一种尖晶石质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺的制作方法

本发明属于工业节能、减排设备领域，尤其涉及一种尖晶石质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺。

背景技术：

蓄热式燃烧技术已经在工业炉上获得广泛应用，其技术核心之一是高温蓄热蜂窝体。蓄热式蜂窝陶瓷由于良好的蓄放热性能、高温性能和抗热冲击性能，替代了传统的蓄热式小球、格子砖。使用时，通过换向使高温烟气和低温气体（如空气煤气）以相反的方向轮流通过蓄热体，使蓄热体不断吸热放热、作为热交换的媒介，达到烟气与空气煤气换热的目的。具体过程为：高温烟气通过蓄热体时，蓄热体被加热至高温，烟气温度经大幅降低后排放，此时热量蓄积在蓄热体中；换向后，低温空气或煤气从反方向流经蓄热体，被加热至高温，蓄热体放热并降温；再次换向后，烟气通过蓄热体，将蓄热体加热。如此循环往复，实现烟气的低温排放和热能回收利用。

蜂窝陶瓷的换热面积与蜂窝陶瓷孔径和壁厚有直接关系。蜂窝陶瓷产品孔径越小、壁厚越薄，表面积越大，换热面积也越大，换热效率也越高。但应用过程中，有很多原因使蓄热体无法使用，究其原因，主要是现有蜂窝陶瓷配方及制作工艺不尽合理，导致烧成后蜂窝体耐磨性能、耐腐蚀性能不高、尺寸小、长度短、孔径较大、壁厚、整体形状不规则、机械强度不高、寿命短。

当蜂窝陶瓷体尺寸小、长度短时，蓄热室由多个小的蜂窝体拼装而成，蜂窝体之间有一定间隙。这样就造成任何两个蜂窝体之间的气流孔是断开的且存在严重的错位现象。烟气中的灰尘和颗粒物在蜂窝体之间的交错部位沉积，最后堵住气流通孔。而且现有蜂窝陶瓷体因材料不理想，导致换热效率也受到影响。

技术实现要素：

本发明提供一种尖晶石质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺，用以解决现有蜂窝陶瓷耐磨性能、耐腐蚀性能不高，形状不规整、尺寸小、长度短、孔径较大、壁厚，使用过程中易堵塞烟道、热能浪费大、热换效率低、机械强度不高、寿命短等技术问题。

为了解决以上技术问题,本发明所采取的技术方案是：一种尖晶石质大规格陶瓷蓄热体，其特征是所述蓄热体为柱体结构，蓄热体内部设有多个贯通柱体的孔道，所述蓄热体由无机粉料和添加剂烧结而成，其中无机粉料由以下重量配比的组分组成：MgAl₂O₄25-35份、纳米氧化锆15-20份、钾长石20-25份、α氧化铝5-10份、石墨5-12份、氮化硅 2-4份、碳化硅 6-10份、氧化铍0.1-0.3份。

作为优选，所述蓄热体的截面形状为多边形、半圆形、圆形、弓形、扇形的一种，所述孔道的截面形状为多边形、半圆形、圆形、弓形、扇形的一种或多种组合，所述蓄热体截面外接圆直径≥150mm，柱体长度与截面外接圆直径比≥3。

一种尖晶石质大规格陶瓷蓄热体的制备工艺，其制备工艺为：（1）干混：首先将无机粉料加入球磨机中，干混6～8小时，过80目的筛网；（2）加添加剂，所述添加剂成分包括有机粘结剂、增塑剂和保湿剂，按无机粉料100份重量份计算，其中有机粘结剂为2.0～5.0重量份，增塑剂为0.5～3.0重量份，保湿剂为0.5～3.0重量份；（3）捏合，在捏合机中边搅拌边加入水和润滑剂；（4）初练：将泥料在真空练泥机上进行初练，初练时练泥机真空度≥-0.05MPa，练成密实的泥料块，检测泥料块的含水率、可塑性指标；（5）陈腐：将泥料块置于环境为3℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间5h，再将泥料块置于环境为8～25℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间≥24h；（6）精炼并过滤：经真空挤制机精炼后，在相对真空度均为-0.09MPa中进行，再经过滤机过滤；（7）采用卧式真空挤出机挤出成型；（8）干燥：首先采用蒸汽熏蒸2小时，可以预防裂纹产生，然后放入微波炉，微波干燥15分钟，再送入热风炉采用热风干燥1小时；（9）切割，烧结：对坯料进行切割，然后在氮化室中进行烧成，最高烧结温度1600℃，烧成时间96h后制得成品。

作为优选，所述在氮化室中进行烧成的过程为：从室温升到1400℃，升温速度50℃/分钟， 在1400℃保温2～2.5小时；然后从1400℃升到1550～1600℃：升温速度25℃/分钟，在1550～1600℃保温2.5-3小时。

作为优选，所述有机粘结剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、硅酸丁酯、醋酸乙烯树脂、改性淀粉中的一种或多种组合。

作为优选，所述有机增塑剂为聚氧化乙烯、聚乙烯醇的组合物。

作为优选，所述保湿剂为聚乙二醇、甘油、丁二醇、丙二醇、已二醇、木糖醇、聚丙二醇、山梨糖醇中的一种或多种组合。

作为优选，所述润滑剂为植物油、矿物油、凡士林的一种或多种组合。

作为优选，所述步骤（4）初练中，所述泥料块的含水率、可塑性指标为：含水率28～32%，挤出力塑性1700～2200N。

作为优选，所述蓄热体上端面设有至少一条定位凹槽，所述蓄热体下端面设有与定位凹槽配合的定位凸条。

作为优选，所述蓄热体侧部还设有轴向凹槽。

有机粘结剂、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、保湿剂的加入，以及二次陈腐过程，可以让陶瓷粉料形成更为致密、均匀的混合泥料网络。

干燥过程中，首先蒸汽熏蒸2小时，可以预防裂纹产生，然后放入微波炉，微波干燥可以全面降低泥料含水率，再送入热风炉采用热风干燥1小时，获得非常合适的含水率。这样既可防止湿坯在干燥过程中尽量不开裂，又在成型中起着降低泥料成型压力的作用。

蜂窝体的定位凸条与定位凹槽配合，可以防止两个蜂窝体上下端面之间气流孔错位现象发生。增设的轴向凹槽一定程度上增加了蓄热体气孔率、提高了蓄热体热交换效率。

本发明具有良好的成型性能和保形性能。采用本发明配方和生产方法，蓄热体抗压性能突出，并且孔道密集，壁厚薄，壁厚仅为1mm，截面尺寸大，截面尺寸大于100cm²，长径比高，长度可达1000mm以上，所有孔道具有阻力小，积灰少，不易堵塞，排尘性能良好等特点。安装后可以大幅减少两个蜂窝体之间的气流孔错位现象，沿气流方向的通道非常畅通。并且蓄热体蓄放热性能、耐磨性能、耐腐蚀性能好，耐热冲击性能好、换热效率高，因而是节约资源、绿色环保的新型产品。

附图说明

图1所示是本发明横截面为正方形的结构示意图；

图2所示是本发明横截面为长方形、孔道截面为六边形的结构示意图；

图3所示是本发明横截面为弓形的结构示意图；

图4所示是本发明横截面为梯形的结构示意图；

图5所示是本发明横截面为长方形、孔道截面为正方形的结构示意图；

图6所示是本发明横截面为圆形的结构示意图；

图7所示是本发明垂直定位时的结构示意图；

图8所示是本发明水平定位时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如图1、2、3、4、5、6所示，该尖晶石质大规格陶瓷蓄热体的截面形状为正方形、长方形等多边形的一种，或者是半圆形、圆形、弓形、扇形等形状的一种。蓄热体截面尺寸≥150mm，长径比≥ 3（即柱体长度L与截面外接圆直径d比≥3），蓄热体内部设有大小均匀且呈平行或交错排列的孔道1，孔道1截面的形状根据实际需求选择：可以为方形、三角形、五边形、六边形等多边形的一种或半圆形、圆形、弓形、扇形的一种或以上多种形状的组合。

如图7所示，蓄热体上端面设有至少一条定位凹槽2，所述蓄热体下端面设有与定位凹槽2配合的定位凸条3。定位凸条3与定位凹槽2配合，可以让上下两块蓄热体定位准确，防止两个蜂窝体上下端面之间气流孔错位现象发生。

此外，如图8所示，还可在蓄热体侧部设置轴向凹槽4，让两个蜂窝体之间的轴向凹槽4对接后形成烟气通道，这一定程度上增加了蓄热体气孔率，提高了蓄热体热交换效率。

实施例一：

制作的大规格陶瓷蓄热体，截面呈正方形；其制备工艺为：（1）干混，首先将无机粉料加入球磨机中，干混4小时，过100目的筛网，无机粉料由以下重量配比的组分组成：MgAl₂O₄26份、纳米氧化锆16份、钾长石21份、α氧化铝6份、石墨5份、氮化硅 2份、碳化硅 6份、氧化铍0.1份。（2）加添加剂，添加剂成分为甲基纤维素1重量份、羟乙基纤维素2重量份、氰乙基纤维素1重量份、聚乙烯醇1重量份、聚氧化乙烯1重量份、木糖醇2重量份；（3）捏合，在捏合机中边搅拌边加入水和润滑油，捏合时，加入400kg料后，边搅拌边分5次加入水，水加完后继续搅拌5分钟并一次性加入桐油，20分钟后停止搅拌；（4）初练，将泥料在真空练泥机上进行初练，初练时练泥机真空度为-0.09MPa，练成密实的泥料块，泥料块含水率为28～32%，挤出力塑性为1700～2200N；（5）陈腐，将泥料块置于环境为3℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间5h，再将泥料块置于环境为8℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间26h；（6）精炼，过滤，再经真空挤制机精炼后，在相对真空度均为-0.09MPa中进行，再经过滤机过滤；（7）挤出成型，在卧式挤出机挤成750mm长的湿坯；（8）首先采用蒸汽熏蒸2小时，然后放入微波炉，微波干燥15分钟，再送入热风炉采用热风干燥1小时；（9）切割，烧结：对坯料进行切割，然后在氮化室中进行烧成，首先从室温升到1400℃，升温速度50℃/分钟， 在1400℃保温2～2.5小时；然后从1400℃升到1550～1600℃：升温速度25℃/分钟，在1550～1600℃保温2.5-3小时，烧成时间96h后制得成品。

性能指标：成品的尺寸为150mm×150mm×700mm。耐硫酸侵蚀率0.5wt%（GB/T17601-2008）；比热容865J/Kg；吸水率5%；抗热冲击温度470℃；耐压强度（轴向）：90MPa；耐磨性0.3cm³。成品截面尺寸大，长径比高，安装后沿气流方向通道畅通，阻力小，积灰少。实际使用表明：因为该蜂窝陶瓷蓄热体尺寸大、形状规整，安装后，蜂窝体之间的孔道1对位准确，沿气流方向通常只要1—2块蜂窝陶瓷蓄热体串联就能保证气道通畅，让整个蓄热装置的蓄放热性能、高温性能和抗热冲击性能得到充分发挥。

实施例二：

制作的大规格陶瓷蓄热体，截面呈长方形；其制备工艺为：（1）干混，首先将无机粉料加入球磨机中，干混6小时，过80目的筛网，无机粉料由以下重量配比的组分组成：MgAl₂O₄28份、纳米氧化锆17份、钾长石24份、α氧化铝8份、石墨8份、氮化硅3份、碳化硅 7份、氧化铍0.1份；（2）加添加剂，添加剂成分为甲基纤维素2重量份、羟乙基纤维素2重量份、聚乙烯醇1重量份、聚氧化乙烯1重量份、聚丙二醇2重量份；（3）捏合，在捏合机中边搅拌边加入水和润滑油，捏合时，加入400kg料后，边搅拌边分3次加入水，水加完后继续搅拌2分钟分两次加入桐油，30分钟后停止搅拌；（4）初练，将泥料在真空练泥机上进行初练，初练时练泥机真空度为-0.09MPa，练成密实的泥料块，泥料块含水率为28～32%，挤出力塑性为1700～2200N；（5）陈腐将泥料块置于环境为3℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间5h，再将泥料块置于环境为12℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间24h；（6）精炼，过滤，再经真空挤制机精炼后，在相对真空度均为-0.08MPa中进行；（7）挤出成型，在卧式挤出机挤成1050mm长的湿坯；（8）首先采用蒸汽熏蒸2小时，然后放入微波炉，微波干燥15分钟，再送入热风炉采用热风干燥1小时；（9）切割，烧结：对坯料进行切割，然后在氮化室中进行烧成，首先从室温升到1400℃，升温速度50℃/分钟， 在1400℃保温2～2.5小时；然后从1400℃升到1550～1600℃：升温速度25℃/分钟，在1550～1600℃保温2.5-3小时，烧成时间96h后制得成品。

性能指标：成品的尺寸为200mm×150mm×1000mm。耐硫酸侵蚀率0.5wt%（GB/T17601-2008）；比热容864J/Kg；吸水率4%；抗热冲击温度470℃；耐压强度（轴向）：87MPa；耐磨性0.32cm³。成品截面尺寸大，长径比高，安装后沿气流方向通道畅通，阻力小，积灰少。实际使用表明：因为该蜂窝陶瓷蓄热体尺寸大、形状规整，安装后，蜂窝体之间的孔道1对位准确，沿气流方向通常只要1—2块蜂窝陶瓷蓄热体串联就能保证气道通畅，让整个蓄热装置的蓄放热性能、高温性能和抗热冲击性能得到充分发挥。

实施例三：

制作的大规格陶瓷蓄热体，截面呈长方形；其制备工艺为：（1）干混，首先将无机粉料加入球磨机中，按所需粉料加入球磨机中，干混3小时，过80目的筛网，无机粉料由以下重量配比的组分组成：MgAl₂O₄30份、纳米氧化锆18份、钾长石20份、α氧化铝8份、石墨10份、氮化硅 3份、碳化硅 8份、氧化铍0.2份；（2）加添加剂，添加剂成分为氰乙基纤维素3重量份、聚乙烯醇1重量份、聚氧化乙烯1重量份、（聚乙二醇400）2重量份；（3）捏合，在捏合机中边搅拌边加入水和润滑油，捏合时，加入400kg料后，搅拌15min后先加入一半的水，继续搅拌5分钟后加入一半的菜籽油，过5分钟后加入剩下的水和菜籽油，再过20分钟后停止搅拌；（4）初练，将泥料在真空练泥机上进行初练，初练时练泥机真空度为-0.09MPa，练成密实的泥料块，泥料块含水率为28～32%，挤出力塑性为1700～2200N；（5）陈腐，将泥料块置于环境为3℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间5h，再将泥料块置于环境为20℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间26h；（6）精炼，过滤，再经真空挤制机精炼后，在相对真空度均为-0.09MPa中进行，再经过滤机过滤；（7）挤出成型，在卧式挤出机挤成880mm长的湿坯；（8）首先采用蒸汽熏蒸2小时，然后放入微波炉，微波干燥15分钟，再送入热风炉采用热风干燥1小时；（9）切割，烧结：对坯料进行切割，然后在氮化室中进行烧成，首先从室温升到1400℃，升温速度50℃/分钟， 在1400℃保温2～2.5小时；然后从1400℃升到1550～1600℃：升温速度25℃/分钟，在1550～1600℃保温2.5-3小时，烧成时间96h后制得成品。

性能指标：成品的尺寸为150mm×130mm×800mm。耐硫酸侵蚀率0.4wt%（GB/T17601-2008）；比热容869J/Kg；吸水率6%；抗热冲击温度470℃；耐压强度（轴向）：86MPa；耐磨性0.31cm³。成品截面尺寸大，长径比高，安装后沿气流方向通道畅通，阻力小，积灰少。实际使用表明：因为该蜂窝陶瓷蓄热体尺寸大、形状规整，安装后，蜂窝体之间的孔道1对位准确，沿气流方向通常只要1—2块蜂窝陶瓷蓄热体串联就能保证气道通畅，让整个蓄热装置的蓄放热性能、高温性能和抗热冲击性能得到充分发挥。

实施例四：

制作的大规格陶瓷蓄热体，截面呈半圆形；其制备工艺为：（1）干混，首先将无机粉料加入球磨机中，按所需粉料加入球磨机中，干混6小时，过120目的筛网，无机粉料由以下重量配比的组分组成：MgAl₂O₄35份、纳米氧化锆20份、钾长石25份、α氧化铝10份、石墨12份、氮化硅4份、碳化硅10份、氧化铍0.3份；（2）加添加剂，添加剂成分为甲基纤维素3重量份、氰乙基纤维素2重量份、聚乙烯醇1重量份、聚氧化乙烯2重量份、丁二醇3重量份；（3）捏合，在捏合机中边搅拌边加入水和润滑油，捏合时，加入400kg料后，搅拌20min后一次性加入水，继续搅拌5分钟后加入所有的菜籽油，捏合过30分钟后停止搅拌；（4）初练，将泥料在真空练泥机上进行初练，初练时练泥机真空度为-0.09MPa，练成密实的泥料块，泥料块含水率为28～32%，挤出力塑性为1700～2200N；（5）陈腐，将泥料块置于环境为3℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间5h，再将泥料块置于环境为25℃的陈腐室内进行陈腐，陈腐时间29h；（6）精炼，过滤，再经真空挤制机精炼后，在相对真空度均为-0.06MPa中进行，再经过滤机过滤；（7）挤出成型，在卧式挤出机挤成1080mm长的湿坯；（8）首先采用蒸汽熏蒸2小时，然后放入微波炉，微波干燥15分钟，再送入热风炉采用热风干燥1小时；（9）切割，烧结：对坯料进行切割，然后在氮化室中进行烧成，首先从室温升到1400℃，升温速度50℃/分钟， 在1400℃保温2～2.5小时；然后从1400℃升到1550～1600℃：升温速度25℃/分钟，在1550～1600℃保温2.5-3小时，烧成时间96h后制得成品。

性能指标：成品的尺寸为280mm（直径d）×1000mm。耐硫酸侵蚀率0.4wt%（GB/T17601-2008）；比热容864J/Kg；吸水率6%；抗热冲击温度470℃；耐压强度（轴向）：89MPa；耐磨性0.31cm³。成品截面尺寸大，长径比高，安装后沿气流方向通道畅通，阻力小，积灰少。实际使用表明：因为该蜂窝陶瓷蓄热体尺寸大、形状规整，安装后，蜂窝体之间的孔道1对位准确，沿气流方向通常只要1—2块蜂窝陶瓷蓄热体串联就能保证气道通畅，让整个蓄热装置的蓄放热性能、高温性能和抗热冲击性能得到充分发挥。

对比例1：新型蓄热材料的生产方法包括以下步骤：

向陶瓷粉料（钾长石25%、莫来石65%、高岭土8%、α-Al₂0₃2%）79.2份中加入硅溶胶3.5份、羧甲基纤维素3份、氯化铵溶液0.3份、甘油3.5份和水14份进行混炼，制成泥料；将泥料通过模具挤出成型，制成坯料；将坯料干燥后，送入隧道窑内于1425℃烧制10小时，即得成品。

将实施例1-4得到的蜂窝陶瓷和现有产品对比进行试验，实验结果如下表所示：

最后，应当指出，以上具体实施方式仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述具体实施方式，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。