一种气相预热炉用的换热装置的制作方法

本发明涉及高温预热炉设备结构领域，特别涉及一种气相预热炉用的换热装置。

背景技术：

纳米级二氧化钛的制备方法主要包括物理法和化学法，物理法主要包括溅射法、热蒸发法及激光蒸发法，化学法主要包括液相法和气相法，液相法主要包括均匀沉淀法和溶胶-凝胶法，气相法主要包括ticl4气相氧化法，目前一般采用ticl4气相氧化法来制备纳米二氧化钛。ticl4气相氧化法一般是以氮气作为ticl4的载气，以氧气作为氧化剂，在高温管式反应器中进行氧化反应，经气固分离，获得纳米级二氧化钛粉体。在实际生产中，氧气需要预加热到800℃以上才能与气相的ticl4混合反应，于是需要用到气相预热炉，而传统的气相预热炉存在诸多缺陷，例如在换热装置上，由于传统的换热装置采用的是单腔换热管结构的形式，导致单个换热装置只能对待预热的气体进行一次换热，当待预热的气体的预热温度需达到800℃以上时，这样的缺陷会导致换热装置需要串联布置数个才能将余热气体预热至所需温度，这不仅增加了投入成本，还会增加预热炉的排布体积，导致预热炉一次预热所需的热能大幅增加，造成了能源的浪费。

同时，现有的用于800℃以上的换热装置的制造材料一般为耐高温和耐热冲击的氧化铍基金属陶瓷制成，而传统的氧化铍基金属陶瓷的导热系数在200-250w/m·k，其刚性较强，强度一般，在使用过程中，由于待预热的气体的温度与炉内温度的温差较大（常达到1000℃以上），氧化铍基金属陶瓷脆性缺陷突显出来，在换热装置的换热管的内壁上出现“蜘蛛网”式的裂纹，这些裂纹经气体的侵蚀后导致换热装置的换热管强度大幅降低，并出现“崩裂”现象，由此导致换热装置的换热管使用周期很短，一般为设计使用周期的1/2，这无疑增加了预热炉的运行成本。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种气相预热炉用的换热装置，主要解决传统换热装置排布面积大、换热效率低和使用寿命短的问题，通过设计一种可进行2次换热的换热装置，来达到解决现有技术所存在的不足的目的，同时，通过提供一种用于制造换热装置的金属陶瓷材料，来克服换热装置使用寿命短的缺陷。

本发明采用的技术方案如下：一种气相预热炉用的换热装置，包括换热装置，其特征在于，换热装置包括换热外管，换热外管内设置有换热内管，换热外管和换热内管之间的密闭空间形成一级换热室，换热内管的腔室构成二级换热室，换热外管的两端分别设置有一级换热进口和一级换热出口，一级换热进口和一级换热出口分别接通一级换热室；换热内管的两端分别伸出换热外管的两端形成二级气体进口和二级气体出口，二级气体进口和二级气体出口分别接通二级换热室。

由于上述结构的设置，待预热的气体首先通过二级气体进口进入二级换热室，并在二级换热室内被预热至一定温度，然后通过二级气体出口排出二级换热室，然后再通过一级换热进口进入一级换热室内再次进行换热，直至气体达到预定温度。在整个过程中，换热装置可以对待预热的气体进行2次换热，相遇与传统的换热装置，其换热次数翻倍增加，在换热速率上，待预热的气体首先在预热温度相对较低的二级换热室内被预热，其预热速率相对较低，待预热的气体可以被较匀速的加热，这有利于筛分出气体内的气悬浮物和大部分的水汽，提高气体的纯净度，使被预热后的气流具有一个稳定的温度，当被预热的气体被一级换热室预热时，一级换热室提供的较高的换热速率能够使气体迅速升温，由于进入一级换热室内的气体本身具有高于室温的温度，从而使温差缩小，缩短了预热时间，提高了换热效率。在整体上，本发明的换热装置在换热次数和换热时间上均优于传统的换热装置，进而使本发明的换热装置的换热效率优于传统的换热装置，解决了传统换热装置换热效率、排布面积大的问题。

进一步，为了实现通过一次预热作业来获得预热温度不同的氧气，提高换热装置的生产适应能力，换热外管的端部还设有换热气体出口，换热外管的端部还设有换热气体出口，换热气体出口接通一级换热室。通过设置的换热气体出口来抽取一级换热室内的氧气，进而获得具有一定预热温度的氧气，抽取的一级换热室所在的换热装置的不同，其获得的氧气的预热温度也不同，由此实现通过一次预热作业来获得预热温度不同的氧气，适应了对实际生产的需求。

进一步，为了提高一级换热室内的换热效率，换热外管内壁的横截面为圆形，一级换热进口和一级换热出口的轴线分别与换热外管的内壁相切。氧气的气流进入一级换热室内时，气流在一级换热室内做环形运动形成环流，进而提高了气流与换热外管内壁的接触面积，延长了换热时间，由此来提高一级换热室内的换热效率，使氧气能够被快速预热。

进一步提高换热室内的换热效率，一级换热进口和一级换热出口的轴线分别与换热外管的轴线不垂直。氧气的气流进入一级换热室内时，气流在一级换热室内做圆柱螺旋线运动，由此使氧气能够尽可能地沿着换热外管的内壁流动，进而进一步提高氧气与换热外管内壁的接触面积，提高了换热效率。

为了进一步提高换热室内的换热效率，换热外管的内壁设有呈圆柱螺旋线分布的u形槽，u形槽的螺旋线分别与一级换热进口和一级换热出口的轴线平行。设置的u形槽具有一定的导流作用，在一定程度上，能够引导氧气的气流沿u形槽流动，进而使氧气能够尽可能地沿着换热外管的内壁流动，由此提高换热效率。

进一步，沿换热外管的轴线方向，换热外管的管径逐渐减小形成圆台，其中，带有一级换热进口的端部的管径大于一级换热出口的端部的管径。换热外管的管径收缩有利于氧气的气流形成环流，进而提高换热效率。

在本发明中，换热外管采用氧化铍基金属陶瓷材料制成，氧化铍基金属陶瓷材料主要由氧化铍基陶瓷粉末与镍金属粉末按照质量比为（75-78）：（22-25）复合制成，其中，氧化铍基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（95-97）：（3-5），所述坯料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：碳化钛含量为4-7%、碱金属的氧化物含量为4-7%、锆的氧化物含量为1.5-2.0%、钒的氧化物含量为0.2-0.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%和稀土元素的氧化物含量不大于1.0%；所述釉料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：铁的氧化物含量为1-3%、钴的氧化物含量为2-4%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.0-1.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%、铟的氧化物含量不大于0.05%和稀土元素的氧化物含量不大于1.0%。

本发明提供的上述氧化铍基金属陶瓷材料，主要解决传统氧化铍基金属陶瓷换热装置使用周期短、换热效率低的问题，通过复配一种具有良好导热性和伸长率的氧化铍基金属陶瓷材料，使氧化铍基金属陶瓷材料的导热系数达到270.3w/m·k，伸长率达到3.0%，伸长率的提高有助于换热装置能够很好地缓冲和释放内应力，有效地控制裂纹的产生，延长瓷换热装置的使用周期，其使用周期可达到设计使用周期的4/5，具有良好地积极效果。

为了更好地实施本发明的氧化铍基金属陶瓷材料，氧化铍基金属陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：步骤1、取设计量的镍金属粉末和氧化铍基陶瓷粉末置于高速球磨机中进行混合研磨2-4h,高速球磨机转速为400rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；

步骤2、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为220-240mpa，压制速度为1.5mm/min，保压时间10min，得到压坯件；

步骤3、将得到的压坯件置于烘干炉中进行80℃保温烘干3-4h；

步骤4、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至300℃，初始升温速率为130℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1200℃/h，保温1h，再升温至1220℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，然后再降温至450℃，保温1h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；

步骤5、将得到的半成品进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥后即得。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提供的一种气相预热炉用的换热装置，主要解决传统换热装置排布面积大、换热效率低和使用寿命短的问题，通过设计一种可进行2次换热的换热装置，解决了现有技术所存在的排布面积大、换热效率低的结构缺陷，同时，通过提供一种用于制造换热装置的金属陶瓷材料，克服了换热装置本身使用寿命短、导热系数低的缺陷，在整体上，有效地解决了目前换热装置所存在的技术问题。

附图说明

图1是本发明的一种气相预热炉用的换热装置布置结构示意图；

图2是本发明的换热装置剖视结构示意图。

图中标记：1为炉体，101为烧嘴，102为烟气出口，2为换热装置，3为换热外管，301为一级换热进口，302为一级换热出口，303为换热气体出口，304为u形槽，4为换热内管，401为二级气体进口，402为二级气体出口，5为一级换热室，6为二级换热室，7为一级换热管路，8为气体缓冲装置，9为二级换热管路，10为供气装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一种生产纳米二氧化钛用气相预热炉，包括炉体1，炉体1内插放有多个通过管道串联的换热装置2，炉体1的一侧设置有烧嘴101，其另一侧设置有烟气出口102，煤气或天然气等热源从烧嘴101进入并在炉体1内燃烧，换热装置2由此被加热，燃烧过程中产生的烟气经由烟气出口102排出。所述换热装置2包括换热外管3，换热外管3内设置有换热内管4，换热外管3和换热内管4之间的密闭空间形成一级换热室5，换热内管4的腔室构成二级换热室6，相邻换热装置2间的一级换热室5通过一级换热管路7串联形成一级换热系统，一级换热系统的首端连接气体缓冲装置8，其末端与气体输出装置（图中未画出）连接；相邻换热装置2间的二级换热室6通过二级换热管路9串联形成二级换热系统，二级换热系统的首端连接供气装置10，其末端与气体缓冲装置8连接。

首先开启炉体1，通过炉体1对换热装置2进行加热，然后通过供气装置10将需要预热的氧气输送至二级换热系统内，在换热装置2内，一级换热室5的温度大于二级换热室6的温度，待预热的氧气经多个二级换热室6换热后，待预热的氧气具有了一个初始预热温度，并被输送至气体缓冲装置8内，气体缓冲装置8对待预热的氧气进行再分配，然后将其输送至一级换热系统内，待预热的氧气经过多个一级换热室5换热并达到设计预热温度后，通过一级换热管路7输送至气体输出装置并进入下一工序，预热完成。在此过程中，由于有不断地待预热的氧气被输送至换热装置2内，因此一级换热室5内的氧气和二级换热室6内的氧气相互之间会发生热交换。对于二级换热室6来说，二级换热室6内的氧气可获得一个稳定地温度梯度，二级换热室6内的氧气的预热温度均匀上升，避免了过热和不稳定预热的情况出现，其初始预热环境良好；对于一级换热室5来说，经均匀预热后的氧气由于具有了一个初始预热温度，因此具备了对其进行快速加热的基础条件，一级换热室5内的氧气可获得一个较高的温度梯度，其预热速率明显提高，几经换热装置2预热后，其可很快地被预热至设计温度，预热时间被有效缩短，同时，为了防止一级换热室5内的氧气过热，通过二级换热室6对一级换热室5内的氧气进行降温，后期预热环境良好。在整体上，每个换热装置2都对带加热的氧气进行了2次预热，其预热次数多于传统的换热装置，可省下传统1倍的换热装置数量的设置，而且，由于换热装置2会首先赋予待预热的氧气一个初始预热温度，然后再对其快速预热，其预热效果相对于传统的直接快速加热的预热效果相比，前者所获得的氧气的温度较均匀，预热过程在较均匀地升温条件下进行，设备的热胀冷缩系数差值较小，设备不易受到氧气侵蚀，因此对设备的要求不高，而后者由于氧气快速升温而使其获得了一个较不稳定的温度，在氧气环境下，设备快冷快热的热胀冷缩系数差值较大，易造成氧气对设备的严重侵蚀，因此对设备的要求较高。同时，在预热时间上，本发明的换热装置2能够充分利用热能源，其换热效率相对较高，后期的快速升温使得其预热时间得到了有效地缩短，其预热时间并不高于传统的换热装置2的预热时间，因此，本发明的预热炉具有换热装置布置少，换热效率高，能源利用率高，无需庞大且复杂的预热系统，对设备的要求低、投入成本较低等特点。

进一步地说，为了更好地实施一级换热系统，换热外管3的两端分别设置有一级换热进口301和一级换热出口302，一级换热进口301和一级换热出口302分别接通一级换热室5，相邻换热装置2间的一级气体进口301和一级气体出口302通过管路串联形成一级换热系统。

进一步地说，为了更好地实施二级换热系统，换热内管4的两端分别伸出换热外管3的两端形成二级气体进口401和二级气体出口402，二级气体进口401和二级气体出口402分别接通二级换热室6，相邻换热装置2间的二级气体进口401和二级气体出口402通过管路串联形成二级换热系统。

进一步地说，为了实现通过一次预热作业来获得预热温度不同的氧气，换热外管3的端部还设有换热气体出口303，换热气体出口303接通一级换热室5。通过设置的换热气体出口303来抽取一级换热室5内的氧气，进而获得具有一定预热温度的氧气，抽取的一级换热室5所在的换热装置2的不同，其获得的氧气的预热温度也不同，由此实现通过一次预热作业来获得预热温度不同的氧气，适应了对实际生产的需求。

进一步地说，为了提高一级换热室5内的换热效率，换热外管3内壁的横截面为圆形，一级换热进口301和一级换热出口302的轴线分别与换热外管3的内壁相切。氧气的气流进入一级换热室5内时，气流在一级换热室5内做环形运动形成环流，进而提高了气流与换热外管3内壁的接触面积，延长了换热时间，由此来提高一级换热室5内的换热效率，使氧气能够被快速预热。

为了进一步提高一级换热室5内的换热效率，一级换热进口301和一级换热出口302的轴线分别与换热外管3的轴线不垂直。氧气的气流进入一级换热室5内时，气流在一级换热室5内做圆柱螺旋线运动，由此使氧气能够尽可能地沿着换热外管3的内壁流动，进而进一步提高氧气与换热外管3内壁的接触面积，提高了换热效率。

为了进一步提高一级换热室5内的换热效率，换热外管3的内壁设有呈圆柱螺旋线分布的u形槽304，u形槽304的螺旋线分别与一级换热进口301和一级换热出口302的轴线平行。设置的u形槽304具有一定的导流作用，在一定程度上，能够引导氧气的气流沿u形槽304流动，进而使氧气能够尽可能地沿着换热外管3的内壁流动，由此提高换热效率。

为了进一步提高一级换热室5内的换热效率，沿换热外管3的轴线方向，换热外管3的管径逐渐减小形成圆台结构，其中，带有一级换热进口301的端部的管径大于一级换热出口301的端部的管径。换热外管3的管径收缩有利于氧气的气流形成环流，进而提高换热效率。

在本发明的一个实施例中，换热外管采用氧化铍基金属陶瓷材料制成，氧化铍基金属陶瓷材料主要由氧化铍基陶瓷粉末与镍金属粉末按照质量比为（75-78）：（22-25）复合制成，其中，氧化铍基陶瓷粉末包括坯料和釉料，所述坯料和釉料的质量比为（95-97）：（3-5），所述坯料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：碳化钛含量为4-7%、碱金属的氧化物含量为4-7%、锆的氧化物含量为1.5-2.0%、钒的氧化物含量为0.2-0.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%和稀土元素的氧化物含量不大于1.0%；所述釉料的原料中含有以下质量百分比含量的组分：铁的氧化物含量为1-3%、钴的氧化物含量为2-4%，碱金属的氧化物含量为2-6%、铜的氧化物含量为1.0-1.3%、镓的氧化物含量为0.05-0.1%、铟的氧化物含量不大于0.05%和稀土元素的氧化物含量不大于1.0%。

上述中，氧化铍基金属陶瓷材料内的金属成分占比达到22-25%，这使得金属陶瓷具有了更多的金属的性质，使金属陶瓷具有了良好的导热性和伸长率，导热性和伸长率的改善使得其制成的换热管的热传导率得到有效提高，在热胀冷缩时，由于含有较高的金属成分，其伸长率的变化幅值较宽，金属陶瓷能够较好地缓冲和释放这种应力变形，使其表面不易产生裂纹，由此延长了金属陶瓷换热管的使用周期。进一步地，所述稀土元素选自镧、钕、钇、钐、钪和铈的一种或几种；所述碱金属的氧化物选自氧化钾、氧化钠和氧化锂中的一种或几种。进一步地，氧化铍基陶瓷粉末的制备方法包括以下步骤：

步骤1、采用现有工艺制备坯料，然后在坯料的表面均匀涂覆釉料，再在1250℃下将烧制成烧制体；

步骤2、将烧制而成的预制体同氧化锌一起粉碎研磨成平均粒径小于50μm的粉末，即得到陶瓷粉末，其中，加入的氧化锌的质量不高于烧制体质量分数的2.5%。

为了更好地实施本发明所提供的氧化铍基金属陶瓷材料，氧化铍基金属陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：步骤1、取设计量的镍金属粉末和氧化铍基陶瓷粉末置于高速球磨机中进行混合研磨2-4h,高速球磨机转速为400rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；

步骤2、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为220-240mpa，压制速度为1.5mm/min，保压时间10min，得到压坯件；

步骤3、将得到的压坯件置于烘干炉中进行80℃保温烘干3-4h；

步骤4、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至300℃，初始升温速率为130℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1200℃/h，保温1h，再升温至1220℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，然后再降温至450℃，保温1h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；

步骤5、将得到的半成品进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥后即得。

在上述制备方法中，烧结出来的金属陶瓷成品能否达到设计要求，步骤4最为关键，在步骤4中，各参数值均不是随意设置，而是通过无数次实验测试得到的，例如：初始升温300℃，升温速率为130℃/h，烧结2h，此三种参数均需要同时满足才行，在此过程中，若升温速率高于130℃/h（例如达到135℃），在升温速率达到135℃/h使，则会导致压坯件内的气体产生量急剧增大，压坯件内外受热不均，内外热膨胀变形差值增大，导致压坯件在此过程中产生较大的内应力并不断积攒，在后期1000℃以上的烧结过程中，之前积攒的内应力会突然释放而导致压坯件内外出现烧结裂纹，由此产生“崩花”的现象，导致烧结失败。因此，想要得到符合设计要求的氧化铍基金属陶瓷材料，则必须要严格执行步骤4的各项参数。

为了更好地解释上述氧化铍基金属陶瓷材料具有良好的导热性和伸长率等性能，表1给出了部分实施例的配方。（%表示质量百分比）

表1实施例1-4的配方

性能测试

导热系数测试：按照astme1461闪光法导热系数测试；

伸长率测试：用万能材料试验机按照astme8/e8m测试。

测试结果如表2所示：

由表1和表2可以得到，当氧化铍基金属陶瓷换热管中含有较多量的氧化镓时，金属陶瓷换热管的导热系数和伸长率得到有效提高，导热系数达到213.3w/m·k，伸长率达到4.0%，因此，本发明的氧化铍基金属陶瓷材料具有优异的导热系数和伸长率，解决了传统氧化铍基金属陶瓷换热装置使用寿命短、换热效率低的问题，间接提高了预热炉的预热效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。