搪玻璃釉在承压搪瓷水箱中的应用分析

作者:1xbet发布日期:2020-06-17 03:56

  【慧聪热泵网讯】摘要:太阳能热水器在我国应用已很普遍,但这种热水器一般为真空玻璃管直插式太阳能热水器,这种热水器储水箱一般是开式结构,用304不锈钢制作就能满足使用寿命的要求。

  太阳能热水器在我国应用已很普遍,但这种热水器一般为真空玻璃管直插式太阳能热水器,这种热水器储水箱一般是开式结构,用304不锈钢制作就能满足使用寿命的要求。

  真空玻璃管直插式太阳能热水器由于诸多弊端,不适合于高层建筑,取而代之是阳台壁挂平板太阳能热水器。然而这种热水器对水箱内胆的要求较高,必须同时满足如下3个条件:

  不锈钢水箱不能满足以上3条要求。首先不锈钢内胆最大的隐患是“焊缝”,内胆上有2条环形焊缝和一条直形焊缝,焊缝之间形成交叉点,该点处易受自来水及水中氯离子(Cl+)等有害离子的侵蚀,易产生水箱因腐蚀而穿孔漏水。原因是不锈钢在焊接后,焊缝处的成分及晶型等都已发生变化。其次不锈钢的成本比碳钢要贵很多,所以一般均采用较薄的板材(厚0.6mm~1.0mm)。这样耐压强度不够,同时也很容易吸瘪。

  搪瓷内胆因采用较厚的BTC-340R专用钢板,有较大的屈服强度,搪瓷处理后具有承压耐用、耐腐蚀、防吸瘪及水质洁净等性能。所以搪瓷水箱用于承压太阳能热水器比较合适。

  实际上,国内外很多厂家已广泛使用搪瓷水箱,在这一点上电热水器走在前面,国外品牌主要是以AO史密斯、阿里斯顿为代表,国内品牌主要是以海尔、美的为代表。这充分证明搪瓷内胆的可靠性。并且将搪瓷水箱冠上美称。如金圭、钛金、金刚三层、蓝钻、蓝金刚等。实际上无非含有3层意思:

  1.指搪瓷层中含有氧化钴,是密着的主要成分,能使钢板与搪瓷层完美牢固结合。

  从以上3点可以看到热水器内胆所用的搪瓷釉的特点必须是耐酸、耐碱、耐高温水的腐蚀,其次是与钢板形成强力的结合,需要一种特殊的搪瓷釉,我们一般称之为热水器底面两用釉(也称热水器一次釉)。通常搪瓷内胆采用的是一次涂搪工艺。

  硅普多年的研究表明,酸、碱对搪瓷表面是有腐蚀的,同样水对搪瓷表面也是有腐蚀的,并随着水的纯度增加而增加。腐蚀的速度也随着温度上升而增加,并且超过沸点时达到最大。水对瓷层的腐蚀首先是瓷层中的碱离子与氢离子的交换,从而造成表面脱碱。下面是酸、碱对搪瓷表面及水对搪瓷表面腐蚀性反应方程式。

  随着反应的进行会在表面形成一层致密膜,称之为“保护膜层”。这层保护膜富含二氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)等成分。使Na+与H+的离子扩散受到阻挡,使搪瓷釉具有耐水稳定性。

  从以上的分析可知,二氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)等成分能提高热水器一次釉的耐水性能。表1为热水器一次釉配方组成范围。

  从以上配方中可看出,首先它是一种底釉,所以三氧化二硼(B203)、氟(F)的成分应高一些。这样才具备底釉的特性即对钢板有浸润作用,产生强有力的密着,并且透气性好,但这些成分对耐水性很不利,必须合理调配好。所以,热水器一次釉耐水性的提高有一定局限性。

  电热水器的温度很容易控制,但太阳能热水器水箱受自然条件的限制一般使用条件比较苛刻,如果温度控制不好,在夏天较强烈的太阳光下使用温度会达到近100℃的水温甚至超过100℃,水箱设计承受温度为80℃。所以,这对水箱的腐蚀性提出更高的要求。

  为了进一步提高热水器的使用寿命我们可以尝试用搪玻璃釉,所谓搪玻璃釉是一种含硅量较高(SiO265%),同时在配方中引入氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)等耐腐蚀组分,含三氧化二硼(B2O3)、氟(F)较低的特种釉。具有耐酸、耐碱、耐高温水的腐蚀,并且能抗温差急变。采用搪玻璃釉生产的搪玻璃设备广泛应用于化工制药领域,能够承受高温、高压、强腐蚀等苛刻条件,搪玻璃釉配方组成范围见表2。

  热水器内胆应用搪玻璃涂层可通过两次搪烧结实现,底釉层只考虑与钢板密着及面釉的匹配性,而面釉层就可以完全考虑提升釉料的腐蚀性。

  搪瓷层是多气泡结构,良好的气泡结构对热水器的使用寿命非常关键,衡量气泡的合理性一般有如下参数:气泡的大小和气泡的多少(用气泡密度来表示,即:气泡占瓷层空间的比率)。良好的气泡结构,应该是细小而又均匀,最好不能有超过40um的气泡。理想状态,好的搪瓷层中最好不存在气泡,从而能保证耐水性能。但是,由于在热水器一次釉粉中必须加入粘土,电解质等材料才具备釉浆的涂搪性能,而这些物质在加热时会产生挥发性的气体,如粘土中的结构水、电解质本身的分解。同时在搪烧时的钢板也会产生脱碳反应,产生一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氢(H2)等气体。在搪烧完成之前没来得及跑离的气体就固化在瓷层中,从而形成气泡,请参照图1。

  图2为热水器一次釉涂层的剖面示意图,从图2中可看出,整个瓷层自上而下都充满着气泡,气泡密度一般为30%~40%,而搪玻璃瓷层分两次烧成,气泡一般分布在底釉层中,在搪烧面釉时一般会降低搪烧温度50℃~100℃,气泡就不会向上跑,这样就形成致密的面釉保护层,并且搪玻璃面层中一般很少加入粘土与电解质,所以分解物质很少,钢板高温反应产生的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氢(H2)气体在底釉层中不会向上排放,瓷层中几乎没有气泡,见图3。

  由于钢材与搪瓷釉是两种完全不同的材料,许多性能如:延伸率、弹性、抗拉强度等有较大差异,见表3。

  由于钢材的膨胀系数比瓷层大,在烧成冷却过程中可使瓷层得到残余压缩应力,从表3可以看出,抗拉强度是很低的,而抗压强度是非常高的(是钢材的4倍左右),只要选择合理的瓷层膨胀系数,使得瓷层的压缩应力在合理的范围(80~100N/mm2),对瓷层的稳定性是非常有利的,见图4。

  热水器在使用时,随着温度的升高与压力的上升桶体钢板会膨胀,导致瓷层中残留应力会变小,如果这时没有残余压应力的存在,热水器在受到压力或受热膨胀,瓷层就会受到拉应力,然而瓷层耐受拉应力的能力很差,所以会很容易产生裂瓷现象。

  搪玻璃瓷层比热水器一次搪瓷层的膨胀系数较小,这是因为一次釉在与钢板反应时有一定量的氧化铁(Fe2O3)溶入底釉中,增大了膨胀系数,所以搪玻璃瓷层的残留应力略大一些,从而提高耐温差急变及耐压的能力,保证了搪瓷层与钢板同步伸缩不会产生裂纹。

  太阳能热水器换热内胆有3种方式,即:夹套换热、胆中胆换热、盘管换热。理想的情况下换热内胆与循环介质接触的一面最好进行搪瓷,即双面搪瓷。虽然在循环介质中已添加了缓腐蚀,但腐蚀量还是会有的。

  一般来讲BTC-340R专用钢板对密着是非常有利的。但该钢板双面搪瓷有困难,必须用合适的双面搪瓷底釉才能实现,双面搪瓷对延长使用其寿命非常有利,同时可减少循环介质中的杂质含量。

  热水器一次釉一次搪最佳厚度是0.25mm~0.3mm之间,如果太厚易产生各种缺陷,如:鳞爆、暗泡、烧生等。而搪玻璃瓷层是通过两次搪瓷来实现的,底釉层厚度控制在0.1mm~0.15mm之间,面釉层控制在0.2mm~0.25mm之间,总瓷层厚度控制在0.3mm~0.4mm之间,这样保证了有效的耐腐蚀瓷层厚度。

  从以上几点分析来看,太阳能热水器内胆用搪玻璃釉料是合理的,缺点是增加了搪瓷成本,但这点成本对于整套热水器的成本来说,还是相当少的。但能提高使用年限,超过1倍甚至更多的年限。

  表4是搪玻璃釉耐水指标,从数据中可看出:搪玻璃釉的耐水指标是欧洲标准的约1/6。由此可见,如果达到欧洲标准的热水器一次釉能用5~8年,则搪玻璃釉可用30~50年。

  综上所述,如果用搪玻璃釉,太阳能热水器内胆使用寿命提高到10~15年完全是没有问题的。此项技术也适合大范围地在承压水箱生产上推广使用。

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