CN101571363A - 高性能蜂窝陶瓷蓄热体及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种高性能蜂窝陶瓷蓄热体及其制备工艺。它包括陶瓷基体，陶瓷基体上密集分布有蜂窝状格孔，蜂窝状格孔的壁面覆盖有孔壁渗透层。其制备工艺依次包括配料、困料、碾泥、挤压成型、微波烘烤、烘炉烘烤、坯体整形和高温烧成的步骤，还包括陶瓷基体浸泡步骤，陶瓷基体浸泡步骤是在微波烘烤与烘炉烘烤步骤之间或在高温烧成步骤之后将陶瓷基体浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向陶瓷基体的壁面内渗透，填充陶瓷基体壁面内的细孔，然后将陶瓷基体取出吹扫、阴干，再经过烘烤的步骤。其基体组织结构致密、导热系数高、综合力学强度大、格孔应力均匀，可降低熔渣渗透、提高换热效率、延长使用寿命。

Description

高性能蜂窝陶瓷蓄热体及其制备工艺

技术领域

本发明涉及工业炉蓄热式燃烧器上的陶瓷蓄热体，具体地指一种高性能蜂窝陶瓷蓄热体及其制备工艺。

背景技术

蓄热式燃烧技术是目前广泛应用于钢铁冶金、机械、石化、建材、有色冶金等行业工业炉上的节能环保燃烧技术。陶瓷蓄热体是蓄热式燃烧器完成烟气余热回收利用的中间载体，通过陶瓷蓄热体周期性的蓄热与释热，将高温烟气的热量传递给常温助燃空气或煤气，实现烟气余热的回收和助燃空气或煤气的高温预热，达到节能环保的目的。由此可见，陶瓷蓄热体是蓄热式燃烧器中的关键部件。

目前，国内外广泛使用正方形格孔的蜂窝蓄热体，其直通气流通道结构大幅度降低了流动阻力，其薄孔壁和正方形格孔的结构特征有效提高了蓄热体的单位体积换热面积及蓄热与释热的换热效率，缩小了蓄热室的安装布置空间。但是，正方形格孔的直角部位存在孔壁结构的突变，导致蓄热体制作过程中的机械应力和使用过程中的热应力集中，容易引起蓄热体的坯体内裂和高温使用条件下的裂纹破损，并促进了高温使用条件下蓄热体格孔角部的粘渣。

针对上述问题，中国专利号为ZL02238548.7的实用新型专利说明书提供了一种正多边形或圆形格孔的蜂窝陶瓷格子砖，例如正六边形格孔结构，通过扩大格孔边的夹角，达到降低蓄热体应力集中、提高力学强度、延缓孔壁裂纹破损的目的。但根据2004年vol3(3)《热科学与技术》中发表的“高温空气燃烧系统中陶瓷蓄热体传热特性分析研究”一文的计算，该格孔结构不利于蓄热体换热比壁面积的提高，降低了蓄热体的换热性能。

中国专利号为ZL200720084351.0的实用新型专利说明书提供了一种圆角过渡的正方形格孔蜂窝陶瓷蓄热体，它通过圆滑的过渡结构避免了格孔边角的应力集中，达到了提高蓄热体制作成品率、延缓破损进程、减轻格孔边角挂渣和延长使用寿命的目的。但与其他的蜂窝陶瓷蓄热体一样，由于挤压成型过程中垂直进出料方向的挤压流变性较差，其孔壁基体组织结构较疏松、强度低、导热性差，在高温使用条件下熔渣渗透与侵蚀严重，进而加剧了蓄热体的破损，影响了蓄热体的换热性能。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种孔壁基体组织结构致密、导热系数高、综合力学强度大、格孔应力均匀，从而可降低熔渣渗透、提高换热效率、延长使用寿命的高性能蜂窝陶瓷蓄热体及其制备工艺。

为实现上述目的，本发明所设计的高性能蜂窝陶瓷蓄热体，包括陶瓷基体，所述陶瓷基体上密集分布有蜂窝状格孔，所述蜂窝状格孔的壁面上覆盖有孔壁渗透层；所述孔壁渗透层是将陶瓷基体浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向蜂窝状格孔的壁面内渗透，填充蜂窝状格孔壁面内的细孔，然后取出吹扫、阴干，再经过烘烤形成的。

进一步地，所述无机化学结合剂水溶液为磷酸水溶液、磷酸二氢铝水溶液中的一种；所述溶胶结合剂水溶液为硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液中的一种。

更进一步地，所述蜂窝状格孔为正方形、正六边形或圆角过渡的正方形格孔中的一种。

本发明所设计的高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺，依次包括配料、困料、碾泥、挤压成型、微波烘烤、烘炉烘烤、坯体整形和高温烧成的步骤，该工艺还包括陶瓷基体浸泡步骤，所述陶瓷基体浸泡步骤是在上述微波烘烤与烘炉烘烤步骤之间或在上述高温烧成步骤之后将陶瓷基体浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向陶瓷基体的壁面内渗透，填充陶瓷基体壁面内的细孔，然后将陶瓷基体取出吹扫、阴干，再经过烘烤的步骤。

进一步地，所述陶瓷基体浸泡步骤中，所采用的无机化学结合剂水溶液为磷酸水溶液、磷酸二氢铝水溶液中的一种；所采用的溶胶结合剂水溶液为硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液中的一种。

更进一步地，所述陶瓷基体浸泡步骤中，所采用的磷酸水溶液的浓度为30～60(wt)％，所采用的磷酸二氢铝水溶液的浓度为25～40(wt)％；所采用的硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液的浓度均为15～25(wt)％。

再进一步地，所述陶瓷基体浸泡步骤中，陶瓷基体的浸泡时间为1～24h，最好为4～8h。

本发明的优点在于：通过将陶瓷基体浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中的工艺，可以使无机化学结合剂或溶胶结合剂向陶瓷基体的蜂窝状格孔内壁渗透，填充蜂窝状格孔内壁壁面及其内的细微孔隙，形成致密的孔壁渗透层，这样可大幅提高蜂窝状格孔的孔壁密度，从而有效提高了陶瓷基体的导热性能、抗熔渣渗透性能、防侵蚀性能，增强了陶瓷基体的力学性能和抗破损能力，达到了延长蜂窝陶瓷蓄热体使用寿命、提高换热效率的目的。

附图说明

图1为一种高性能蜂窝陶瓷蓄热体的主剖视结构示意图；

图2为图1的俯视结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示本发明的高性能蜂窝陶瓷蓄热体，具有一个由陶瓷材料构成的长方体形或正方体形陶瓷基体2，陶瓷基体2上密集分布有蜂窝状格孔1，蜂窝状格孔1可以是正方形、正六边形或圆角过渡的正方形格孔中的一种。蜂窝状格孔1的壁面上覆盖有孔壁渗透层3。孔壁渗透层3是将陶瓷基体2浸泡在无机化学结合剂或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向蜂窝状格孔1的壁面内渗透，填充蜂窝状格孔1壁面内的细孔，然后取出吹扫、阴干，再经过烘烤形成的。无机化学结合剂或溶胶结合剂水溶液为磷酸水溶液、磷酸二氢铝水溶液中的一种；溶胶结合剂水溶液为硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液中的一种。这些结合剂都易于向蜂窝状格孔1的孔壁渗透，形成结构致密的孔壁渗透层3，进而使陶瓷基体2的组织结构优化、应力分布均匀、力学性能加强、导热性提高、使用寿命延长。

上述高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺有两种方式：方式一的工艺依次包括配料、困料、碾泥、挤压成型、微波烘烤、陶瓷基体浸泡、烘炉烘烤、坯体整形和高温烧成的步骤；方式二的工艺依次包括配料、困料、碾泥、挤压成型、微波烘烤、烘炉烘烤、坯体整形、高温烧成、陶瓷基体浸泡的步骤。

方式一的工艺的具体操作步骤如下：

1、配料：按照陶瓷材料配方，根据单次搅拌混料量，进行各种原材料的配入量计算，选取粒度合适、成分满足要求的各种原材料，按照计算配入量称取各种原材料放入搅拌机进行搅拌，达到混料均匀，再加入水进行搅拌。

2、困料：将加水搅拌后的材料放入封闭容器内或加盖薄膜进行困料，使各种原材料充分湿润。

3、碾泥：将困料后的材料放进碾泥机进行碾泥熟化，提高泥料的塑性，便于挤压成型。

4、挤压成型：充分碾泥后，从碾泥机挤出圆柱形块泥，将块泥装入挤压成型机的装料室，下调挤压块，开动液压装置，进行挤压成型，按照蓄热体所需的长度(一般为100mm)用钢丝切断，并用坯料板支托陶瓷基体进行自然养护干燥。

5、微波烘烤：采用微波炉对陶瓷基体进行烘烤，除去陶瓷基体上的游离水，微波烘烤温度范围为从几十摄氏度至一百多摄氏度，以100℃～120℃为宜。

6、陶瓷基体浸泡：将经过微波烘烤的陶瓷基体浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向陶瓷基体的壁面内渗透，填充陶瓷基体壁面内的细孔，然后将陶瓷基体取出，高压空气吹扫、阴干。其中，无机化学结合剂水溶液选用浓度为30～60(wt)％的磷酸水溶液或浓度为25～40(wt)％磷酸二氢铝水溶液中的一种。溶胶结合剂水溶液选用硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液中的一种，其浓度均为15～25(wt)％。硅铝复合溶胶水溶液是采用市售的硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液与水加热混合搅拌制成而得的。陶瓷基体的浸泡时间一般为1～24h，最好为4～8h。

7、烘炉烘烤：在烟气烘烤炉进行中温烘烤，制成干燥陶瓷基体，烘炉烘烤温度范围为200℃～400℃。

8、坯体整形：采用打磨机、切割机对干燥陶瓷基体进行切割、打磨，整理陶瓷基体外形和切割面毛刺。

9、高温烧成：经整形处理后的干燥陶瓷基体在高温陶瓷窑进行烧结瓷化，出窑后即可获得本发明的高性能蜂窝陶瓷蓄热体成品。

方式二的工艺与方式一的工艺的区别是将陶瓷基体浸泡步骤置于高温烧成步骤之后，其它步骤则基本相同。

下面通过十五个具体实施例来详细说明本发明的效果。这十五个实施例中，除陶瓷基体浸泡步骤的处理方式与处理参数不相同外，其他步骤是一样的。

实施例1～3：按照方式一的工艺，孔壁渗透层3是在微波烘烤步骤之后，将陶瓷基体2分别放在浓度为25(wt)％、30(wt)％或40(wt)％的磷酸二氢铝水溶液中浸泡1小时，取出用高压空气吹扫、阴干，再送入烘炉烘烤，经烘干形成的。经过浸泡处理的蓄热体与未经浸泡处理的蓄热体相比，其孔壁基体密度分别提高5％、8％和11％，蓄热体沿蜂窝状格孔1平行、垂直两方向抗压强度分别提高0.5倍、0.8倍和1倍。

实施例4～6：按照方式二的工艺，孔壁渗透层3是在高温烧成步骤之后，将陶瓷基体2分别放在浓度为30(wt)％、45(wt)％或60(wt)％的磷酸水溶液中浸泡4小时，取出用高压空气吹扫、阴干，再经烘干形成的。经过浸泡处理的蓄热体与未经浸泡处理的蓄热体相比，其孔壁基体密度分别提高5.5％、9％和10％，蓄热体沿沿蜂窝状格孔1平行、垂直两方向抗压强度分别提高0.6倍、0.7倍和0.9倍。

实施例7～9：按照方式一的工艺，孔壁渗透层3是在微波烘烤步骤之后，将陶瓷基体2分别放在浓度为15(wt)％、20(wt)％或25(wt)％的硅溶胶水溶液中浸泡8小时后，取出用高压空气吹扫、阴干，再送入烘炉烘烤，经烘干形成的。经过浸泡处理的蓄热体与未经浸泡处理的蓄热体相比，其孔壁基体密度分别提高5％、6.5％和8％，蓄热体沿蜂窝状格孔1平行、垂直两方向抗压强度分别提高0.5倍、0.6倍和0.7倍。

实施例10～12：按照方式二的工艺，孔壁渗透层3是在高温烧成步骤之后，将陶瓷基体2分别放在浓度为15(wt)％、20(wt)％或25(wt)％的铝溶胶水溶液中浸泡24小时后，取出用高压空气吹扫、阴干，再经烘干形成的。经过浸泡处理的蓄热体与未经浸泡处理的蓄热体相比，其孔壁基体密度分别提高3％、4％和5.5％，蓄热体沿蜂窝状格孔1平行、垂直两方向抗压强度分别提高0.3倍、0.4倍和0.5倍。

实施例13～15：按照方式一的工艺，孔壁渗透层3是在微波烘烤步骤之后，将陶瓷基体2分别放在浓度为15(wt)％、20(wt)％或25(wt)％的硅铝复合溶胶水溶液中浸泡24小时后，取出用高压空气吹扫、阴干，再送入烘炉烘烤，经烘干形成的。经过浸泡处理的蓄热体与未经浸泡处理的蓄热体相比，其孔壁基体密度分别提高5％、6％和7.5％，蓄热体沿蜂窝状格孔1平行、垂直两方向抗压强度提高0.4倍、0.6倍和0.75倍。

由此可见，本发明的高性能蜂窝陶瓷蓄热体，具有基体组织结构致密、导热系数高、综合力学强度大、格孔应力均匀的优点，可降低熔渣渗透、延长蓄热体使用寿命、提高换热效率，适用于各种工业炉上的蓄热式燃烧器。

Claims (8)

1、一种高性能蜂窝陶瓷蓄热体，包括陶瓷基体(2)，所述陶瓷基体(2)上密集分布有蜂窝状格孔(1)，其特征在于：所述蜂窝状格孔(1)的壁面上覆盖有孔壁渗透层(3)；所述孔壁渗透层(3)是将陶瓷基体(2)浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向蜂窝状格孔(1)的壁面内渗透，填充蜂窝状格孔(1)壁面内的细孔，然后取出吹扫、阴干，再经过烘烤形成的。

2、根据权利要求1所述的高性能蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：所述无机化学结合剂水溶液为磷酸水溶液、磷酸二氢铝水溶液中的一种；所述溶胶结合剂水溶液为硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液中的一种。

3、根据权利要求1或2所述的高性能蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：所述蜂窝状格孔(1)为正方形、正六边形或圆角过渡的正方形格孔中的一种。

4、一种权利要求1所述高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺，依次包括配料、困料、碾泥、挤压成型、微波烘烤、烘炉烘烤、坯体整形和高温烧成的步骤，其特征在于：该工艺还包括陶瓷基体浸泡步骤，所述陶瓷基体浸泡步骤是在上述微波烘烤与烘炉烘烤步骤之间或在上述高温烧成步骤之后将陶瓷基体浸泡在无机化学结合剂水溶液或溶胶结合剂水溶液中，使无机化学结合剂或溶胶结合剂向陶瓷基体的壁面内渗透，填充陶瓷基体壁面内的细孔，然后将陶瓷基体取出吹扫、阴干，再经过烘烤的步骤。

5、根据权利要求4所述的高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征在于：所述陶瓷基体浸泡步骤中，所采用的无机化学结合剂水溶液为磷酸水溶液、磷酸二氢铝水溶液中的一种；所采用的溶胶结合剂水溶液为硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液中的一种。

6、根据权利要求5所述的高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征在于：所述陶瓷基体浸泡步骤中，所采用的磷酸水溶液的浓度为30～60(wt)％，所采用的磷酸二氢铝水溶液的浓度为25～40(wt)％；所采用的硅溶胶水溶液、铝溶胶水溶液、硅铝复合溶胶水溶液的浓度均为15～25(wt)％。

7、根据权利要求4或5或6所述的高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征在于：所述陶瓷基体浸泡步骤中，陶瓷基体的浸泡时间为1～24h。

8、根据权利要求4或5或6所述的高性能蜂窝陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征在于：所述陶瓷基体浸泡步骤中，陶瓷基体的浸泡时间为4～8h。

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