一種金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及加熱器，具體涉及一種金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前工業(yè)上使用的內(nèi)加熱器大部分采用金屬材料制成，對(duì)于加熱一些腐蝕性強(qiáng)的 物質(zhì)，仍存在腐蝕問(wèn)題。申請(qǐng)?zhí)枮?014106056655的專利（新申請(qǐng)）公開(kāi)了一種耐液鋅腐蝕 合金內(nèi)加熱器，該內(nèi)加熱器的外套管采用鎢鉬合金制成，其不足之處在于鎢鉬合金價(jià)格貴， 且目前技術(shù)不能制作一米以上大尺寸外套管。另外，選用無(wú)機(jī)非金屬材料如石英玻璃、碳化 娃、氮化娃或石墨等制成的內(nèi)加熱器，具有強(qiáng)度高，脆性大等特點(diǎn)，僅適用于特定物質(zhì)或作 業(yè)環(huán)境下的加熱，使用范圍小，損壞率高。楊萬(wàn)利等人對(duì)SiC復(fù)相陶瓷材料作為內(nèi)加熱器外 套管的制備工藝及性能進(jìn)行了研宄（楊萬(wàn)利，史忠旗，金志潔.SiC復(fù)相陶瓷內(nèi)加熱器套管 的制備及性能，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2012, 40 (3) :362-365)，通過(guò)復(fù)相復(fù)合工藝在一定程度上改善 了 SiC陶瓷的脆性，但該方法制得的為陶瓷與陶瓷復(fù)合材料套管，相對(duì)于普通陶瓷制備工 藝復(fù)雜、成本高，將該復(fù)合材料制成的內(nèi)加熱器套管應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)仍不能從根本上解決 陶瓷的脆性問(wèn)題。
[0003] 為降低陶瓷內(nèi)加熱器脆性，可以將金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器應(yīng)用于工業(yè) 范圍中鍋體的內(nèi)加熱，加熱效率高，節(jié)約能源，特別適用于對(duì)加熱一些腐蝕性強(qiáng)的物質(zhì)，對(duì) 加熱器外套管的耐蝕性要求較高的場(chǎng)合，但作為結(jié)構(gòu)材料，陶瓷是脆性材料，對(duì)缺陷非常敏 感，陶瓷固有的強(qiáng)度高和脆性使其難以加工與制造。而應(yīng)用于金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi) 加熱器外套管內(nèi)壁的金屬材料具有高的韌性、延展性和可加工性。但目前將金屬和陶瓷材 料進(jìn)行大面積的粘接、并制成特定形狀的套管仍就是當(dāng)前技術(shù)的研宄難點(diǎn)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型擬解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種金屬/陶瓷層 狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器，該加熱器外套管采用金屬/陶瓷復(fù)合材料，采用粘接合金實(shí)現(xiàn)金屬 與陶瓷材料的大面積連接，同時(shí)具有傳熱效率高、耐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于高腐蝕環(huán)境 并要求較高力學(xué)性能的熱鍍鋅領(lǐng)域。
[0005] 本實(shí)用新型解決所述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，提供一種金屬/陶瓷層狀 復(fù)合材料內(nèi)加熱器，包括外套管、導(dǎo)熱合金、加熱芯、防氧化劑、壓封裝置和吊環(huán)，其特征在 于所述外套管采用多層材料制成，外套管從接觸鋅液至遠(yuǎn)離鋅液的方向依次包括陶瓷層、 粘接合金層和金屬層，陶瓷層和金屬層通過(guò)粘接合金層粘合在一起；所述粘接合金層為 Al-Ti-Cu-Si合金；所述外套管與壓封裝置通過(guò)法蘭和密封墊相連，吊環(huán)固定在壓封裝置 上，所述加熱芯的上端與壓封裝置相連，加熱芯的下端放置于外套管內(nèi)，加熱芯由U型電熱 管組成，加熱芯位于外套管內(nèi)的部分上均勻分布有隔板，所述導(dǎo)熱合金放置于外套管內(nèi)，工 作時(shí)加熱芯浸泡在導(dǎo)熱合金中，防氧化劑覆蓋于導(dǎo)熱合金上表面。
[0006] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用粘接合金實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷層的連接，形成金屬/ 陶瓷層狀復(fù)合材料，粘接合金在工作溫度下為固液兩相，可以很好的調(diào)節(jié)外部陶瓷管的熱 應(yīng)力釋放。通過(guò)采用金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料制成的外套管既具有良好的耐鋅液腐蝕性 能，同時(shí)還有效抑制了陶瓷材料的脆性，制成了體積較大的內(nèi)加熱器，對(duì)于工業(yè)上需要進(jìn)行 大部件的鍍鋅生產(chǎn)提供了方便。本實(shí)用新型金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器的熱效率可 達(dá)到95%以上，升溫快；耐腐蝕性好，不易產(chǎn)生鋅渣；維護(hù)更方便，無(wú)需停產(chǎn)即可更換；結(jié)構(gòu) 更合理，安裝更簡(jiǎn)便，更能滿足工業(yè)鍍鋅生產(chǎn)需要。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1為本實(shí)用新型金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器一種實(shí)施例外套管1的管壁 切面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008] 圖2為本實(shí)用新型金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0009] 圖3為本實(shí)用新型金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0010] 圖中，1-外套管、2-導(dǎo)熱合金、3-加熱芯、4-防氧化劑、5-壓封裝置、6-吊環(huán)、 11-陶瓷層、12-粘接合金層（或粘接合金）、13-金屬層。
【具體實(shí)施方式】 [0011] 及實(shí)例
[0012] 下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型。
[0013] 本實(shí)用新型金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料內(nèi)加熱器（簡(jiǎn)稱加熱器，參見(jiàn)圖1-3)， 包括外套管1、導(dǎo)熱合金2、加熱芯3、防氧化劑4、壓封裝置5和吊環(huán)6,其中所述外套 管1采用多層材料制成，外套管1從接觸鋅液至遠(yuǎn)離鋅液的方向依次包括陶瓷層11、粘 接合金層12和金屬層13,陶瓷層11和金屬層13通過(guò)粘接合金層12粘合在一起；所述 粘接合金層12為Al-Ti-Cu-Si合金，所述Al-Ti-Cu-Si合金中各成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 Ti : 5-10 %，Cu: 3-8 %，Si : 9-14 %，余量為Al ;所述外套管1與壓封裝置5通過(guò)法蘭和密封 墊相連，吊環(huán)6固定在壓封裝置5上，所述加熱芯3的上端與壓封裝置5相連，加熱芯3的 下端放置于外套管1內(nèi)，加熱芯3由U型電熱管組成，加熱芯位于外套管內(nèi)的部分上均勻分 布有隔板，所述導(dǎo)熱合金2放置于外套管1內(nèi)，工作時(shí)加熱芯3浸泡在導(dǎo)熱合金中，防氧化 劑4覆蓋于導(dǎo)熱合金2上表面。
[0014] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述粘接合金層12的厚度為2-10_。
[0015] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述粘接合金層12的厚度為2-2. 5_。
[0016] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述陶瓷層11為金屬氧化物、碳化物或氮化物。
[0017] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述金屬層13為碳鋼、不銹鋼或有色金屬銅。
[0018] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述外套管1的形狀為長(zhǎng)方體或圓柱體。
[0019] 本實(shí)用新型加熱器設(shè)計(jì)的最初目的是在高腐蝕、高溫環(huán)境中使用，因此對(duì)加熱器 外壁的耐蝕性及強(qiáng)度要求上較為嚴(yán)格。本實(shí)用新型中加熱器外壁選用陶瓷層11，相對(duì)現(xiàn)有 技術(shù)中選用的金屬材料如鎢鉬合金等，具有更好的耐蝕性、強(qiáng)度更高，比如在鍍鋅行業(yè)中， 鋅液對(duì)金屬的腐蝕性極強(qiáng)而對(duì)陶瓷材料幾乎沒(méi)有腐蝕。該陶瓷層11可選用金屬氧化物、碳 化物或氮化物，如氧化鋯、氧化鋁、碳化硅和氮化硅等材料，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，金屬層、粘接合 金層和陶瓷層通過(guò)壓制制得金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料，由該復(fù)合材料可以制成特定形狀的 外套管，其外套管1的形狀可為長(zhǎng)方體或圓柱體，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)加熱鍋體的形狀及 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中鍋體中是否存在劇烈撞擊而來(lái)，圓柱體加熱器更有利于散熱，而長(zhǎng)方體加 熱器更有利于鍋內(nèi)空間的拓展；金屬層13為碳鋼、不銹鋼或有色金屬銅等，金屬層13在層 狀復(fù)合材料中起到增強(qiáng)材料韌性和可塑性的作用。該外套管1與加熱芯3之間裝有導(dǎo)熱合 金2,該導(dǎo)熱合金2具有低熔點(diǎn)、傳熱效率高的特征，在使用溫度下為液相，加熱芯3插入導(dǎo) 熱合金2后浸泡在其中，導(dǎo)熱效率極高；在加熱后處于液態(tài)的導(dǎo)熱合金2上其覆蓋有防氧化 劑4,該防氧化劑4為納米級(jí)粉末狀，可以有效減少液態(tài)金屬的氧化，另外，通過(guò)壓封裝置5 可實(shí)現(xiàn)與外界空氣的隔絕并使加熱管內(nèi)呈密封狀態(tài)。加熱芯3由四根U型電熱管組成，總 功率20千瓦。
[0020] 本實(shí)用新型中粘接合金12的制備方法是：在坩鍋爐內(nèi)將按照上述比例的鋁加熱 至660-880°C ;然后投放其他組成元素，組成元素 Cu、鈦和Si的含量根據(jù)粘接合金熔點(diǎn)的 設(shè)計(jì)要求依據(jù)相圖確定；投放時(shí)，先放一定比例的Cu，攪拌溶解后，再放入一定比例的Si和 Ti,邊溶解，邊攪拌，待全部溶解后在660-880°C下靜置30分鐘即得所述的粘接合金12,即 Al-Ti-Cu-Si 合金。
[0021] 本實(shí)用新型中金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料外套管1的制備方法是：將陶瓷層11和金 屬層13同時(shí)加熱到工藝溫度，設(shè)計(jì)工裝或利用復(fù)合材料自身形狀特點(diǎn)，使所述粘接合金12 與陶瓷層11和金屬層13進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)，將陶瓷層11和金屬層13同時(shí)加熱到比粘接合金 12高熔點(diǎn)相熔點(diǎn)高80-120°C的工藝溫度，根據(jù)計(jì)算體積數(shù)據(jù)，向陶瓷層11中添加一定質(zhì)量 的熔融態(tài)的粘接合金12,迅速將金屬層13裝入陶瓷層11中，同時(shí)給予金屬層13-定壓力， 并固定，使粘接合金12與陶瓷層11、粘接合金12與金屬層13進(jìn)行反應(yīng)。在工藝溫度下，粘 接合金12將陶瓷層11和金屬層13兩種材料復(fù)合成