸收差异，这也加大了微波加热导致的温度差。

已经提出采用混合微波加热/常规加热或微波辅助的加热作为克服单独的常规辐射加热与单独的微波加热产生的问题的一种办法。在涉及微波加热和辐射/对流加热的微波辅助加热过程中，由微波提供的体积加热对部件进行加热，而由气体火焰或电阻加热元件提供的常规热辐射/对流则通过给部件表面及其环境提供热量而使热量从部件表面的传出尽可能小。这种组合或混合加热可以避免与单独的常规加热和单独的微波加热有关的温度梯度。结果，热应力减小和/或最小化，从而陶瓷体可被更快地加热。

通常，对这些微波辅助煅烧法的控制，是将一个温度测量装置放到陶瓷的表面上，以控制常规煅烧的速率，并将另一个热电偶放入陶瓷的核心部分，以控制微波能量输入。使用这种控制法的经验揭示，两个控制点相互之间太接近反而不是很有效，并且可能造成不能对两个控制系统进行稳定操作。通常用内部温度测量系统检测常规煅烧的效果，而表面温度测量则常常检测微波能量输入的效果。结果，两个独立控制系统变得不稳定，因在操作中微波或常规的能量输入中的一个输入人工控制，而另一个自动控制，以达到维持所需的加热速率或温度梯度的要求；而这充其量不过是个不大有效的控制方法。

PCT申请WO 95/05058中公开了一种对上述微波辅助煅烧陶瓷标准控制方法进行稍微的改动。这篇文献公开了一种通过测量内有陶瓷体的容器内的环境温度，控制该陶瓷体内由微波能量和辐射加热产生的热量的方法。在此环境温度测量的基础上，并且根据此温度测量，陶瓷体中产生的热量被微波能量和辐射热量中的一种或两种所控制。虽然这种控制方法是对该常规控制方法的改进，但是窑中气体的混合可能不均匀，以致不能准确测出陶瓷体表面的温度，因而使得该方法的有效性减少。另外，在陶瓷体内发生的许多化学反应在低的温度下进行，使得辐射传热已不是热量从陶瓷体传递到测量其环境温度的窑的内表面的主要手段。

                               发明概要

因此，本发明的一个目的是提供一种有效地控制加热陶瓷中利用的微波能量和常规辐射/对流热量，以克服前述混合微波能量-常规加热进行陶瓷烧结所产生缺点的方法。

本发明的煅烧方法包括将陶瓷制品放入到具有微波谐振腔的微波加热装置中，使用电磁微波辐射给该陶瓷材料施加一定量的热能。根据预定的微波功率时间或温度时间规程，给该陶瓷施加的微波能量随时间而改变。这种预定的微波功率时间或温度时间规程包括一些恒定功率输出的阶段、功率从较低输出上升至较高输出的阶段以及功率从较高输出降低至较低输出的阶段。此外，本发明的一个实施方式是连续地测量陶瓷制品的核心部分和表面的温度，以及根据两个测量温度之间的差调节常规辐射/对流的热量。将常规的热量调节到一定的水平，使得表面处于某一个温度，此时该表面温度与核心部分温度之间的温度差维持在可接受的水平。继续使用微波能量和常规热量煅烧该陶瓷制品，直到温度达到该陶瓷制品通常在该温度维持一段时间的保温温度，即所谓的煅烧保温温度，以完成该制品的煅烧。

                         附图的简短说明

图1是表示根据本文所述方法煅烧陶瓷的基本系统的装置方块图。

                         发明的详细描述

图1显示根据本发明方法加热陶瓷材料的基本系统。此系统包括微波共振腔10，该共振腔10包括热绝缘壁12，在腔中放置了要煅烧的陶瓷材料14。微波发生器16(例如磁控管)直接或间接与腔10连接，波导管是传递微波能量的一种工具。该系统包括能连续调节微波功率的微波能量源/控制器18和能独立控制的常规热源/控制器21，后者被装配成将常规热量传递到如图所示的热绝缘壁12内的范围。可以设想常规热源包括对流热量或辐射热量，包括但不限于由常规电阻加热或者直接或间接燃烧器构造的气体加热提供的热量。

共振腔可以是多模的，即它能在一给定频率范围内支持多种共振模式，腔中可包括给微波加热室中的电场分布提供较大均匀性的模式搅拌器。

用来产生微波的发生源可包括任何具有可调节功率特征的常规磁控管。较佳的是，所使用的入射微波应在约915MHz到2.45GHz的范围内，这个范围是美国指定的工业用波段。在其他国家，已知可以使用达到10000MHz的波长。此外，入射微波的功率需要不大于足以将陶瓷制品的温度升高到有效加热该陶瓷制品的温度的功率。具体而言，该微波发生器应具有范围达到75kW的可变功率。

能测量陶瓷制品的表面温度和邻近该陶瓷制品的中心部分的温度(即核心部分温度)的温度测量系统22连接在控制单元24上，该控制单元分别控制微波能量源/控制器18和常规热源/控制器20。此控制单元较佳包括可程序化的逻辑控制器(PLC)26和个人计算机(PC)28。该温度测量系统22包括能测量陶瓷制品的表面和核心部分温度的任何适当的温度传感器(图中未示出)。整篇文章中使用的术语“核心部分”指具体的陶瓷制品的中心部分或接近中心部分的内部区域，但可在该陶瓷制品内部的任何部分测量核心部分温度，以准确反映其核心的温度。合适的传感器包括如高温计(或其它温度记录计)、覆套的热电偶、光管或黑体探针。在一较佳实施例中，该传感器包括由S型或B型形式的向前延伸的温度探针组成的覆套的热电偶、装在接地的铂或其它高温护套中的热电偶。

在操作过程中，通过对陶瓷材料进行电磁微波辐照对其施加一定量的热能；所传递的此微波能量以及给陶瓷材料施加的能量，根据预定的微波功率-时间规程而随着时间变化。确定根据此规程而施加的能量，使得以最短的时间将陶瓷制品加热至它的煅烧保温温度，而同时使随后维持在该煅烧保温温度生产出来的陶瓷制品仍具有陶瓷材料所需的特性，即无裂缝无变形。将该预定的微波功率-时间规程编程到管理功率输出以及将所产生的微波传递给陶瓷制品的控制系统中。

对不同的材料和形状，该预定的微波功率-时间特性可以改变，这个规程因此就依赖于要煅烧的陶瓷材料的具体类型；每个规程可包括恒定功率输出的阶段以及增加和减少微波功率输入的阶段。具体而言，此预定的微波功率-时间特性包括恒定的功率输出阶段、功率从低输出上升至较高输出的阶段和功率输出从高输出下降至较低输出的阶段。各种陶瓷材料需要各自的煅烧规程，该规程由这些各种不同的功率输出阶段组成，这些阶段一般以下述加热事件包括粘合剂烧尽、放热和吸热反应以及收缩和膨胀为特征。这些阶段的每一个阶段都需要不同水平的微波功率输入，有些阶段恒定不变，有些阶段是可变的，以避免陶瓷制品内部温度的突然增高或下降。此外，材料特性如介电特性和微波吸收特性也影响能有效煅烧陶瓷材料所需的微波能量。这样，熟练的技术人员需要从经验上来确定应该是有效的并且用于各类陶瓷制品的实际的功率-时间规程。

常规热输出源的独立控制与微波输出同时发生。常规热量的控制涉及测量陶瓷体的核心部分温度和表面温度。该控制单元将陶瓷表面温度与核心部分温度比较，如果存在差异，将输出信号输入到常规热源，使传递到该热绝缘容器内的常规热量得到调节。具体而言，如果表面温度低于核心部分的温度，则增加常规热量，维持能使表面温度和核心部分温度之间的温度差维持在可接受的水平的表面温度。可接受的温度差是产生的煅烧陶瓷产品基本上没有裂纹和变形的温度差。换言之，可以设计控制的方法，具体是用PLC，以提供表面温度和核心部分温度之间存在微小偏移的条件。对不同的陶瓷材料，可接受的温度差不同；并且温度差还随陶瓷制品的形状而变。在一较佳实施例中，这个温度差有效地为零，这样，表面温度不断地被调节，使它几乎等于测量得到的核心部分的温度。

控制和调节常规热量的最终效果，是由常规热源产生的热量基本上抵消掉陶瓷制品散失的表面热量。换言之，这种控制机制提供了一种体积陶瓷制品及其环境处于热平衡状态的煅烧条件。因此，核心部分和表面的温度差最小，转而使得陶瓷制品内的热应力最小。此外，此方法的另一优点是仅使用一种控制变量，即常规热源，这与常规的微波辅助煅烧控制方法不同，后者使用微波能量和常规热源这两者作为控制变量。后一方法在有些情况下产生了严重的控制不稳定性。

虽然最佳的前述方法的实施涉及根据预定的微波功率-时间特性使用电磁微波辐射来辐照陶瓷制品，但是预期使用温度-时间规程会工作得很好。

设计具体的微波功率-时间或温度-时间规程，以及由此而得到在合理的时间内将制品加热至其煅烧保温温度所需的微波辐射的量，这些都在本领域熟练的技术人员所掌握的知识之内。在设置煅烧过程的参数时，应考虑到包括陶瓷组成、陶瓷体的几何形状、窑的性能在内的因素。这些参数具体如功率-时间或温度-时间规程以及足以获得合理的煅烧循环来产生无裂纹和变形的煅烧陶瓷制品的可接受的温度差。例如，对于长7英寸、直径3.866英寸、通道壁厚2.0密耳、每平方英寸有900通道孔并且主要含有堇青石相的圆柱形薄壁多通道陶瓷体，包括必需的煅烧保温在内的煅烧周期是在不超过75小时的时间内，给该陶瓷制品施加从微波辅助窑传递来的功率为35-60kW、频率为915MHz的微波辐射，以及必需量的气体火焰热量或电阻加热热量，来维持陶瓷制品核心部分-和表面的热平衡。

在工业操作中，涉及利用测量陶瓷体的核心部分温度和表面温度的步骤连续控制常规热量的本发明方法的连续操作是不实用的。因此，本发明工业上的实施方式只是将陶瓷体放在包括热绝缘的常规可加热的微波加热腔的加热装置中。该工业实施方式是给该陶瓷体组合地施加常规和微波的热能，将其加热到更高的核心温度和表面温度。调节施加给陶瓷体的常规热量，使该坯体的表面温度以一定的速率升高，使得提高的核心温度和提高的表面温度之差不超过前述预定的可接受温度差。

表I中的内容是在其煅烧保温温度(1400℃)煅烧堇青石陶瓷材料的典型的微波功率-时间规程，表中包括一系列分开的煅烧阶段。这个规程适合于具有上述微波功率范围并具有1m³加料空间，可加入大约450磅挤压出的多通道陶瓷体的窑。在操作中，煅烧该陶瓷体过程中的PLC将执行以下功能：(1)将微波功率设置到各阶段起动时的预设置水平，并鉴定该预设置微波功率水平和该阶段结束时的核心部分目标温度，并与各阶段的目标时间结合，确定各阶段适当的目标微波-功率改变；(2)监测每个阶段整个过程中的核心部分的温度，以便在实际核心温度的基础上确定是否需要调节目标的阶段时间或者微波功率终点；(3)持续监测每个阶段整个过程中陶瓷制品的核心部分温度，并测量该温度值，以其为基础，用来计算使用常规热源加热该陶瓷表面的设定温度；(4)利用该基础和预定的可接受温度差(核心部分温度与表面温度之前)计算实际的表面温度设定值；(5)将常规热量调节到足以将该表面加热到所计算的温度水平。

                              表I

阶段	起始温度	结束温度	目标时间(分钟)	事件	阶段结束时的微波功率(kW)
						1	30	50	9	转变	42
2	50	225	76	正常加热	42
						3	225	250	11	转变	12
4	250	435	80	粘合剂烧尽	15
						5	435	465	13	转变	36
6	465	600	59	化学结合水消失	36
						7	600	650	22	转变	45
8	650	825	76	正常加热	45
						9	825	850	11	转变	39
10	850	1000	65	化学结合水消失	39
						11	1000	1225	98	正常加热	42
12	1225	1250	50	转变	24
						13	1250	1375	250	特性形成	18
14	1375	1400	50	转变成保温	0

本文所述的方法特别适用于煅烧薄壁多通道陶瓷体和具有厚截面的陶瓷制品。文中使用的煅烧指一种将陶瓷制品加热到某一温度使给定的陶瓷密致桦(烧结)和/或转变成所需结晶相的方法。

应理解，虽然本发明结合某些阐述性和特定的实施方式进行了描述，但本发明并不受到它们的限制。例如，虽然本发明从微波方面描述控制方法，但应考虑这种控制方法适合使用其它高频率的波长，如毫米波。应理解在不偏离所附权利要求所限定的本发明的主要精神和范围内可进行各种修改。

Claims (23)

1.一种煅烧陶瓷材料的方法，它包括：

将该陶瓷材料放入具有绝缘的微波谐振腔的微波加热装置中，使用由可调节的微波发生器产生的电磁微波辐射辐照该陶瓷材料，给它施加热能，该热能的量根据预定的微波功率-时间或温度-时间规程确定；

连续测量该陶瓷体核心部分和表面的温度，根据所测得的核心部分温度和表面温度之差调节常规热量的量，使该陶瓷体表面的温度维持在使该核心部分温度和表面温度之间的温度差可接受的温度；

继续传递并控制该微波功率和常规热量，至少到该陶瓷体温度达到它的煅烧保温温度为止。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的微波功率-时间规程包括恒定不变的功率输出的阶段、功率从低输出升高到较高输出的阶段和功率输出从高输出降低至较低输出的阶段。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可接受的温度差是使得陶瓷体不会产生足以使其有裂纹或变形的热应力的表面温度和核心部分温度之间的温度差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可接受的温度差基本上是零，所述表面温度和核心部分温度几乎相等。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的微波功率-时间规程和相应的常规加热与任何随后的煅烧保温阶段结合，使陶瓷体完全煅烧。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调节功率的微波发生器所产生的最大功率大于约1kW，小于约75kW。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加给陶瓷制品的所述微波能量的频率约为915MHz到2.45GHz。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述常规加热包括对流或辐射加热，包括使用常规电阻加热或在直接或间接燃烧器结构中的气体加热。

9.一种煅烧陶瓷体的方法，它包括独立控制由微波能量产生于陶瓷体中的热量和常规加热的热量，微波功率的控制根据预定的微波功率-时间规程或温度-时间规程进行，常规热量的控制包括测量陶瓷体的核心部分和表面的温度，然后根据两个温度之差调节常规热量输出，使该表面温度维持为使表面温度和核心部分温度之间的温度差维持在可接受水平的温度。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述可接受的温度差是使得陶瓷体不产生足以使其有裂纹或变形的热应力的表面温度和核心部分温度之间的温度差。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述可接受的温度差基本上是零，所述表面温度和核心部分温度几乎相等。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定的微波功率-时间规程包括恒定不变的功率输出阶段、功率从低输出升高到较高输出的阶段和功率输出从高输出降低至较低输出的阶段。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定的微波功率-时间规程和相应的常规加热以及任何随后的保温阶段使陶瓷体几乎完全煅烧。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述常规加热包括对流或辐射加热，包括使用常规电阻加热或在直接或间接燃烧器结构中的气体加热。

15.一种煅烧陶瓷体的方法，它包括：

将该陶瓷体放入加热装置中，该装置包括热绝缘的常规可加热的微波加热腔；给该陶瓷体组合地施加常规热能和微波热能，将其加热至更高的核心部分温度和更高的表面温度，调节施加给陶瓷体的常规热能的量，使该陶瓷体的表面温度以一定的速率升高，使得升高的核心温度和升高的表面温度之差不超过前述预定的可接受温度差。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，继续进行所述加热，直到该陶瓷体达到煅烧保温温度。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，使用可调节的微波发生器产生的电磁微波辐射辐照所述陶瓷体，输入微波热能，根据预定的微波功率-时间或温度-时间规程改变微波热能的量。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述可接受的温度差是使得陶瓷体不产生足以使其有裂纹或变形的热应力的所述表面温度和核心部分温度之间的温度差。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述可接受的温度差基本上是零，所述表面温度和核心部分温度几乎相等。

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述预定的微波功率-时间规程和相应的常规加热与任何随后的煅烧保温阶段结合，使陶瓷体完全煅烧。

21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该可调节功率的微波发生器所产生的最大功率大于约1kW，但小于约75kW。

22.如权利要求15所述的方法，其特征在于，施加给陶瓷制品的所述微波能量的频率约为915MHz到2.45GHz。

23.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述常规加热包括对流或辐射加热，包括使用常规电阻加热或在直接或间接燃烧器结构中的气体加热。