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| [ 陶瓷蜂窝体 ] | ||||||||||||||||||||||||||||||||
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陶瓷蜂窝体结构特性研究与生产 |
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陶瓷蜂窝体结构特性研究
鞍山汇铭科技公司 张克铭 鞍山 114010 鞍钢设计研究院 赵延峰 鞍山科技大学 谢安国 鞍钢新钢铁科技部 徐春柏 鞍山热能研究院 罗文泉
摘要：以红柱石为主要原料，不需加任何添加剂，采用独特的模挤压工艺成型，可制作出任意孔径和壁厚的蜂窝体，并具备了高抗热震性和高蓄热量性能． 关键词：蜂窝式蓄热体 模挤压成型 高抗热震性 高蓄热量 1.
前言 蓄热式换热技术是二十一世纪节能和环保最具有发展潜力的技术之一，是国家2002年发文重点推广的节能环保项目。在占我国能源消耗20%左右的工业炉窑行业中，不仅能最大程度上节省原料，而且可大大降低燃烧后污染物的排放量，尤其是NOX的排放。蓄热式换热技术满足了我国工业可持续性发展战略要求。 几年的应用实践表明，该技术的关键所在是否能研制出高性能的蜂窝式蓄热体。高性能的首选是高抗热震性－高使用寿命。 2.
目前存在的问题 2.1
应用中的问题 近几年来的生产实际使用表明，蓄热式烧嘴燃烧技术，在节能降耗和减少污染方面取得了令人瞩目的成绩。但是另一方面，蜂窝式蓄热体较低的使用寿命，也令人产生了忧虑。当前蜂窝体的使用寿命，已经直接影响到这项有发展潜力的技术能否继续推广下去。 近几年来，虽然在蜂窝式蓄热体材质和配方上加大了研制力度，但在结构上和制造工艺上并没有改变，蜂窝体的使用寿命还是不理想。 目前，国内的轧钢厂加热炉正在使用的蜂窝式蓄热体（以热风温度＞800℃为例），在炉温较低的线材加热炉上使用寿命最长的约6个月，在中型材加热炉上使用寿命最好的约3个月左右。鉴于上述原因，在大板坯加热炉上至今也未能使用。使用寿命短给用户带来了很多不便，一是维修频繁，影响到了正常生产；二是蜂窝体价格昂贵，增大了用户成本。 2.2
制造工艺的局限性 耐火材料粉体成形，根据制品形状和要求主要有下面五种。 1)模压成形
是在粉料中加入有机粘合剂，填入金属模型，冲压成具有一定强度的成形体的方法。其优点是价格便宜，成形体的尺寸误差小。 2）等静压成形
是制得均匀粉末成形体的方法。因其使用橡胶袋（模具），故也称胶袋成形法。这种方法是将粉末装入橡胶袋中，再将装有粉末的橡胶袋置于水压室内进行成形，故可获得良好的成形体。
3）挤出成形
是将经过混练的，可塑性高的陶瓷坯体从模孔中挤出的方法。陶瓷蜂窝体是很好的应用实例，目前国内制造陶瓷蜂窝体均采用此方法。 4）注浆成形
是用水等制作成带有流动性的泥浆，将泥浆注入多孔质石膏模型内，水通过接触面渗入石膏模型体内，表面形成硬层。这是一种制作石膏模内面形状与成形体形状相同的成形方法。陶瓷器的制作很早就使用这种方法。
5）热压铸成形
是在粉末中加入塑料，用与树脂成形相同的方法进行成形的方法。该法虽适用于复杂部件的成形，粘合剂用量超过15－25％，则脱脂困难。 陶瓷蜂窝体结构形状是由挤出成型来制成的，它的形状是由模具形状所决定。挤出模具的设计和制造是蜂窝陶瓷生产中的关键技术。 挤出模具一般使用45号钢或模具钢，进泥孔打孔深度为6～10mm，以正方形蜂窝结构为例。其线切割深度为3～10mm，线切割于模具平面平行进行切割。线切割缝宽即为产品的壁厚，一般在0.2～0.8mm范围内，进泥圆孔是垂直于模具平面钻出，其面积与十字出泥孔面积比应为(1.15～1.2):1为宜。挤出成型工艺是：原料－配料－球磨－加入添加剂－混料－练料－困料－挤出成型－切割－干燥－烧成－成品。 陶瓷蜂窝体的成品率在很大程度上取决于干燥，目前大多采用微波干燥工艺。 挤出工艺存在两方面的局限性：一是为能保持蜂窝体成型，在坯料中添加剂加入较多。如加水16-20%；有机结合剂7-10%；润滑剂3-5%；表面活性剂1-2%。二是蜂窝孔的壁厚受到限制，以蜂窝孔3×3mm为例，其孔壁的厚度≤1mm。见挤出蜂窝体模具局部放大图。
图１ 挤出蜂窝体模具局部放大图 挤出式蜂窝体模具要求进泥孔的截面积与出泥孔的截面积之比不小于1.15—1.2，小于这个比值，出泥孔中泥料会发生供料不足或不连续，制品的密度下降或壁厚不均匀易弯曲断裂。 图1是蜂窝方孔设计为3×3mm定值时，最大壁厚的模具设计图，进泥孔的孔边间距不能小于1mm，否则进泥端整体结构强度下降或孔与孔间出现“豁鼻子”造成模具报废。 根据图１所示，蜂窝方孔设计为3×3mm时，求出孔壁厚为1mm、1.1mm和1.2mm时的进、出泥通道截面积比值。 蜂窝孔壁厚
1mm 进泥端截面积／出泥端截面积：
1.31／1 蜂窝孔壁厚
1.1mm 进泥端截面积／出泥端截面积：
1.13／1 蜂窝孔壁厚
1.2mm 进泥端截面积／出泥端截面积：
1.06／1 从上述数据可以看出，挤出成型的蜂窝体在蜂窝孔为3×3mm时，陶瓷蜂窝体的蜂窝孔壁最大壁厚≤1.1mm。为了安全起见一般都采用0.5—0.8mm的壁厚。 3.
挤出蜂窝体易断裂损坏因素探讨 1）．在制造过程中为能达到蜂窝体挤出时不断裂，坯料应具备较好的可塑性，这就需要加入可提高坯料塑性的各种有机物，约占坯料的10%左右。有机物的外加入，影响了产品在高温使用中的特性，加速了产品在高温炉气下的“软熔”现象。由于靠近炉膛一端蜂窝体通道表面出现“软熔”，蜂窝孔通道内壁表面粘度增大，通道表面粘度增大便会开始捕粘炉内的粉尘，尤其是金属氧化粉末加速了堵塞结瘤和浸蚀烧损。 2）．挤出成型模具的加工过程：十字形出泥通道是用线切割切出，进泥通道圆孔是直接用钻头钻出，所以通道壁表面无法达到精加工要求。由于通道表面不光滑，可缩性泥料在挤压时是一种粘质流体，泥料在流动过程中也会有层流现象出现，最后会给制品带来波纹或龙齿状结构。在挤压时泥料坯体在结构上会连续发生：破裂－袮补－再破裂－再袮补的频繁重组过程，这个过程也会使坯料结构不断变化形成的应力潜伏下来。因此成型的制品在干燥时要求的别严格，自然干燥超过十二小时以上蜂窝体外壁会开裂。所以自然干燥3－5小时必须采用微波干燥或低温烘干，未能消除的结构残余应力将潜伏在制品中，在高低温频繁的使用中蜂窝体将会破裂。 3）．由于蜂窝通孔尺寸一旦确定（力求单位体积换热面积最大），其壁厚受到限制，根据近年来研究蜂窝体结构强度文献记载，蜂窝体法线方向受力是轴线方向的200-10000倍，而蜂窝体的结构恰恰是垂直于通道方向强度最薄弱。一是有制造时残余应力；二是壁厚单薄强度极低，在生产使用中出现的拉拽应力已经大于法线方向孔壁的许用应力。 4.
高性能蜂窝式蓄热体的研制 4.1
制造工艺及材料的选择 高性能蜂窝式蓄热体研制从国内实际情况出发，基于国内大多加热炉控制水平低和燃烧状况恶劣，着重两个方面：一是与挤出成型同样尺寸的方孔，在孔壁厚度上增加50％，提高蜂窝体的结构强度；二是在配料上减少各种添加剂80-90%，可任意选择不同种类不同粒度的粉料，并采用陶瓷体增韧和抗热震工艺技术。 1)
在制造工艺上把模压和挤出两种成型法法合为一体，即模挤压方法。消除了蜂窝式蓄热体在成型时坯料频繁流变现象，使已经困好的坯料在模具内靠胀压法自然成型。这种方法可制出任意孔径和任意壁厚的蜂窝体，目前已经研制出蜂窝孔尺寸为3×3mm壁厚为1.5
mm和蜂窝孔尺寸为2×2mm壁厚为1mm的蜂窝式蓄热体。 2)
在配料上主要采用了红柱石原料，红柱石材料耐火度1780℃(堇青石耐火度1380℃)，在高温下产生不可逆的微膨胀，使制品中产生不规则的显微裂纹。陶瓷制品增韧有多种方法，最常用的有两种：一是添加晶须和短纤维，形成桥接和诱导裂纹偏移作用，此外纤维的晶须阻碍应力拔出效应，这些功能都提高了陶瓷体的抗热震性。二是在陶瓷体内形成显微裂纹，基体组织承受应力的情况下，显微裂纹起到了消耗和释放应力波传递的功能。 4.2
高性能蜂窝式蓄热体的热过程特性 蓄热式换热过程中，蓄热体的质量密度与比热容乘积越大，蓄热体的蓄、放量就越大，再加上换向时间和使用寿命，单位体积换热面积，综合这些参数才能完成蓄热换热技术的最佳选择。频繁较高的换向，也影响蜂窝式蓄热体和换向设备的使用寿命。 高性能蜂窝式蓄热体具备了上述的综合参数。其测试方法选用了不同厂家挤出成型的蜂窝体直接测试，不采用标准试块的形式。测试用的蜂窝体外形尺寸和高性能蜂窝式蓄热体一样（51mm×51
mm×51mm），蜂窝通孔尺寸一样（3mm×3mm）。热稳定性测试水温23℃，炉温升到1100℃时，将常温保持在10℃左右的蜂窝体放入炉内，加热5分钟后蜂窝体通孔保持垂直投入水深60mm始终保持23℃水温的水槽中，以此循环到蜂窝体断裂或破粹为最后次数。数据见表1： 蓄热式蜂窝体实际测试数据 表１
上述A、B、C蜂窝体的实际测试数据与其生产厂家介绍的相差甚远，如果在安装前不自己亲手做一下测试，在实际应用中将会带来很多麻烦。 高性能蜂窝体的实际测试数据，验证了在材料配比上减少有机物质，在成型工艺上增加蜂窝孔的壁厚（方孔直径与方孔壁厚比为2：1，这是挤出工艺所达不到的），可大大提高蜂窝式蓄热体的高抗热震性和高蓄热量，满足了在生产使用中的综合性能要求。 5.结束语 1 ）高性能蜂窝式蓄热体，是针对我国加热炉实际燃烧状况研制的，能适应我国大多加热炉控制水平低，燃烧状况恶劣的实际条件。 2) 其制造工艺和材料配比简单，成型后干燥工艺不复杂，可大大降低蜂窝式蓄热体的成本，也给用户带来了一次性投资减少的渴望。 3) 由于蓄热体的蓄热量增大1.2-1.5倍，换向周期比挤出式蜂窝体提高1.2-1.5倍左右，相对又提高了换向装置和蜂窝体的使用寿命。 4） 使用寿命大幅度的提高，满足了加热炉维修周期的要求，可与加热炉小修周期同步。 作者简介：张克铭 辽宁鞍山 1953年生
教授级高级工程师
热能工程专业，从事工业炉设计和耐火材料应用研究工作，1993年享受国务院专家特殊津贴
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| 电话:0412-5528580
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