一种金属/陶瓷层状复合材料内加热器的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 娃、氮化娃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宄（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。
[0003] 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宄难点。
【发明内容】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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】 [0011] 及实例
[0012] 下面结合实施例及其附图详细描述本发明。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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°C ;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°C下静置30分钟即得所述的粘接合金12,即 Al-Ti-Cu-Si 合金。
[0021] 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°C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 -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。
[0022] 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