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蜂窝陶瓷体的工艺现状及改进

蜂窝陶瓷体的工艺现状及改进

浏览: 发布日期:2018-08-08 09:22

目前,国内轧钢厂加热炉使用的蜂窝陶瓷体(热风温度>800℃),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长的约3个月。鉴于上述原因,在大板坯加热炉上至今也未能使用。使用寿命短给钢厂带来了很多不便,一是维修频繁,影响正常生产;二是蜂窝陶瓷体价格昂贵,增大使用成本。

一、蜂窝陶瓷体的工艺现状

耐火材料粉体的成型有多种方法,根据制品形状和要求主要有:模压成型、等静压成型、挤出成型、注浆成型和热压铸成型。目前,国内以及国外陶瓷蜂窝体(小孔壁)基本采用挤出成型,它的形状是由模具形状决定的。挤出成型工艺为: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。挤出模具的设计和制造是蜂窝陶瓷体生产中的关键。

挤出模具一般使用45#钢或模具钢,进泥孔打孔深度为6-10mm。对于正方形蜂窝结构,其线切割深度为3-10mm,线切割于模具平面内平行进行,线切割缝宽即为产品的壁厚,一般在0.2-0.8mm范围内。垂直于模具平面钻出进泥圆孔, 其面积与十字出泥孔面积比为(1.15-1.2):1。蜂窝陶瓷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。

蜂窝陶瓷体

1、制造工艺的局限性

挤出工艺存在两方面的局限性:

1)为能保证蜂窝陶瓷体成型,在坯料中加入较多添加剂,如:加水16%-20%,有机结合剂7%-10%,润滑剂3%-5%, 表面活性剂1%-2%。

2)蜂窝孔的壁厚受到限制,蜂窝孔为3mm×3mm时,其孔壁的厚度≤1mm。为安全起见,壁厚一般采用0.5-0.8mm。挤出式蜂窝体(蜂窝陶瓷体)模具要求进泥孔的截面积与出泥孔的截面积之比≥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,使制品的密度下降或壁厚不均匀,这样蜂窝体易弯曲断裂。挤出蜂窝体模具局部放大如图1所示。

图1 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

2、蜂窝陶瓷体断裂烧蚀解析

造成蜂窝陶瓷体断裂烧蚀的原因主要如下:

1)在制造过程中,为使蜂窝陶瓷体挤出时不断裂,所以坯料应具备较好的可塑性。因此,需加入可提高坯料塑性的各种有机物,约占坯料的10%,其影响了制品的高温使用特性,加速了制品在高温下的“软熔”现象。由于靠近炉膛一端,蜂窝陶瓷体通道表面出现“软熔”,蜂窝孔通道内壁表面粘度增大,这样易粘结炉内的粉尘,尤其是金属氧化物粉末, 更加速了堵塞结瘤和侵蚀烧损。

2)可塑性泥料在挤压时是一种粘质流体,由于模具通道表面不光滑,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。在挤压泥料时,坯体在结构上会连续发生:破裂-弥补-再破裂-再弥补的频繁重组过程。在这个过程中,会使因坯料结构不断变化形成的应力存留下来。因此,成型体自然干燥超过12h,蜂窝陶瓷体外壁就会开裂。所以,自然干燥3-5h后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存留于坯体中,在高低温频繁的交替中蜂窝陶瓷体将会破裂。

3)蜂窝通孔尺寸一经确定,其壁厚就受到限制。根据近年来研究蜂窝陶瓷体结构强度的文献报道,蜂窝体(蜂窝陶瓷体)法线方向受力是轴线方向的200-10000倍,而蜂窝体结构的强度恰恰是垂直于通道方向的最薄弱。在生产使用中出现的拉应力已经大于法线方向孔壁的允许应力,所以易造成蜂窝体破裂。

二、蜂窝陶瓷体改进措施及性能对比测试

1、改进措施

基于国内大多数加热炉控制水平低和燃烧状况恶劣的情况,着重进行两方面改进:一是当挤出成型同样尺寸的方孔时,在孔壁厚度上增加50%,提高蜂窝陶瓷体的结构强度;二是配料时只需加入2%-3%(w)的添加剂,可任意选择不同种类、不同粒度的粉料,并采用蜂窝陶瓷体增韧和抗热震工艺技术。制造工艺及材料的选择应采用:

1)在制造工艺上,把模压和挤出两种成型法合为一体,即模挤压方法。这消除了蜂窝陶瓷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陶瓷体。目前已经研制出蜂窝孔尺寸为3mm×3mm、壁厚为1.5mm和蜂窝孔尺寸为2mm×2mm、壁厚为1mm 的蜂窝式蓄热体。

2)在配料上,主要采用红柱石为原料。红柱石材料耐火度1780℃(而传统所用堇青石的耐火度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,当制品受压时有利于消耗和释放应力。

2、性能对比测试

不采用标准试块,而选用不同厂家挤出成型的蜂窝陶瓷体A、B、C直接测试。测试用的蜂窝陶瓷体外形尺寸和改进的蜂窝陶瓷体一样,均为51mm×51mm×51mm,蜂窝通孔尺寸一样也为3mm×3mm。做抗热震性试验时,先将炉温升到1100℃时,再将温度保持在10℃左右的蜂窝体(蜂窝陶瓷体)放入炉内,加热5min后,蜂窝体通孔保持垂直方向投入温度始终为23℃、水深为60mm的水槽中。以此循环到蜂窝体断裂或破碎为最后次数。测试结果见表1。

表1 蜂窝陶瓷体实际测试数据
蜂窝陶瓷体名称 改进的蜂窝体 蜂窝体A 蜂窝体B 蜂窝体C
体积密度,g/cm3 1.04 0.92 0.86 0.71
通孔壁厚,mm 1.5 1.0 0.8 0.5
实测蓄热量,kJ(1150℃ 5min) 168.5 144.5 122.3 104.6
比表面积,(m2/m3) 558 714 780 904
抗热震性,次(1100℃ 水冷) 15(平均) 15(平均) 15(平均) 15(平均)

三、结语

改进的蜂窝陶瓷体,能适应我国大多数加热炉控制水平低,燃烧状况恶劣的实际条件,蓄热量增大了1.2-1.5倍,换向周期比挤出式蜂窝体提高1.2-1.5倍,相对提高了换向装置和蜂窝陶瓷体的使用寿命。使用寿命的大幅度提高,满足了加热炉维修周期的要求,即可与加热炉小修周期同步。

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