CN104582026A - 一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器，包括外套管、导热合金、加热芯、防氧化剂、压封装置和吊环，其特征在于所述外套管采用多层材料制成，外套管从接触锌液至远离锌液的方向依次包括陶瓷层、粘接合金层和金属层，陶瓷层和金属层通过粘接合金层粘合在一起；所述粘接合金层为Al-Ti-Cu-Si合金，所述Al-Ti-Cu-Si合金中各成分的质量百分数为Ti：5-10%，Cu：3-8%，Si：9-14%，余量为Al；所述外套管与压封装置通过法兰和密封垫相连，吊环固定在压封装置上，所述加热芯的上端与压封装置相连，加热芯的下端放置于外套管内，加热芯由U型电热管组成，加热芯位于外套管内的部分上均匀分布有隔板，所述导热合金放置于外套管内，工作时加热芯浸泡在导热合金中。

Description

一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器

技术领域

本发明涉及加热器，具体涉及一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器。

背景技术

目前工业上使用的内加热器大部分采用金属材料制成，对于加热一些腐蚀性强的物质，仍存在腐蚀问题。申请号为2014106056655的专利(新申请)公开了一种耐液锌腐蚀合金内加热器，该内加热器的外套管采用钨钼合金制成，其不足之处在于钨钼合金价格贵，且目前技术不能制作一米以上大尺寸外套管。另外，选用无机非金属材料如石英玻璃、碳化硅、氮化硅或石墨等制成的内加热器，具有强度高，脆性大等特点，仅适用于特定物质或作业环境下的加热，使用范围小，损坏率高。杨万利等人对SiC复相陶瓷材料作为内加热器外套管的制备工艺及性能进行了研究(杨万利，史忠旗，金志洁.SiC复相陶瓷内加热器套管的制备及性能，硅酸盐学报，2012,40(3)：362-365)，通过复相复合工艺在一定程度上改善了SiC陶瓷的脆性，但该方法制得的为陶瓷与陶瓷复合材料套管，相对于普通陶瓷制备工艺复杂、成本高，将该复合材料制成的内加热器套管应用到工业生产仍不能从根本上解决陶瓷的脆性问题。

为降低陶瓷内加热器脆性，可以将金属/陶瓷层状复合材料内加热器应用于工业范围中锅体的内加热，加热效率高，节约能源，特别适用于对加热一些腐蚀性强的物质，对加热器外套管的耐蚀性要求较高的场合，但作为结构材料，陶瓷是脆性材料，对缺陷非常敏感，陶瓷固有的强度高和脆性使其难以加工与制造。而应用于金属/陶瓷层状复合材料内加热器外套管内壁的金属材料具有高的韧性、延展性和可加工性。但目前将金属和陶瓷材料进行大面积的粘接、并制成特定形状的套管仍就是当前技术的研究难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器，该加热器外套管采用金属/陶瓷复合材料，采用粘接合金实现金属与陶瓷材料的大面积连接，同时具有传热效率高、耐蚀性强等特点，特别适用于高腐蚀环境并要求较高力学性能的热镀锌领域。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是，提供一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器，包括外套管、导热合金、加热芯、防氧化剂、压封装置和吊环，其特征在于所述外套管采用多层材料制成，外套管从接触锌液至远离锌液的方向依次包括陶瓷层、粘接合金层和金属层，陶瓷层和金属层通过粘接合金层粘合在一起；所述粘接合金层为Al-Ti-Cu-Si合金，所述Al-Ti-Cu-Si合金中各成分的质量百分数为Ti:5-10％,Cu:3-8％,Si:9-14％,余量为Al；所述外套管与压封装置通过法兰和密封垫相连，吊环固定在压封装置上，所述加热芯的上端与压封装置相连，加热芯的下端放置于外套管内，加热芯由U型电热管组成，加热芯位于外套管内的部分上均匀分布有隔板，所述导热合金放置于外套管内，工作时加热芯浸泡在导热合金中，防氧化剂覆盖于导热合金上表面。

与现有技术相比，本发明采用粘接合金实现金属与陶瓷层的连接，形成金属/陶瓷层状复合材料，粘接合金在工作温度下为固液两相，可以很好的调节外部陶瓷管的热应力释放。通过采用金属/陶瓷层状复合材料制成的外套管既具有良好的耐锌液腐蚀性能，同时还有效抑制了陶瓷材料的脆性，制成了体积较大的内加热器，对于工业上需要进行大部件的镀锌生产提供了方便。本发明金属/陶瓷层状复合材料内加热器的热效率可达到95％以上，升温快；耐腐蚀性好，不易产生锌渣；维护更方便，无需停产即可更换；结构更合理，安装更简便，更能满足工业镀锌生产需要。

附图说明

图1为本发明金属/陶瓷层状复合材料内加热器一种实施例外套管1的管壁切面结构示意图；

图2为本发明金属/陶瓷层状复合材料内加热器一种实施例的整体结构示意图；

图3为本发明金属/陶瓷层状复合材料内加热器一种实施例的整体结构示意图；

图中，1-外套管、2-导热合金、3-加热芯、4-防氧化剂、5-压封装置、6-吊环、11-陶瓷层、12-粘接合金层(或粘接合金)、13-金属层。

具体实施方式及实例

下面结合实施例及其附图详细描述本发明。

本发明金属/陶瓷层状复合材料内加热器(简称加热器，参见图1-3)，包括外套管1、导热合金2、加热芯3、防氧化剂4、压封装置5和吊环6，其中所述外套管1采用多层材料制成，外套管1从接触锌液至远离锌液的方向依次包括陶瓷层11、粘接合金层12和金属层13，陶瓷层11和金属层13通过粘接合金层12粘合在一起；所述粘接合金层12为Al-Ti-Cu-Si合金，所述Al-Ti-Cu-Si合金中各成分的质量百分数为Ti:5-10％,Cu:3-8％,Si:9-14％,余量为Al；所述外套管1与压封装置5通过法兰和密封垫相连，吊环6固定在压封装置5上，所述加热芯3的上端与压封装置5相连，加热芯3的下端放置于外套管1内，加热芯3由U型电热管组成，加热芯位于外套管内的部分上均匀分布有隔板，所述导热合金2放置于外套管1内，工作时加热芯3浸泡在导热合金中，防氧化剂4覆盖于导热合金2上表面。

本发明的进一步特征在于所述粘接合金层12的厚度为2-10mm。

本发明的进一步特征在于所述粘接合金层12的厚度为2-2.5mm。

本发明的进一步特征在于所述陶瓷层11为金属氧化物、碳化物或氮化物。

本发明的进一步特征在于所述金属层13为碳钢、不锈钢或有色金属铜。

本发明的进一步特征在于所述外套管1的形状为长方体或圆柱体。

本发明加热器设计的最初目的是在高腐蚀、高温环境中使用，因此对加热器外壁的耐蚀性及强度要求上较为严格。本发明中加热器外壁选用陶瓷层11，相对现有技术中选用的金属材料如钨钼合金等，具有更好的耐蚀性、强度更高，比如在镀锌行业中，锌液对金属的腐蚀性极强而对陶瓷材料几乎没有腐蚀。该陶瓷层11可选用金属氧化物、碳化物或氮化物，如氧化锆、氧化铝、碳化硅和氮化硅等材料，经过优化设计，金属层、粘接合金层和陶瓷层通过压制制得金属/陶瓷层状复合材料，由该复合材料可以制成特定形状的外套管，其外套管1的形状可为长方体或圆柱体，这种优化设计是根据加热锅体的形状及工业生产过程中锅体中是否存在剧烈撞击而来，圆柱体加热器更有利于散热，而长方体加热器更有利于锅内空间的拓展；金属层13为碳钢、不锈钢或有色金属铜等，金属层13在层状复合材料中起到增强材料韧性和可塑性的作用。该外套管1与加热芯3之间装有导热合金2，该导热合金2具有低熔点、传热效率高的特征，在使用温度下为液相，加热芯3插入导热合金2后浸泡在其中，导热效率极高；在加热后处于液态的导热合金2上其覆盖有防氧化剂4，该防氧化剂4为纳米级粉末状，可以有效减少液态金属的氧化，另外，通过压封装置5可实现与外界空气的隔绝并使加热管内呈密封状态。加热芯3由四根U型电热管组成，总功率20千瓦。

本发明中粘接合金12的制备方法是：在坩锅炉内将按照上述比例的铝加热至660-880℃；然后投放其他组成元素，组成元素Cu、钛和Si的含量根据粘接合金熔点的设计要求依据相图确定；投放时，先放一定比例的Cu，搅拌溶解后，再放入一定比例的Si和Ti,边溶解，边搅拌，待全部溶解后在660-880℃下静置30分钟即得所述的粘接合金12，即Al-Ti-Cu-Si合金。

本发明中金属/陶瓷层状复合材料外套管1的制备方法是：将陶瓷层11和金属层13同时加热到工艺温度，设计工装或利用复合材料自身形状特点，使所述粘接合金12与陶瓷层11和金属层13进行复合反应，将陶瓷层11和金属层13同时加热到比粘接合金12高熔点相熔点高80-120℃的工艺温度，根据计算体积数据，向陶瓷层11中添加一定质量的熔融态的粘接合金12，迅速将金属层13装入陶瓷层11中，同时给予金属层13一定压力，并固定，使粘接合金12与陶瓷层11、粘接合金12与金属层13进行反应。在工艺温度下，粘接合金12将陶瓷层11和金属层13两种材料复合成型连接在一起，即制成金属/陶瓷层状复合材料的外套管1。

本发明加热器的装配工艺是：将一定质量的固态导热合金2装入外套管1内，然后将该外套管1装入加热炉，通电升温使导热合金2熔化；同时将加热芯3升温预热，保温一小时后将加热芯3缓慢装入外套管1内，将加热芯3全部装入外套管1后静止5分钟，然后将加热芯3提出200-300mm，以加热芯3的第一个隔板不露出外套管1的端口，且保证外套管端口与加热芯3有足够空隙即可，将防氧化剂4依次装入外套管1中，以装满外套管1的端口为准；最后将加热芯3全部压入外套管1中，通过压封装置5压紧密封，关闭加热炉电源，使加热器随炉冷却，取出直立放置，遂制成金属/陶瓷层状复合材料的内加热器。

本发明中粘接合金12由高熔点相和低熔点相组成，在常温下为固态，在使用或工艺温度下为固液两相，固相占整个粘接合金的体积分数为60-80％，固液两相的体积比例分数优选7:3。通过调节添加组成元素Ti、Cu、Si的含量，可调整粘接合金的熔点、界面反应相和相组成；粘接合金12的高熔点相的熔点为660-1200℃；低熔点相的熔点在380-460℃；粘接合金12的固相起到复合连接作用，液相则起到吸收应力的作用。所述固液两相是在使用温度下存在的，使用温度是380-1200℃。在使用温度下粘接合金12为固液两相，低于低熔点相熔点温度为固相，而高于高熔点相熔点温度是液相。所述的使用温度在不同应用领域有所不同，取决于产品要求的工况条件，例如，在热镀锌行业使用温度是425-650℃，而在热镀铝行业使用温度则是700-750℃。

本发明中粘接合金12的组成元素钛、铜或硅的含量或添加量，可根据相图确定，以获得所需熔点。本发明制备金属/陶瓷层状复合材料是在粘接合金12处于液态下进行的，利用熔融的粘接合金12与陶瓷或陶瓷材料和金属或金属材料的液固界面反应，与陶瓷形成钛、硅化合物新相而成为一体(对于SiN陶瓷，形成的是TiN)，可以很好的调节外部陶瓷层的热应力释放；而与金属则易发生冶金反应，形金属间化合物(如Fe₂Al₅、FeAl₃等)，即利用界面反应形成的新相将陶瓷和金属牢靠地连接在一起，成为稳定的层状结构复合材料。

本发明金属/陶瓷层状复合材料制成的外套管1的设计思路和基本原理是：先设计一种低熔点粘接合金，在复合工艺温度下，该粘接合金以一定比例的固液两相状态存在，利用该粘接合金一方面可与陶瓷和金属两种材料发生界面反应的特征，冷却后自然将两种材料复合成型在一起，制成层结构复合材料；另一方面利用液相粘接合金的可变形性和固液两相转换所产生的空间，来吸收由于该两种材料膨胀不一而产生的应变能，避免该两种材料复合时可能引起陶瓷材料的破裂，确保产品的质量。

本发明中外套管1在满足产品质量要求的条件下，粘接合金层12以薄为宜，且越薄越好，一般要求的厚度为2-10mm，而2-2.5mm效果更为理想；通过控制金属/陶瓷层状复合材料制成的外套管的粘接合金层12的厚度可以控制产品应变能的大小。本发明中所述工艺温度是指复合反应所需的温度，即为界面反应温度，也即粘接合金12的使用温度。本发明粘接合金12虽然为制备金属/陶瓷层状复合材料内加热器而设计，但不排除其应用于其他层状结构复合材料的连接过程或工艺中。本发明中加热芯3的U型电热管的数量与加热器的大小、需要加工零件的大小及相关工艺要求有关。

本发明未述及之处适用于现有技术。

实施例1

本实施例采用上述的制备方法及装配工艺。本实施例中加热器的外套管1为底端密封上端开口的圆柱形；陶瓷层11采用碳化硅制成，其长度为1000mm，内径为130mm，壁厚为20mm；金属层13采用不锈钢管制成，不锈钢管的长度为972mm，内径为120mm，厚度为4mm。粘接合金12的质量百分比组成是Al:75％,Ti:5％,Cu8％,Si:12％；该粘接合金12在使用温度下为固液两相，粘接合金层12的厚度为2mm。所述加热芯3由四组U型电热管组成，加热芯上均匀分布有6个隔板，防氧化剂4为纳米级粉末状。

在氮气氛围的坩锅炉内加入7.5kg纯铝，加热至700℃；然后投放其他组成元素，质量分别为Ti:0.5kg，Cu:0.8kg，Si:1.2kg；投放时，先放所述质量的Cu，搅拌溶解后，再放入所述质量的Si和Ti,边溶解，边搅拌，待全部溶解后在680℃下静置30分钟，备用。

制备金属/陶瓷层状复合材料的外套管1：将陶瓷层11和金属层13同时加热到1300℃的工艺温度，根据计算体积数据，向陶瓷层11中添加已准备好的8kg的熔融态的粘接合金12，迅速将金属层13装入陶瓷层11，同时给予金属层13一定压力，并固定，使所述粘接合金12与陶瓷层11和金属层13进行反应，固定好后随炉冷却。在1300℃的工艺温度下，粘接合金12将与陶瓷层11和金属层两种材料发生反应，冷却过程中复合成型在一起，即制成金属/陶瓷层状复合材料外套管1。

将8.5kg的导热合金2装入已制备好的外套管1中，将该外套管1装入加热炉，通电升温使导热合金2熔化，同时将加热芯3升温预热，保温一小时后将加热芯3缓慢装入外套管1，全部装入后静止5分钟，然后将加热芯3提出200-300mm，以加热芯3的第一个隔板不露出外套管1的端口，且保证外套管端口与加热芯3有足够空隙即可，将防氧化剂依次装入外套管1中，以装满外套管1的端口为准，装入质量约为0.3-0.4kg；最后将加热芯3全部压入外套管1中，通过压封装置5压紧密封，关闭加热炉电源，使加热器随炉冷却，取出直立放置，遂制成金属/陶瓷层状复合材料的内加热器。

实际应用中，该加热器输出功率可通过调节电压进行调节，实际数值如表1所示。

表1.加热器输出功率与电控柜输出电压指示对照表

本实施例中金属/陶瓷层状复合材料内加热器主要参数为：

1)每只最大输出功率：20Kw(由4组加热芯组成，每组最大功率5Kw)

2)每支加热器输出功率可通过调节电压进行调节。

实施例2

本实施例采用上述的制备方法及装配工艺。本实施例中加热器的外套管1为底端密封上端开口的长方体(参见图3)；陶瓷层11采用氮化硅制成，其长度为1800mm，内径为200mm，壁厚为20mm；金属层13采用碳钢制成，碳钢的长度为1772mm，内径为182mm，厚度为4mm。粘接合金12的质量百分比组成是Al:68％,Ti:10％,Cu8％,Si:14％；粘接合金层12的厚度为10mm。防氧化剂4为纳米级粉末，所述加热芯3由六组U型电热管组成。

实施例3

本实施例采用上述的制备方法及装配工艺。本实施例中加热器的外套管1为底端密封上端开口的长方体；陶瓷层11采用氧化铝陶瓷材料制成，其长度为1500mm，内径为160mm，壁厚为20mm；金属层13采用碳钢制成，碳钢的长度为1482mm，内径为150mm，厚度为4mm。粘接合金12的质量百分比组成是Al:83％,Ti:5％,Cu3％,Si:9％；粘接合金层12的厚度为2.5mm。防氧化剂4为纳米级粉末，所述加热芯3由四组U型电热管组成。

实施例1、实施例2和实施例3中的粘接合金12在使用温度下均为固液两相，固相所的体积比为60-80％，粘接合金12的高熔点相和低熔点相的熔点满足上述要求，均在上述提到的高熔点相的熔点为660-1200℃；低熔点相的熔点在380-460℃范围之内。

本发明采用金属/陶瓷层状复合材料制成的外套管1，由于经过该复合工艺后，热量通过金属管-粘接合金传导，其传热性能较空气传热更好，因此本发明显著提高了加热器的热效率，热效率可达95％以上且升温快。对比上述实施例1-3，实施例1中的加热器耐蚀性和力学性能均最好，说明从传热角度来说，外套管1采用圆柱体时性能更好。

本发明金属/陶瓷层状复合材料内加热器可以普遍应用于工业范围中锅体的内加热，加热效率高，节约能源，特别适用于加热一些腐蚀性强的物质，及对加热器外套管的耐蚀性要求较高的场合。

Claims (6)

1.一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器，包括外套管、导热合金、加热芯、防氧化剂、压封装置和吊环，其特征在于所述外套管采用多层材料制成，外套管从接触锌液至远离锌液的方向依次包括陶瓷层、粘接合金层和金属层，陶瓷层和金属层通过粘接合金层粘合在一起；所述粘接合金层为Al-Ti-Cu-Si合金，所述Al-Ti-Cu-Si合金中各成分的质量百分数为Ti:5-10%,Cu:3-8%,Si:9-14%,余量为Al；所述外套管与压封装置通过法兰和密封垫相连，吊环固定在压封装置上，所述加热芯的上端与压封装置相连，加热芯的下端放置于外套管内，加热芯由U型电热管组成，加热芯位于外套管内的部分上均匀分布有隔板，所述导热合金放置于外套管内，工作时加热芯浸泡在导热合金中，防氧化剂覆盖于导热合金上表面。

2.根据权利要求1所述的金属/陶瓷层状复合材料内加热器，其特征在于所述粘接合金层的厚度为2-10mm。

3.根据权利要求1所述的金属/陶瓷层状复合材料内加热器，其特征在于所述粘接合金层的厚度为2-2.5mm。

4.根据权利要求1所述的金属/陶瓷层状复合材料内加热器，其特征在于所述陶瓷层为金属氧化物、碳化物或氮化物。

5.根据权利要求1所述的金属/陶瓷层状复合材料内加热器，其特征在于所述金属层为碳钢、不锈钢或有色金属铜。

6.根据权利要求1-5任一所述的金属/陶瓷层状复合材料内加热器，其特征在于所述外套管的形状为长方体或圆柱体。