基于3d打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于土木工程和環(huán)境保護【技術(shù)領(lǐng)域】的一種基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法。首先，根據(jù)煙囪的排煙功能要求和碳化硅增強硼硅酸鹽玻璃的力學(xué)性能，計算煙囪的尺寸并在計算機生成煙囪的數(shù)字化3D模型，然后使用碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃作為建筑材料，以3D打印技術(shù)作為成型手段來制備脫硫排煙煙囪；本發(fā)明使用碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃具有耐高溫性能好、熱膨脹系數(shù)小、抗溫度變形能力好和抗硫酸侵蝕能力強的特點，同時使用3D打印的手段建造的煙囪是一個整體，因此無接縫和縫隙，無滲漏的風(fēng)險，具有施工效率高和自動化的特點，避免了人力施工、施工環(huán)境和個人操作水平而帶來的缺陷。
【專利說明】基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程和環(huán)境保護【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙園建造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是世界上煤炭資源的最大生產(chǎn)國，2011年我國的煤炭產(chǎn)量占世界生產(chǎn)總量的50%。我國同時也是煤炭資源的消費大國，消費數(shù)額占本國煤炭生產(chǎn)總量的94%。煤是火力發(fā)電廠的常用燃料，截止到2011年底，我國發(fā)電裝機容量10.5億千瓦，其中，水電2.3億千瓦，火電7.6億千瓦，核電1191萬千瓦，風(fēng)電4700萬千瓦，即火力發(fā)電占我國裝機總量的72.4%。煤作為一種化石燃料，其主要的可燃組分是碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)和硫(S)，其中碳在完全燃燒后生成二氧化碳(C02)、氫在燃燒后生成水(H2O),氮在高溫下與氧形成氮的氧化物Νχ0，Νχ0會污染大氣，為有害物質(zhì)。硫在燃燒后生成二氧化硫(SO2)和少量的三氧化硫(S03)。SO2和SO3在與煙氣中的水分結(jié)合后形成亞硫酸(H2SO3)和硫酸(H2SO4)，會造成煙囪外側(cè)鋼筒和金屬管道的腐蝕，同時，SO2和SO3排放到大氣后還會對大氣造成污染，導(dǎo)致酸雨和人類的呼吸道疾病。
[0003]2011年，我國SO2排放總量為2218萬噸，其中電力行業(yè)排放量占45%。為避免或減緩火力發(fā)電過程中排放SO2造成的空氣污染，目前最主要和最有效的方法是進行煙氣脫硫，其中濕法煙氣脫硫是采用最多的脫硫工藝，占世界全部脫硫裝置的90%以上。在濕法煙氣脫硫過程中，通常采用的方法是石灰-石膏濕法脫硫技術(shù)，其具體方法是:首先將石灰石經(jīng)過破碎、研磨、制成漿液后輸送到吸收塔，在吸收塔內(nèi)漿液經(jīng)循環(huán)泵送到噴淋裝置；之后，煙氣在吸收塔中與噴淋的石灰 石漿液接觸，其中的SO2與CaCO3反應(yīng)后生成的亞硫酸鈣，亞硫酸鈣經(jīng)氧化處理生成硫酸鈣(二水石膏);最后，硫酸鈣從吸收塔中排出。由于石灰-石膏濕法脫硫方法是氣-液反應(yīng)，因此其脫硫反應(yīng)快、效率高，當(dāng)脫硫控制措施適宜時，其脫硫率可達 90-95%。
[0004]但即便是在上述很高的脫硫率情況下，煙氣中依然存在未被脫除的SO2 ;同時，在燃煤發(fā)電過程中，煤中約有0.5-2%的硫在燃燒的過程中被轉(zhuǎn)化為SO3，在濕法脫硫過程中，相對于S02，SO3的脫除效率較差，大約只有20%的SO3被脫除，其余的則被煙氣帶出，同時，煙氣中剩余的SO2，在過量空氣存在以及煤燃燒后生成的灰分中V2O5的催化作用下，會轉(zhuǎn)化為S03。經(jīng)過濕法脫硫后，煙氣的溫度會下降，其中的SO3會溶解于煙氣因冷凝而產(chǎn)生的液體中，形成硫酸溶液并造成煙囪的腐蝕。
[0005]當(dāng)煙囪內(nèi)部的煙氣溫度低于硫酸的露點溫度時，在煙囪的內(nèi)壁上會出現(xiàn)因冷凝現(xiàn)象而產(chǎn)生的液體，通常稱為冷凝液，該冷凝液具有很高的酸度，其pH值通常為2.0左右,根據(jù)我國GB50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》，pH為2.0的硫酸對鋼筋混凝土和鋼材均表現(xiàn)為強腐蝕作用。要避免冷凝液對煙囪的腐蝕，首先需了解火電廠脫硫排煙煙囪的主要結(jié)構(gòu)型式?；痣姀S的煙囪依據(jù)其結(jié)構(gòu)型式，可分為單筒式、套筒式和多管式。單筒式煙囪主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯材料采用耐火磚、耐酸磚和漂珠內(nèi)襯磚等，使用耐酸砂漿砌筑而成。套筒式或多管式，外筒一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒使用普通鋼、纖維增強樹脂和耐蝕金屬等。當(dāng)前，國內(nèi)外大型火力發(fā)電廠一般采用套筒式或多管式，且內(nèi)筒以鋼或纖維增強樹脂為主，由于纖維增強樹脂通常存在易老化、耐高溫性能差和可燃的特性，因此，常使用普通鋼來建造煙園的內(nèi)筒。
[0006] 建造鋼內(nèi)筒用的普通鋼，在煙囪內(nèi)部冷凝液的侵蝕下表現(xiàn)為快速的析氫腐蝕，其腐蝕速度可達每年IOmm以上，而常規(guī)建造內(nèi)筒的鋼板厚度為10-20mm之間，因此，需采用一些防腐蝕措施來保護脫硫排煙煙囪的鋼內(nèi)筒不受腐蝕。鋼內(nèi)筒通常的防腐蝕措施是在鋼內(nèi)筒的內(nèi)壁上敷設(shè)防腐層，采用的防腐層包括:(1)噴涂式防腐層，在鋼內(nèi)筒的內(nèi)壁上涂刷一層薄膜，所使用的材料包括聚脲涂層、復(fù)合樹脂涂層、聚合物水泥涂層、高分子聚合物涂層和耐酸水泥涂層等。(2)澆筑式防腐層，在鋼內(nèi)筒的內(nèi)部澆筑一圈防腐層，所使用的材料通常是耐酸輕集料、耐酸粉料、粘結(jié)劑和固化劑等。(3)砌筑式防腐層，使用砌塊和粘結(jié)劑在鋼筒的內(nèi)部砌筑一圈防腐層，通過粘結(jié)劑將砌塊和鋼內(nèi)筒的內(nèi)壁粘結(jié)在一起，同時粘結(jié)劑本身也是防腐層的組成部分。所用材料包括耐酸?；u、有機粘結(jié)劑和底漆等，其中底漆用于防腐層粘結(jié)前，對已打磨處理的鋼筒內(nèi)壁進行噴涂，以達到防銹蝕的目的。(4)耐蝕金屬或耐蝕合金內(nèi)襯，即在鋼內(nèi)筒的內(nèi)壁上使用耐蝕金屬或耐蝕合金建造一層防腐層，建造方法是通過軋制法或爆炸焊接法將耐蝕金屬或耐蝕合金與鋼結(jié)合在一起，所使用的材料包括金屬鈦和C276合金等。
[0007]但是，現(xiàn)有的鋼內(nèi)筒內(nèi)部的防腐蝕層，由于防腐材料自身的抗?jié)B透能力、抗高溫能力和抗老化能力的原因，或者由于不同材料之間的界面結(jié)合能力的原因，或者由于內(nèi)部帶有耐蝕金屬層的鋼板在焊接制備成鋼內(nèi)筒過程中的焊接質(zhì)量的原因，使得防腐蝕層在冷凝液的侵蝕作用下，由于本身抗腐蝕性能不足或?qū)︿搩?nèi)筒的屏蔽保護能力不足而導(dǎo)致鋼內(nèi)筒的腐蝕，從而造成鋼內(nèi)筒的腐蝕，影響排煙煙囪直至發(fā)電廠的運行安全。一般而言，有機材料的耐高溫和老化能力較差；澆筑式防腐層的抗?jié)B透能力較差；砌筑式防腐層的砌塊和粘結(jié)劑之間的界面結(jié)合能力較差；而具有鈦合金內(nèi)襯的鋼板在焊接制備成鋼內(nèi)筒的過程中，由于金屬鈦和鋼之間具有較大的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)差異，以及在高溫焊接的過程中，金屬鈦會和空氣或污染物分解后生成的氧、氫、氮復(fù)合而形成固溶體使得鈦防腐層變脆和韌性降低，使得其工作能力大幅度降低。同時，鋼內(nèi)筒內(nèi)部防腐蝕層的質(zhì)量還與施工過程的管理和施工人員的技術(shù)水平密切相關(guān)，甚至有時候是決定性的。對于高聳煙囪內(nèi)部的高空人力作業(yè)，由于施工環(huán)境、施工條件和施工器械等的限制，往往使得施工的質(zhì)量達不到與地面試驗室內(nèi)產(chǎn)品的相同水平，甚至不能達到預(yù)期的施工質(zhì)量要求。
[0008]總之，制備脫硫煙囪鋼內(nèi)筒內(nèi)部防腐層的目的是形成一層耐硫酸侵蝕和抗?jié)B透能力良好的保護層。而上述四種鋼內(nèi)筒內(nèi)部防腐層的建造技術(shù)，通常不能滿足預(yù)期的質(zhì)量要求，因此常使得冷凝液穿過防腐層而造成鋼內(nèi)筒的腐蝕，給煙囪的運行帶來安全隱患、維護和維修壓力。
[0009]本發(fā)明提出一種建造脫硫排煙煙囪的新方法:基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法。使用該方法所建設(shè)的脫硫排煙煙?，具有結(jié)構(gòu)整體化、耐腐蝕能力強和建造過程自動化的特點。目前，尚未查詢到國內(nèi)外使用3D打印技術(shù)和硼硅酸鹽玻璃來建造脫硫排煙煙園的文獻和專利。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提出一種基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，使用碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃作為建筑材料，以3D打印技術(shù)作為成型手段來制備脫硫排煙煙? ;其中，碳化硅纖維與硼硅酸鹽玻璃的質(zhì)量比為(2-5):100 ；所述3D打印是一種基于計算機控制的成型技術(shù)，該技術(shù)以計算機內(nèi)的3D數(shù)字化模型作為控制參數(shù)和成型目標(biāo)，運用非金屬熔體和非金屬纖維作為建筑材料，通過打印機的噴頭來逐層打印并成型對象的一種方法；
[0011]所述硼硅酸鹽玻璃是以氧化鈉Na20、氧化硼B(yǎng)2O3和二氧化硅SiO2作為組分，其摩爾比例為Na2O = B2O3 = SiO2=1: (0.7-1): (5-6.5)，加熱至950_1100°C制備成熔體，然后進行成型和冷卻而形成硼硅酸鹽玻璃；在硼硅酸鹽玻璃中，Na2O的存在使得B2O3由硼氧三面體轉(zhuǎn)變?yōu)榕鹧跛拿骟w，導(dǎo)致B2O3從二維的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而使得硼硅酸鹽玻璃表現(xiàn)出熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好和化學(xué)穩(wěn)定性高的特點；
[0012]所述碳化硅纖維是以有機硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β -碳化硅結(jié)構(gòu)的一種無機纖維，它具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小和耐熱性能高的特點，其使用溫度達1200°C以上，同時，碳化硅纖維具有抗拉強度達2000MPa以上，彈性模量達200GPa以上，因此，碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和復(fù)合材料體系中的增強材料。
[0013]所述3D打印機包括用于盛放用于制備硼硅酸鹽玻璃組分:純堿(Na2C03)、硼酸(H3BO3)和石英砂(SiO2)的第一料倉1-1，與第一料倉1-1相連接的第一計量和輸送泵2-1以及第一柔性管3-1 ;用于盛放碳化硅纖維的第二料倉1-2，與第二料倉1-2相連接的計量和第二輸送泵2-2以及第二柔性管3-2 ;第一柔性管3-1和第二柔性管3-2與混料器4相連接，混料器4與打印頭相連接；打印頭與機械臂相連接；機械臂通過連第三接線19-3與控制器17連接；打印頭通過第一連接線19-1與控制器17連接；視頻監(jiān)控器9使用固定點10固定在機械臂上并通過第二連接線19-2與控制器17連接；控制器17與計算機18相連接；
[0014]所述打印頭由加熱電路5、熔體容器6、流速控制器7和可旋轉(zhuǎn)噴頭8構(gòu)成。
[0015]所述機械臂包括依次連接的伸縮桿11、第一轉(zhuǎn)動軸12、第二轉(zhuǎn)動軸13、升降器14和導(dǎo)桿15，導(dǎo)桿15固定在基座16上。
[0016]所述脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，具體實施步驟如下:
[0017](I)首先，根據(jù)煙囪的排煙功能要求和碳化硅增強硼硅酸鹽玻璃的力學(xué)性能，計算煙囪的尺寸，基于煙囪的建造地點和計算所得煙囪內(nèi)部直徑和煙囪厚度的尺寸，在計算機中生成煙囪的數(shù)字化3D模型，該3D模型以煙囪在地面上垂直投影的中心點為原點，使用笛卡爾三維坐標(biāo)軸，建立一系列離散的三維數(shù)據(jù)，該三維數(shù)據(jù)描述了煙?沿高度方向而變化的煙囪內(nèi)部直徑和煙囪的厚度，同時，在3D模型中還描述了出于對煙氣采樣和監(jiān)控目的而預(yù)留的接口；
[0018](2)硼硅酸鹽玻璃的制備
[0019]I)原材料選擇:使用純堿(Na2CO3)、硼酸(H3BO3)、石英砂(SiO2)和碳化硅纖維作為原材料，其中純堿Na2CO3、硼酸H3BO3、石英砂SiO2分別用于提供硼硅酸鹽玻璃制備所需的組分:氧化鈉Na20、氧化硼B(yǎng)2O3和二氧化硅SiO2 ;石英砂中SiO2的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;硼酸中H3BO3的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;純堿中Na2CO3的質(zhì)量百分含量要求大于99%;碳化硅纖維的直徑為10微米，長度為10毫米，使用溫度為1200°C以上，抗拉強度大于2500MPa,彈性模量大于200GPa ；[0020]2)對純堿、硼酸和石英砂三種材料分別進行干燥、粉磨和篩分，顆粒的細(xì)度要求是所有的顆粒在篩分后均可通過公稱直徑為(30-45)微米的方孔篩；
[0021]3)接著是硼硅酸鹽玻璃制備所需材料的計量和配制，將純堿、硼砂和石英砂按照摩爾比1: (0.7-1): (5-6.5)進行均勻混合，然后輸送并存儲于3D打印機的第一料倉1_1中；
[0022](3)將碳化硅纖維存儲于3D打印機的第二料倉1-2中；
[0023](4)使用第一計量和輸送泵1-2以及第二計量和輸送泵2-2將混合均勻的硼硅酸鹽玻璃制備所需的材料以及碳化硅纖維，按照硼硅酸鹽玻璃制備所需材料:碳化硅纖維=100: (2-5)的質(zhì)量比例輸送至混料器4中；
[0024](5)在混料器4中，對輸送的物料進行充分的混合，然后輸送到打印頭的熔體容器6中，加熱電路對熔體容器中的物料進行加熱，其目標(biāo)溫度是950-1IOO0C，此時，純堿、硼砂和石英砂會形成硼硅酸鹽玻璃熔體，而高熔點的碳化硅纖維均勻懸浮于熔體中；
[0025](6)通過流速控制器7、可旋轉(zhuǎn)噴頭8、視頻監(jiān)控器9、機械臂、控制器17和計算機18以及存儲于計算機18中的3D模型，實現(xiàn)打印頭位置的控制和內(nèi)部熔體的釋放，進行脫硫排煙煙?的建造；
[0026]本發(fā)明的有益效果是相對于傳統(tǒng)的套筒式或多管式脫硫排煙煙?建設(shè)方法，本發(fā)明提出的基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法具有結(jié)構(gòu)整體化、耐腐蝕能力強和建造過程自動化的特點。套筒式或多管式脫硫排煙煙?—般是使用鋼筋混凝土外筒，普通鋼內(nèi)筒和內(nèi)部防腐層三重結(jié)構(gòu)。而本建造的碳化硅增強的硼硅酸鹽玻璃煙?為單層碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)，因此在結(jié)構(gòu)形式上為一個完善的整體，無接縫和縫隙；相對于原來的噴涂式、澆筑式和砌筑式防腐層，本發(fā)明使用碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃具有耐高溫性能好、熱膨脹系數(shù)小、抗溫度變形能力好和抗硫酸侵蝕能力強的特點，由于使用3D打印的手段建造的煙囪是一個整體，因此無接縫和縫隙，所以無滲漏的風(fēng)險；由于原材料的配制、硼硅酸鹽玻璃熔體的制備和煙?的3D打印過程均采用計算機控制，因此其建造過程具有精確度好、施工效率高和自動化的特點，避免了施工過程中因施工環(huán)境和個人操作水平的原因等而帶來的缺陷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為3D打印機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為建造的脫硫排煙煙囪結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明提供一種基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法。使用碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃作為建筑材料，以3D打印技術(shù)作為成型手段來制備脫硫排煙煙囪；具體的實施方式說明如下:
[0030](I)首先，根據(jù)煙囪的排煙功能要求和碳化硅增強硼硅酸鹽玻璃的力學(xué)性能，計算煙囪的尺寸，基于煙囪的建造地點和計算所得煙囪內(nèi)部直徑和煙囪厚度的尺寸，在計算機中生成煙囪的數(shù)字化3D模型，該3D模型以煙囪在地面上垂直投影的中心點為原點，使用笛卡爾三維坐標(biāo)軸，建立一系列離散的三維數(shù)據(jù)，該三維數(shù)據(jù)描述了煙?沿高度方向而變化的煙囪內(nèi)部直徑和煙囪的厚度，同時，在3D模型中還描述了出于對煙氣采樣和監(jiān)控目的而預(yù)留的接口，使用3D打印機和碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃來建造脫硫排煙煙?的示意圖(如圖2所示)；
[0031](2)硼硅酸鹽玻璃的制備(按照下述三種參數(shù)搭配進行)
[0032]I)原材料選擇:使用純堿(Na2C03)、硼酸(Η3Β03)、石英砂(SiO2)和碳化硅纖維作為原材料，其中純堿(Na2C03)、硼酸(Η3Β03)、石英砂(SiO2)分別用于提供硼硅酸鹽玻璃制備所需的組分:氧化鈉Na20、氧化硼B(yǎng)2O3和二氧化硅SiO2 ;石英砂中SiO2的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;硼酸中H3BO3的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;純堿中Na2CO3的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;碳化硅纖維的直徑為10微米，長度為10毫米，使用溫度為1200°C以上，抗拉強度大于2500MPa，彈性模量大于200GPa ；
[0033]2)對純堿、硼酸和石英砂三種材料分別進行干燥、粉磨和篩分，顆粒的細(xì)度要求是所有的顆粒在篩分后均可通過公稱直徑為(30-45)微米的方孔篩；
[0034]3)接著是硼硅酸鹽玻璃制備所需材料的計量和配制，將純堿、硼砂和石英砂按照摩爾比為(1: 1:5.7);或(1: 0.8:6.5);或(1: 0.9:6.0)進行均勻混合，然后輸送并存儲于3D打印機的第一料倉1-1中；
[0035](3)將碳化硅纖維存儲于3D打印機的第二料倉1-2中；
[0036](4)使用第一計量和第二輸送泵1-2以及第二計量和輸送泵2-2將混合均勻的硼硅酸鹽玻璃制備所需的材料 ，以及硼硅酸鹽玻璃制備所需的材料:碳化硅纖維按照100:2 ；或100:3 ;或100:4.5的質(zhì)量比例輸送至混料器4中；
[0037](5)在混料器4中，對輸送的物料進行充分的混合，然后輸送到打印頭的熔體容器6中，加熱電路對熔體容器中的物料進行加熱，其目標(biāo)溫度是980°C ;或1000°C，或1050°C ；此時，純堿、硼砂和石英砂會形成硼硅酸鹽玻璃熔體，而高熔點的碳化硅纖維均勻懸浮于熔體中；
[0038](6)在打印頭的熔體容器中，熔融后的玻璃熔體向打印頭的出口運動，在運動的過程中完成玻璃熔體的澄清、脫氣和均化過程，之后，通過流速控制器7、可旋轉(zhuǎn)噴頭8、視頻監(jiān)控器9、機械臂、控制器17和計算機18以及存儲于計算機18中的3D模型，實現(xiàn)打印頭位置的控制和內(nèi)部熔體的釋放；
[0039](7)打印頭的運動位置由機械臂來決定，機械臂由導(dǎo)桿、升降器、轉(zhuǎn)動軸和伸縮桿組成，導(dǎo)桿上有用于升降的螺紋；升降器由內(nèi)部的步進馬達驅(qū)動、可沿著導(dǎo)桿上下運動并具有位置鎖閉功能；伸縮桿和轉(zhuǎn)動軸的組合運動可使得打印頭在前后、左右和上下六個方向上運行，其組合運動的結(jié)果是可實現(xiàn)一定角度和一定厚度范圍內(nèi)的圓柱面運動；
[0040](8)視頻監(jiān)控器的內(nèi)部有可轉(zhuǎn)動的視頻監(jiān)控頭，可在半球面范圍內(nèi)運動，其作用是實現(xiàn)對打印頭工作狀態(tài)、排出玻璃熔體的狀態(tài)和打印生成物體質(zhì)量水平的監(jiān)控；
[0041](9)控制器和計算機聯(lián)合組成該3D打印機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對玻璃熔體品質(zhì)控制、打印頭運動位置控制、流速控制器和噴頭位置控制和視頻監(jiān)控。
【權(quán)利要求】
1.一種基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法，其特征在于，使用碳化硅纖維增強的硼硅酸鹽玻璃作為建筑材料，以3D打印技術(shù)作為成型手段來制備脫硫排煙煙囪；其中，碳化硅纖維與硼硅酸鹽玻璃的質(zhì)量比為(2-5):100 ；所述3D打印是一種基于計算機控制的成型技術(shù)，該技術(shù)以計算機內(nèi)的3D數(shù)字化模型作為控制參數(shù)和成型目標(biāo)，運用非金屬熔體和非金屬纖維作為建筑材料，通過打印機的噴頭來逐層打印并成型對象的一種方法；所述硼硅酸鹽玻璃是以氧化鈉Na20、氧化硼B(yǎng)2O3和二氧化硅SiO2作為組分，其摩爾比例為Na2O = B2O3 = SiO2=1: (0.7-1): (5-6.5)，加熱至950-1100°C制備成熔體，然后進行成型和冷卻而形成硼硅酸鹽玻璃；在硼硅酸鹽玻璃中，Na2O的存在使得B2O3由硼氧三面體轉(zhuǎn)變?yōu)榕鹧跛拿骟w，導(dǎo)致B2O3從二維的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而使得硼硅酸鹽玻璃表現(xiàn)出熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好和化學(xué)穩(wěn)定性高的特點；所述碳化硅纖維是以有機硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β -碳化硅結(jié)構(gòu)的一種無機纖維，它具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小和耐熱性能高的特點，其使用溫度達1200°C以上，同時，碳化硅纖維具有抗拉強度達2000MPa以上，彈性模量達200GPa以上，因此,碳化硅纖維 主要用作耐高溫材料和復(fù)合材料體系中的增強材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法，其特征在于，所述3D打印機包括用于盛放用于制備硼硅酸鹽玻璃組分:純堿Na2CO3、硼酸H3BO3和石英砂SiO2的第一料倉(1-1 )，與第一料倉(1-1)相連接的第一計量和輸送泵(2-1)以及第一柔性管(3-1);用于盛放碳化硅纖維的第二料倉(1-2)，與第二料倉(1-2)相連接的計量和第二輸送泵(2-2 )以及第二柔性管(3-2 );第一柔性管(3-1)和第二柔性管(3-2 )與混料器(4)相連接，混料器(4)與打印頭相連接；打印頭與機械臂相連接；機械臂通過連第三接線(19-3)與控制器(17)連接；打印頭通過第一連接線(19-1)與控制器(17)連接；視頻監(jiān)控器(9)使用固定點(10)固定在機械臂上并通過第二連接線(19-2)與控制器(17)連接；控制器(17)與計算機(18)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法，其特征在于，所述打印頭由加熱電路(5)、熔體容器(6)、流速控制器(7)和可旋轉(zhuǎn)噴頭(8)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法，其特征在于，所述機械臂包括依次連接的伸縮桿(11)、第一轉(zhuǎn)動軸(12)、第二轉(zhuǎn)動軸(13)、升降器(14)和導(dǎo)桿(15),導(dǎo)桿(15)固定在基座(16)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙?建造方法，其特征在于，所述脫硫排煙煙囪建造的具體實施步驟如下:(1)首先，根據(jù)煙囪的排煙功能要求和碳化硅增強硼硅酸鹽玻璃的力學(xué)性能，計算煙囪的尺寸，基于煙囪的建造地點和計算所得煙囪內(nèi)部直徑和煙囪厚度的尺寸，在計算機中生成煙囪的數(shù)字化3D模型，該3D模型以煙囪在地面上垂直投影的中心點為原點，使用笛卡爾三維坐標(biāo)軸，建立一系列離散的三維數(shù)據(jù)，該三維數(shù)據(jù)描述了煙?沿高度方向而變化的煙囪內(nèi)部直徑和煙囪的厚度，同時，在3D模型中還描述了出于對煙氣采樣和監(jiān)控目的而預(yù)留的接口 ；(2)硼硅酸鹽玻璃的制備I)原材料選擇:使用純堿Na2CO3、硼酸H3BO3、石英砂SiO2和碳化硅纖維作為原材料，其中純堿Na2CO3、硼酸H3BO3、石英砂SiO2分別用于提供硼硅酸鹽玻璃制備所需的組分:氧化鈉Na20、氧化硼B(yǎng)2O3和二氧化硅SiO2 ;石英砂中SiO2的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;硼酸中H3BO3的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;純堿中Na2CO3的質(zhì)量百分含量要求大于99% ;碳化娃纖維的直徑為10微米，長度為10毫米，使用溫度為1200°C以上，抗拉強度大于2500MPa，彈性模量大于200GPa ； 2)對純堿、硼酸和石英砂三種材料分別進行干燥、粉磨和篩分，顆粒的細(xì)度要求是所有的顆粒在篩分后均可通過公稱直徑為(30-45)微米的方孔篩； 3) 接著是硼硅酸鹽玻璃制備所需材料的計量和配制，將純堿、硼砂和石英砂按照摩爾比1: (0.7-1): (5-6.5)進行均勻混合，然后輸送并存儲于3D打印機的第一料倉(1_1)中； (3)將碳化硅纖維存儲于3D打印機的第二料倉(1-2)中； (4)使用第一計量和輸送泵(1-2)以及第二計量和輸送泵(2-2)將混合均勻的硼硅酸鹽玻璃制備所需的材料以及碳化硅纖維，按照硼硅酸鹽玻璃制備所需材料:碳化硅纖維=100: (2-5)的質(zhì)量比例輸送至混料器(4)中； (5)在混料器(4)中，對輸送的物料進行充分的混合，然后輸送到打印頭的熔體容器(6)中，加熱電路對熔體容器中的物料進行加熱，其目標(biāo)溫度是980°C，此時，純堿、硼砂和石英砂會形成硼硅酸鹽玻璃熔體，而高熔點的碳化硅纖維均勻懸浮于熔體中； (6)通過流速控制器7)、可旋轉(zhuǎn)噴頭(8)、視頻監(jiān)控器(9)、機械臂、控制器(17)和計算機(18)以及存儲于計算機(18)中的3D模型，實現(xiàn)打印頭位置的控制和內(nèi)部熔體的釋放，進行脫硫排煙煙囪的建造。
【文檔編號】C03B19/00GK103524022SQ201310432852
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】韓建國, 閻培渝 申請人:清華大學(xué)