專利名稱：陶瓷蜂蜜體的燒制方法
本申請(qǐng)要求Dull等在1997年12月2日提出的題目為“陶瓷蜂窩體的燒制方法”的美國專利臨時(shí)申請(qǐng)No．60／067，154的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明涉及蜂窩狀陶瓷體的燒制方法。更具體地說，本發(fā)明涉及會(huì)成問題的含有高濃度有機(jī)物質(zhì)的蜂窩狀陶瓷體地?zé)品椒ā?br> 背景技術(shù)：
蜂窩形陶瓷產(chǎn)品或陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體(即蜂窩狀陶瓷體)一直是按如下方法制備，即通過混合陶瓷材料、水和各種含碳物質(zhì)(包括擠壓和成形助劑)形成可塑批料，然后通過擠壓可塑批料將其成形為蜂窩狀陶瓷生坯，最后在預(yù)定的溫度下在燒制爐中對(duì)蜂窩狀陶瓷生坯進(jìn)行燒制。
用于上述燒制蜂窩結(jié)構(gòu)的擠壓和成形助劑具體地包括有機(jī)粘合劑、增塑劑和潤滑劑，如甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、硬脂酸堿金屬鹽等。另外，批料中也包含用作孔隙形成劑的其它含碳物質(zhì)(如石墨)。
眾所周知，含碳物質(zhì)的釋放或含碳物質(zhì)的分解是釋放出大量熱的氧化或放熱反應(yīng)。開始時(shí)，放熱反應(yīng)發(fā)生在部件的表層即外層部分，產(chǎn)生起初的溫差，結(jié)果陶瓷體的外層部分比內(nèi)芯部分溫度高。然后，外層放熱反應(yīng)逐漸停止，放熱反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)入物體的內(nèi)部。因?yàn)槌Ｒ?guī)的基體由陶瓷材料(如堇青石，它是良好的絕緣體)組成，且具有包含許多孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，所以遇到如何通過傳導(dǎo)或?qū)α鲝奶沾审w內(nèi)有效除熱的困難。另外，由于蜂窩結(jié)構(gòu)中有相當(dāng)大的表面積加速了粘合劑與燒制氣氛中氧氣的反應(yīng)，所以加劇了內(nèi)部放熱效應(yīng)。因此，在含碳物質(zhì)的釋放過程中，陶瓷體中有正或負(fù)的溫差，即陶瓷體內(nèi)芯的溫度高于或低于陶瓷體表面的溫度。有機(jī)粘合劑之類含碳物質(zhì)的放熱反應(yīng)在100-600℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。如果陶瓷體例如含有石墨，這種放熱反應(yīng)在500-1000℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。這種放熱反應(yīng)在部件的內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生明顯的溫差。這種部件內(nèi)的溫差會(huì)在陶瓷體內(nèi)產(chǎn)生造成該部件破裂的應(yīng)力。對(duì)于大型蜂窩狀陶瓷部件或含有大量有機(jī)物質(zhì)的部件，這種現(xiàn)象特別常見。
控制和抑制這種溫差和裂紋產(chǎn)生的技術(shù)是眾所周知的。一種技術(shù)是將過量的空氣用于燃燒而降低燃燒器火焰溫度，使火焰至部件之間的溫差較低，部件的加熱速度相應(yīng)較慢。然而，過量的空氣產(chǎn)生不合需要的高含氧量的氣氛。氧氣會(huì)與有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)，從而加速其釋放和加快內(nèi)部放熱反應(yīng)。因此，必須通過很慢的燒制工藝或與爐中具體部件小心匹配的燒制工藝來達(dá)到減小有機(jī)物釋放過程中所產(chǎn)生溫差的目的。
在間歇窯中使用氣氛控制來影響含碳物質(zhì)的釋放是眾所周知的。例如參見美國專利4，404，166(Wiech，Jr．)、4，474，731(Brownlow等)、4，661，315(Wiech Jr．等)和4，927，577(Ohtaka等)。雖然現(xiàn)已表明這些方法能有效地用于間歇窯中，但一般認(rèn)為它們不能有效地用于隧道窯中，因?yàn)橛写罅康沫h(huán)境空氣(20．9％氧氣)流入燒制氣氛中。
現(xiàn)已揭示，用脈沖燒制技術(shù)代替比例燒制也是一種控制和抑制間歇窯中溫度梯度的方法。脈沖燒制法僅使用高火或低火的燃燒器輸出條件，能產(chǎn)生低的加熱速度，無需用大量的過量空氣(氧氣)；例如參見歐洲專利申請(qǐng)0709638。該申請(qǐng)揭示了一種使用裝有在高輸出燃燒狀態(tài)和低輸出燃燒狀態(tài)之間交替工作的燃燒器的窯爐燒制陶瓷成形體的方法。雖然這種燒制技術(shù)能多少有效地用于間歇窯中降低裂紋的發(fā)生率，但這種脈沖燒制技術(shù)難于用于隧道窯中。由于隧道窯的開放性，必須用其它方法控制環(huán)境空氣進(jìn)入窯中有機(jī)物的釋放區(qū)。
因此，本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供可用于隧道窯和間歇窯中燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的改進(jìn)方法，以確保穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量無裂紋的產(chǎn)品。
發(fā)明概述
本發(fā)明的目的是解決上述問題，并提供一種陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的制造和燒制方法。這種方法通過在較短時(shí)間內(nèi)均勻地?zé)品涓C結(jié)構(gòu)體生坯的內(nèi)部和外層，來生產(chǎn)裂紋較少、非均勻孔隙或非均勻尺寸的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體。
本發(fā)明的含有有機(jī)或含碳物質(zhì)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯的燒制方法的特點(diǎn)在于改進(jìn)了含碳物質(zhì)的釋放步驟。該步驟包括在燒制氣氛中將蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯燒制到足以開始并充分釋放含碳物質(zhì)的溫度，并燒制足夠的時(shí)間，同時(shí)將含有約少于20％體積O2的無氟氣體引入所述的燒制氣氛中。一旦含碳物質(zhì)充分釋放后，第二步是進(jìn)一步加熱到足以開始并將陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯充分轉(zhuǎn)變?yōu)闊品涓C體的溫度，常規(guī)燒制足夠的時(shí)間。
上述引入燒制氣氛的氣體較好含有氮?dú)?，引入流量?yīng)使得燒制氣氛中O2的含量約低于12％，更好約低于10％。
在上述方法中，由于無氟低氧氣體取代了燒制氣氛中的O2，從而減小了陶瓷體生坯表層和內(nèi)芯之間的溫差，燒制的堇青石陶瓷體熱變形和裂紋少得多。
附圖簡介
為了更好地理解本發(fā)明，請(qǐng)參照如下附圖


圖1是表明用常規(guī)方法成形和燒制的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的內(nèi)芯和表層之間溫差的圖。
圖2是表示適于實(shí)施本發(fā)明陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體燒制方法的隧道窯裝置示意圖。
圖3是用于本發(fā)明陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的燒制方法的廢氣排放系統(tǒng)的示意圖。
圖4是由于含碳物質(zhì)的釋放在本發(fā)明燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的方法和常規(guī)燒制方法的放熱反應(yīng)發(fā)生情況之間的圖形比較。
圖5是本發(fā)明燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的方法和常規(guī)燒制方法在含碳物質(zhì)釋放過程中含氧量之間的圖形比較。
發(fā)明的詳細(xì)描述
本發(fā)明提供燒制蜂窩狀陶瓷結(jié)構(gòu)體的有效制造方法。該方法基本上沒有釋放含碳物質(zhì)引起的有害作用。該方法包括在燒結(jié)前把陶瓷燒制到足夠高的溫度，并燒制足夠長的時(shí)間，以便在因引入O2約少于20％體積的無氟氣體而使氧氣含量降低的燒制氣氛中基本上釋放含碳物質(zhì)。
本發(fā)明可用于可能受到釋放含碳物質(zhì)不利影響且在上述釋放過程中不應(yīng)采取高含氧量氣氛的任何陶瓷材料。典型的這類陶瓷材料例如包括，但不限于含有堇青石和氧化鋁的陶瓷。
以下根據(jù)含堇青石蜂窩狀陶瓷材料來描述本發(fā)明，但如前所述，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明局限于這種陶瓷材料。
用于制造本發(fā)明堇青石陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的陶瓷批料的原料可選自任何合適的來源。通常使用高質(zhì)量粘土、滑石、二氧化硅、氧化鋁、氫氧化鋁和能產(chǎn)生氧化鎂(MgO)的原料來生產(chǎn)這種陶瓷，在本發(fā)明中也能取得令人滿意的結(jié)果。
工業(yè)上用于制造熱膨脹很低的擠壓堇青石陶瓷體的優(yōu)選批料是粘土、滑石和氧化鋁，且粘土一般是片狀高嶺土，不是堆積高嶺土。片狀高嶺土可通過對(duì)堆積高嶺土進(jìn)行預(yù)處理獲得，或者可用將結(jié)晶堆積物分散成片晶的方式處理包含粘土的原料批料。
將干批料制成適于用燒制法轉(zhuǎn)變?yōu)檩狼嗍念A(yù)成形體(即生坯)可以用任何一種已知的技術(shù)進(jìn)行。批料可以與合適的粘合劑混合，然后壓制成預(yù)成形體的形狀，也可以用熱壓法成形，視堇青石產(chǎn)品中所需的孔隙率而異。
為了在工業(yè)上制造平板的或薄壁的堇青石陶瓷產(chǎn)品(后者如陶瓷蜂窩體)，優(yōu)選的成形技術(shù)是擠壓。適于擠壓的批料混合物可通過將干批料與合適的液體載體混合而成。該載體可包含水和含碳擠壓助劑，加入擠壓助劑是為了使批料可以成形并使成形的生坯具有足夠的強(qiáng)度以免在燒制前破裂。也可以將擠壓助劑與陶瓷批料混合。
含碳擠壓助劑一般是一種氣化、氧化或分解溫度約低于600℃的液態(tài)或固態(tài)烴類物質(zhì)，例如包括有機(jī)粘合劑，如甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚乙烯醇、堿金屬硬脂酸鹽、麥粉、淀粉糊、甘油和蠟。這種批料一般含有25-35％水，具有足夠的可塑性，很容易用擠壓法制成薄壁(即壁厚小于1毫米)的預(yù)成形體。經(jīng)塑化的批料也可通常用滾壓法或壓制法成形，滾壓或壓制成的生坯部件然后直接去燒制或者裝配成更復(fù)雜的形狀部件后去燒制。
另外，該批料混合物可含有用作孔隙形成劑的其它含碳物質(zhì)，包括但不限于石墨、櫻子粉、木屑、鋸末和淀粉。
如上所述，用于將塑化批料或陶瓷生坯轉(zhuǎn)變?yōu)楹狼嗍沾僧a(chǎn)品的常規(guī)燒制工藝，由于放熱性的含碳物質(zhì)釋放一般在外表面(即表層)和內(nèi)部(即芯層)之間會(huì)形成溫差。對(duì)于上述有機(jī)粘合劑之類材料，有機(jī)或含碳物質(zhì)的釋放一般發(fā)生在100-600℃之間，而上述石墨類材料一般發(fā)生在500-1000℃的溫度。在外層(即表層)產(chǎn)生的熱量更易于釋放，雖然它仍足以產(chǎn)生可能超過部件強(qiáng)度的應(yīng)力，而在陶瓷體內(nèi)芯產(chǎn)生的熱量更容易產(chǎn)生問題，因?yàn)橛捎谳狼嗍沾审w的蜂窩性質(zhì)和熱絕緣性能，這種熱量難以消散。圖1表示了常規(guī)燒制的堇青石陶瓷蜂窩體不合要求的典型表層／內(nèi)芯溫度曲線；這種溫差使得燒制成的蜂窩體可能熱變形或出現(xiàn)燒制裂紋。蜂窩體的蜂窩壁越薄，或者蜂窩密度越高，以及當(dāng)更多和不同的有機(jī)粘合劑和石墨類材料用于保持這些蜂窩體的結(jié)構(gòu)整體性時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重。
按照本發(fā)明的方法，合適的堇青石陶瓷無裂紋產(chǎn)品是用兩步燒制法得到的，其第一步是在燒制氣氛中將蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯燒制到足以開始并充分釋放含碳物質(zhì)的溫度，并燒制足夠的時(shí)間，同時(shí)將含有約低于20％體積O2的無氟氣氛引入窯的含碳物質(zhì)釋放區(qū)的燒制氣氛中。含碳物質(zhì)(如粘合劑)的釋放一般發(fā)生在100-600℃之間，視有機(jī)粘合劑類型而異，而石墨一般在500-1000℃除去。因此，含碳物質(zhì)釋放的步驟一般需要加熱到的第一個(gè)溫度應(yīng)超過前一范圍或后一范圍，視陶瓷體是否含有石墨而異。
雖然不想受理論的限制，但可以認(rèn)為，在含碳物質(zhì)釋放過程中將無氟低氧氣體引入燒制氣氛中減輕了燒制堇青石陶瓷的開裂，這是由于以下的現(xiàn)象開裂的減輕主要由于抑制了含碳物質(zhì)釋放過程中一般發(fā)生的放熱反應(yīng)。這種對(duì)放熱反應(yīng)的抑制導(dǎo)致了溫差的減小，而這又減少了陶瓷部件所受的熱應(yīng)力。至于對(duì)放熱反應(yīng)的抑制和由此引起的溫差的減小，可以理論上認(rèn)為是由于無氟低氧的氣體取代或稀釋了燒制氣氛中的O2，從而減少了能用于與陶瓷體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)的氧氣量，即抑制了放熱反應(yīng)。
圖2是示意性表示用于實(shí)施本發(fā)明燒制方法的隧道窯一部分的實(shí)施方式俯視圖。在本實(shí)施方式中，隧道窯10包括含碳物質(zhì)釋放區(qū)12(簡稱為釋放區(qū))、位于釋放區(qū)12后面的燒結(jié)區(qū)(未畫出)和位于釋放區(qū)上游的窯門區(qū)14。釋放區(qū)中在100-600℃溫度范圍內(nèi)釋放出含碳物質(zhì)。釋放區(qū)的溫度范圍隨隧道窯中燒制的陶瓷材料的類型提高或降低，例如對(duì)于除含有機(jī)粘合劑以外還含石墨的陶瓷材料，釋放區(qū)的溫度范圍會(huì)升高達(dá)到1000℃。
隧道窯的配氣系統(tǒng)包括一系列獨(dú)立計(jì)量的、獨(dú)立管道化的輸送管道16、18、20、22、24。操作上，每個(gè)管道與至少一個(gè)注入口相連。這些注入口與隧道窯的含碳物質(zhì)釋放區(qū)相通。正是通過這些管道和相連的注入口將低氧氣體引入含碳物質(zhì)釋放區(qū)中的燒制氣氛中，以降低該區(qū)域中的氧氣量。與隧道窯內(nèi)部相通的這些注入口是用來在釋放區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)如下部位與隧道窯內(nèi)部(具體就是釋放區(qū))相通燃燒器26、窯車28下面、窯頂30A、30B以及窯的側(cè)壁32。該配氣系統(tǒng)還包括位于通向窯門區(qū)14的管道34和注入口36。關(guān)于這種隧道窯、配氣系統(tǒng)和注入口的詳細(xì)描述請(qǐng)參見待審和同時(shí)轉(zhuǎn)讓的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)60／067，615。該申請(qǐng)參考引用于本發(fā)明中。
在含碳物質(zhì)釋放過程中，通過這些氣體注入口中的任何一個(gè)或幾個(gè)將無氟低氧氣體引入釋放區(qū)中。哪一個(gè)或哪幾個(gè)注入口最有效和／或最有效率則根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定之。
在一個(gè)實(shí)施方式中，是將無氟低氧氣體通過引入含碳物質(zhì)釋放區(qū)中那些燒嘴所用的助燃空氣鼓風(fēng)機(jī)通到燃燒器部位26的。在助燃空氣鼓風(fēng)機(jī)的入口通入低氧氣體進(jìn)入釋放區(qū)中的燃燒器就可以靈活地調(diào)節(jié)助燃空氣中的含氧量。低含氧量的氣體通入混合式燃燒嘴的量應(yīng)足以保證燃燒嘴操作的穩(wěn)定性(即要低達(dá)16％O2)。
在燃燒器部位26處引入氧氣的第二種實(shí)施方式是引入低含氧量空氣與助燃空氣無關(guān)，助燃的即一次空氣是用來維持燃料／空氣的化學(xué)計(jì)量比，而作為過量的即二次空氣(低含氧量的空氣)，其通入位置與燃燒區(qū)無關(guān)，稍在燃燒區(qū)后面一些但接近于燃燒區(qū)。換言之，低含氧量的空氣用來代替常規(guī)的由環(huán)境空氣鼓風(fēng)機(jī)所供應(yīng)的空氣或與其混合。
在上述任一個(gè)實(shí)施方式中，在燃燒器中通入低含氧量的氣體能使燃燒器正常工作，并提供兩種優(yōu)點(diǎn)(1)用低含氧量的氣體代替常用的高含氧量的過量空氣可以產(chǎn)生“冷一點(diǎn)”的火焰溫度；(2)保持高的燃燒器產(chǎn)物體積；即高流速的燃燒產(chǎn)物，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)有助于產(chǎn)生良好的溫度分布。換言之，這兩種優(yōu)點(diǎn)大大有助于降低燒制氣氛中的含氧量，而不會(huì)失去燃燒器火焰溫度較低的優(yōu)點(diǎn)和不會(huì)在含碳物質(zhì)釋放區(qū)中引入過量的氧氣。另外，還提高了燒制溫度的均勻性。
在窯車下面的位置26將無氟低氧氣體通入窯車與爐底之間的空間可以提高該空間的壓力，從而減少“周圍”空氣(20．9％O2)進(jìn)入窯的燒制氣氛；即在窯車下面的空間通入這種氣體就對(duì)該空間起了“加壓”作用，從而限制了吸入該空間(它原本一般是負(fù)壓的)中的環(huán)境氧氣量。由于燃燒器產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，且該產(chǎn)物釋放含碳顆粒和氣態(tài)物質(zhì)，這是符合需要的。在窯車下面的部位通入該氣體與常規(guī)燒制方法和常規(guī)隧道窯中的條件相比產(chǎn)生了改進(jìn)的效果。在常規(guī)隧道窯中，窯車下面區(qū)域一般具有負(fù)壓，這部分是由于窯的排風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的抽力所致。這種負(fù)壓又對(duì)窯周圍和窯車下面區(qū)域的環(huán)境或高含氧量的空氣產(chǎn)生抽力，從而使這種高含氧量的氣體大量進(jìn)入窯中。具體地說，抽入窯中的環(huán)境空氣(含20．9％的氧氣)對(duì)窯中的氣氛產(chǎn)生明顯的影響，通常在常規(guī)設(shè)計(jì)的窯中產(chǎn)生含氧量很高(超過12％)的氣氛。因此，如果原料批料中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，這種燒制氣氛容易產(chǎn)生開裂的制品。
關(guān)于在窯車下面的空間引入低氧氣體，應(yīng)注意如下的原則，(1)通入該空間的氣體體積越大，結(jié)果窯中氧氣量越低；(2)減小該空間可以減少用于“加壓”該空間的氣體量。
通過窯頂30A、30B或側(cè)壁口32通入低氧氣體主要是用于稀釋或取代富氧燒制氣氛。雖然有一些增壓作用(即稍微提高釋放區(qū)中的壓力)，但這種效果是很小的。釋放區(qū)入口部分(即剛好位于窯門區(qū)14以后的位置)的窯頂注入口起到兩種作用，即它們不僅通過稀釋來降低燒制氣氛中的含氧量，而且還用于在釋放區(qū)的入口部分產(chǎn)生“氣幕”。最終的結(jié)果是在這些窯頂注入口中通入“低含氧量的氣體”可以改變窯中與各窯頂注入口相應(yīng)區(qū)域中的含氧量、這是對(duì)于調(diào)節(jié)燒制氣氛曲線很重要的靈活性，從而可在含碳揮發(fā)性物質(zhì)釋放最多的區(qū)域保持最低的含氧量。
按本發(fā)明方法在本為負(fù)壓的窯門區(qū)空間中通入增壓的低含氧量氣體實(shí)質(zhì)上使該空間“增壓”，從而大大限止了吸入該負(fù)壓窯門空間中的環(huán)境氧氣量(20．9％O2)；其作用類似于上述在車下面空間通入低氧氣體。由通入氣體及其增壓作用引起的稀釋作用顯著地降低了下游釋放區(qū)中存在的氧氣量。如前所述，對(duì)于車下面的空間，由于窯排風(fēng)系統(tǒng)的抽氣作用，常規(guī)設(shè)計(jì)連續(xù)窯的這個(gè)部分通常是負(fù)壓的。雖然通入低含氧量氣體不能使該窯門區(qū)完全“密封”，但這種增壓作用足以有效地抑制空氣的吸入，而且當(dāng)同時(shí)在其它部位通入“低含氧量氣體”時(shí)，就能產(chǎn)生含氧量低于常規(guī)設(shè)計(jì)的窯的燒制氣氛。
通入有機(jī)物釋放區(qū)的燒制氣氛中的無氟氣氛較好含有少于20％體積O2，更好含有約少于18％體積O2。在本實(shí)施方式中，無氟低氧氣源可以就是將燃燒產(chǎn)物循環(huán)返回到釋放區(qū)中；即排出燃燒產(chǎn)物，冷卻，然后再返回到含碳物質(zhì)釋放區(qū)中。也可以使用外源燃燒產(chǎn)物即燃燒發(fā)生器的產(chǎn)物來作為通入釋放區(qū)的燃燒產(chǎn)物。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，無氟氣源是按如下方法產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物，用它來再次通入窯中。已知在窯的燃燒產(chǎn)物(即廢氣)中含有揮發(fā)出來的和／或部分反應(yīng)的以及未反應(yīng)的含碳物質(zhì)。用廢氣排放系統(tǒng)從窯中排出這些含有釋放的揮發(fā)出來的和／或部分或未反應(yīng)的含碳物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物(POC)。上述的廢氣排放系統(tǒng)在操作上與釋放區(qū)相通。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，它示意性地說明一個(gè)窯、廢氣排放系統(tǒng)和能將燃燒產(chǎn)物再返回釋放區(qū)的返回／輸送系統(tǒng)。具體地說，按如下方法產(chǎn)生和輸送燃燒產(chǎn)物。在窯的含碳物質(zhì)釋放區(qū)40內(nèi)產(chǎn)生含有釋放的揮發(fā)出來的和／或部分反應(yīng)或未反應(yīng)的含碳物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物(即廢氣)，然后讓其進(jìn)入廢氣排出系統(tǒng)42，再在后燃燒室44中處理排出的廢氣。后燃燒室44燒掉廢氣中殘余的部分反應(yīng)和未反應(yīng)的含碳物質(zhì)。然后通過返回／輸送系統(tǒng)46將這種處理后的廢氣／燃燒產(chǎn)物返回窯的含碳物質(zhì)釋放區(qū)。這種返回／輸送系統(tǒng)46包括熱交換器48。熱交換器48把燃燒產(chǎn)物／廢氣冷卻到適于再送回窯釋放區(qū)40的溫度。返回／輸送系統(tǒng)46包括旁通管50和空氣入口52、54。它們都用于控制送回窯內(nèi)燃燒產(chǎn)物的溫度和數(shù)量以及最終的氧氣量。改變送回窯內(nèi)燃燒產(chǎn)物中氧氣量的其它方法包括如下方法(1)增多后燃燒室中的燃燒用空氣(高達(dá)50％的過量O2)，這會(huì)使最終通入窯有機(jī)物質(zhì)釋放區(qū)的燃燒產(chǎn)物中的含氧量增高；(2)在后燃燒器的燃燒用空氣中通入氮?dú)?，這會(huì)使送回窯釋放區(qū)的燃燒產(chǎn)物中的含氧量降低。最后可以預(yù)料，燃燒產(chǎn)物／廢氣可通過上述的配氣系統(tǒng)輸送到窯的釋放區(qū)中，用作廉價(jià)的無氟低氧氣體的一次源或輔助源。
所述的無氟低氧氣體較好含有至少95％的氮?dú)狻Ｔ诒緦?shí)施方式中，這種氣體可以是將壓縮空氣通過一個(gè)膜裝置除去氧氣和其它雜質(zhì)的膜產(chǎn)生具有所需95％含氮量的氣體。另一種氮?dú)庠磳?shí)例是液壓氮?dú)庀到y(tǒng)。
不管無氟低氧氣體的來源如何，通入該氣體的流量必須使得釋放區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的燒制氣氛在部分含碳物質(zhì)釋放過程中含有約少于12％體積的氧氣，較好含有約少于10％體積的氧氣。
在含碳物質(zhì)釋放的第一步燒制階段以后，通常還在足以引發(fā)和充分把陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕Y(jié)晶相為堇青石的燒制蜂窩體的溫度下將陶瓷體生坯燒制一段時(shí)間。當(dāng)陶瓷材料是含有堇青石的陶瓷時(shí)，適用于這一目的的溫度范圍一般為1340-1450℃。
閱讀如下的一些實(shí)施例可進(jìn)一步理解本發(fā)明。這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
實(shí)施例
分別進(jìn)行了三個(gè)燒制試驗(yàn)，其中一個(gè)是對(duì)比燒制試驗(yàn)。在每個(gè)試驗(yàn)中，制備兩種適于制造含堇青石陶瓷體的批料，批料1和2。每種批料是含有無機(jī)的物質(zhì)常規(guī)粘土-滑石-氧化鋁批料，且含有一定量一般在常規(guī)隧道窯燒制工藝中會(huì)引起問題(即可能使制品生產(chǎn)的開裂百分?jǐn)?shù)不合格)的含碳物質(zhì)、粘合劑、增塑劑和潤滑劑。批料1含有90．3％無機(jī)物質(zhì)和9．7％有機(jī)物質(zhì)。批料2含有91．8％無機(jī)物質(zhì)和8．9％有機(jī)物質(zhì)。兩種批料的百分?jǐn)?shù)均按重量計(jì)。分別將用于各自燒制試驗(yàn)的兩種批料所含的原料充分混和，形成均勻的批料。
分別由干原料制備各個(gè)批料，然后加入水(約占批料總重量的31％)。然后在Littleford混合器中將形成的濕批料均勻混合足夠的時(shí)間。再將各個(gè)混合批料擠壓形成直徑為4．16″、長度為4．5″、蜂窩密度為600個(gè)蜂窩／英寸2和蜂窩壁厚為4密耳的蜂窩狀生坯。
接著分別進(jìn)行三個(gè)燒制試驗(yàn)1-3。燒制試驗(yàn)1和2是將一種富氮?dú)怏w通入含碳物質(zhì)釋放區(qū)的燒制氣氛中，對(duì)比的燒制試驗(yàn)3則未將該氣體通入含碳物質(zhì)釋放區(qū)，即采用的是常規(guī)的高氧燒制氣氛。表Ⅰ記載了燒制試驗(yàn)1和2中富氮?dú)怏w的通入量(立方英尺／小時(shí)，cfh)；為了便于討論，將窯分成15個(gè)指定區(qū)(參見圖2)。通入的富氮?dú)怏w含有97．0氮?dú)猓菍h(huán)境空氣通過氧氣分離膜制得的。富氮?dú)怏w按如下方法通入窯中；(1)用窯門區(qū)中的簡易噴管通入窯門區(qū)中；(2)用窯車下面的噴管通入?yún)^(qū)2和3中；(3)用頂部風(fēng)扇中的窯頂噴管通入?yún)^(qū)5中；(4)用簡易的窯頂噴管通入?yún)^(qū)6-12中。
表 Ⅰ
在三個(gè)試驗(yàn)中，各把90個(gè)用批料1制成的蜂窩體生坯和90個(gè)用批料2制成的蜂窩體先放在托盤上，并與足量的用于填充窯車的“假”物體一起放在窯車上。在每個(gè)燒制試驗(yàn)中，讓6-10輛裝有生坯的窯車按規(guī)定的時(shí)間間隔通過窯內(nèi)進(jìn)行燒制循環(huán)。對(duì)每個(gè)燒制試驗(yàn)的一輛窯車的陶瓷體質(zhì)量、窯中各區(qū)氣氛的含氧量和對(duì)于溫度設(shè)定值的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
通過對(duì)燒制陶瓷體的肉眼觀察檢查每輛受監(jiān)測(cè)窯車上相對(duì)于常規(guī)燒制工藝(試驗(yàn)3)的裂紋減少率。表Ⅱ記載了本發(fā)明的兩個(gè)試驗(yàn)相對(duì)于試驗(yàn)3的陶瓷體的裂紋減少百分率。通過研究表Ⅱ中的結(jié)果，可以清楚地看到用燒制試驗(yàn)1和2(都在含碳物質(zhì)釋放區(qū)內(nèi)通入富氮?dú)怏w)制成的燒制陶瓷蜂窩體具有低得多的裂紋百分?jǐn)?shù)。
表Ⅱ
裂紋減少率
如上所述，可以認(rèn)為裂紋減少的效果(表現(xiàn)為開裂陶瓷體減少的百分?jǐn)?shù))很可能是由于抑制了含碳物質(zhì)釋放區(qū)中通常發(fā)生的放熱反應(yīng)。對(duì)于燒制試驗(yàn)1-3，測(cè)量了裝有被測(cè)陶瓷體的窯車與溫度設(shè)定值相比的溫度變化，它是放熱程度的量度。表Ⅲ記錄了在三個(gè)試驗(yàn)中每輛窯車通過區(qū)3-5(參見圖2中各區(qū)的位置)時(shí)的溫度變化。區(qū)3-5是主要的釋放區(qū)。每個(gè)區(qū)中測(cè)得的溫度是窯頂溫度(T1)、左壁溫度(T2)和右壁溫度(T3)。
研究表Ⅲ的結(jié)果表明，放熱反應(yīng)受到了抑制。在燒制試驗(yàn)1和2中(釋放區(qū)中通入富氮?dú)怏w)，區(qū)3-5中測(cè)量的溫度相當(dāng)接近于設(shè)定溫度，而燒制試驗(yàn)3在區(qū)3-5測(cè)得的溫度遠(yuǎn)高于設(shè)定溫度。這表明在對(duì)比燒制試驗(yàn)中發(fā)生了大量放熱反應(yīng)。圖4中其與燒制試驗(yàn)2和3設(shè)定溫度的變化比較更清楚地說明這個(gè)有害作用。
表Ⅲ
如上所述，對(duì)放熱反應(yīng)的抑制及所造成的溫差減小，在理論上可認(rèn)為是無氟低氧氣體(本實(shí)施例是氮?dú)?取代或稀釋燒制氣氛中氧氣的結(jié)果。表Ⅳ記載了在三個(gè)燒制試驗(yàn)中各個(gè)含碳物質(zhì)釋放區(qū)(1-10)中的平均氧氣百分含量；這些含氧量代表著被測(cè)陶瓷體通過區(qū)1-10時(shí)的含氧量。對(duì)表Ⅳ的研究表明，與常規(guī)燒制試驗(yàn)3相比，在釋放區(qū)內(nèi)通入富氮?dú)怏w的兩個(gè)燒制試驗(yàn)在釋放區(qū)1-10中含氧量較少。這樣，燒制試驗(yàn)1和2的釋放區(qū)燒制氣氛中可用于與釋放有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)的氧氣量就較少。圖5將燒制試驗(yàn)1和2與燒制試驗(yàn)3進(jìn)行了比較，更清楚地說明通入氮?dú)饨档秃趿康淖饔谩?br> 表Ⅳ
應(yīng)當(dāng)注意到，有效產(chǎn)生放熱反應(yīng)抑制作用所必需的無氟低氧氣體(上述實(shí)施例中是氮?dú)?濃度會(huì)隨許多因素而變化。這些因素包括陶瓷體的組成、大小和形狀；陶瓷體的裝載量、蜂窩壁的尺寸和陶瓷體中存在的蜂窩數(shù)、窯的結(jié)構(gòu)和所用的燒制工藝。因此，對(duì)于各種陶瓷／窯系統(tǒng)，燒制氣氛中有效地產(chǎn)生放熱反應(yīng)抑制作用所必需的無氟低氧氣體濃度應(yīng)根據(jù)料驗(yàn)確定之。
由上述描述可知，按照本發(fā)明的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體成形和燒制方法，在含碳物質(zhì)釋放區(qū)內(nèi)通入無氟低氧氣體可降低該釋放區(qū)內(nèi)的含氧量，從而抑制一般與含碳物質(zhì)釋放相關(guān)的放熱反應(yīng)。這樣，按本發(fā)明方法成形和燒制的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體，其內(nèi)部和外層之間產(chǎn)生的溫差會(huì)更有效地制成既無熱變形又無熱致開裂的燒制陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體。
權(quán)利要求
1．一種陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體的制造方法，該方法包括如下步驟
配制含預(yù)定量能產(chǎn)生燒制陶瓷蜂窩體的可燒結(jié)原料的批料混合物；
使所述原料與有效量的含碳物質(zhì)均勻混合，形成可塑混合物；
將所述原料成形為蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯，然后干燥所述的蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯；
在燒制氣氛中將蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯燒制到足以開始并充分釋放含碳物質(zhì)的溫度，并燒制足夠的時(shí)間，同時(shí)將含有少于20％體積O2的無氟低氧氣體引入所述的燒制氣氛中。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的批料混合物包含高嶺土、滑石、氧化鋁和其它堇青石形成材料的混合物，該批料中各種原料的含量是有效量，這些原料組合起來能產(chǎn)生主要結(jié)晶相為堇青石的燒制蜂窩體。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括燒制到足以開始并將陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯充分轉(zhuǎn)變?yōu)闊品涓C體的溫度，并燒制足夠的時(shí)間。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的無氟低氧氣體含有約少于18％體積的氧。
5．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)包括氣化、分解或蒸發(fā)溫度約低于600℃的液態(tài)或固態(tài)烴類含碳物質(zhì)。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)是聚合物粘合劑。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)是烴油或蠟粘合劑。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)是石墨。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于引入的無氟低氧氣體含有至少95％氮。
10．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于引入的無氟低氧氣體含有至少97．5％氮。
11．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于引入所述無氟低氧氣體的流量使得在部分含碳物質(zhì)釋放過程中所形成的燒制氣氛含有的O2少于12％。
12．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于引入所述無氟低氧氣體的流量使得在部分含碳物質(zhì)釋放過程中所形成的燒制氣氛含有少于10％的O2。
13．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在燒制氣氛中引入所述含有約少于20％體積氧氣的無氟低氧氣體步驟涉及除去包含釋放的含碳物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物，用后燃燒室處理所述的燃燒產(chǎn)物，以燃燒掉所述燃燒產(chǎn)物中的任何部分反應(yīng)或未反應(yīng)的含碳物質(zhì)，然后將處理后的燃燒產(chǎn)物重新返回?zé)茪夥罩小?br> 14．一種陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯的燒制方法，該陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯含有預(yù)定量能產(chǎn)生燒制陶瓷蜂窩的可燒結(jié)原料，包括含碳物質(zhì)，該方法包括如下步驟
在燒制氣氛中將蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯燒制到足以開始并充分釋放含碳物質(zhì)的溫度，并燒制足夠的時(shí)間，同時(shí)將含有少于20％體積O2的無氟低氧氣體引入所述的燒制氣氛中。
15．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述的無氟低氧氣體含有約少于18％體積的氧。
16．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述的批料混合物包含高嶺土、滑石、氧化鋁和其它堇青石形成材料的混合物，該批料中各種原料的含量是有效量，這些原料組合起來能產(chǎn)生主要結(jié)晶相為堇青石的燒制蜂窩體。
17．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括加熱到足以開始并將陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯充分轉(zhuǎn)變?yōu)闊品涓C體的溫度，并燒制足夠的時(shí)間。
18．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)包括氣化、分解或蒸發(fā)溫度約低于600℃的液態(tài)或固態(tài)烴類含碳物質(zhì)。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)是聚合物粘合劑。
20．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)是烴油或蠟粘合劑。
21．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述的含碳物質(zhì)是石墨。
22．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于引入的無氟低氧氣體含有至少95％氮。
23．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于引入的無氟低氧氣體含有至少97．5％氮。
24．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于引入所述無氟低氧氣體的流量使得在至少部分含碳物質(zhì)釋放過程中所形成的燒制氣氛含有的O2少于12％。
25．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于引入所述無氟低氧氣體的流量使得在至少部分含碳物質(zhì)釋放過程中所形成的燒制氣氛含有少于10％的O2。
26．如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于在燒制氣氛中引入所述含有約少于20％氧的無氟低氧氣體步驟涉及除去包含釋放的含碳物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物，用后燃燒室處理所述的燃燒產(chǎn)物，以燃燒掉所述燃燒產(chǎn)物中的任何部分反應(yīng)或未反應(yīng)的含碳物質(zhì)，然后將處理后的燃燒產(chǎn)物重新返回?zé)茪夥罩小?br> 全文摘要
一種燒制含有含碳物質(zhì)(如有機(jī)粘合劑)的堇青石陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯的方法,包括兩步。第一步是在燒制氣氛中將蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯燒制到足以開始并充分釋放含碳物質(zhì)的溫度,并燒制足夠的時(shí)間,同時(shí)將含有約少于20%體積O2的無氟低氧氣體引入所述的燒制氣氛中。一旦含碳物質(zhì)充分釋放后,第二步是進(jìn)一步常規(guī)加熱到足以開始并將陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)體生坯充分轉(zhuǎn)變?yōu)闊品涓C體的溫度,并燒制足夠的時(shí)間。
文檔編號(hào)C04B38/00GK1278783SQ9881120
公開日2001年1月3日 申請(qǐng)日期1998年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月2日
發(fā)明者A·T·達(dá)爾, T·C·喬治烏, T·S·欣克爾, D·L·奧利弗, M·A·斯佩塞斯, C·S·威特 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司