CN104219806B - 一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管其制造方法，包括陶瓷外管以及设在陶瓷外管内部的耐热钢内管，耐热钢内管的外壁上形成有铁铝金属间化合物层涂层，耐热钢内管和陶瓷外管的底端均为封闭结构；耐热钢内管顶端带有凸缘预制孔，凸缘预制孔与陶瓷外管和耐热钢内管之间形成的间隙相通，陶瓷外管和耐热钢内管之间形成的间隙内填充有导热率在10W/m·K以上的中间层；中间层采用玻璃釉或由玻璃釉和低熔点金属组成的复合中间层，且复合中间层中玻璃釉位于低熔点金属的顶部。该复层套管采用陶瓷套管低温烧结法或中间层铸入法制造，制造的套管使用寿命长，具有良好的耐蚀性以及高的机械性能。
Description
技术领域
本发明属于锌铝融体浸没式加热装备技术领域，特别涉及一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管及其制备方法。
背景技术
在热浸镀和其它锌/铝融体加工领域，内热式新技术比传统的外热式、上热式，甚至感应加热技术更具优越性，能显著节约能源和锌/铝资源、降低环境污染和加工成本、减轻劳动强度、提高产品质量，正在国内外热浸镀、有色金属精炼和熔铸等工业部门推广应用。内加热技术的关键部件是浸没并直接与强腐蚀性融体锌、铝接触的保护内发热源的外套管。
已知的几种外套管中，石英玻璃管、氧化物结合碳化硅管和氮化硅结合碳化硅管的耐蚀性好，但性脆易断；铁基渗硼管渗层容易剥落，寿命短，且不耐铝融体腐蚀；Mo-30％W合金管耐锌腐蚀，抗折强度高，但性脆，也只能用于低温镀锌和切忌机械碰撞，而且价格昂贵；金属涂层外套管抗折强度高，但涂层极易剥落，使用寿命短；一种外涂非晶态玻璃釉的金属钢管，工作时外层非晶态玻璃釉呈粘性态,能很好地适应金钢管的热膨胀性，不会剥落,但粘性涂层易与融体表面的氧化物粘连，降低镀件表面质量。实际生产中，为了提高非金属材质外套管寿命，采用双层非金属套管结构，即在非金属外套管内再加一层石英玻璃管，使用寿命得到进一步延长，但由于这种双层套管之间的间隙为低导热率空气介质，致使温度梯度增高，容易导致发热体提早失效；另一种粘接成形的新型双层陶瓷管仍受到陶瓷脆性的限制。
尽管国内外也致力于开发将陶瓷材料的高耐蚀性和钢铁材料的高强度高抗折性相组合制造结构件的技术，但经专利检索得知以下几个有关陶瓷与金属构件的连接技术都难直接用于制造锌/铝融体浸没式加热器陶瓷-金属复层套管：
(1)荷兰皇家飞利浦电子有限公司在我国申请的发明专利金属-陶瓷的结合”(申请号02801901,申请日20020524；公开号1482289,公开日20040331)，其特征是将熔化后的金属贴近并压入在陶瓷构件外表面上预设的具有互补锁定形式的通孔内的方法将陶瓷和金属连接在一起。
(2)联邦德国韦狄亚有限公司申请的发明专利“金属陶瓷制品及其应用”(申请号93118996,申请日19930906；公告号1100034,公开日19950315)，其特征是借助等离子体化学汽相沉积法在硬质合金、钢、陶瓷基体的表面涂有外层为Al2O3的至少一层的耐磨涂层。
(3)湖北工学院申请的发明专利“一种通过铸造成型金属表面形成一层金属丝的方法”(申请号03125430,申请日20030918；公开号1524646,公开日20040910)，其特征是预先将绕成弹簧状的绞结有纱布和浸渍有耐火涂料层的金属丝贴在铸型或砂芯表面，干燥后浇铸熔融金属，使铸件清砂后表面嵌有半露的金属丝网，再在半露的金属丝网面施以陶瓷、塑料等衬层材料，不需要对金属表面进行任何其他预处理。
(4)上海交通大学申请的发明专利“碳、陶瓷非金属材料与金属材料的连接方法”(申请号200310107940,申请日20031016；公告号1528714,公开日20040915)其特征是首先通过非金属材料表面金属化工艺获得导电的金属底层,然后在底层上电铸沉积金属镀层,再利用金属电铸镀层的可焊性和塑性加工形能,实现非金属材料与金属材料结构件的相互连接,为了改善非金属材料与金属电铸层热膨胀匹配性能,在电铸溶液中添加第二相陶瓷粒子或晶须等增强体；
(5)太原工学院申请的“陶瓷与金属场致自蔓延烧结连接法”(申请号03112506,申请日20030605,公开号1475463,公开日20040218),其特征是陶瓷采用自蔓延法与金属实现永久连接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管及其制造方法，该套管使用寿命长，具有良好的耐蚀性以及高的机械性能。
为了达到上述目的，本发明浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管包括陶瓷外管以及设在陶瓷外管内部的耐热钢内管，耐热钢内管的外壁上形成有铁铝金属间化合物层涂层，耐热钢内管和陶瓷外管的底端均为封闭结构；耐热钢内管顶端带有凸缘预制孔，凸缘预制孔与陶瓷外管和耐热钢内管之间形成的间隙相通，陶瓷外管和耐热钢内管之间形成的间隙内填充有导热率在10W/m·K以上的中间层；中间层采用玻璃釉或由玻璃釉和低熔点金属组成的复合中间层，且复合中间层中玻璃釉位于低熔点金属的顶部。
所述的低熔点金属为锡、铅或锌。
一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，包括以下步骤：
1)向耐热钢内管的外壁上涂刷一层渗铝层，然后在渗铝层上涂刷一层由玻璃釉、高导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，由玻璃、导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层中玻璃、导热率陶瓷以及粘结剂的质量比为1：(3～5)：(0.5～2)；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打或机械成型使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管，得到复层套管毛坯；
3)将复层套管毛坯于1000～1300℃进行低温烧结，使耐热钢内管外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管和陶瓷外管生成玻璃釉，即得到浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管。
所述的步骤1)中的渗铝层由质量比为(78～90)：(6～16)：(3～7)的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成。
所述的步骤1)中玻璃釉按质量份数包括7.3～8.0份的六偏磷酸钠、5.6～6.1份的硼酸、24.2～26.3份的氧化锌、69～75份的五氧化二磷以及5.4～13.5份的氧化锡；导热率陶瓷为六方氮化硼、多晶碳化硅或氮化铝；粘结剂为糊精、羧甲基纤维素、聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯。
所述的步骤1)中渗铝层的厚度为1～3mm，由玻璃、导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层的厚度为1～5mm，步骤2)中陶瓷外管的厚度为10～20mm。
所述的步骤2)中低温烧结剂按质量份数包括0.5～1份的铝酸钙、1～2份的硅粉、3～5份的二氧化硅粉、0.1～0.5份的氧化钒、2～4份的氧化镁以及5～10份的粘土。
一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，向耐热钢内管的外壁上涂刷一层渗铝层，然后将涂刷有渗铝层的耐热钢内管插入陶瓷外管中，接着向耐热钢内管中插入发热体并加热至300～400℃，再通过凸缘预制孔向陶瓷外管与耐热钢内管所形成的间隙中依次注入低熔点金属液和玻璃釉液，最后将发热体的温度上升至600～700℃，待玻璃釉液浮于低熔点金属液顶部，并将发热体取出，即得到浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管。
所述的渗铝层由质量比为(78～90)：(6～16)：(3～7)的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成。
所述的低熔点金属液的注入高度位于发热体的发热段与冷端的结合面。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用的中间层为玻璃釉或由玻璃和低熔点金属组成的复合中间层，由于玻璃釉或由玻璃和低熔点金属组成的复合中间层的熔点比较低，因此，在使用过程中，耐热钢内管和陶瓷外管之间间隙的减小会将因加热熔化或软化的中间层挤压到复层套管开口端，这样就能够有效降低耐热钢内管对陶瓷外管的热膨胀挤拉作用，形成良性的热膨胀匹配，可以延长陶瓷管及加热器的使用寿命；
2、由于耐热钢内管与陶瓷外管之间的间隙始终被热导率远远大于空气的中间层充填，因此，本发明能够有效降低中间层的温度梯度和电热元件温度，从而延长内加热器的使用寿命；
3、本发明中间层在冷端的部分处于加热过程中由于玻璃釉紧密的粘连作用，即使陶瓷外管即使破裂，也不易脱落；即使脱落软态玻璃釉仍紧紧依附在耐热钢内管外表面，加之耐热钢内管的外壁上形成的铁铝金属间化合物层也具有对锌、铝融体一定的耐蚀性，因此，本发明在使用时如果出现陶瓷外管破裂的情况，位于耐热钢内管的加热器还可以继续使用；
4、由于中间层位于冷端的部分玻璃釉封闭，隔绝了中间层位于发热段部位的低熔点金属与空气的接触，使低熔点金属不会氧化或挥发；即使陶瓷外管破裂，大比重的低熔点金属液也会迅速沉底，不会造成污染；中间层还可以阻挡镀液向陶瓷套管内的渗漏；
5、本发明制造的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管能够与各型金属、陶瓷直棒型电热元件相匹配，组装成各类浸没式加热器，满足卧式、立(井)式热浸镀锌/铝和锌/铝精炼及制品熔铸等各领域的要求。
进一步，如果需要回避锡的高价和铅的毒性，也可以在热浸镀铝时用锌做中间层。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
其中，1、耐热钢内管，2、陶瓷外管，3、凸缘预制孔，4、玻璃釉，5、低熔点金属，6、发热体。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管包括陶瓷外管2以及设在陶瓷外管2内部的耐热钢内管1，耐热钢内管1的外壁上形成有铁铝金属间化合物层涂层，耐热钢内管1和陶瓷外管2的底端均为封闭结构；耐热钢内管1顶端带有凸缘预制孔3，凸缘预制孔3与陶瓷外管2和耐热钢内管1之间形成的间隙相通，陶瓷外管2和耐热钢内管1之间形成的间隙内填充有导热率在10W/m·K以上的中间层；所述的中间层采用玻璃釉(参见图1)或由玻璃釉4和低熔点金属5组成的复合中间层(参见图2)，且复合中间层中玻璃釉4位于低熔点金属5的顶部，且低熔点金属为锡、铅、锌或低熔点合金，低熔点金属的熔点在210～420℃之间。
另外，本发明采用的玻璃釉或玻璃釉液可以为普通玻璃釉或玻璃釉液，也可以是按质量份数由7.3～8.0份的六偏磷酸钠、5.6～6.1份的硼酸、24.2～26.3份的氧化锌、69～75份的五氧化二磷以及5.4～13.5份的氧化锡组成的玻璃釉或玻璃釉液。
由图1和图2可以看出，本发明浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的外管为陶瓷外管，内管为耐热钢内管，中间层为非金属材料的玻璃釉或者由非金属材料的玻璃釉和低熔点金属组成的复合中间层。
(一)当中间层为非金属材料的玻璃釉时，采用陶瓷套管低温烧结法制造浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其具体步骤为：
1)向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1～3mm的渗铝层，然后再在渗铝层上涂刷一层1～5mm由玻璃釉、导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，渗铝层由质量比为(78～90)：(6～16)：(3～7)的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；由玻璃釉、高导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层中玻璃釉、导热率陶瓷以及粘结剂的质量比为1：(3～5)；(0.5～2)；且导热率陶瓷为六方氮化硼、多晶碳化硅或氮化铝；粘结剂为糊精、羧甲基纤维素、聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯；烘干时先室温干燥10～20h，然后于80～100℃烘干2～5h，接着在120～180℃烘干5～10h，再在220～250℃烘干2～5h，最后于350～400℃烘干2～10h；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打或机械成型使涂层钢管外形成10～20mm含有低温烧结剂的陶瓷外管2，得到复层套管毛坯；其中，低温烧结剂按质量份数包括0.5～1份的铝酸钙、1～2份的细硅粉、3～5份的二氧化硅粉、0.1～0.5份的氧化钒、2～4份的氧化镁以及5～10份的粘土；
3)将复层套管毛坯于1000～1300℃进行低温烧结，使耐热钢内管1外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管1和陶瓷外管2生成玻璃釉4，即得到如图1所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管。
下面给出采用陶瓷套管低温烧结法制造浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的实施例。
实施例1：
1)向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1.5mm的渗铝层，然后再在渗铝层上涂刷一层2mm由玻璃釉、多晶碳化硅以及糊精混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，耐热钢内管1上带平行中轴线槽孔，槽深3-5mm；内径12.5cm，外径15.5cm，径向厚度1.5cm，封口端轴向厚度2cm，长度85cm；渗铝层由质量比为80:15:5的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；由玻璃釉、多晶碳化硅以及糊精混合而成的涂层中玻璃釉、多晶碳化硅以及糊精的质量比为1:3:0.5；玻璃釉按质量份数由7.3份的六偏磷酸钠、5.6份的硼酸、24.2份的氧化锌、69份的五氧化二磷以及13.5份的氧化锡组成；烘干硬化时先室温干燥10h，然后于100℃烘干2h，接着在140℃烘干7h，再在220℃烘干5h，最后于400℃烘干2h；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管2，得到复层套管毛坯；其中，低温烧结剂按质量份数包括0.5份的铝酸钙、1份的硅粉、4份的二氧化硅粉、0.5份的氧化钒、2份的氧化镁以及6份的粘土；陶瓷外管2的内径16cm，外径20cm，径向厚度2cm；封口端轴向厚度3cm；
3)将复层套管毛坯于1200℃进行低温烧结，使耐热钢内管1外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管1和陶瓷外管2生成玻璃釉4，即得到如图1所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其尺寸参数为内径12.5cm，径向厚度3.75cm，封口端轴向厚度6cm，外套管表面功率密度6W/cm2。
本实施例制得的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管可以与外环平均直径10cm、发热段60cm、总长100cm的双环平行电热丝电热元件配合使用，且单只额定功率22kW，发热段轴向单位长度传热量q＝377W/cm2。
实施例2：
1)向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1.5mm的渗铝层，然后再在渗铝层上涂刷一层1mm由玻璃釉、六方氮化硼以及聚乙烯醇混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，耐热钢内管1上带平行中轴线槽孔，槽深3-5mm；内径12.5cm，外径15.5cm，径向厚度1.5cm，封口端轴向厚度2cm，长度90cm；渗铝层由质量比为80:15:5的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；由玻璃釉、六方氮化硼以及聚乙烯醇混合而成的涂层中玻璃釉、六方氮化硼以及聚乙烯醇的质量比为1:4:1；玻璃釉按质量份数由7.5份的六偏磷酸钠、5.7份的硼酸、24.7份的氧化锌、71份的五氧化二磷以及10.8份的氧化锡组成；烘干硬化时先室温干燥20h，然后于80℃烘干5h，接着在120℃烘干10h，再在250℃烘干2h，最后于350℃烘干10h；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，机械成型使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管2，得到复层套管毛坯；其中，低温烧结剂按质量份数包括1份的铝酸钙、2份的细硅粉、3份的二氧化硅粉、0.1份的氧化钒、3份的氧化镁以及10份的粘土；陶瓷外管2的内径16cm，外径20cm，径向厚度2cm；封口端轴向厚度2cm；
3)将复层套管毛坯于1300℃进行低温烧结，使耐热钢内管1外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管1和陶瓷外管2生成玻璃釉4，即得到如图1所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其尺寸参数为内径12.5cm，外径20cm，径向厚度3.75cm，长度95cm，外套管表面功率密度8W/cm2。
本实施例制得的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管可以与直径7cm、发热段长度60cm、总长100cm的双螺纹碳化硅电热元件配合使用，且额定功率30kW,表面功率密度26W/cm2，发热段单位轴向长度传热量q＝500W/cm2。
实施例3：
1)向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1.5mm的渗铝层，然后再在渗铝层上涂刷一层5mm由玻璃釉、氮化铝以及羧甲基纤维素混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，耐热钢内管1上带平行中轴线槽孔，槽深3-5mm；内径10cm，外径13cm，径向厚度1.5cm，封口端轴向厚度2cm，长度140cm；渗铝层由质量比为80:15:5的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；由玻璃釉、氮化铝以及羧甲基纤维素混合而成的涂层中玻璃釉、氮化铝以及羧甲基纤维素的质量比为1:3:2；玻璃釉按质量份数由7.7份的六偏磷酸钠、5.8份的硼酸、25.3份的氧化锌、72份的五氧化二磷以及8.1份的氧化锡组成；烘干硬化时先室温干燥16h，然后于82℃烘干3h，接着在180℃烘干5h，再在240℃烘干4h，最后于370℃烘干8h；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管2，得到复层套管毛坯；其中，低温烧结剂按质量份数包括0.7份的铝酸钙、1.6份的细硅粉、5份的二氧化硅粉、0.3份的氧化钒、4份的氧化镁以及5份的粘土；陶瓷外管2的外径18cm，内径14cm,径向厚度2cm,封口端轴向厚度5cm；
3)将复层套管毛坯于1000℃进行低温烧结，使耐热钢内管1外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管1和陶瓷外管2生成玻璃釉4，即得到如图1所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其尺寸参数为内径10cm，外径20cm，径向厚度3.75cm，长度145cm，外套管表面功率密度8W/cm2。
本实施例的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管能够与直径6cm、发热段长度90cm、总长150cm的双螺纹碳化硅电热元件配合使用，且额定功率30kW,表面功率密度21W/cm2，发热段单位轴向长度传热量q＝339W/cm2。
对本实施例传导层温度计算，其中，下述碳化硅管即为陶瓷外管2：电加热元件为双螺纹碳化硅电热元件。
碳化硅管外表面温度t5＝730+15＝745℃---加热器距锌池水平中心温度梯度取为15℃；
碳化硅管内表面温度t4＝794℃---计算式t6＝t7+σλ-1q＝745+48＝794℃；
钢管外表面温度t3＝806℃---(计算方法同上)；
钢管内表面温度t2＝816℃---(计算方法同上)；
钢管内防氧化层表面t1＝846℃---(计算方法同上)；
槽形碳化硅电热元件表面温度t0＝1150℃---同心圆柱面辐射传热计算法。
则工作时钢管外径膨胀后不超过71.5mm，使间隙减小不大于1mm；长度膨胀后不超过1133mm，小于预留间隙2mm和18mm,能够满足热膨胀匹配要求。
经上述计算可知，本实施例制得的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管管壁热传导温度梯度t1-5＝－101℃；电加热元件与碳化硅管之间辐射传热温度梯度t5-6＝304℃。
实施例4：
1)向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1.5mm的渗铝层，然后再在渗铝层上涂刷一层5mm由玻璃釉、氮化铝以及聚醋酸乙烯酯混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，耐热钢内管1上带平行中轴线槽孔，槽深3-5mm；内径13cm，外径17cm，径向厚度2cm，封口端轴向厚度3cm，长度380cm；渗铝层由质量比为80:15:5的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；由玻璃釉、氮化铝以及聚醋酸乙烯酯混合而成的涂层中玻璃釉、氮化铝以及聚醋酸乙烯酯的质量比为1:3:2；玻璃釉按质量份数由7.8份的六偏磷酸钠、5.9份的硼酸、25.8份的氧化锌、74份的五氧化二磷以及5.4份的氧化锡组成；烘干硬化时先室温干燥16h，然后于82℃烘干3h，接着在180℃烘干5h，再在240℃烘干4h，最后于370℃烘干8h；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管2，得到复层套管毛坯；其中，低温烧结剂按质量份数包括0.7份的铝酸钙、1.6份的细硅粉、5份的二氧化硅粉、0.3份的氧化钒、4份的氧化镁以及5份的粘土；陶瓷外管2的外径18cm，内径22cm，径向厚度2cm，封口端轴向厚度3cm；
3)将复层套管毛坯于1300℃进行低温烧结，使耐热钢内管1外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管1和陶瓷外管2生成玻璃釉4，即得到如图1所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其尺寸参数为内径13cm，外径22cm，径向厚度4.5cm，长度385cm，外套管表面功率密度6W/cm2。
本实施例浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管能够与螺纹圈平均直径10cm、发热段长度90X3＝270cm、内冷段25X2＝50cm、外冷段80cm，总长400cm的双螺纹金属电热元件配合使用；且额定功率100kW,发热段单位轴向长度传热量q＝377W/cm2。
实施例5：
1)向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1mm的渗铝层，然后再在渗铝层上涂刷一层1mm由玻璃釉、氮化铝以及聚醋酸乙烯酯混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，耐热钢内管1上带平行中轴线槽孔，槽深3-5mm；内径13cm，外径17cm，径向厚度2cm，封口端轴向厚度3cm，长度380cm；渗铝层由质量比为90:6:7的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；由玻璃釉、氮化铝以及聚醋酸乙烯酯混合而成的涂层中玻璃釉、氮化铝以及聚醋酸乙烯酯的质量比为1:3:2；玻璃釉按质量份数由7.8份的六偏磷酸钠、5.9份的硼酸、25.8份的氧化锌、74份的五氧化二磷以及5.4份的氧化锡组成；烘干硬化时先室温干燥16h，然后于82℃烘干3h，接着在180℃烘干5h，再在240℃烘干4h，最后于370℃烘干8h；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管2，得到复层套管毛坯；其中，低温烧结剂按质量份数包括0.7份的铝酸钙、1.6份的细硅粉、5份的二氧化硅粉、0.3份的氧化钒、4份的氧化镁以及5份的粘土；陶瓷外管2的外径18cm，内径20cm，径向厚度1cm，封口端轴向厚度3cm；
3)将复层套管毛坯于1100℃进行低温烧结，使耐热钢内管1外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管1和陶瓷外管2生成玻璃釉4，即得到如图1所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其尺寸参数为内径13cm，外径20cm，径向厚度3.5cm，长度385cm，外套管表面功率密度6W/cm2。
(二)当中间层采用由玻璃釉和低熔点金属组成的复合中间层时，采用中间层铸入法制造浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其制备方法为：向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1～3mm的渗铝层，然后将涂刷有渗铝层的耐热钢内管1插入厚度为10～20mm的陶瓷外管2中，接着向耐热钢内管1中插入发热体并加热至300～400℃，再通过凸缘预制孔3向陶瓷外管2与耐热钢内管1所形成的间隙中依次注入低熔点金属液和玻璃釉液，最后将发热体的温度上升至600～700℃，待玻璃釉液浮于低熔点金属液顶部，并将发热体取出，即得到浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，且低熔点金属液的注入高度位于发热体5的发热段与冷端的结合面，低熔点金属液为铅液、锡液或锌液；渗铝层由质量比为(78～90)：(6～16)：(3～7)的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成。
下面给出采用由玻璃釉和低熔点金属组成的复合中间层时，采用中间层铸入法制造浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的实施例：
实施例1：
向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为1.5mm的渗铝层，然后将涂刷有渗铝层的耐热钢内管1插入厚度为10～20mm的陶瓷外管2中，接着向耐热钢内管1中插入发热体并加热至300℃，再通过凸缘预制孔3向陶瓷外管2与耐热钢内管1所形成的间隙中依次注入铅液和玻璃釉液，最后将发热体的温度上升至600℃，待玻璃釉液浮于铅液顶部，并将发热体取出，即得到如图2所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管；其中，耐热钢内管1为带平行中轴线排列圆孔(孔深3-5mm)的锅炉钢管，内径10.5cm,外径13.5cm,径向厚度1.5cm，封口端轴向厚度1.5cm，长度135cm；渗铝层由质量比为80:15:5的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；陶瓷外管2的内径14cm，外径18cm，径向厚度2cm，封口端厚度4cm；且铅液的注入高度位于发热体5的发热段与冷端的结合面，铅液和玻璃釉液凝固后形成铅和玻璃釉构成的复合中间层，且铅位于玻璃釉顶部，其径向厚度为2mm，封口端轴向厚度为10mm；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；玻璃釉按质量份数由8.0份的六偏磷酸钠、6.1份的硼酸、26.3份的氧化锌、75份的五氧化二磷以及2.7份的氧化锡组成。
本实施例制得的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管能够与螺纹圈平均直径8.5cm、发热段长90cm、总长150cm的双螺纹金属电热元件配合使用，且额定功率30kW，发热段轴向单位长度传热量q＝339W/cm2。
实施例2：
向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为3mm的渗铝层，然后将涂刷有渗铝层的耐热钢内管1插入厚度为15mm的陶瓷外管2中，接着向耐热钢内管1中插入发热体并加热至350℃，再通过凸缘预制孔3向陶瓷外管2与耐热钢内管1所形成的间隙中依次注入锌液和玻璃釉液，最后将发热体的温度上升至700℃，待玻璃釉液浮于锌液顶部，并将发热体取出，即得到如图2所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管；其中，耐热钢内管1为带平行中轴线排列圆孔(孔深3-5mm)的锅炉钢管，内径10.5cm,外径13.5cm,径向厚度1.5cm，封口端轴向厚度1.5cm，长度135cm；渗铝层由质量比为78:16:3的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；且锌液的注入高度位于发热体5的发热段与冷端的结合面，锌液和玻璃釉液凝固后形成锌和玻璃釉构成的复合中间层，且锌位于玻璃釉顶部；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；玻璃釉按质量份数由8.0份的六偏磷酸钠、6.1份的硼酸、26.3份的氧化锌、75份的五氧化二磷以及2.7份的氧化锡组成。
实施例3：
向耐热钢内管1的外壁上涂刷一层厚度为3mm的渗铝层，然后将涂刷有渗铝层的耐热钢内管1插入厚度为10mm的陶瓷外管2中，接着向耐热钢内管1中插入发热体并加热至400℃，再通过凸缘预制孔3向陶瓷外管2与耐热钢内管1所形成的间隙中依次注入锡液和玻璃釉液，最后将发热体的温度上升至650℃，待玻璃釉液浮于锡液顶部，并将发热体取出，即得到如图2所示的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管；其中，耐热钢内管1为带平行中轴线排列圆孔(孔深3-5mm)的锅炉钢管，内径10.5cm,外径13.5cm,径向厚度1.5cm，封口端轴向厚度1.5cm，长度135cm；渗铝层由质量比为78:16:3的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成；且锡液的注入高度位于发热体5的发热段与冷端的结合面，锡液和玻璃釉液凝固后形成锡和玻璃釉构成的复合中间层，且锡位于玻璃釉顶部；耐热钢内管1的顶部设有有孔法兰；玻璃釉按质量份数由8.0份的六偏磷酸钠、6.1份的硼酸、26.3份的氧化锌、75份的五氧化二磷以及2.7份的氧化锡组成。
Claims (10)
1.一种浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其特征在于：包括陶瓷外管(2)以及设在陶瓷外管(2)内部的耐热钢内管(1)，耐热钢内管(1)的外壁上形成有铁铝金属间化合物层涂层，耐热钢内管(1)和陶瓷外管(2)的底端均为封闭结构；耐热钢内管(1)顶端带有凸缘预制孔(3)，凸缘预制孔(3)与陶瓷外管(2)和耐热钢内管(1)之间形成的间隙相通，陶瓷外管(2)和耐热钢内管(1)之间形成的间隙内填充有导热率在10W/m·K以上的中间层；中间层采用玻璃釉(4)或由玻璃釉(4)和低熔点金属(5)组成的复合中间层，且复合中间层中玻璃釉(4)位于低熔点金属(5)的顶部。
2.根据权利要求1所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管，其特征在于：所述的低熔点金属为锡、铅或锌。
3.一种制造如权利要求1或2所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)向耐热钢内管(1)的外壁上涂刷一层渗铝层，然后在渗铝层上涂刷一层由玻璃釉、高导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层，再烘干硬化；其中，由玻璃、导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层中玻璃、导热率陶瓷以及粘结剂的质量比为1：(3～5)：(0.5～2)；
2)以烘干硬化后得到的涂层钢管作为芯模，人工捣打或机械成型使涂层钢管外形成含有低温烧结剂的陶瓷外管(2)，得到复层套管毛坯；
3)将复层套管毛坯于1000～1300℃进行低温烧结，使耐热钢内管(1)外壁上形成铁铝金属间化合物层涂层，同时耐热钢内管(1)和陶瓷外管(2)生成玻璃釉(4)，即得到浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管。
4.根据权利要求3所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中的渗铝层由质量比为(78～90)：(6～16)：(3～7)的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成。
5.根据权利要求3所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中玻璃釉(4)按质量份数包括7.3～8.0份的六偏磷酸钠、5.6～6.1份的硼酸、24.2～26.3份的氧化锌、69～75份的五氧化二磷以及5.4～13.5份的氧化锡；导热率陶瓷为六方氮化硼、多晶碳化硅或氮化铝；粘结剂为糊精、羧甲基纤维素、聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯。
6.根据权利要求3所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中渗铝层的厚度为1～3mm，由玻璃、导热率陶瓷以及粘结剂混合而成的涂层的厚度为1～5mm，步骤2)中陶瓷外管(2)的厚度为10～20mm。
7.根据权利要求3～6中任意一项权利要求所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中低温烧结剂按质量份数包括0.5～1份的铝酸钙、1～2份的硅粉、3～5份的二氧化硅粉、0.1～0.5份的氧化钒、2～4份的氧化镁以及5～10份的粘土。
8.一种制造如权利要求1或2所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的方法，其特征在于：向耐热钢内管(1)的外壁上涂刷一层渗铝层，然后将涂刷有渗铝层的耐热钢内管(1)插入陶瓷外管(2)中，接着向耐热钢内管(1)中插入发热体并加热至300～400℃，再通过凸缘预制孔(3)向陶瓷外管(2)与耐热钢内管(1)所形成的间隙中依次注入低熔点金属液和玻璃釉液，最后将发热体的温度上升至600～700℃，待玻璃釉液浮于低熔点金属液顶部，并将发热体(6)取出，即得到浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管。
9.根据权利要求8所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，其特征在于：所述的渗铝层由质量比为(78～90)：(6～16)：(3～7)的铝粉、冰晶石粉以及水玻璃组成。
10.根据权利要求8所述的浸没式加热器用液态中间层陶瓷-金属复层套管的制造方法，其特征在于：所述的低熔点金属液的注入高度位于发热体(6)的发热段与冷端的结合面。
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