一种碳纤维质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 106083143 A(43)申请公布日 2016.11.09

(21)申请号 201610433785.0(22)申请日 2016.06.18

(71)申请人 湖北神雾热能技术有限公司

地址 433000 湖北省仙桃市刘口工业园叶

王路特一号(72)发明人 吴道君　周守洪　李军营　姜朝兴　

杨晓波　(51)Int.Cl.

C04B 38/00(2006.01)C04B 35/48(2006.01)C04B 35/80(2006.01)C04B 35/622(2006.01)F28D 20/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书5页 附图1页

CN 106083143 A(54)发明名称

一种碳纤维质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺

(57)摘要

一种碳纤维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，其中无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆80-92份、氧化铝微粉2份～8份，二氧

氧化钕1-3份、氧化钡1-3份、氧化化硅2份～5份、

锌2-4份、碳纤维8-12份。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，长度达1000mm，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。

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权　利　要　求　书

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1.一种碳纤维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，其中无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆80-92份、氧化铝微粉2-8份，二氧化硅2-5份、氧化钕1-3份、氧化钡1-3份、氧化锌2-4份、碳纤维8-12份；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；所述制备工艺为：（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；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；（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，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，最高烧结温度1600℃，烧成时间96h后制得成品。

2.根据权利要求1所述的碳纤维质大规格陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征是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。

3.根据权利要求1所述的碳纤维质大规格陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征是所述有机增塑剂为聚氧化乙烯、聚乙烯醇的组合物。

4.根据权利要求1所述的碳纤维质大规格陶瓷蓄热体的制备工艺，其特征是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；所述润滑剂为植物油、矿物油、凡士林的一种或多种组合。

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一种碳纤维质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺

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技术领域

[0001]本发明属于工业节能、减排设备领域，尤其涉及一种碳纤维质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺。

背景技术

[0002]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。

[0003]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。[0004]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。发明内容

[0005]本发明提供一种碳纤维质大规格陶瓷蓄热体及其制备工艺，用以解决现有蜂窝陶

形状不规整、尺寸小、长度短、孔径较大、壁厚，使用过程中易瓷耐磨性能、耐腐蚀性能不高，

堵塞烟道、热能浪费大、热换效率低等技术问题。

[0006]为了解决以上技术问题,本发明所采取的技术方案是：为了解决以上技术问题,本发明所采取的技术方案是：一种碳纤维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，其中无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆80-92份、氧化铝微粉2-8份，二氧化硅2-5份、氧化钕1-3份、氧化钡1-3份、氧化锌2-4份、碳纤维8-12份；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；所述制备工艺为：（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～

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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；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；（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，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，最高烧结温度1600℃，烧成时间96h后制得成品。[0007]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

均匀的混合泥料网络。瓷粉料形成更为致密、

[0008]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。[0009]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。[0010]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，长度达1000mm，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

[0011]图1所示是本发明横截面为正方形的结构示意图。

具体实施方式

[0012]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。[0013]如图1所示，该碳纤维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（即柱体长度与截面外接圆直径比≥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。[0014]实施例一：

该碳纤维质大规格陶瓷蓄热体的制备工艺，外形尺寸为150mm×150mm，长度为500mm。其制备工艺为：制作的蓄热式蜂窝体截面呈正方形；（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，无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆80份、氧化铝微

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粉2份，二氧化硅2份、氧化钕1份、氧化钡1份、氧化锌2份、碳纤维9份；（2）加添加剂，添加剂成分为羟乙基纤维素4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，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，经真空挤制机在相对真空度均为-0.09MPa中初练，练成密实的泥料块；（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540mm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。[0015]性能指标：成品的尺寸为150mm×150mm×1000mm。耐硫酸侵蚀率0.34wt%（GB/T17601-2008）；比热容869J/Kg；吸水率0.4%；抗热冲击温度600℃；耐压强度（轴向）：68MPa；耐磨性0.4cm3。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。[0016]实施例二：

该碳纤维质大规格陶瓷蓄热体截面呈正方形，尺寸为150mm×150mm，长度为1000mm。其

（1）干混，首先将无机粉料加入球磨机中，制备工艺为：制作的蓄热式蜂窝体截面呈正方形；

干混6小时，过80目的筛网，无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆85份、氧化铝微粉4份，二氧化硅3份、氧化钕2份、氧化钡1份、氧化锌3份、碳纤维10份；（2）加添加剂，添加剂成分为甲基纤维素1重量份、氰乙基纤维素4重量份、聚乙烯醇2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，经真空挤制机在相对真空度均为-0.08MPa中初练，练成密实的泥料块；（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。[0017]性能指标：成品的尺寸为150mm×150mm×1000mm。耐硫酸侵蚀率0.32wt%（GB/T17601-2008）；比热容865J/Kg；吸水率0.5%；抗热冲击温度600℃；耐压强度（轴向）：67MPa；耐磨性0.4cm3。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

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置的蓄放热性能、高温性能和抗热冲击性能得到充分发挥。[0018]实施例三：

该碳纤维质大规格陶瓷蓄热体截面呈长方形，外形尺寸为150mm×100mm，长度为800mm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，无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆90份、氧化铝微粉6份，二氧化硅4份、氧化钕2份、氧化钡2份、氧化锌3份、碳纤维8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1重量份、氰乙基纤维素1重量份、聚乙烯醇2重量份、聚氧化乙烯1重量份、已二醇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，经真空挤制机在相对真空度均为-0.08MPa中初练，练成密实的泥料块；（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。[0019]性能指标：成品的尺寸为150mm×150mm×1000mm。耐硫酸侵蚀率0.33wt%（GB/T17601-2008）；比热容8J/Kg；吸水率0.4%；抗热冲击温度600℃；耐压强度（轴向）：69MPa；耐磨性0.4cm3。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。[0020]实施例四：

该碳纤维质大规格陶瓷蓄热体截面呈半圆形，外形尺寸为150mm×75mm，长度为600mm，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，无机粉料包括以下重量配比的组分：氧化锆92份、氧化铝微粉8份，二氧化硅5份、氧化钕3份、氧化钡3份、氧化锌4份、碳纤维8份；（2）加添加剂，添加剂成分为羟乙基纤维素3重量份、氰乙基纤维素3重量份、聚乙烯醇2重量份、聚氧化乙烯1重量份、（聚乙二醇400）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，经真空挤制机在相对真空度均为～0.08MPa中初练，练成密实的泥料块；（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660mm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

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℃：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。[0021]性能指标：成品的尺寸为150mm×150mm×1000mm。耐硫酸侵蚀率0.29wt%（GB/T17601-2008）；比热容863J/Kg；吸水率0.3%；抗热冲击温度800℃；耐压强度（轴向）：77MPa；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。[0022]对比例1：新型蓄热材料的生产方法包括以下步骤：

1）称取粉料α氧化铝70份、高岭土10份、石英粉5份、滑石5份、钾长石5份倒入粉体混料均化机中；

2) 称取5.5份水；

3) 称取1份菜油或其它油脂；4) 开启粉体混料均化机，将上述物料在粉体混料均化机中进行捏合，然后将物料送至真空练泥机中进行初练，陈腐，精炼，挤制成型后，送入干燥机定型、干燥，烧制制得成品。[0023]将实施例1-4得到的蜂窝陶瓷和现有产品进行试验，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。

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