CN111304560B

CN111304560B - 一种纤维空腔辐射元件及其制作方法

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Publication number: CN111304560B
Application number: CN202010124371.6A
Authority: CN
Inventors: 张作帅
Original assignee: Yachuang Huanneng Technology Group Co ltd
Current assignee: Yachuang Huanneng Technology Group Co ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: CN111304560A

Abstract

本发明公开了应用于陶瓷纤维模块、浇注料、捣打料等耐火材料组成的炉体内表面上纤维空腔辐射元件及其制作方法，包括以下步骤：(1)将形成空腔辐射元件的纤维材料放入到容器中，倒入结合剂，通过搅拌机对容器内材料进行不间断的搅拌；(2)开启真空泵，使真空罐呈负压状态，然后将罐上连接的模具放入到容器中，然后开启液压装置；(3)当真空罐内注入液体后开启放水阀及调压系统，将真空罐内的水放回到容器中；(4)将烧结形成纤维陶瓷的元件分别放入到装有两种组份涂料的容器中对元件的底部和内外部进行浸润。本发明可根据真空压力调节纤维空腔辐射元件的密度和材料之间的结合力且生产率高，保证元件的轻体化和使用强度。

Description

一种纤维空腔辐射元件及其制作方法

技术领域

本发明是应用于陶瓷纤维模块、浇注料、捣打料等耐火材料组成的炉体内表面上纤维空腔辐射元件及其制作方法。

背景技术

在加热炉炉膛内衬表面增加设置若干空腔辐射元件，是一项可通过增大辐射传热面积，提高炉衬表面的发射率，从而达到增强辐射传热，提高炉膛传热效率、实现节能减排、提高企业经济效益的节能技术。该项技术在冶金行业加热炉上的应用，节能率达到10％以上，给用户带来了很好的经济效益。

目前国内在工业窑炉上应用的空腔辐射元件大致可分为两种：一种是用80 铝钒土、高岭土、发泡剂或工业级AL₂O₃、SiO₂等材料组成，采用整体铸模成型工艺制造，由多种耐火材料组成的复合添加剂在元件烧成的各个阶段起到很好的稳定体积作用，并发生一系列的物理化学反应，最后生成聚轻陶瓷，其技术指标如下表：

当元件烧结生成聚轻陶瓷后需在空腔辐射元件表面覆以高辐射纳米陶瓷涂层，目的是进一步提高空腔体的有效发射率，使元件空腔开口处的辐射系数可达到近似于标准黑度。基体特征主要有外六棱锥台及圆柱形内腔结构、外圆台柱体及圆柱形内腔结构两大类产品。

还有一种是用陶瓷纤维制成，其生产工艺是选用市场上出售的普通硅酸铝纤维板和纤维管，经过二次加工后并通过高温胶泥的粘贴而成为空腔辐射元件，表面辐射系数靠的是具有一定黑度的涂层来解决。

在应用中，由于普通硅酸铝的非晶体特性，耐温性较差，使做成的元件在应用中收缩较重，造成表面涂层开裂脱落，再加上普通硅酸铝纤维的表面辐射系数比较低，仅靠元件的几何特性去解决辐射能力是有限的。根据Gouffe(哥富)理论给定的公式推算，保证圆柱空腔体长径比≥3时，腔口的辐射强度是在组成元件材料本身黑度系数的基础上再增加0.2左右，最终的辐射强度是靠组成元件材料所固有的辐射率，只有较高发射率的材料加工出的空腔辐射元件具有近似于标准黑体的发射率。在选用的材料本身的黑度系数低且长径比小于 3的情况下，只能用涂在空腔辐射体元件的高辐射率的涂层来弥补，所以一但涂层脱落，元件破损，则元件的高辐射率的作用就下降，节能效果就不明显。由于在黑体辐射节能技术上所用的纤维元件普遍采用的是利用市场上出售的纤维板和纤维管通过几何结构的剪裁并通过高温胶泥粘贴出空腔辐射元件，存在一定的缺陷，且长期使用温度低(最高使用温度为1100℃)，元件收缩及破损严重，造成纤维元件的应用昙花一现，很快就销声匿迹。现在国内大量推广应用黑体辐射技术的公司所用黑体元件基本上都是聚轻陶瓷的(莫来石聚轻陶瓷、高铝聚轻陶瓷等)。

用高铝材料合成制做的黑体元件在高温锻烧中生成聚轻陶瓷，具有低密度和一定的耐高温性，可保证元件在1400℃条件下长期工作，且具有一定的隔热保温效果。缺点是高铝耐火材料会随着体积密度的降低，其耐火度也会大幅度的降低，如聚轻陶瓷的体积密度达到1g/cm³时，所制成的耐火产品的实际使用温度最高为1300℃；要想保证聚轻陶瓷的使用温度≥1400℃，其体积密度必须达到1.2g/cm³以上。造成元件的重量受聚轻陶瓷材料所承受温度极限的限制，不能做的很大，使空腔体设计的长径比通常在2以下时，元件自身的重量就已达到400g以上。大大限制了黑体技术的应用范围，使黑体强化辐射节能技术只局限于钢铁行业的加热炉上应用。为进一步拓展空腔辐射节能技术应用的范围，将空腔辐射节能技术推广到以纤维炉衬为主的工业窑炉上，需要针对纤维炉的特点设计出以纤维为主体材料的空腔辐射元件，使元件的空腔长径比大于2的情况下，体积密度在0.35g/cm³至0.4g/cm³之间。在减轻元件的重量同时，保证纤维元件在给定的温度条件下全寿命周期≥5年。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对上述问题，本发明根据市场上陶瓷纤维的物理及化学特性通过必要的技术手段设计和生产一种纤维空腔辐射元件，可根据真空压力调节纤维空腔辐射元件的密度和材料之间的结合力且生产率高，保证元件的轻体化和使用强度。

为了实现上述目的，本发明提供的一种纤维空腔辐射元件的制作方法，包括以下步骤：

(1)将形成空腔辐射元件的纤维材料放入到容器中，倒入结合剂，通过搅拌机对容器内材料进行不间断的搅拌，保证容器内的材料始终处在悬浮状态；

(2)开启真空泵，使真空罐呈负压状态，然后将罐上连接的模具放入到容器中，然后开启液压装置通过模具内部结构将成型好的元件退出；

(3)当真空罐内注入液体后开启放水阀及调压系统，将真空罐内的水放回到容器中；

(4)将烧结形成纤维陶瓷的元件分别放入到装有两种组份涂料的容器中对元件的底部和内外部进行浸润，浸润的时间为2-4秒，浸润的厚度不超过 1.5-2mm。

优选地，所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：43-47％的高铝纤维、43-47％的多晶莫来石纤维和8-12％的高铝添加剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂。

优选地，所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：43-47％的含锆纤维、43-47％的多晶莫来石纤维和8-12％的高铝添加剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂。

优选地，所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：88-92％的含锆纤维和8-12％的高铝添加剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂。

优选地，所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：93-97％的多晶莫来石纤维、5％的高铝添充剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂。

优选地，所述步骤(4)中，所述两种组份涂料分别为：

第一组份涂料：由15-20％的氧化锆、55-67％的白刚玉、3-5％的稀土和 15-20％的高岭土组成；

第二组份涂料：由57-63％的复合无机高温粘结剂和37-43％的粉料组成。

优选地，所述涂料1用于所述纤维空腔辐射元件的底部，所述涂料2为高辐射纳米陶瓷涂料，用于所述纤维空腔辐射元件的除底部外的部分。

本发明还提供的一种纤维空腔辐射元件，所述纤维空腔辐射元件的底部涂有第一组份涂料，所述纤维空腔辐射元件的除底部外的部分涂有第二组份涂料。

本发明提供的一种纤维空腔辐射元件及其制作方法，与市场上普遍应用的聚轻陶瓷相比较具有如下有益效果：

1.用陶瓷纤维制作的黑体元件具有重量轻，耐高温、热容小，保温绝热性能好等优点。元件的的长径比大于2的情况下，重量是市场上应用的聚轻陶瓷 (长径比小于2)元件的一半。

2.由于纤维元件中有一半是多晶莫来石纤维，而多晶莫来石纤维在1400℃时的发射系数可达0.94，保证了元件在应用中无论处在一个什么型态，都能保证元件始终处在一个高的发射率。纵观市场上目前应用的由聚轻陶瓷制成的黑体元件，由于组成元件材料密度不能做的太低，造成元件的导热系数要比纤维的要高的多，隔热保温效果无法与纤维相比较，使元件材料的发射系数(0.62) 远低于多晶莫来石纤维的发射系数，在应用中其节能效果较低于纤维元件的节能效果。

3.纤维元件由于重量轻，应用范围可涵盖炉内温度850℃至1450℃的由浇注料、捣打料、陶瓷纤维模块组成的各种工业窑炉的炉衬上应用黑体强化辐射技术进行节能改造。而由聚轻陶瓷制成的黑体元件，由于自身的重量比较大，造成其元件仅局限于冶金行业内的加热炉上应用。

附图说明

图1为本发明的纤维空腔辐射元件的示意图。

附图中：1、涂层一；2、涂层二。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明是根据加热炉炉体结构为陶瓷纤维材料而设计的一种应用范围可推广到石化、石油、煤化工、钢铁行业加热炉上的纤维空腔辐射元件及其制作方法。

陶瓷纤维作为一种轻质、高效的耐火绝热材料与传统的耐火材料相比具有重量轻，耐高温、热容小，保温绝热性能好等优点。将陶瓷纤维模块化及制成的纤维毡、纤维毯、不定型耐火制品等已在工业炉窑上得到广泛应用。

(1)纤维空腔辐射辐射元件材料的选择：

目前市场上销售的陶瓷纤维品种比较多，但可用于生产空腔辐射元件的陶瓷纤维材料主要有多晶莫来石纤维、含锆硅酸铝纤维和高铝纤维。

多晶莫来石纤维是以莫来石晶体形态存在，是稳定态，抗热稳定性好，使用寿命长；而含锆硅酸铝纤维、高铝纤维是以玻璃态存在，是不稳定态，会在超过自身承受的温度情况下，向晶体方向快速发展，使纤维的收缩速度加快，使用寿命短，这是无法与晶体态纤维相比拟的。另外非晶体纤维的最高使用温度也远低于晶体纤维。非晶体纤维与晶体纤维相比较的优势主要是在保温温度不高于1250℃的条件下，玻璃态纤维的价格相对便宜，工程造价较低。

(2)多晶莫来石纤维与含锆硅酸铝纤维、高铝纤维的理化指标如下表所示：

(3)多晶莫来石纤维与含锆硅酸铝纤维的生产工艺：

①多晶莫来石纤维的生产工艺是用99％以上纯度的工业级Al₂O₃与硅溶胶结合通过甩丝、800℃干燥后再经过1400℃的高温生成莫来石晶体后再降温，成为多晶莫来石纤维。

②含锆硅酸铝纤维的生产工艺是用Al₂O₃、硅砂、锆英石通过电炉熔融后再经过喷丝或甩丝成纤维状，进行冷却、成毯、针刺、高温退火、切边等工序，最后成为纤维毯。切下的边角料则加入一定量的结合剂，通过真空吸滤工艺后加工成不定型耐火件及保温纤维板等产品。

③确定黑体元件的几何形状

根据Goffe理论，空腔辐射的设计结构一般采用球型、柱型、柱锥型、锥锥型。相对球型、柱锥型、锥锥型结构，柱型的结构具有设计简单，腔口的辐射系数可做到0.96以上，且加工工艺容易便于大批量生产等特点，成为空腔辐射元件制作的首选，所以这次纤维空腔辐射元件几何形状的设计仍然以圆柱型空腔体结构为主(参见图1)。

(4)纤维空腔辐射元件的制作方案

从目前国内生产的陶瓷纤维的使用温度来看，单一纤维的长期使用温度最高的为多晶莫来石纤维，达到1400℃。其他纤维的长期使用温度相对比较低，最高1250℃，最低900℃，有利于针对工业窑炉的使用温度选择相对应的纤维制作黑体元件，使纤维空腔辐射元件系列化。

为进一步提高纤维空腔辐射元件的耐温性和使用寿命，本发明所公开的纤维空腔辐射元件的材料组成为复合型纤维，通过必要的技术手段对制作纤维元件所用纤维进行复合，使用温度比较低的纤维与多晶莫来石纤维按比例混合，有利于提高低温纤维使用温度的同时又能发挥多晶莫来石纤维高辐射率的特性，降低产品的造价。

在本发明中，首先要解决的问题为：

直接用市场上出售的纤维做空腔辐射元件所普遍存在的问题是在1150— 1250℃开始结晶，造成纤维变脆、收缩、机械强度大幅度降低，影响使用寿命。其次是纤维在高温状态下是不能转化为陶瓷的，要想提高纤维结晶的温度和使用寿命就得采用必要的技术手段使纤维陶瓷化。

①磷酸盐结合剂

磷酸盐做为不定型耐火材料的结合剂，其应用越来越广泛。大量的应用研究证明磷酸盐所以能作为结合剂是因为磷酸盐能缩聚成大分子。在反应的初期，磷酸盐溶液中存在着三价[PO₄]^3-离子，与碱性氧化物反应后[PO₄]^-3发生了聚合作用生成[PO₄]^2-离子，变成链状聚合的“端点”，[PO₄]^2-离子转变成“中间态”的[PO₄]^-离子，这个“中间态”首尾联接起来形成一系列线状聚磷酸盐，反应发展到最后[PO₄]不带电，然后形成“分支”。这种“分支”的高度发展，使它向空间不断伸展形成空间三维网络(如下所示)，这种网络架构形态填充在纤维之间的孔隙中，起到对纤维之间的结合和增强作用，提高纤维护抗结晶、抗收缩的能力，在宏观上表现出的是纤维间粘结的效果。

②磷酸盐在不同温度下的相变

磷酸盐在加热过程中脱水缩聚，形成正或低氧化合物缩聚磷酸铝，这类化合物随氧化物之比不同，加热条件不同可生成环状化合物，链状化合物，支链状化物等，即有结晶化合物，也有不定型玻璃体化合物。但所有缩聚磷酸铝都是通过PO₄四面体，以共有氧原子结合而成。键合在一起的PO₄四面体数目多少，即为平均链长或聚合度，也可称为环状缩聚磷酸盐的单元环数。

随着温度的变化，磷酸盐的相变较为复杂，其中以缩聚磷酸铝为各温度下的主要相，最简单的缩聚磷酸盐为焦磷酸铝，由两个磷酸根离子缩聚而成，都属缩聚磷酸铝。聚磷酸铝的结构有一维链状、二维片状、三维网状形式。

高温相的磷酸盐对结合剂的高温稳定性有着重要影响，主要原因是磷酸铝晶体与二氧化硅相似，具有多晶转化性能，反应过程如下：

磷酸盐的固化机理是在加热时脱水生成焦磷酸铝和偏磷酸铝而使纤维获得较高的强度，缩聚反应方程式如下：

③工业级Al₂O₃做添充剂对纤维空腔元件使用温度的影响

国内生产的陶瓷纤维除了多晶莫来石纤维内Al₂O₃的含量达到72％左右外，其它的陶瓷纤维Al₂O₃含量基本上在45—60％之间，其余的成份除了一些极少量的杂质外就是SiO₂，造成了纤维的长期使用温度比较低，为提高纤维辐射元件的使用温度，选择工业级Al₂O₃做添充剂。通过试验在纤维的制作过程中加入8—10％的Al₂O₃做添充剂在1350℃锻烧，可促成纤维中的SiO₂与Al₂O₃结合生成二次莫来石，使纤维元件具有陶瓷的特征(SiO₂-Al₂O₃是生成陶瓷重要的二元系)，可提高纤维元件的使用温度150至200℃。其化学反应过程如下：

对纤维元件的制作过程中加入少量的工业级Al₂O₃，在应用中通过高温，使纤维中的SiO₂与Al₂O₃进行反应而生成莫来石，可提高元件的使用温度和使用寿命。

本发明的纤维空腔辐射元件所用材料配比的方案如下：

方案1：用43-47％的高铝纤维、43-47％的多晶莫来石纤维、8-12％的高铝添加剂，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。

方案2：用43-47％的含锆纤维、43-47％的多晶莫来石纤维、8-12％的高铝添加剂，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。

方案3：用88-92％的含锆纤维、8-12％的高铝添加剂，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。

方案4：用93-97％的多晶莫来石纤维、5％的高铝添充剂，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。

采用真空吸滤工艺成型，设定体积密度为每立方米350kg至400kg。成型后650℃干燥6个小时，通风度40％；1350℃至1400℃保温4小时烧结成纤维陶瓷，自然冷却130℃出炉。

对纤维元件除了选用的纤维材料要求具有一定辐射系数外，最重要的是用于纤维元件表面的涂层，因为涂层辐射系数的高低及使用寿命直接关系到加热炉的运行热效率，而且高辐射系数的涂层能弥补原材料及元件长径比小于3而引起的辐射能力不足的缺陷。为保证涂层的效果，除了选用好的耐火材料及可靠的技术措施制作外，还要对元件进行高温烧结及对涂层进行700℃的温度硬化干燥，只有通过700℃硬化干燥后的涂层才具备有抗氧化，不脱落，使用寿命周期长的优点。本纤维元件表面所用涂层由两组成分不同的材料组成(涂层一1和涂层二2)，第一种组份的涂料主要用于对纤维元件的安装面(元件的底部)进行浸润，保证元件的底部的涂层在高温下(1350℃)进行陶瓷化转变，提高元件底部的强度和对高温胶泥的亲合性。第二种组份涂料是由高辐射纳米陶瓷材料组成，主要用于纤维元件空腔内及空腔外表面的浸润，渗透厚度 1.5mm，提高元件内外表面的高辐射系数及耐温强度。

本发明中使用的高辐射纳米陶瓷涂层材料包括以下组合：

a)复合无机高温粘结剂：用磷酸盐作为纳米陶瓷涂料的结合剂同样有着与制作纤维元件的优势，但缺点是作为元件表面的涂层，其表面的成膜物特性不如硅酸盐，将两种粘结剂按一定的比例复合在一起，可充分发挥各自的优势，在保证涂料具有的粘结特性基础上又能发挥硅酸盐的成膜物特性，使涂层性能有很大的改善，硅酸盐作为成膜物的机理是其使去水分时，单体硅酸逐渐聚合成多硅酸，随着水分的蒸发，胶体分子增大而成Si-O-Si的网络结构，其反应方程式如下：

两种组份共同作用效果明显优于单组分粘结剂，在高温下具有粘结强度高，涂层膨胀系数小，与基体成膜性好、结合强的特点，由磷酸盐80-90％与酸性硅酸盐10-20％复合而成。

b)涂料由复合无机高温粘结剂60％、粉料40％组成。粉料包括：陶瓷工业铝粉20％、高耐磨、耐蚀组份(氮化硼20％、稀土20％、氧化锆60％)25％、高导热和高发射率组份(三氧化二铬44％、二氧化锰27％、二氧化钴18％、铜铬黑11％)45％组成、分散剂(高岭土)10％组成。

陶瓷涂料的配方组分及配比合理，填料的颗粒度均属于纳米级，不同填料组分之间的粒度匹配合理，填料与粘结剂体系的匹配相容性较高。

涂层具有化学钝性和钝化保护功能，能形成致密的纳米陶瓷涂层薄膜，隔绝炉内高温腐蚀气体对基体的腐蚀，形成有效的保护屏障。

c)通过添加稀土氧化物可提高机械强度，提高涂层致密性，进而提高强度和抗污能力，稀土中的多种氧化物共同作用使其相互促进作用，进一步改善产品性能；稀土与氮化硼相结合，可提高涂层韧性，提高抗龟裂抗粉化性能，保证全使用寿命周期。

d)涂层具有0.92以上的红外辐射率。

性能指标如下：

本发明的纤维元件生产工艺的特点在于：

(1)不同品种的纤维、工业级铝粉按比例放入到容器中，加入浓度20％至25％的磷酸盐结合剂进行搅拌均匀，将专用模具放入到容器中，通过真空泵将纤维吸滤到模具中，吸满后用模具上的伸缩器将元件推出，送入干燥室进行干燥。干燥后在1350至1400℃的温度下进行烧结形成纤维陶瓷。

(2)将烧结形成纤维陶瓷的元件分别放入到装有两种组份涂料的容器中对元件的底部和内外部进行浸润，要求浸润的时间为3秒，浸润的厚度不超过 2mm。全部浸润后送到加热炉内在700℃炉温下进行干燥，干燥后的元件无论是耐火度还是耐磨、耐酸、耐氧化性都有大幅度的升高，这是目前市场上以前使用的过的纤维元件无法比拟的。

本发明的一种纤维空腔辐射元件的制作方法包括以下步骤：

工序1：纤维空腔辐射元件生产过程中的材料配方是经过无数次不同比例的混合试验出的最佳配方。在纤维中加入磷酸盐结合剂而不用硅溶胶做结合剂和采用高铝成分的添加剂是我公司在纤维空腔辐射元件的制作工艺上的一项发明，使纤维空腔辐射元件在高温烧结过程中很容易形成陶瓷化，其硬度和强度远远高于硅溶胶做结合剂的效果，在高温环境中不容易出现硅溶胶做结合剂时出现的脆性、裂纹等缺陷。对高铝组份的添加氧化铝的含量大于95％以上的高铝耐火材料如氧化铝微粉、白刚玉等均可用于添加剂。

工序2：两种组分涂料中各种粉料的选用和配比：

第一种组分(涂层一，用于纤维元件底部)：由氧化锆15％至20％、白刚玉55％至67％、稀土3％到5％、高岭土15％至20％等组成。混合后加入磷酸盐搅拌调合而成，液体与粉料的比为2:1。

第二种组分(涂层二，为高辐射纳米陶瓷涂料)：无机高温粘结剂由磷酸盐 80％至85％与酸性硅酸盐15％至20％复合而成，涂料由复合无机高温粘结剂 60％、粉料40％混合而成。粉料包括：陶瓷工业铝粉20％、高耐磨、耐蚀组份 (氮化硼20％、稀土20％、氧化锆60％)25％、高导热和高发射率组份(三氧化二铬44％、二氧化锰27％、二氧化钴18％、铜铬黑11％)45％组成、分散剂 (高岭土)10％组成。

工序3：设定的纤维空腔辐射元件的生产工艺：采用真空吸滤工艺成型，而不是采用模具压力生产成型工艺。采用真空吸滤生产工艺可保证纤维之间的互相交联，提高纤维空腔辐射元件的强度，具有密度可控、生产率高的特点。反观模具压力成型工艺存在的缺点是；首先要对纤维进行球磨，破坏了纤维的机械特性。模具内的纤维材料是在压力机的作用下成型，密度不可控，无法保证元件强度，生产率低。

工序4：对纤维空腔辐射元件真空吸滤成型并进行干燥后送入加热炉进行 1350至1400℃温度下的锻烧，使纤维空腔辐射元件转化为纤维陶瓷，增加了元件的强度和使用温度，提高了元件抵抗线性收缩率变化的能力和使用寿命。对纤维元件真空吸滤后的锻烧是我公司在纤维元件生产过程的的一大发明，改变了市场上纤维元件的生产只干燥，不烧结的工艺。

本发明是为在工业窑炉内用陶瓷纤维模块砌筑的炉衬上推广应用空腔辐射节能技术而设计的纤维空腔辐射元件，几何特征为圆柱形空腔体，所用材料为陶瓷纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维，所用材料来源广泛。为适应加热炉内的不同温度，降低纤维元件的生产成本，在保证纤维空腔辐射元件能够长期的在其所承受的温度条件下工作，本发明的优选技术方案为：

1.纤维空腔辐射元件的材料组成：

方案1：用45％的高铝纤维、45％多晶莫来石纤维、10％的工业铝粉，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。经测试所制成的纤维元件的长期工作温度达到了1250℃。

方案2：用45％的含锆纤维、45％多晶莫来石纤维、10％的工业铝粉，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。经测试所制成的纤维元件的长期工作温度达到了1300℃。

方案3：用含锆纤维90％、10％的工业铝粉，20％至25％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。经测试所制成的纤维元件的长期工作温度达到了1300℃。

方案4：多晶莫来石纤维95％、5％的工业铝粉，15％至20％浓度的磷酸盐结合剂做稀释剂。经测试所制成的纤维元件的长期工作温度达到了1450℃。

采用真空吸滤工艺成型，设定体积密度为每立方米350kg至400kg。成型后650℃干燥，1350℃至1400℃烧结成纤维陶瓷。

2.纤维空腔辐射元件表面涂层材料的选用

第一种组分(涂层一，用于纤维元件底部)：由氧化锆、白刚玉、稀土等组成。该组分材料对陶瓷材料具有非常好的亲合性，能充分保证纤维空腔辐射元件通过胶泥与炉衬烧结在一起。

第二种组分(涂层二，为高辐射纳米陶瓷涂料)：结合剂由磷酸盐与酸性硅酸盐复合而成。填充剂组成主要有氧化铬、二氧化硅、二氧化猛等材料组成，液体与粉料的比为2：1。

所用粉料材料均经过二次球磨，要求粒度达到0.4μm以下，混合后涂料的辐射系数可达到0.92至0.94。

3.纤维空腔辐射元件的生产工艺：

本元件的生产工艺改变了一往采用的是模压或注模工艺，而是采用真空吸滤的生产工艺，其特点是可根据真空压力调节纤维空腔辐射元件的密度和材料之间的结合力且生产率高，保证元件的轻体化和使用强度。

真空吸滤的工艺流程：

(1)首先将形成空腔辐射元件的纤维材料按重量比放入到容器中，倒入一定比例的结合剂，通过搅拌机对容器内材料进行不间断的搅拌，保证容器内的材料始终处在悬浮状态；

(2)开启真空泵，使真空罐呈负压状态，并根据元件的密度要求调整好真空压力，然后将罐上连接的模具放入到容器中，这样模具中的空腔辐射元件在真空压力作用下瞬间成型，然后开启液压装置通过模具内部结构将成型好的元件退出后再进行下一个产品成型过程。

(3)当真空罐内液体达到一定高度后会自动开启放水阀及调压系统，将真空罐内的水放回到容器中。

所有产品生产后要送到电阻炉内在700℃条件下进行干燥，干燥后的空腔辐射元件送到火焰炉内在1350至1400℃条件下锻烧成纤维陶瓷，

(4)将烧结形成纤维陶瓷的元件分别放入到装有两种组份涂料的容器中对元件的底部和内外部进行浸润，要求浸润的时间为2-4秒，优选为3秒，浸润的厚度不超过1.5-2mm。全部浸润后送到加热炉内在700℃炉温下进行干燥，干燥后的元件无论是耐火度还是耐磨、耐酸、耐氧化性都有大幅度的升高。

本发明的纤维空腔辐射元件所用陶瓷纤维是目前市场上普遍出售的且来源广泛的轻质保温材料，将二种陶瓷纤维材料按一定比例复合有利于提高低温陶瓷纤维材料的极限使用温度，提高陶瓷纤维元件的发射系数，保证纤维元件在几何结构条件下的腔口发射率达到0.96以上，同时降低制作成本。

本发明的纤维空腔辐射元件所用陶瓷纤维可为复合型，也可为单一陶瓷纤维型，主要是看被改造加热炉内的最高运行温度。

以方案1的材料及配比生产纤维元件为例：

1.首先将45％的高铝纤维、45％多晶莫来石纤维、10％的工业铝粉按重量比倒入容器。将磷酸盐结合剂倒入另外一个容器中用自来水进行稀释，并将稀释好的结合剂放入到纤维容器中，然后开启容器上面的搅拌器对容器中的纤维进行搅拌。

2.开启真空泵，使真空罐呈负压状态，并根据元件的密度要求调整好真空压力，然后将罐上连接的模具放入到容器中，这样模具中的空腔辐射元件在真空压力作用下瞬间成型，然后开启液压装置通过模具内部结构将成型好的元件退出后再进行下一个产品成型过程。

3.当真空罐内液体达到一定高度后会自动开启放水阀及调压系统，将真空罐内的水放回到容器中。

4.产品生产后要送到电阻炉内进行干燥，干燥后的空腔辐射元件送到火焰炉内在1350至1400℃条件下锻烧成纤维陶瓷。

5.将烧结形成纤维陶瓷的元件由人工操作对元件的底部进行第一组份涂料的浸润，要求浸润的时间为3秒，浸润的厚度不超过2mm。全部浸润后送到电阻炉内进行干燥。

6.对元件底部的涂层全部干燥后再由人工操作对元件除了底部外所有位置进行第二组份涂料的浸润，要求浸润的时间为3秒，浸润的厚度不超过 1.5mm。全部浸润后送到电阻炉内在700℃条件下进行干燥，并保温4小时后可停炉冷却。

7.以上程序全部完成后即可装箱。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纤维空腔辐射元件的制作方法，包括以下步骤：

(4)将烧结形成纤维陶瓷的元件分别放入到装有两种组份涂料的容器中对元件的底部和内外部进行浸润，浸润的时间为2-4秒，浸润的厚度不超过1.5-2mm；

所述两种组份涂料分别为：

第一组份涂料：由15-20％的氧化锆、55-67％的白刚玉、3-5％的稀土和15-20％的高岭土组成；

第二组份涂料：由57-63％的复合无机高温粘结剂和37-43％的粉料组成；

所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：43-47％的高铝纤维、43-47％的多晶莫来石纤维和8-12％的高铝添加剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂；或者

所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：43-47％的含锆纤维、43-47％的多晶莫来石纤维和8-12％的高铝添加剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂；或者

所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：88-92％的含锆纤维和8-12％的高铝添加剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂；或者

所述步骤(1)中，形成空腔辐射元件的纤维材料包括以下质量分数的材料：93-97％的多晶莫来石纤维、5％的高铝添充剂，所述结合剂为20％至25％浓度的磷酸盐结合剂。

2.根据权利要求1所述的纤维空腔辐射元件的制作方法，其特征在于，所述第一组份涂料用于所述纤维空腔辐射元件的底部，所述第二组份涂料为高辐射纳米陶瓷涂料，用于所述纤维空腔辐射元件的除底部外的部分。

3.一种根据权利要求1或2中所述的纤维空腔辐射元件的制作方法制成的纤维空腔辐射元件，其特征在于，所述纤维空腔辐射元件的底部涂有第一组份涂料，所述纤维空腔辐射元件的除底部外的部分涂有第二组份涂料。