CN103342560B - 一种陶瓷材料制成的热交换元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陶瓷材料制成的热交换元件及其制备方法，更具体地说，是一种具有热震性好、耐腐蚀、耐磨损、低成本、高强度、换热效率高等特性的陶瓷材料、陶瓷热交换元件，以及制备方法。本发明选取70-85%碳化硅、0-5%氮化硅、0-5%塞隆、0-5%氮化铝、0.9-3.2%助熔剂、10-20%黏合剂、0-2.5%成型助剂，制作陶瓷材料及热交换元件，具有良好导热和热震性，特别是用于余热回收时，油气燃烧排放尾气温度可以降至水露点以下，充分回收了尾气中的显热，并回收了干蒸汽的液化潜热，本发明为有效治理油气燃烧排放尾气工艺提供了一种新的技术路线，可用于有效阻止油气燃烧排放物形成雾霾天气的技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷材料制成的热交换元件及其制备方法，更具体地说，涉及一种具有热震性好、耐腐蚀、耐磨损、低成本、高强度、换热效率高等特性的陶瓷材料、陶瓷热交换元件，以及应用该陶瓷材料制备陶瓷热交换元件的方法。
背景技术
在余热回收、预热助燃空气领域的技术装备中，由于金属材料的导热性能强，制成热能交换器的换热效率高，市场上所见的热能交换器大多数采用金属材料制成，譬如：旋转式空预器、管壳式热能交换器、列管式热能交换器、间壁式热能交换器、螺旋式热能交换器、板式热能交换器、热管热能交换器等，它们在不同的热交换介质和使用环境中发挥着各自不同的重要作用。但是，使用金属材料制作的热能交换器对于环境温度、交换介质的酸碱度、流体的性质等要求相对较高，例如：燃气炉窑燃烧出口温度达1200℃以上时，金属材料制作的热能交换器就不能满足直接换热的功能，需要增设降温设备后进行间接换热，或者增加投资采购全套蓄热式燃烧技术和装备进行蓄热换向燃烧；又如：工业、农业、服务业等领域广泛采用的燃气、燃油锅炉所排放的烟气温度依据国家标准设计和使用规定都在高于100℃以上，主要原因是燃料在燃烧过程中形成了干蒸汽（H2O），在100℃以下时，干蒸汽放热液化，形成水汽，而在燃烧过程中同时形成的硫化物、氮氧化物、氟化物等化合物极易溶于水汽形成对金属的强酸腐蚀性物质，设备受腐损坏，严重影响生产工艺的连续运行和热能交换器寿命；再如：水、油等液态流体热交换介质中含有固溶杂质或烟气、助燃空气等气态流体热交换介质中含有粉尘、颗粒等物质时，流体的流速、流量、温度等参数不当，热能交换器将被磨坏，制约了金属材料制作的热能交换器的使用范围和应用效果，也直接影响着热能交换器设备寿命。
近年来，随着碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、塞隆（sialon）、氮化铝（AlN）等陶瓷粉末及其制品的技术开发应用，为制作陶瓷热交换元器件提供了可行性，这些陶瓷具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨耐腐蚀性能好、高温时能抗氧化等特性，正好适用于油气燃烧排放尾气治理装置的制备，且能适应油气燃烧装备的排放尾气应用，其应用温度高达2000℃以上，而在余热回收后，尾气排放温度可降至水露点温度（100℃）以下，实现最大化的高低温大跨度余热回收，而且不怕腐蚀，也不要求对热交换流体介质参数性能进行调整。综上所述，进行开发一种有效治理油气燃烧排放尾气的陶瓷装置，既可以余热回收进行预热助燃空气实现节能经济，又可以降低尾气污染物排放量实现环保效益，一举多得。
发明内容
为了克服上述不足，本发明旨在提供一种陶瓷材料及该陶瓷材料制备的陶瓷热交换元件，具有热震性好、耐腐蚀、耐磨损、低成本、高强度、换热效率高等特性。本发明还提供了应用该陶瓷材料制备陶瓷热交换元件的方法。
本发明提供的一种陶瓷材料制成的热交换元件及其制备方法，采用如下技术方案：
一种陶瓷材料，其特征在于：包括以下重量百分比的原料：
碳化硅（SiC）70-85%、氮化硅（Si3N4）0-5%、β相塞隆（sialon）0-5%、氮化铝（AlN）0-5%、助熔剂0.9-3.2%、黏合剂10-20%、成型助剂0-2.5%，各组份重量之和为100%；
上述各组份中以铁元素折合质量比相加后，铁元素质量占原料总量的比例≤0.5%。
进一步地，所述的助熔剂是颗粒细度≥400目的氧化镁（MgO）和硅(Si)粉的混合物，混合比是氧化镁（MgO）﹕硅(Si)粉=1﹕1-3。
更进一步地，所述的黏合剂，包含产于山西省雁北区域的朔土5-14%，甲基纤维素或聚乙烯醇1.5-2.5%，桐油2%，石蜡1.5%，所述百分比为占总原料重量的百分比。
更进一步地，所述的成型助剂为液态硅胶或明矾，可根据陶瓷成型实际需要添加。
本发明还提供了上述陶瓷材料制成的热交换元件，它是一种换热块，其特征在于：所述换热块为长方体结构，换热块上设有换热通孔，换热通孔的截面为中空圆形，第一面和第三面设有换热通孔一，第二面和第四面设有换热通孔二，换热通孔一和换热通孔二交叉排列但不相交。
进一步地，所述的换热通孔一和换热通孔二的孔径为3~20mm，横向间距﹤3mm，纵向间距﹤3mm。
更进一步地，所述的换热通孔一设有N列孔，换热通孔二设有N+1列孔，该陶瓷热交换元件用于陶瓷换热器，在吸收尾气过程中，换热通孔一过尾气，换热通孔二过助燃空气。过助燃空气面的孔在陶瓷体的最外侧都有，要求过助燃空气的孔比过尾气的孔多1列。
本发明还提供了上述陶瓷热交换元件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）原料混合：
采用的原料配比为：
碳化硅（SiC）70-85%、
氮化硅（Si3N4）0-5%、
β相塞隆（sialon）0-5%、
氮化铝（AlN）0-5%、
助熔剂0.9-3.2%、
黏合剂10-20%、
成型助剂0-2.5%，
各组份重量之和为100%；
（2）混磨制浆：
选用以上各组分原料充分混合，加入混合物总质量40%的水，在球磨机中混磨24小时制成泥浆料；
（3）浇注成型：
把泥浆料浇注入模，恒温120℃加热0.5小时后凝固成型，自然冷却后抽芯脱模制得毛坯；
（4）修削毛坯：
修削毛坯至无明显毛刺，长方体六面平整，单面的几何平直度误差为5mm/m尺寸；
（5）入炉烧结：
将修削后的毛坯放入电炉或燃气炉窑内缓慢均匀升温；
升温4小时至800℃，升温速率为3.33℃/min，保持800℃恒温2-3小时后升温烧制，要求升温烧制的5小时里逐步均匀地升温至1400℃，升温速率为2℃/min，在1400℃-1500℃温度范围内烧制；
（6）烧成出炉：
在降温过程中同样要求逐步均匀地降温，可以采取炉外降温措施，但不可以在高温时大范围地打开炉门，待炉温降到300℃以下方可打开炉门，以免烧成的陶瓷热交换元件急剧遇冷，出现质量问题，继续自然降温至工人可以操作搬运的温度，冷却后出炉；
（7）检验入库：
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验，几何平直度要求误差为5mm/m，单方向孔内承压5MPa持续15分钟无泄漏，合格品入库。
进一步地，在上述步骤（5）入炉烧结中，选用电炉加热时，放入电炉内烧制40小时后停炉，开始降温操作；又或者，选用燃气炉窑加热时，使用燃气炉窑加热需注意空燃比及燃气烧嘴火焰的调整，炉膛温度在800℃以下使用还原焰，在800℃以上使用氧化焰，使用燃气炉窑相比电炉需要在高温段多烧制12~15小时。
本发明利用碳化硅（SiC）为主要原料制成的热交换元件陶瓷制品具有导热系数高、热膨胀系数小、热震性能好、耐磨耐腐蚀，高温时能抗氧化，化学性能稳定等特性，这些特性可以实现应用温度高达2000℃以上直接换热功能，还可以达到换热结束尾气排放温度降至水露点温度（100℃）以下要求，并可以实现在换热过程中无需对热交换流体介质参数性能进行调整的目的。
下面对本发明的应用作进一步说明：
本发明提供的陶瓷材料及热交换元件，用于陶瓷换热器领域，用于治理油气燃烧排放尾气，有效阻止油气燃烧排放物形成雾霾天气。通过对油气燃烧排放尾气分析，本发明提供的陶瓷热交换元件制成的陶瓷换热器，能进行尾气余热回收，对燃烧需要的助燃空气进行预热，以达到节约燃料目的，并将尾气降温至水露点以下，在回收油气燃烧形成干蒸汽液化热同时，可以在热交换元件通孔内形成水汽氛围，并把油气燃烧过程中同时形成的硫化物、氮氧化物、氟化物等污染物溶于水汽，随后对溶有污染物的水汽进行化学中和处理，以达到降低污染物直接排放目的。
本发明的有益效果：
本发明陶瓷热交换元件通过以上技术方案的实施，提高了余热回收系统稳定性及设备安全性，不但充分回收了尾气中的显热和干蒸汽的液化潜热，而且有效降低了尾气排放污染量，相比必须要求尾气温度在100℃以上的不锈钢或其它金属制作的余热回收装置节能优势明显，耐磨耐腐性能更加优秀。根据实际应用测算，实现相同余热回收热能量，两者相比，本发明技术和装备可以多节约燃料15%以上，耐磨程度提高6倍以上，直接排放污染量降低60%，而设备造价却降低10%，且装置不易损坏，寿命更长。本发明为有效治理油气燃烧排放尾气工艺提供了一种新的技术路线，可用于有效阻止油气燃烧排放物形成雾霾天气的技术方案。
说明书附图
图1为实施例6陶瓷热交换元件的结构示意图。
图2为实施例7陶瓷热交换元件的结构示意图。
图中1为第一面，2为第二面，3为换热通孔一，4为换热通孔二。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：陶瓷材料及陶瓷热交换元件的制备方法
包括原料混合——混磨制浆——浇注成型——修削毛坯——入炉烧结——烧成出炉——检验入库步骤。
（1）原料混合：
本实施例采用的原料配比为：
碳化硅（SiC）72kg、
氮化硅（Si3N4）3 kg、
β相塞隆（sialon）3 kg、
氮化铝（AlN）3 kg、
助熔剂3 kg（包括氧化镁（MgO）1kg、硅(Si)粉2kg）、
黏合剂15 kg（包括朔土10 kg，甲基纤维素1.5kg，桐油2 kg，石蜡1.5 kg）、
成型助剂采用明矾1kg。
（2）混磨制浆：
把以上原料和40 kg水添加进球磨机中，在球磨机中混磨24小时制成泥浆料。
（3）浇注成型：
把泥浆料浇注入模，恒温120℃加热0.5小时后凝固成型，自然冷却后抽芯脱模制得毛坯。
（4）修削毛坯：
修削毛坯至无明显毛刺，长方体六面平整，单面的几何平直度误差为5mm/m尺寸。
（5）入炉烧结：
将修削后的毛坯放入电炉内缓慢均匀升温4小时至800℃，升温速率为3.33℃/min，保持800℃恒温2-3小时后升温烧制，要求升温烧制的5小时里逐步均匀地升温至1400℃，升温速率为2℃/min，在1400℃-1500℃温度范围内烧制40小时后停炉。
（6）烧成出炉：
自然降温至工人可以操作搬运的温度后出炉送检。
（7）检验入库：
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验，几何平直度要求误差为5mm/m，单方向孔内承压5MPa持续15分钟无泄漏，合格品入库。
实施例2：陶瓷材料及陶瓷热交换元件的制备方法
具体的操作工艺流程同实施例1。
本实施例选取的原料配比为：
碳化硅（SiC）80kg、
氮化硅（Si3N4）1 kg、
β相塞隆（sialon）1 kg、
氮化铝（AlN）1 kg、
助熔剂1kg（包括氧化镁（MgO）0.5kg、硅(Si)粉0.5kg）、
黏合剂15 kg（包括朔土10 kg，聚乙烯醇1.5kg，桐油2 kg，石蜡1.5 kg）、
成型助剂采用液态硅胶1kg。
本实施例的烧成出炉操作过程为：由鼓风机对电炉外壳吹风，直至电炉内温度降至300℃以下，打开炉门，继续自然降温至工人可以操作搬运的温度后出炉送检。
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验，几何平直度要求误差为5mm/m，单方向孔内承压5MPa持续15分钟无泄漏，合格品入库。
实施例3：陶瓷材料及陶瓷热交换元件的制备方法
具体的操作步骤同实施例1。
本实施例选取的原料配比为：碳化硅（SiC）85kg、
助熔剂1kg（包括氧化镁（MgO）0.3kg、硅(Si)粉0.7kg）、
黏合剂14kg（包括朔土9kg，聚乙烯醇1.5kg，桐油2 kg，石蜡1.5 kg）、
本实施例选取天然气炉进行烧结，将修削后的毛坯放入天然气炉内，使用还原焰缓慢均匀升温4小时至800℃，升温速率为3.33℃/min，保持800℃恒温2-3小时后升温，使用氧化焰烧制，要求升温烧制的5小时里逐步均匀地升温至1400℃，升温速率为2℃/min，在1400℃-1500℃温度范围内烧制52小时后停炉。
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验，几何平直度要求误差为5mm/m，单方向孔内承压5MPa持续15分钟无泄漏，合格品入库。
实施例4：陶瓷材料及陶瓷热交换元件的制备方法
具体的操作工艺流程同实施例1。
本实施例选取的原料配比为：
碳化硅（SiC）70kg、
氮化硅（Si3N4）5 kg、
β相塞隆（sialon）3.5 kg、
助熔剂2 kg（包括氧化镁（MgO）0.8kg、硅(Si)粉1.2kg）、
黏合剂17 kg（包括朔土10 kg，聚乙烯醇3.5kg，桐油2 kg，石蜡1.5 kg）、
成型助剂采用明矾2.5kg。
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验，几何平直度要求误差为5mm/m，单方向孔内承压5MPa持续15分钟无泄漏，合格品入库。
实施例5：陶瓷材料及陶瓷热交换元件的制备方法
具体的操作工艺流程同实施例1。
本实施例选取的原料配比为：
碳化硅（SiC）76kg、
β相塞隆（sialon）5 kg、
助熔剂3 kg（包括氧化镁（MgO）1kg、硅(Si)粉2kg）、
黏合剂15 kg（包括朔土10 kg，聚乙烯醇1.5kg，桐油2 kg，石蜡1.5 kg）、
成型助剂采用液态硅胶1kg。
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验，几何平直度要求误差为5mm/m，单方向孔内承压5MPa持续15分钟无泄漏，合格品入库。
实施例6：陶瓷热交换元件
图1示出了陶瓷热交换元件的结构。
陶瓷热交换元件为一种换热块，所述换热块为正方体结构，尺寸为100*100*100mm，换热块上设有换热通孔，换热通孔的截面为中空圆形，第一面1和第三面（第一面的对面，图中未示出）设有换热通孔一3，第二面2和第四面（第二面的对面，图中未示出）设有换热通孔二4，换热通孔一3和换热通孔二4垂直交叉排列但不相交。
所述的换热通孔一和换热通孔二的孔径为5mm，横向间距为1mm，纵向间距为1mm。
本实施例中第一面和第三面过尾气，第二面和第四面过助燃空气，过助燃空气面的孔在陶瓷体的最外侧都有，要求过助燃空气的孔多1列。
实施例7：陶瓷热交换元件
图2示出了陶瓷热交换元件的结构。
陶瓷热交换元件为一种换热块，所述换热块为长方体结构，尺寸为500*500*100mm，换热块上设有换热通孔，换热通孔的截面为中空圆形，第一面1和第三面（第一面的对面，图中未示出）设有换热通孔一3，第二面2和第四面（第二面的对面，图中未示出）设有换热通孔二4，换热通孔一3和换热通孔二4垂直交叉排列但不相交。
所述的换热通孔一和换热通孔二的孔径为12mm，横向间距为0.8mm，纵向间距为0.8mm。
本实施例中第一面和第三面（即500*500mm面）过尾气，第二面和第四面（即500*100mm面）过助燃空气，过助燃空气面的孔在陶瓷体的最外侧都有，要求过助燃空气的孔多1列。
在导热领域，换热通孔的间距越小，热传导性能越好。
Claims (8)
1.一种热交换元件的制备方法，所述热交换元件是一种换热块，所述换热块为长方体结构，换热块上设有换热通孔，换热通孔的截面为中空圆形，第一面和第三面设有换热通孔一，第二面和第四面设有换热通孔二，换热通孔一和换热通孔二交叉排列但不相交；其特征在于：包括以下步骤：
（1）原料混合：
采用的原料配比为：
碳化硅70-85%、
氮化硅0-5%、
β相塞隆0-5%、
氮化铝0-5%、
助熔剂0.9-3.2%、
黏合剂10-20%、
成型助剂0-2.5%，
各组份重量之和为100%；
（2）混磨制浆：
选用以上各组分原料充分混合，加入混合物总质量40%的水，在球磨机中混磨24小时制成泥浆料；
（3）浇注成型：
把泥浆料浇注入模，恒温120℃加热0.5小时后凝固成型，自然冷却后抽芯脱模制得毛坯；
（4）修削毛坯：
修削毛坯至无明显毛刺，长方体六面平整，单面的几何平直度误差为5mm/m尺寸；
（5）入炉烧结：
将修削后的毛坯放入电炉或燃气炉窑内缓慢均匀升温；
升温4小时至800℃，升温速率为3.33℃/min，保持800℃恒温2-3小时后升温烧制，要求升温烧制的5小时里逐步均匀地升温至1400℃，升温速率为2℃/min，在1400℃-1500℃温度范围内烧制；
（6）烧成出炉：
在降温过程中同样要求逐步均匀地降温，冷却后出炉；
（7）检验入库
对烧成后的陶瓷热交换元件进行检验。
2.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述的助熔剂是颗粒细度≥400目的氧化镁和硅粉的混合物，混合比是氧化镁﹕硅粉=1﹕1-3。
3.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述的黏合剂，包含产于山西省雁北区域的朔土5-14%，甲基纤维素或聚乙烯醇1.5-2.5%，桐油2%，石蜡1.5%，所述百分比为占总原料重量的百分比。
4.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述的成型助剂为液态硅胶或明矾。
5.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述热交换元件的换热通孔一和换热通孔二的孔径为3~20mm，横向间距﹤3mm，纵向间距﹤3mm；所述的换热通孔一设有N列孔，换热通孔二设有N+1列孔，在余热回收、预热助燃空气过程中，换热通孔一过尾气，换热通孔二过助燃空气。
6.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）入炉烧结中，选用电炉加热时，放入电炉内烧制40小时后停炉，开始降温操作。
7.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）入炉烧结中，选用燃气炉窑加热时，使用燃气炉窑加热需注意空燃比及燃气烧嘴火焰的调整，炉膛温度在800℃以下使用还原焰，在800℃以上使用氧化焰，使用燃气炉窑烧制52~55小时。
8.根据权利要求1所述的热交换元件的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）烧成出炉中，采取炉外降温措施，但不可以在高温时大范围地打开炉门，待炉温降到300℃以下方可打开炉门，继续自然降温至工人可以操作搬运的温度。
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