一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法与流程

本发明涉及多孔陶瓷加工技术领域，尤其是涉及到一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法。

背景技术：

蜂窝陶瓷蓄热体广泛应用于工业热工设备节能技术方面，能提高设备效率，降低能耗，是解决能源和环境问题的重要手段。蜂窝陶瓷具有高的比表面积和良好的物理化学稳定性，除此之外还具有低密度、高渗透率、良好的能量吸收性能以及耐高温、耐腐蚀、化学稳定性和尺寸稳定性高、易于再生等诸多特点。近年来，随着制备技术的发展，其应用范围不断扩大，应用水平也不断提高。

目前，常规的rto用蜂窝陶瓷蓄热体有25孔、32孔、40孔、43孔、50孔和60孔，其主流壁厚尺寸（内壁/外壁）分别为：1.0mm/1.2mm、0.9mm/1.2mm、0.7mm/1.1mm、0.65mm/1.1mm、0.6mm/0.8mm、0.45mm/0.8mm。可见，受制于成型和配方工艺，传统的蜂窝陶瓷蓄热体内壁与外壁的厚度之比通常只能达到1:1～1.5。因而这种常规传统蜂窝陶瓷蓄热体产品在实际生产和使用过程中存在诸多问题。首先，由于蜂窝陶瓷坯体的外壁厚度较薄，在干燥和烧成过程中坯体的支撑强度较差，很容易发生弯曲变形，降低制品的合格率。尤其在制备大尺寸的蜂窝陶瓷蓄热体时，制品的合格率往往不足50%；其次，蜂窝陶瓷作为一种脆性材料，在搬运、转移和运输过程中极易因振动刮擦、碰撞而造成边楞缺损，崩角崩边、甚至整体碎裂，而较薄的外壁厚度进一步加剧了这类损失。即便在产品投入使用的装配阶段，同样存在因蜂窝陶瓷蓄热体外壁强度不足而引起的破损问题，以上这些问题都导致了产品使用率的大大降低，造成了极大的不必要浪费。

然而，由于蜂窝陶瓷蓄热体成型和配方的限制，其内壁与外壁的厚度之比难以突破1:1.5，因为当坯体外壁厚度想进一步提高时，模具外壁挤出区的挤出速度远大于内壁挤出区的挤出速度，由此导致坯体在经过模具挤出后不能成为一个整体，严重的甚至造成内芯与外壁分离成为两个部分。

技术实现要素：

针对上述常规蜂窝陶瓷蓄热体存在的问题，本发明提供一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，通过对现有成型模具进行再设计，控制模具的加工精度，同时对现有配方进行优化，利用一次挤制成型或者在既有蜂窝陶瓷基体上植皮的方式获得具有超厚外壁的蜂窝陶瓷蓄热体。

本发明所述一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法：在蜂窝陶瓷蓄热体外模套的外壁表面上间隔设置有与泥料挤出方向平行的凹槽，将模套的外壁表面加工成表面粗糙度为3.2以上，在外模套的外壁入泥孔内设置有插针，选用球形细颗粒陶瓷原料和辅料，经捏合、练泥、陈腐后用练泥机挤制成泥料，再将泥料加入到挤压成型机的模套中制成蜂窝陶瓷坯体，坯体干燥定型后在1000℃～1400℃温度下保温烧制，冷却后得到外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体。

进一步地，选用合适的润滑剂和表面活性剂，适当调整润滑剂和表面活性剂的用量，增加泥料的流动性和润滑性，进而增加泥料在内壁挤出区的挤出速度，同时减小泥料颗粒间的内摩擦力以及泥料和金属模具间的摩擦阻力。

进一步地，将外壁入泥孔总横截面积与外壁总横截面积的比例控制为1.3～2.0。

本发明所述制备方法，可以制备内壁和外壁壁厚比大于1:2的任意规格尺寸的蜂窝陶瓷蓄热体，常规的25孔、32孔、40孔、43孔、50孔和60孔蜂窝陶瓷壁厚尺寸（内壁/外壁）可以由1.0mm/1.2mm、0.9mm/1.2mm、0.7mm/1.1mm、0.65mm/1.1mm、0.6mm/0.8mm、0.45mm/0.8mm相应做到0.8mm/2.0mm、0.7mm/2.0mm、0.6mm/2.0mm、0.5mm/2.0mm、0.4mm/2.0mm、0.3mm/2.0mm。本发明所述外壁壁厚不包括凹槽深度。

这样一来，制品的外壁厚度显著增加，蜂窝陶瓷蓄热体在搬运、转移、运输及装配过程的破损得以有效缓解，产品烧成过程中的变形缺陷显著降低，烧成合格率提高，产品返烧率降低，从另一方面达到了节能减排的目的。此外，利用本发明提供的制备方法可以将蜂窝陶瓷制品的内壁厚度进一步做薄，产品的比表面积提高，换热效率因此增加3%～5%，背压风阻也可以降低约5%。

本发明的关键在于控制坯体挤制成型过程中内壁、外壁的走泥速度，保证内壁挤出区和外壁挤出区具有相同的泥料走出速度，具体通过以下方式实现：

（1）挤出模具的改进

a.在外模具的外壁挤出区间隔设计一系列与挤出方向平行的凹槽，增加泥料与外模具的接触面积，从而增加外壁泥料与模具间的摩擦，增加外壁挤出阻力，降低外壁挤出区的挤出速度；

b.增加模具外壁挤出区的表面粗糙度，降低走泥速度和挤出速度，

c.增加模具外壁入泥孔截面积与挤出外壁截面积的比例，由原来的1.1～1.4增加至1.3～2.0。

（2）优化泥料配方

a.选用球形细颗粒陶瓷粉料，减少挤制过程中颗粒间的摩擦，降低泥料经过模具内壁挤出区时的挤出阻力，提高内壁挤出区的挤出速度；

b.选用合适的润滑剂和表面活性剂，适当调整润滑剂和表面活性剂的用量，增加泥料的流动性和润滑性，进而增加泥料在内壁挤出区的挤出速度，同时减小泥料颗粒间的内摩擦力以及泥料和金属模具间的摩擦阻力。

（3）成型工艺

a.适当提高挤制过程的供泥量，增大挤出阻力可以降低外壁挤出区的挤出速度；

b.在模具的外壁挤出区入泥孔内插针，增加挤出阻力，减少泥料流量，从而降低外壁挤出区的挤出速度，最终达到坯体内壁和外壁挤出速度一致的目的。

利用上述方法挤制成型的蜂窝陶瓷坯体经微波干燥定型和热风干燥后转入高温烧成窑炉中在适当的烧成制度下进行烧制，由此制得具有超厚外壁的蜂窝陶瓷蓄热体。

所述陶瓷原料包括堇青石、氧化铝、粘土、滑石粉和去离子水。

所述辅料包括润滑剂和表面活性剂，所述润滑剂为石蜡、桐油、油酸甘油中的一种或几种；所述表面活性剂为硬脂酸、有机硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或几种。

本发明所述的一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体及其制备方法，具有以下优点和效果：

1.使用本发明所述的一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法可以制备内外壁壁厚比大于1:2的任意规格尺寸的蜂窝陶瓷蓄热体；

2.本发明所述的一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体与常规产品相比，单位体积蓄热量可提高2%～5%；

3.本发明所述的一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体与常规产品相比，内壁壁厚可以进一步降低，由此可以进一步提高产品的比表面积，而产品的换热效率可以相应增加3%～5%，压力损失也将适当降低；

4.本发明所述的一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体其抗压强度提高5%以上，具体到产品在搬运、转移、运输及应用装配过程的破损率显著降低；

5.本发明所述的一种外壁超厚的蜂窝陶瓷蓄热体，产品干燥和烧成过程中的变形缺陷显著降低，烧成合格率提高，降低了产品返烧率，从另一方面达到了节能减排的目的。

附图说明

图1是本发明所述入泥端的结构示视图，

图2是本发明所述出泥端的结构示视图，

图3是图1的a-a局部剖视结构示意图，

图4是图3的b-b局部剖视结构示意图，

图5是实施例1～3制得的外壁加厚的蜂窝陶瓷蓄热体与常规蜂窝陶瓷蓄热体生产及性能指标对比。

在图中，1、外模套2、内壁3、内壁入泥孔4、外壁5、外壁入泥孔6、凹槽7、内模芯8、插针。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

（1）蜂窝陶瓷蓄热体的挤出模具选用45#钢或者模具钢进行切割加工，所述挤压模具包括外模套1和内模芯7，将外模套一端周边形成的若干只外壁入泥孔5，内模芯一端上形成有若干只内壁入泥孔3，外壁入泥孔一端形成有外壁4，内壁入泥孔一端形成有若干条纵横交错的内壁2，外模套1的外壁挤出区表面（外壁挤出区表面是指形成外壁外表面的外模套表面）加工成粗糙度要求为ra3.2，同时做凹槽切割处理，在外模套表面上每平行间隔10毫米，加工出一个宽度为5毫米，深度为1毫米的凹槽6，调整外壁入泥孔截面积与外壁截面积比例为1.5（即靠近外模套的一圈四边上的外壁入泥孔总截面积与挤出的外壁四边总横截面积之比）；在外模套的外壁入泥孔5内固定设置有插针8，所述插针为回形针（通过回形针的弹性固定在入泥孔内，回形针轴向与外壁入泥孔为较紧的配合）。

（2）选择250目的球形和接近球形的陶瓷粉料，陶瓷粉料由24份堇青石、32份氧化铝、12份粘土、12份滑石粉和20份去离子水组成为基料，再在基料中加入基料重量5%的硬脂酸作表面活性剂，6%的油酸甘油作润滑剂，经捏合、练泥、陈腐24小时后，由练泥机挤制成柱状泥段（泥料）；

（3）将柱状泥段投入立式挤压成型机中，在190kg/cm²的压力下经过模具挤制成内壁厚度0.8mm，外壁厚度2mm，尺寸150mm×150mm×300mm，蜂窝孔为32孔的蜂窝陶瓷坯体；

（4）将挤制成型的蜂窝陶瓷坯体在80℃温度下微波干燥定型，之后转入高温烧成窑炉中于1000℃～1200℃温度下保温2～3小时，空冷至常温由此制得内壁厚度0.8mm，外壁厚度2mm，内壁与外壁厚度比为1:2.5的蜂窝陶瓷蓄热体。

实施例2

（1）蜂窝陶瓷蓄热体的挤出模具选用45#钢或者模具钢进行切割加工，外模套的外壁挤出区的表面粗糙度要求ra3.2，同时做凹槽切割处理，在外模套表面上每平行间隔10毫米，加工出一个宽度为5.5毫米，深度为0.8毫米的凹槽6，调整模具入泥孔截面积与挤出外壁截面积比例为1.5；在外模套的外壁入泥孔内固定设置有插针8，所述插针为回形针（通过回形针的弹性固定在入泥孔内）。

（2）选择325目球形和接近球形的陶瓷粉料，陶瓷粉料由30份堇青石、28份氧化铝、10份粘土、17份滑石粉和15份去离子水组成为基料，再在基料中加入基料重量5%的有机硅烷偶联剂作表面活性剂，6%的桐油作润滑剂，经捏合、练泥、陈腐24小时后，由练泥机挤制成柱状泥段；

（3）将柱状泥段投入立式挤压成型机中，在200kg/cm²的压力下经过模具挤制成内壁厚度0.6mm，外壁厚度2.4mm，尺寸150mm×150mm×300mm，蜂窝孔是32孔的蜂窝陶瓷坯体；

（4）将挤制成型的蜂窝陶瓷坯体在80℃温度下微波干燥定型，之后转入高温烧成窑炉中于1200℃～1400℃温度下保温2～3小时，由此制得内壁厚度0.6mm，外壁厚度2.4mm，内壁与外壁厚度比为1:4的蜂窝陶瓷蓄热体。

实施例3

（1）蜂窝陶瓷蓄热体的挤出模具选用45#钢或者模具钢进行切割加工，外模套的外壁挤出区的表面粗糙度要求ra3.6，同时做凹槽切割处理，在外模套表面上每平行间隔10毫米，加工出一个宽度为4.5毫米，深度为0.7毫米的凹槽6，调整模具入泥孔截面积与挤出外壁截面积比例为2.0；在外模套的外壁入泥孔内固定设置有插针8，所述插针为回形针（通过回形针的弹性固定在入泥孔内）。

（2）选择300目的球形和接近球形的陶瓷粉料，陶瓷粉料由26份堇青石、30份氧化铝、15份粘土、11份滑石粉和18份去离子水组成为基料，再在基料中加入基料重量3%的钛酸酯偶联剂作表面活性剂，4%的石蜡作润滑剂，经捏合、练泥、陈腐24小时后，由练泥机挤制成柱状泥段；

（3）将柱状泥段投入立式挤压成型机中，在模具的外壁挤出区插针以增加阻力，进一步减少泥料流量，泥料在190kg/cm²的压力下经过模具挤制成内壁厚度0.6mm，外壁厚度2mm，尺寸150mm×150mm×300mm蜂窝孔是32孔的蜂窝陶瓷坯体；

（4）将挤制成型的蜂窝陶瓷坯体在80℃温度下微波干燥定型，之后转入高温烧成窑炉中于1200℃～1400℃温度下保温2～3小时，由此制得内壁厚度0.6mm，外壁厚度2mm，内壁与外壁厚度比为1:3.3的蜂窝陶瓷蓄热体。

如图5所示，表1实施例1～3制得的外壁加厚的蜂窝陶瓷蓄热体与常规蜂窝陶瓷蓄热体生产及性能指标对比。

注：所有测试数据基于32孔高铝材质样品，常规产品的内壁厚度0.8mm，外壁厚度1.0mm。此外：

（1）压力损失的测量样品规格为150mm×150mm×300mm，流量计流量500m³/h；

（2）抗压强度的测试数据由下述试验方法获得：从150mm×150mm×300mm的规则蜂窝陶瓷蓄热体上切取包含两个外壁的边长为20±0.5mm的立方体作为测试样品，每组数据应至少包含5个测试样品，最终数据取其平均值，加压方向选择样品的c轴方向。