CN113465381B - 一种煅烧方法和间歇式窑炉 - Google Patents

Abstract

一种煅烧方法和间歇式窑炉，属于无机非金属材料加工领域。煅烧方法包括：获得第一基准条件；对加工对象进行煅烧，并且在煅烧过程中，连续地采集并对应获得第一工作条件；按照触发条件控制煅烧的条件。该方案可以缩短煅烧过程的分析周期、提高分析质量。

Description

一种煅烧方法和间歇式窑炉

技术领域

本申请涉及无机非金属材料加工领域，具体而言，涉及一种煅烧方法和间歇式窑炉。

背景技术

绝大多数无机非金属材料及制品的制备或生产过程中都需要经过高温阶段(也被称为煅烧、焙烧、烧成或者烧结)并且也是非常重要的一个环节。这个高温煅烧过程完成的好坏与否往往决定了最终产品的性能好坏。

目前，对于无机非金属材料及制品的高温煅烧过程的评价，往往是采用“事后分析”的方法。换言之，只有在原料或生坯经过高温煅烧，成为烧成的产品之后，通过对产品进行一系列的分析，才能够判断高温煅烧过程的好坏。这样的“事后分析”方法需要等待产品的测试分析完成后才能进行。整个反馈周期太久，更无法及时地对正在进行高温煅烧的生产过程进行评判，也就没有可能对已经偏离正常状态的高温煅烧过程进行及时和必要地调整，从而容易造成批次报废、增加生产成本。

发明内容

本申请提出了一种煅烧方法，以及用于实施煅烧方法的间歇式窑炉。

该煅烧方法可以对煅烧过程进行事中分析，从而比事后分析更快地获得分析结果，以便于操作者及时根据分析结果对煅烧过程进行控制。

通过对煅烧过程进行事中分析，该煅烧方法可以提供基数参数。然后，在操作者选择了适当和优化的煅烧过程控制方式后，实现改善煅烧过程中的工艺控制、提高控制效率，进而提高煅烧产品的质量。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请的示例提供了一种用于加工能够在被加热时发生重量变化的加工对象的煅烧方法。

煅烧方法包括：

获得对应于加工对象的煅烧过程的预设条件；预设条件包括从开始煅烧到完成煅烧的过程中，煅烧对象的质量累积损失量和煅烧温度对应关系的第一基准条件，预设条件还包括对应于加工对象的初始煅烧参数；

设置初始煅烧参数对加工对象进行煅烧，并且在煅烧过程中，连续地采集煅烧对象的实际质量累积损失量和实际煅烧温度，并对应获得实际质量累积损失量和实际煅烧温度的对应关系作为第一工作条件；

按照触发条件控制所述初始煅烧参数，触发条件根据在选定的相同煅烧温度点所对应的预设质量累积损失量和实际质量损失量的比对结果确定。

根据本申请的一些示例，触发条件包括：预设质量累积损失量与实际质量累积损失量相等；或者，实际质量累积损失量与预设质量累积损失量不相等；或者，实际质量累积损失量以大于第一预设值上限高于预设质量累积损失量；或者，实际质量累积损失量以小于第一预设值下限低于预设质量累积损失量。

根据本申请的一些示例，按照触发条件控制煅烧的条件包括：当实际质量累积损失量与预设质量累积损失量相等时，保持初始煅烧参数的不变继续煅烧；或者，于选定的煅烧温度点，当实际质量累积损失量与预设质量累积损失量之间的差值的绝对值在预设范围内时，保持初始煅烧参数的不变继续煅烧。

根据本申请的一些示例，按照触发条件控制煅烧的条件包括：于选定的煅烧温度点，当实际质量累积损失量以大于预设质量累积损失量的第一预设值上限高于预设质量累积损失量时，停止煅烧；或者，于选定的煅烧温度点，当实际质量累积损失量以小于预设质量累积损失量的第一预设值下限低于预设质量累积损失量时，维持选定的煅烧温度点选定时间，并且在超过选定时间或者超过大于选定时间的最大设定时间之后，实际质量累积损失量仍然小于第一预设值下限时，停止煅烧；或者，于选定的煅烧温度点，当实际质量累积损失量以小于预设质量累积损失量的第一预设值下限低于预设质量累积损失量时，降低煅烧的升温速率直至下一个选定的煅烧温度点，并且当达到下一个选定的煅烧温度点时，实际质量累积损失量仍然小于下一个选定的煅烧温度点所对应的实际质量累积损失量的第二预设值下限时，停止煅烧。

根据本申请的一些示例，按照触发条件控制煅烧的条件包括：于选定的煅烧温度点，当实际质量累积损失量以小于预设质量累积损失量的第一预设值下限低于预设质量累积损失量时，维持选定的煅烧温度点选定时间，直到实际质量累积损失量大于第一预设值下限时进行升温，并按照设置初始煅烧参数在选定的煅烧温度点之后的参数进行煅烧；或者，于选定的煅烧温度点，当实际质量累积损失量以小于预设质量累积损失量的第一预设值下限低于预设质量累积损失量时，降低煅烧的升温速率直至下一个选定的煅烧温度点，并且当达到下一个选定的煅烧温度点时，实际质量累积损失量大于下一个选定的煅烧温度点所对应的实际质量累积损失量的第二预设值下限时，从下一个选定的煅烧温度点开始继续保持设置初始煅烧参数。

根据本申请的一些示例，加工对象被加热时发生重量变化且产生气体，预设条件还包括气体的预设浓度和煅烧温度的对应关系的第二基准条件；煅烧方法还包括：在煅烧过程中，连续地采集煅烧环境中的气体的实际浓度和实际煅烧温度的对应关系作为第二工作条件；触发条件根据在选定的相同煅烧温度点所对应的预设质量累积损失量和实际质量累积损失量的比对结果、以及在选定的相同煅烧温度点所对应的气体的预设浓度和实际浓度的比对结果确定。

在第二方面，本申请的示例提供了一种间歇式窑炉，用于实施上述的煅烧方法以制作无机非金属材料及其制品。

间歇式窑炉包括：

炉体，具有由炉墙、炉顶和炉底共同围合形成提供煅烧空间的炉腔，其中，炉墙设置有用于启闭炉腔的炉门，炉墙和炉顶配合连接，炉底与炉顶相对且与炉墙配合连接；

安装于炉体的加热器，用于向炉腔内提供热量以进行煅烧；

安装于炉体的温度传感器，用于检测炉腔内的煅烧温度条件；

称重计，用于连续地检测放置于炉腔内的煅烧对象的重量。

根据本申请的一些示例，间歇式窑炉包括气体监测器，用于检测炉腔内的选定气体的浓度；炉底与炉墙通过曲封槽配合。

根据本申请的一些示例，炉体配置有进气管和排气管，气体监测器设置于排气管；和/或，炉底包括支撑架以及用于放置煅烧对象的耐火层，耐火层位于支撑架之上。

根据本申请的一些示例，间歇式窑炉包括立柱，称重计通过立柱与炉底接触配合，炉底与炉墙间隙配合，并且炉底在由炉顶至炉底方向能够自由运动给定距离，称重计在炉腔外通过立柱与炉底接触配合，称重计通过炉底的自由运动而检测放置于炉底上的煅烧对象的重量；

或者，间歇式窑炉包括用于放置煅烧对象的横柱，横柱穿过炉墙且能够在由炉顶至炉底方向能够自由运动给定距离，炉底与炉墙紧密配合，称重计在炉腔外与横柱配合并通过横柱的自由运动而检测放置于炉底上的煅烧对象的重量。

在以上实现过程中，本申请实施例提供的煅烧方法，根据加工对象在煅烧过程中的化学反应或物理变化的特点，通过温度与其煅烧质量损失的情况对其煅烧过程中进行监控，从而可以有效地反馈煅烧工艺过程中的条件参数，以便选择相应的煅烧过程控制方法，进而提高煅烧效率和质量。

利用本申请的间歇式窑炉实施的煅烧方法能够在煅烧过程中，实时地测量与煅烧对象直接相关的变化，实现对高温煅烧过程的事中分析，从而可以快速并深入地分析煅烧的过程、缩短分析的周期和提高分析的质量，进而对煅烧产品的质量进行控制。

在高温煅烧过程中，利用对煅烧对象重量变化(进一步地还可以包含窑炉中特定气体浓度变化)的监测，可以更快捷和深入地对不同煅烧工艺进行分析和比较，提高工艺开发的速度和质量。通过将高温煅烧下，煅烧对象重量变化的规律，用于对煅烧过程进行实时的调整和控制，降低煅烧过程偏离目标的风险，提高产品的良率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为煅烧过程的现有分析方案的原理框图；

图2示出了本申请示例中的煅烧过程的事中分析的原理框图；

图3为本申请示例中的第一种间歇式窑炉的在第一视角的结构示意图；

图4为本申请示例中的第一种间歇式窑炉的在第二视角的结构示意图；

图5为本申请示例中的第二种间歇式窑炉的在第一视角的结构示意图；

图6为本申请示例中的第二种间歇式窑炉的在第二视角的结构示意图；

图7为本申请示例的煅烧过程分析中四种不同工艺下的升温曲线。

图标：1a-第一墙体；1b-第二墙体；1c-第三墙体；2a-炉门；3a-炉顶；5-金属框；6-耐火材料；7a-煅烧对象；8a-金属框架；9-立柱；10a-称重传感器；14-导线；15-称重仪表；16-安装支架；17a-电加热器组；18-曲封槽；50-气体采集管；55a-排气管；900-热电偶；901-进气管；1d-第四墙体；1f-第五墙体；3b-第二炉顶；4b-第二炉底；7b-第二煅烧对象；8b-第二金属框架；10b-第二称重传感器；17b-加热棒；17c-第二加热棒；30-陶瓷棒；32-开孔；35-金属支柱；36-承托平台；41-托轮；42-轴；43-承托架；50b-第二气体采集管；55b-第二排气管。

具体实施方式

对于无机非金属的粉体材料，一般会对煅烧后的粉体产品进行相关的物化指标分析—如粒度、松装密度等等。或者，还有一些方案会对涉及产品应用相关的一些特性进行一些测试。例如，对于锂电池正极材料，往往会对高温煅烧后的材料进行一些电化学测试，得到电化学特性的一些指标—如容量、循环等等。这是一种事后分析的方案，且也是目前在没有更好的可用方案之下的不得不选择的妥协。如图1所示，目前所采用的是如图1所示的事后分析方案。发明人认为该工艺有如下一些特点：原料是高温煅烧过程的输入；关键的工艺参数(例如温度、工艺气体流量、炉压等参数)是过程控制因子，也是高温煅烧的输入。而这个过程的唯一输出就是产品。因此对于这个过程的评价只能建立在对产品的评价(测试)的基础上，也就是“事后分析”。

区别于上述事后分析的方案，发明人提出了一种更佳的事中分析(如图2所示)的选择。这种分析方案中，高温煅烧作业中的关键过程输出指标是指煅烧过程中的煅烧对象(无机非金属材料或制品)的某个或某几个重要的物理或化学性质。这些性质在高温煅烧过程中会发生显著变化；并且这些变化与高温煅烧的过程(例如煅烧温度或者时间或者升温速率等)直接相关。并且这些在高温煅烧过程中的煅烧对象发生的变化是可以被测量的。

因此，本申请方案的一个关键就是：找到切实可行的方案，实现在高温煅烧的工业设备上测量并采集与煅烧对象本身变化直接相关的关键过程输出信息。

本申请发明人的分析发现，很多无机非金属材料在高温煅烧过程中，通常会涉及到重量变化。因此，在高温煅烧过程中，这些材料的重量会随着煅烧温度和时间而变化，并且，这个重量变化的比例是与反应发生的程度直接相关。那么，从煅烧对象的重量变化上，就可以推断出煅烧对象反应进行的情况。另外，与重量变化相关的因素，还可能有窑炉内气氛的改变。如果可以测定窑炉内的气体的含量，也可以根据化学反应的原理，推断反应的进行程度。这一测定特定的气体含量的方法可以单独使用，也可以与前述监测重量变化的方法配合使用。因此，在采集到产品重量变化或者窑炉内部某种特定气体浓度变化的数据后，技术人员可以根据煅烧对象在高温下发生反应的原理，对采集到的这些过程输出数据进行分析，判断反应进行的程度，并且相应地也可以推断这个正在进行的高温煅烧过程的“优劣”。

作为一个具体可替代示例，其分析如下：方解石(CaCO₃)理论上在930℃会发生分解反应，产生氧化钙(CaO)和二氧化碳(CO₂)，并且相应地会导致重量下降44％。如果在大规模生产中，对煅烧对象方解石的重量进行监测，发现重量在930℃开始下降，保温3小时后，重量下降44％左右，并随着煅烧时间的增加基本保持稳定。那么据此可以判断方解石的分解基本按照预期完成，生成了氧化钙。但是，如果发现在930℃左右，重量没有变化，一直到温度升到1000℃重量才开始减少。那么有可能煅烧窑炉的实际测量温度与显示温度产生了较大的偏差，需要及时对窑炉的测温系统进行校准；或者原材料中混入了其他杂质。除此以外，技术人员还可以借助这一手段，对不同的煅烧工艺进行评判，筛选出更合理的煅烧工艺。

因此，本申请方案可以通过对同一种材料或制品的多个批次进行了高温煅烧的工业化生产后，收集并综合这些批次的关键过程输出指标的数据，再结合这些批次的其他数据(如产品测试数据等)，技术人员就可以分析并筛选得到一个较为理想的煅烧过程的重量或者气体浓度的“标准”变化曲线。与在实验室的小型实验设备(例如热重分析仪)上采集到的数据不同的是，这个“标准”曲线是在工业规模的生产设备上获得的，因而更加适合工业生产的高温煅烧过程。

在获得这样的“标准”曲线之后，技术人员就可以将此后进行的每一次高温煅烧过程中采集的曲线与“标准”曲线进行对比，从而可以对正在进行的高温煅烧过程进行实时地判断。

如果发现正在进行的高温煅烧过程的重量变化和/或者气体浓度变化开始偏离(或者偏离大到一定程度)“标准”曲线后，技术人员可以及时调整过程输入因子(例如温度、气体流量等)，使重量变化曲线和/或者气体浓度变化曲线回归或者接近“标准”曲线。换言之，通过上述操作方式可以对高温煅烧过程进行实时的控制和调整。当然，技术人员的所起的作用也可以由自动化系统来替代，使整个数据采集、分析、和反馈控制变成智能化和自动化的过程。

煅烧过程分析

以锂离子电池的正极材料，三元材料Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)O₂(简称为523三元材料)的高温固相反应合成过程为例，阐述利用重量和气体监测进行高温煅烧过程的分析。

将原料碳酸锂(Li₂CO₃)与523前驱体[氢氧化镍钴锰(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)(OH)₂]，按照锂与过渡金属摩尔比1.03:1的比例进行均匀的混合后，按一定的工艺，在高温下煅烧形成523三元材料。

根据反应原理和实验分析，在合成过程中，会发生两个热分解反应和一个氧化反应。混合原料中的523前驱体在250-350℃之间发生分解反应，反应式如下：(NiCoMn)(OH)₂→(NCM)O+H₂O。

混合原料中的碳酸锂在350-750℃发生分解反应，反应式如下：

Li₂CO₃→Li₂O+CO₂↑。

另外，在温度高于450℃之后，碳酸锂分解产生的氧化锂Li₂O开始与过渡金属氧化物(NCM)O以及氧气发生如下氧化反应：

0.5Li₂O+(NCM)O+0.25O₂→Li(NCM)O₂。

将分解与氧化反应综合起来，可以用如下的总反应式表示高温煅烧过程中发生的反应：(NiCoMn)(OH)₂+0.5Li₂CO₃+0.25O₂→Li(NCM)O₂+H₂O↑+0.5CO₂↑。

根据对微量样品的实验室热分析的结果(样品重量小于1克，空气气氛中煅烧，室温升温至900℃，升温速率5℃/分钟)，总结出混合后的原料在高温煅烧时的重量变化规律为：

从室温到350℃，混合原料中的自由水挥发及前驱体分解直至完全，这个温度段内样品重量损失的百分比为14.1±1％。从350℃至500℃，部分碳酸锂分解，这个温度段内样品重量损失的百分比为12.8±1％。从500℃至750℃，剩余的碳酸锂继续分解直至分解完全。

除此以外，这个温度段(350-750℃)内，还开始发生上述的氧化反应，样品重量损失的百分比为4.2±1％。从750℃至900℃，高温会造成样品中少量氧化锂挥发，这个温度段内样品重量损失的百分比为0-1.9％。由于测试使用的样品量非常小，可以认为这个重量变化规律反映了523三元材料比较理想的高温煅烧过程。

另外，在实验中还发现，如果原料中的前驱体或者碳酸锂在相对较低的温度下，分解反应没有完全结束就升到更高的温度，那么残留的未分解原料会影响在更高温度下发生的氧化反应，进而对反应生成的523三元材料的质量和性能造成负面的影响，例如初始比容量过低或/和循环性能不佳等。

因此，一个比较理想的523三元材料的高温煅烧工艺应至少满足以下要求：

1、室温到350℃，三元前驱体分解完全；

2、350到500℃，碳酸锂尽可能多地分解；

3、500到750℃，碳酸锂分解完全；

4、750到900℃，挥发损失的氧化锂尽可能少；

5、在确保以上要求满足的前提下，整个煅烧的工艺时间尽可能短(提高生产效率)。

根据小试实验的条件(空气气氛、升温速率5℃/分钟)，研究人员设计了四种不同的523三元材料的量产高温煅烧工艺(见表1)，它们之间的主要区别是升温段的升温速率不一样(见图7)。为了方便对比，四种工艺的保温时间和降温时间保持一致。

表1

上述四种高温煅烧工艺的分析和比较使用了煅烧窑炉。该炉中放入了64个匣钵。每个匣钵中装入523前驱体和碳酸锂的混合物7公斤(锂与过渡金属的摩尔比为1.03:1)，物料总的重量为448公斤。每个匣钵重量为8公斤，合计512公斤。炉底及支持平台总重量为404公斤。因此在煅烧前，重量传感器上承载的总重量为1364公斤。窑炉使用了4个重量传感器，重量监测系统的测量精度为0.1％，也就是1.364公斤。从四种高温煅烧工艺对比实验的物料重量变化结果中，分别读取了当炉腔的温度达到350、500、750、900℃(进入保温区的第一个温度点)时的重量损失百分比，见表2。另外，将实验室小试结果中得到的每个温度段的重量损失百分比作为参考标准，也列入表2的最后一列。

表2

表2中，RT表示室温。

从表2中可以看出，工艺1在350℃时的重量损失百分比要远低于参考标准。这是因为窑炉升温太快，热量没有充分传导给匣钵内的物料，所以匣钵内的物料的实际温度要远远低于炉腔的温度，造成当炉腔内的温度达到350℃时，前驱体的分解反应尚未完全，重量损失比预期少很多。工艺1在350-500℃的重量损失在参考标准内，这是因为炉腔温度在350℃以下没有分解的前驱体在350-500℃继续分解，与碳酸锂的分解同时进行，两者的重量损失产生了叠加。工艺1在500-750℃和750-900℃的重量损失百分比均大于参考标准，也是因为当炉腔温度达到500℃和750℃时，碳酸锂的分解不充分，所以未分解的碳酸锂在更高温度下继续分解，造成这两个温度段的重量损失偏大。因此，工艺1非常不适合量产规模的523三元材料的高温煅烧过程。

工艺2将升温速率降低到3.33℃/分钟，当温度达到350和500℃时物料的重量损失百分比均在参考标准内，说明在500℃以下温度段的升温速率合理。但是当温度达到750℃时，重量损失百分比低于参考标准，而900℃的重量损失百分比高于参考标准。这个结果说明，工艺2在500℃以上的升温速率还是过快，造成了碳酸锂的分解不完全。

工艺3的升温速率最低，为1.67℃/分钟，所有温度点记录的重量损失百分比均在参考范围内。这说明工艺3的整个升温段的升温速率是合适的。但是工艺3的升温时间也是最长的，效率最低。

工艺4在500℃以下的升温速率与工艺2相同为3.33℃/分钟，在500℃以上的升温速率与工艺3一致，为1.67℃/分钟。从各个温度点记录的重量损失百分比来看，均在参考范围内。这说明工艺4的两段式升温速率设置也是合理的，同时升温时间要少于工艺3，具有更高的生产效率。

同时对炉腔内的气体进行了分析。从排风总管里引出炉腔内排出的废气，对废气中的二氧化碳进行了定性的分析(只能判断有无，不判断量的多少)。窑炉的进、排风量设置为每8分钟换一次气(将炉腔内的气体全部置换)。气体分析的结果见表3。

表3

温度点	工艺1	工艺2	工艺3	工艺4
					350℃	无	无	无	无
500℃	无	有	有	有
					750℃	有	有	无	有
900℃	有	有	无	无

从表3中可以看出，工艺1和工艺2在900℃时，仍能探测到炉腔内排出的废气中存在二氧化碳，这说明了碳酸锂在750℃以下没有分解完全，残余的碳酸锂其分解反应一直持续到900℃。印证了上述通过对重量变化分析的判断：工艺1和工艺2在500℃以上的升温速率过快。而工艺3和4在900℃时，均没有发现二氧化碳，说明碳酸锂已经分解完全。工艺4在750℃仍能够探测到二氧化碳，因为该分析为定性分析，所以探测到的二氧化碳可能是微量的，此时碳酸锂的分解反应很有可能已接近尾声。

将四种工艺合成的523三元材料作为正极材料，与金属锂负极、隔膜、电解液组装成纽扣式测试电池，测试和比较不同工艺合成的正极材料的电化学性能。测试结果见表4。从表4中也可以看出，工艺3和工艺4合成的523三元正极材料的电化学测试结果是最优的，而工艺1与工艺2合成的三元材料的电化学性能恶劣，再次从产品应用测试的角度证明工艺3和工艺4是合适的高温煅烧工艺。综合以上的分析，最终的量产工艺采用了工艺4的两段式升温速率设置，获得了产品性能与生产效率最佳的平衡。

表4

综上所述，根据上述试验分析，从煅烧过程中提取出物料重量变化和分析特定气体的方法，可以帮助技术人员进行量产规模下的高温煅烧工艺的分析和筛选，进一步提高工艺开发的效率，缩短开发周期。

以下将结合实施例，对本申请示例中的煅烧方法以及用于实施该煅烧方法的设备进行说明。

本申请示例中，采用间歇式箱式炉为例来阐述煅烧方法以及设备。但是应当指出的是，该煅烧方法和设备可以经过适当的修改后，从而同样适用于其他类型的间歇式窑炉，例如梭式窑、钟罩炉等等。即前述煅烧方法适用于各种间歇式窑炉。其他类型的连续式窑炉，也可以基于本申请原理的基础上，通过改造而适用煅烧方法。

煅烧设备

参阅图3和图4，示出了第一种间歇式箱式炉。

间歇式箱式炉包括炉体，其作为煅烧作业中各种设备的安装基础，提供了充分的安装空间和位置。

炉体大体上呈箱式结构，其具有炉墙、炉顶3a和炉底。为了提高箱式炉的耐用性，箱式炉的主体部分可以使用金属框架8a(碳钢或不锈钢材质)包裹，金属框架8a对耐火砖砌筑的箱式炉结构起到一个的支撑作用。

进一步地，箱式炉下方还可以根据需要配置支撑结构，以便在箱式炉下方预留空间，用以放置后续提及的称重传感器。例如，在箱式炉的金属框架8a的下方安装支架16，将箱式炉整体抬离地面，留出足够的空间放置称重传感器。或者，另一些示例中，在地面上设置地坑，将称重传感器放置于地坑中。安置方式可以根据生产场地的情况灵活选择。

更进一步地，考虑到煅烧过程可能需要引入原料气体(例如，氧气、氮气或者混合气体等)的情况下进行，以及煅烧过程中会产生废气或者其他需要排放的气体，则炉体也可以选择配置有进气管901和排气管55a；二者可以选择连接于炉体，例如穿透并固定在炉墙上。

在炉体中，炉顶和炉底分别连接于炉墙，从而形成了用于留置煅烧对象的空间，例如称之为炉腔。由于考虑到煅烧时可能需要或产生的气氛，因此，炉腔一般选则以相对密封的方式进行构建。

顾名思义，炉体中的炉顶和炉底大致上相对的，并且根据其一般的使用和构造方式，二者是在竖直方向上下相对。

作为煅烧对象进入炉体的通道，炉墙连接炉门2a。炉门以可移动的方式设置，以便进行启闭。或者说，炉墙具有与炉腔联通的开口，而炉门连接于开口处的炉墙上，并且可以被操作如移动而实现对开口的封闭或暴露。其中，炉墙可以包括三面墙，例如记为第一墙体1a、第二墙体1b和第三墙体1c。构成炉墙的三面墙，再与炉门一同构成四面的围合结构。炉顶可以是穹顶的拱形结构，可以增加炉腔的内部空间。

由于可能涉及到高温煅烧作业，因此，炉墙与炉顶和炉门可以选择由轻质耐火砖砌筑而成，其外部用硅酸铝陶瓷纤维或岩棉等热传导率低的纤维状材料进行隔热保温。

在炉体中，炉底根据测量煅烧对象的重量的设备(下称称重计/称重传感器10a)的不同而有不同的选择。

例如，一些示例中(例如第一示例)，称重设备可以通过炉底来进行重量的测量，如图3和图4所示。在另一些示例中(例如第二示例)，称重设备不通过炉底进行称重，而是通过其他用于放置煅烧对象的盛放设备进行称重，如图5和图6所示。

因此，在第一示例中，炉底的结构可以构造为一个金属框5(例如铸铁或不锈钢)上铺设一层或多层耐火材料6。耐火材料既可以与炉墙、炉顶3a和炉门2a形成一个封闭的高温煅烧空间、同时又作为一个支撑平台，用来承载煅烧对象7a。换言之，这样的示例中，炉底包括支撑架以及用于放置煅烧对象的耐火层，耐火层位于支撑架之上。

进一步地，为了能够称量被煅烧对象的重量，炉底4a与炉墙及炉门2a之间是隔断的。如此，炉底与炉墙之间是间隙配合的，那么炉底就能够在由炉顶至炉底方向自由运动。因此，炉底以及其上的被煅烧对象的重力都可以向下传递。

作为示例，在炉门和炉墙下部设置有凹部结构，从而形成曲封槽18。炉门和炉墙、与炉底形成配合的曲封结构。该曲封槽18的凹部结构可以供炉底构成凸部结构的耐火材料层嵌入。炉底的耐火材料层具有凸部结构。该凸部结构可以嵌入曲封槽18。其中的，曲封槽的截面可以为一个U型结构。当然，曲封槽也可以为两个或两个以上的连续的U型结构或者W型结构。与之相等的炉底的耐火材料层的凸部结构相应地增加或者改变与之相配合。

通过上述方式构造炉底，曲封结构阻隔了炉腔内的高温向炉底下部传导，使炉底下方的空间形成一个低温区；这个空间的温度通常可以保持在60℃以下，可以正常使用金属材质的部件。并且，基于此，称重计也可以不需要耐高温结构设计。

在该第一示例中，称重计可以在炉腔外通过立柱9与炉底接触配合，如此，称重计通过炉底的自由运动(受到重力向下运动或具有向下运动的趋势)而检测放置于炉底上的煅烧对象的重量。立柱的一端与炉底固定连接，且立柱的另一端与称重计连接。当窑炉设置金属框架8a时，立柱穿过该金属框架8a(在第二示例中为第二金属框架8b，如图5所示)。进一步地，称重计采集的重量信息，通过导线14与称重仪表相连，称重仪表15将从称重传感器10a采集到信号通过PLC传送给人机界面进行实时显示，或者传送给控制系统对采集得到的重量数据进行显示并存贮，并可随时对历史数据进行查阅或者和以往数据进行比对。

除此之外，在第二示例中，炉体的炉墙和第二炉顶3b、第二炉底4b分别采用耐火砖砌筑而成。并且，炉底和炉墙是一体结构，即炉底与炉墙紧密配合，参阅图5和图6。因此，在这样的示例中，窑炉并未配置曲封结构。由于炉底不能获得煅烧对象的重量，因此，在该示例中第二称重传感器10b不通过炉底对煅烧对象称重。

为了进行称重，在第二示例的结构中，炉墙配置耐热的承托结构，例如陶瓷棒30/碳化硅陶瓷棒，或者也可以称之为横柱。陶瓷棒的两端穿出炉墙(第四墙体1d和第五墙体1f)，并且该两端在竖直方向与炉墙间隙配合。间隙配合的方式例如是炉墙配置开孔32，且其直径大于陶瓷棒的外径。通过这样的结构设计，横柱能够在由炉顶至炉底方向能够自由运动给定距离。由于，炉墙具有开孔，其中可以填充耐高温的陶瓷纤维，用以阻止炉腔内的高温通过缝隙向外传导。

如此放置于陶瓷棒上的煅烧对象可以通过与陶瓷棒配合的称重计记录重量。换言之，称重计可以在炉腔外与横柱配合并通过横柱的自由运动而检测放置于炉底上的煅烧对象的重量。

示例性地，陶瓷棒的两端穿过两侧的第四墙体1d和第五墙体1f，放置在两侧炉墙外的承托架43上。这些陶瓷棒30可以承载第二煅烧对象7b。陶瓷棒30的直径、数量以及相互间的距离可以根据第二煅烧对象7b的尺寸、重量和煅烧工艺来选择。图示结构中，在箱式炉外，陶瓷棒的两端放置于托轮41之上；而托轮41则通过轴42安装在承托架43之上。托轮可以围绕轴做自由转动。这样的设置，可以使陶瓷棒30可以自由转动，以便于将煅烧的物料放入或取出箱式炉(滚动摩擦力小)。

考虑到煅烧过程可能涉及高温，相应地会导致陶瓷棒的两端温度会比较高(超过100℃)。因此，托轮的材料可采用耐热且导热系数低的材料，例如刚玉等陶瓷材料。

箱式炉两侧的承托架43分别连接金属支柱35支撑。金属支柱的底部设置有第二称重传感器10b。第二称重传感器10b放置在炉体外侧的一个承托平台36上。

除了具有上述结构之外，作为提供热量以煅烧加工对象的设备，箱式炉还具有加热器。本申请的图3和图4所示结构中选择为电加热器组17a。加热器连接在炉体上。根据被煅烧对象在炉腔内的摆放方式，电加热器组17a可以有不同的配置方式。例如，当煅烧相对在炉腔内沿竖直方向排布时，则电加热器组17a可以垂直地设置在炉腔两侧的炉墙附近。其中的电加热器的数量、长度可以根据箱式炉的尺寸、煅烧工艺的要求进行选择性的设计。在图5和图6所示的结构中，窑炉配置电加热器—如加热棒17b和第二加热棒17c，并且这些加热棒位于陶瓷棒的上下两侧，且两端也穿过炉体。

除电加热器之外，也可以根据煅烧对象以及煅烧工艺的要求，选择燃料加热。因此，这样的示例中，加热器可以是燃烧加热装置，其可以通过喷嘴等部件喷出燃料—燃料可以选择重油、煤粉、天然气等等—通过燃烧提供热量。在其他示例中，加热器还可以是带热辐射管的燃料加热方式。此外，作为检测炉腔内的煅烧温度条件的设备，窑炉具有连接在炉体上的温度传感器。

另外，除了通过配置称重传感器来实时、连续地监控处于煅烧过程中的煅烧对象的重量之外，还可以根据煅烧对象在煅烧的过程中产生的气氛情况进行监控，以便配合于检测的重量数据来对煅烧过程进行监控和/或分析。相应地，间歇式窑炉可以配置气体监测器，用于检测炉腔内的选定气体的浓度。示例性地，气体监测器设置于炉体的炉墙上的用于排放废气的排气管。部分示例中，前述的选定气体例如主要是指煅烧对象被煅烧而产生的气体。

其中的气体监测器可以采用市售设备。作为一种示例，气体监测器可以主要包括气体采集管、气体管线、除尘器和冷凝器、抽气泵和气体分析仪等。其主要工作方式为：在抽气泵的负压作用下，排气管中的气体进入气体采集管。然后，气体再通过气体管线先进入除尘器，去除废气中的粉尘。然后通过气体管线进入冷凝器，去除废气中的水分。然后废气通过气体管线进入抽气泵。由于采样的量不需要很大，抽气泵可以采用低流量的气体泵，例如蠕动泵。气体由抽气泵输送，经过气体管线进入气体分析仪。气体分析仪可以根据分析对象的不同选择不同的类型—氧气，二氧化碳、或者氮氧化合物的分析仪，或者是可以分析多种气体浓度的激光光谱仪等。气体分析仪对采集到气体进行分析后，采集到的信号通过PLC传送给人机界面进行实时显示，或者传送给控制系统对采集得到的重量数据进行显示并存贮，并可随时对历史数据进行查阅或和以往数据进行比对。

以上内容就气体监测器进行简述。附图中仅绘示了气体采集管，其他结构可以由本领域技术人员公知的方案实施。

为了避免炉腔内的气氛的干扰，气体监测器可以从窑炉的排气管处采集气体，以便反映了气体在整个窑炉里的平均状态，而不会因为炉腔内气体分布不均匀而造成测量结果的不准确。并且不用对箱式炉的炉墙进行钻孔等操作，更加简单易实现。

在其他的示例中，气体采集管也可以设置在箱式炉的炉墙上直接采集炉腔内的气体。例如，气体采集管穿过炉墙的耐火砖和保温层。同时，选择在采集管与耐火材料和保温材料之间的间隙塞入陶瓷纤维，防止箱式炉炉腔里的热量通过这个缝隙传递到箱式炉之外。当气体采集管设置在炉墙上时，需要注意让气体采集管的管口避开炉腔内的气体流动缓慢或停滞的区域—例如炉腔的角落。同时，气体采集管的管口尽量远离如图3中所示的进气管901的注入气口，防止由于进气的干扰而无法准确测量炉腔内真实的气体浓度。

在图3和图4所示的结构中，排气管55a设置在炉体的炉墙上，而气体采集管50则配合于该排气管55a连接。而在图5和图6所示的结构中，第二排气管55b设置在炉体的第二炉顶3b上，而第二气体采集管50b也相应地配合于该排气管55a连接。气体采集管可以采用由耐高温材质制成，例如陶瓷或者不锈钢。气体采集管50的材质可以根据箱式炉的最高工作温度和工作气氛环境(氧化、还原、腐蚀性等待)来选择。

煅烧方法

基于前述煅烧设备和煅烧过程分析，对523三元材料的高温煅烧过程进行控制。

根据前述煅烧过程分析，制定出了量产批次的重量损失标准。另外为了便于实现控制方式，采用了累计重量损失(即基于室温下的初始重量计算的重量损失)，见表5。

表5

表中WL_min(i)累计重量损失百分比最小值；WL_max(i)表示累计重量损失百分比最大值。

因此，以该表5的数据以基准，对新进行的523三元材料煅烧过程进行调节、控制方式如下：

1.当一个批次的煅烧过程在某个指定温度点T(i)的重量损失百分比WL(i)满足WL_min(i)≤WL(i)≤WL_max(i)时，说明煅烧过程符合期望，继续执行原有设定的工艺制度，直到下一个指定温度点T(i+1)。

2.当一个批次的煅烧过程在某个指定温度点T(i)的重量损失百分比WL(i)低于量产标准WL_min(i)时，说明此时的分解反应不充分，可以按照下列的方案调整煅烧过程的控制：

方法一：保持炉腔温度在这个温度点T(i)恒温一段时间t，待重量损失百分比WL提高到符合量产标准后WL≥WL_min(i)，再继续升温，继续执行原有的工艺制度。另外，设定恒温的最长时间t_max，如果在设定时间内，重量损失百分比WL始终没有进入标准范围，则立即中断煅烧过程，进行冷却。待窑炉和物料冷却到室温后，对物料和设备进行排查。

方法二：降低从这个温度点T(i)到下一个温度点T(i+1)的升温速率(例如降低到原来设定速率的50％)，如果到下一个温度点T(i+1)，重量损失百分比WL回归到标准内WL≥WL_min(i+1)，那么从下一个温度点T(i+1)开始，继续执行原有的工艺制度。如果重量损失百分比WL仍低于标准WL<WL_min(i+1)，则立即中断煅烧过程，进行冷却。待窑炉和物料冷却到室温后，对物料和设备进行排查。

另外，为了帮助重量损失百分比尽快回归到标准内，在采用方法一或方法二的同时，还可以配合调大进排风量，例如将工艺气体的进风量调大一倍，保持炉膛压力不变，排风量也加大一倍。

3.当一个批次的煅烧过程在某个温度点T(i)的重量损失百分比WL(i)高于量产标准WL≥WL_max(i)时，说明此时煅烧过程异常，可能是原材料配比异常，或者炉内的温度热电偶900指示异常等，应立即中断煅烧过程，进行冷却。待窑炉和物料冷却到室温后，对物料和设备进行排查。

对应于上述控制方法，结合窑炉以及其他电子元器件可以实现这样一种控制系统，描述如下。

控制系统包括市售的如下设备：热电偶、重量传感器、重量仪表、可编程逻辑控制器(PLC)、功率控制器、电加热器，以及送气阀、炉压传感器、排气风机和排气风机控制器。

1.对PLC进行编程，将前述控制逻辑输入PLC；

2.通过人机界面(例如触摸屏)在PLC上设定不同炉腔温度T(i)下的重量变化百分比的范围WL_min(i)和WL_max(i)；

3.在炉腔中设置的热电偶实时采集炉腔内的温度，将温度信号T送至PLC；

4.重量传感器通过重量仪表将重量W实时传送给PLC。

5.PLC记录下升温开始时的初始重量W(0)，作为重量变化百分比计算的分母。

6.当温度达到指定温度点T(i)后，PLC根据此时的重量W(i)与W(0)计算此时的重量变化百分比WL(i)：

然后PLC将WL(i)与设定的WL_min(i)和WL_max(i)相比较：

如果WL(i)在设定范围内，PLC继续执行原来设定的温度程序。

如果WL(i)大于WL_max(i)，则PLC发出指令，停止加热，并发出报警信息。

如果WL(i)低于WL_min(i)，则PLC开始下列设定的动作(对应以上控制逻辑里的方法一或方法二)。

a)执行方法一时，PLC通过功率控制器调节电加热器的加热功率，将炉温维持在T(i)，并开始计时，记录恒温时间t。同时，PLC根据实时的重量W，计算实时的重量损失百分比WL：

当WL等于或者高于WL_min(i)之后，PLC从该温度点T(i)开始继续原来设定的升温程序。如果当t>t_max时，WL仍然低于WL_min(i)，则PLC发出指令，停止加热，并发出报警信息，提醒技术人员处理。

b)执行方法二时，PLC通过功率控制器调节电加热器的加热功率，降低升温速率(例如，降低到预设升温速率的一半)。然后，在炉腔温度到达下一个温度点T(i+1)时，PLC计算此时的重量损失百分比WL(i+1)：

如果WL_min(i+1)≤WL(i+1)≤WL_max(i)，PLC从温度T(i+1)开始，继续原来设定的升温程序。否则，PLC发出指令，停止加热，并发出报警信息。

如果要调整进排气量，配合以上的调整，加速重量损失百分比回归到标准范围内，则将PLC与进气阀连接，PLC通过控制进气阀的开度来控制进气量。

同时，将炉压设定为固定值，将设置在炉腔内的炉压传感器与排气风机控制器连接，排气风机控制器可以调整排气风机的转速，从而调整排气量。当WL(i)<WL_min(i)，触发PLC改变原来设定的温度程序，调整功率控制器的同时，PLC向进气阀发出信号，加大进气阀的开度(例如调整为原有设定值的一倍)，增加进气量。同时，由于炉压设置为固定值，所以排气风机控制器会加快排气风机的转速，同时增大排气量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种煅烧方法，用于加工能够在被加热时发生重量变化的加工对象，其特征在于，所述煅烧方法包括：

获得对应于所述加工对象的煅烧过程的预设条件；所述预设条件包括从开始煅烧到完成煅烧的过程中，煅烧对象的预设质量累积损失量和预设煅烧温度对应关系的第一基准条件；所述预设条件还包括对应于所述加工对象的初始煅烧参数；

设置初始煅烧参数对所述加工对象进行煅烧，并且在煅烧过程中，连续地采集煅烧对象的实际质量累积损失量和实际煅烧温度，并对应获得实际质量累积损失量和实际煅烧温度的对应关系作为第一工作条件；

按照触发条件控制所述初始煅烧参数，所述触发条件根据在选定的相同煅烧温度点所对应的预设质量累积损失量和实际质量累积损失量的比对结果确定；

所述触发条件包括：所述实际质量累积损失量与所述预设质量累积损失量相等；

或者，所述实际质量累积损失量与所述预设质量累积损失量不相等。

2.根据权利要求1所述的煅烧方法，其特征在于，所述触发条件包括：所述实际质量累积损失量高于所述预设质量累积损失量的上限。

3.根据权利要求1所述的煅烧方法，其特征在于，所述触发条件包括：所述实际质量累积损失量低于所述预设质量累积损失量的下限。

4.根据权利要求1所述的煅烧方法，其特征在于，按照触发条件控制所述煅烧的条件包括：

当所述实际质量累积损失量与所述预设质量累积损失量相等时，保持所述初始煅烧参数不变继续煅烧；

或者，于选定的煅烧温度点，当所述第一工作条件的实际质量累积损失量与所述第一基准条件的预设质量累积损失量之间的差值的绝对值在预设范围内时，保持所述初始煅烧参数的不变继续煅烧。

5.根据权利要求1所述的煅烧方法，其特征在于，按照触发条件控制所述煅烧的条件包括：

于选定的煅烧温度点，当所述实际质量累积损失量高于所述预设质量累积损失量的上限时，停止煅烧；

或者，于选定的煅烧温度点，当所述实际质量累积损失量低于所述预设质量累积损失量的下限时，维持所述选定的煅烧温度点选定时间，并且在超过选定时间或者超过大于所述选定时间的最大设定时间之后，所述实际质量累积损失量仍然小于所述预设质量累积损失量的下限时，停止煅烧；

或者，于选定的煅烧温度点，当所述实际质量累积损失量低于所述预设质量累积损失量的下限时，降低煅烧的升温速率直至下一个选定的煅烧温度点，并且当达到所述下一个选定的煅烧温度点时，所述实际质量累积损失量仍然小于所述下一个选定的煅烧温度点所对应的所述实际质量累积损失量的下限时，停止煅烧。

6.根据权利要求1所述的煅烧方法，其特征在于，按照触发条件控制所述煅烧的条件包括：

于选定的煅烧温度点，当所述实际质量累积损失量低于所述预设质量累积损失量的下限时，维持所述选定的煅烧温度点选定时间，直到所述实际质量累积损失量大于所述预设质量累积损失量的下限时进行升温，并按照所述设置初始煅烧参数在所述选定的煅烧温度点之后的参数进行煅烧；

或者，于选定的煅烧温度点，当所述实际质量累积损失量低于所述预设质量累积损失量的下限时，降低煅烧的升温速率直至下一个选定的煅烧温度点，并且当达到所述下一个选定的煅烧温度点时，所述实际质量累积损失量大于所述下一个选定的煅烧温度点所对应的所述实际质量累积损失量的下限时，从所述下一个选定的煅烧温度点开始继续保持所述初始煅烧参数。

7.根据权利要求1所述的煅烧方法，其特征在于，所述加工对象被加热时发生重量变化且产生气体，所述预设条件还包括所述气体的预设浓度和预设煅烧温度对应关系的第二基准条件；

所述煅烧方法还包括：在煅烧过程中，连续地采集煅烧环境中的所述气体的实际浓度和实际煅烧温度的对应关系作为第二工作条件；

所述触发条件根据在选定的相同煅烧温度点所对应的实际质量累积损失量和预设质量累积损失量的比对结果、以及在选定的相同煅烧温度点所对应的气体的实际浓度和预设浓度的比对结果确定。

8.一种间歇式窑炉，用于实施权利要求1至7中任意一项所述的煅烧方法以制作无机非金属材料及其制品，其特征在于，所述间歇式窑炉包括：

炉体，具有由炉墙、炉顶和炉底共同围合形成提供煅烧空间的炉腔，其中，所述炉墙设置有用于启闭所述炉腔的炉门，所述炉墙和所述炉顶配合连接，所述炉底与所述炉顶相对且与所述炉墙配合连接；

安装于所述炉体的加热器，用于向所述炉腔内提供热量以进行煅烧；

安装于所述炉体的温度传感器，用于检测所述炉腔内的煅烧温度条件；

称重计，用于连续地检测放置于所述炉腔内的煅烧对象的重量。

9.根据权利要求8所述的间歇式窑炉，其特征在于，所述间歇式窑炉包括气体监测器，用于检测所述炉腔内的选定气体的浓度；和/或，所述炉底与所述炉墙通过曲封槽配合。

10.根据权利要求9所述的间歇式窑炉，其特征在于，所述炉体配置有进气管和排气管，所述气体监测器设置于所述排气管；

和/或，所述炉底包括支撑架以及用于放置煅烧对象的耐火层，所述耐火层位于所述支撑架之上。

11.根据权利要求8所述的间歇式窑炉，其特征在于，所述间歇式窑炉包括立柱，所述称重计通过所述立柱与所述炉底接触配合，所述炉底与所述炉墙间隙配合，并且所述炉底在由所述炉顶至所述炉底方向能够自由运动给定距离，所述称重计在所述炉腔外通过所述立柱与所述炉底接触配合，所述称重计通过所述炉底的所述自由运动而检测放置于所述炉底上的煅烧对象的重量；

或者，所述间歇式窑炉包括用于放置煅烧对象的横柱，所述横柱穿过所述炉墙且能够在由所述炉顶至所述炉底方向能够自由运动给定距离，所述炉底与所述炉墙紧密配合，所述称重计在所述炉腔外与所述横柱配合并通过所述横柱的所述自由运动而检测放置于所述炉底上的煅烧对象的重量。