CN101251351A - 一种铁基粉末多孔表面换热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁基粉末多孔表面换热管及其制备方法，该换热管由管子基体和表面多孔层构成；表面多孔层以铁或铁合金细粒度粉末为主要组分，含有低熔点合金元素经烧结而成；表面多孔层可位于管子的内外两侧中的任一侧，相应的另一侧可为光面或具有强化冷凝特性的结构；其制备方法为将有机粘结剂、铁基合金的金属粉末混合均匀；将混合物涂敷于管子的外表面或内表面；将涂敷后的管子进行干燥；将管子送入烧结炉中进行有机粘结剂的分解；将管子在不高于材料常规正火或退火热处理温度下烧结；控制降温速度，以保证换热管所要求的组织和力学性能。本发明的优点：烧结温度较低，管材机械性能基本不变，效率高，成本低，可满足工业化应用的要求。

Description

一种铁基粉末多孔表面换热管及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及到换热管及其制造领域，具体地说，在换热管内表面或外表面烧结一层铁基金属粉末多孔层以及其制备方法。

【背景技术】

多孔表面对水、氟利昂、液氮、烯烃类、苯、石油、乙醇等多种工质的沸腾换热均有显著的强化作用。因而，具有多孔表面的高通量换热管以其优异的沸腾换热性能用于各种具有相变的换热过程，如汽化器、蒸发器、再沸器、冷凝器等，在石油、化工、冶金等领域具有广泛的应用前景。

根据多孔表面强化传热机理，大量具有适当尺寸的连通孔隙是保证高效传热强化的决定性因素。因此，喷涂法、机械加工法、烧结法等应用于多孔表面的制备研究。1956年8月。美国人Milton进行了烧结多孔薄层应用于各类换热结构的研究，并于1968年申请了烧结型表面多孔材料方面的第一个专利美国专利，美国专利号为US3384154。北京化工研究院公开了一种用于沸腾炉传热的金属多孔表面金属管的制法，中国专利号为CN1003522，其通过氧-乙炔火焰喷涂金属管表面形成多孔层；该方法适用于低熔点金属，如铝多孔层的喷涂。但是该方法生产出来的金属管表面粗糙、厚度不宜保证，且因管材和多孔层物理性能不同，结合牢固性较差。为克服表面质量及结合牢固程度问题，适用于高温高压场合，中国石油化工集团总公司公开了一种高热通量换热管及其制造方法，中国专利号为CN1139781，采用镍基钎料和50～200目的金属粉末的混合物进行外表面多孔层的粉末烧结，其烧结温度仍然高于常规正火或退火热处理温度，温度过高，其管材基体的力学性能难以保证。考虑到烧结温度对管材性能的影响，华东理工大学公开了一种表面多孔管的低温烧结方法，中国专利号为CN1449880，该方法采用铜锡合金粉作为多孔层成分，可以有效降低制备温度，用于制备铜、钢换热管的多孔表面。根据同种材料相宜原则，大规模使用的铁基换热管表面应该是铁基粉末。同基材料可避免基体钢管与多孔层之间发生电化学反应以及在高温高压状况下产生温度应力和变形应力等导致多孔层脱落。但是，粉末烧结法要求温度较高，一般粉末的烧结成型温度在其熔点温度的4/5以上。过高的烧结温度必然使基体管材的组织恶化，机械性能降低，甚至弯曲变形，难以满足换热管的相关标准规定。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种换热管，其内表面或外表面烧结一层铁基金属粉末多孔层；本发明的另一个目的是，提供所述的换热管的一种低温烧结制备方法。

为实现以上目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种铁基粉末多孔表面换热管，由管子基体和表面多孔层构成；表面多孔层以铁或铁合金细粒度粉末为主要组分经烧结而成，其中含有低熔点合金元素作为烧结助剂；表面多孔层可位于管子的内外两侧中的任一侧，相应的另一侧可为光面或具有强化冷凝特性的纵槽结构。

所述的换热管基体可为碳钢、低合金钢、不锈钢等常用换热管，如20G、15CrMo、1Cr18Ni9等。

所述的低熔点合金元素选用Cr、Ni、Mo、Ti、Al、Sn、Cu、P、S等中的一种或者几种，其在换热管多孔层中的重量分数为10％～50％，其作用是降低粉末的烧结温度，在烧结过程中产生瞬时的液相，该液相可以作为基本组元Fe元素烧结扩散的通道，加速烧结的进行，也可起到降低烧结温度的作用；同时由于相互扩散导致组分变化，液相在铁粉颗粒交界处凝固，利于提高Fe基合金粉末间的结合强度；低熔点合金熔化扩散后，其留下的空穴也可以作为蒸汽核化空穴，进一步强化沸腾传热；

所述的多孔层其主要成分为铁基合金，烧结前为细粒度粉末，可采用电解法、氧化还原法、雾化法等生产，其粒度为100～500目，优选200～400目；之所以选择较高的粉末粒度，是为了有效降低烧结温度；其厚度为0.1～0.6mm，优选0.2～0.4mm；孔隙率为30～70％，孔隙半径为0.03～0.1mm。

为实现以上发明目的，本发明一种铁基粉末多孔表面换热管的制备方法为：

(1)将有机粘结剂、铁基合金的金属粉末混合均匀；

(2)将混合物涂敷于管子的外表面或内表面；

(3)将涂敷后的管子进行干燥；

(4)将管子送入烧结炉中进行有机粘结剂的分解；

(5)将管子在不高于材料常规正火或退火热处理温度下烧结；

(6)控制降温速度，以保证换热管所要求的组织和力学性能。

所述的有机粘结剂用于涂敷粘结粉末，主要成分可为聚苯乙烯、聚乙烯、异丁烯、煤油、甲苯等；粘结剂与合金粉末的重量比为1∶4～1∶9；所述的控制降温速度，一般指正火处理，以保证管材基体的力学性能。

本发明一种铁基粉末多孔表面换热管及其制备方法的积极效果是：

采用了细金属粉末强化粉末烧结活性和瞬时液相烧结相结合的措施，降低了多孔层的烧结温度，保证了多孔层与基体的结合强度以及换热管基体的性能，该种烧结方法可以满足工业化应用的要求，管子的机械强度基本不变，效率高，成本低。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种铁基粉末多孔表面换热管及其制备方法的具体实施方式。

将有机粘结剂、低熔点铁基合金粉末的混合物，均匀涂敷在基体管的内表面或外表面，涂层厚度为0.2～0.7mm，待粘结剂中易挥发物质挥发晾干后，置于烧结炉中，通氢气等还原性气体，在略高于液相出现的温度下，烧结10～100min，然后控制降温速度至100℃以下，获得铁基粉末合金多孔表面管；

在此基础上，共提供3个实施例，但本发明不限于所提供的实施例。

实施例1

将1kg聚苯乙烯基粘结剂和250目5Kg的铁基合金粉末(Fe89Cu10P1)，涂敷在20G换热管的内表面，涂层厚度为0.4mm，将粘结剂晾干，然后在烧结炉中通氢气等还原性气体，在350℃保温20min分解粘结剂，后升温至800℃烧结20min，然后温度降至50℃以下，获得铁基合金表面多孔管；多孔层厚度0.3mm，孔隙率为60％，等效孔径80μm。

用丙酮测其沸腾传热系数，多孔表面的沸腾传热系数是光管的10倍，采用电加热用水作实验介质，沸腾传热系数是相同光滑表面4倍。

实施例2

将1kg聚苯乙烯基粘结剂和300目5kg铁基合金粉末(Fe80Ni18P2)，涂敷在15CrMo换热管的外表面，涂层厚度为0.4mm，将粘结剂晾干，然后在烧结炉中通氢气等还原性气体，在350℃保温20min分解粘结剂，后升温至950℃烧结20min，然后立即出炉空冷，温度降到50℃以下，获得铁基合金多孔表面管；多孔层厚度0.3mm，孔隙率为40％，等效孔径50μm。

用丙酮测其沸腾传热系数，多孔表面的沸腾传热系数是光管的11倍，采用电加热用水作实验介质，沸腾传热系数是相同光滑表面的3.5倍。

实施例3

将1kg聚苯乙烯基粘结剂和300目5Kg的铁基合金粉末(Fe81Sn18S1)，涂敷在20G换热管的内表面，涂层厚度为0.4mm，将粘结剂晾干，然后在烧结炉中通氢气等还原性气体，在350℃保温20min分解粘结剂，后升温至880℃烧结10min，然后温度降至50℃以下，获得铁基合金多孔表面管；多孔层厚度0.3mm，孔隙率为50％，等效孔径70μm。

用丙酮测其沸腾传热系数，多孔表面的沸腾传热系数是光管的14倍，采用电加热用水作实验介质，沸腾传热系数是相同光滑表面的4倍。

Claims (6)

1.一种铁基粉末多孔表面换热管，其特征在于，由管子基体和表面多孔层构成；表面多孔层以铁或铁合金细粒度粉末为主要组分经烧结而成，其中含有低熔点合金元素作为烧结助剂；表面多孔层可位于管子的内外两侧中的任一侧，相应的另一侧为光面或具有强化冷凝特性的纵槽结构。

2.根据权利要求1所述的一种铁基粉末多孔表面换热管，其特征在于，所述的换热管基体为碳钢或低合金钢或不锈钢中的一种，其主要成分为铁。

3.根据权利要求1所述的一种铁基粉末多孔表面换热管，其特征在于，所述的低熔点合金元素选用Cr、Ni、Mo、Ti、Al、Sn、Cu、P、S中的一种或者几种，其在换热管多孔层中的重量分数为10％～50％。

4.根据权利要求1所述的一种铁基粉末多孔表面换热管，其特征在于，所述的多孔层成分为铁基合金，烧结前为细粒度粉末，其粒度优选200～500目；其厚度优选0.2～0.4mm；孔隙半径为0.03～0.1mm。

5.一种铁基粉末多孔表面换热管的制备方法，其特征在于，步骤为：

(1)将有机粘结剂、铁基合金的金属粉末混合均匀；

(2)将混合物涂敷于管子的外表面或内表面；

(3)将涂敷后的管子进行干燥；

(4)将管子送入烧结炉中进行有机粘结剂的分解；

(5)将管子在不高于材料常规正火或退火热处理温度下烧结；

(6)控制降温速度，以保证换热管所要求的组织和力学性能。

6.根据权利要求5所述的一种铁基粉末多孔表面换热管的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的有机粘结剂用于涂敷粘结粉末，选自聚苯乙烯、聚乙烯、异丁烯、煤油、甲苯中的一种或者几种混合；粘结剂与合金粉末的重量比为1∶4～1∶9。