搪玻璃釉在水箱中的应用分析

搪玻璃釉在太阳能热水器承压搪瓷水箱中的应用分析摘要本文阐述了搪玻璃釉的生产配方及优势特点，指出搪玻璃釉可以有效提高太阳能热水器承压搪瓷水箱的使用寿命。关键词搪玻璃釉承压搪瓷水箱0前言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。搪瓷内胆特点分析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：必须是闭式承压运行及耐高温；内胆 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面耐高温水的腐蚀；能承受冷热水进出压力骤变及同时产生的温差骤变。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：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指搪瓷的主体成分为二氧化硅，是耐酸、耐碱、耐高温水腐蚀的主要成分。采用高屈服强度并且适合搪瓷工艺要求的专用钢板。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。一次釉生产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。三SiONa+H+OH-三SiOH+NaOH（搪瓷层）（水）（搪瓷层）（带碱性水）随着反应的进行会在表面形成一层致密膜，有人称之为“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。表1一次釉配方组成范围成网组分二氧化硅（SiO2）60〜50三氧化二硼（B2O3）8〜15中间体氧化钛（TiO2）+氧化铝（Al2O3）+氧化锆（ZrO2）+氧化锡（SnO2）5〜10助熔组分氧化钠（Na2O）+氧化钾（K2O）+氧化锂（Li2O）15〜20氧化钙（CaO）+氧化镁（MgO）+氧化锌（ZnO）+氧化钡（BaO）3〜5氟（F）4〜6密着剂、着色组分二氧化锰（Mn02）+氧化铜（CUO）+（NiO）+氧化钻COO）1〜2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的局限性。搪玻璃釉生产工艺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100C的水温甚至超过100C,水箱设计承受温度为80C。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（SiO2>65%），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。表2搪玻璃釉配方组成范围成网组分二氧化硅（SiO2）75〜65三氧化二硼（B2O3）2〜3中间体氧化钛（TiO2）+氧化铝（Al2O3）+氧化锆（ZrO2）+氧化锡（SnO2）5〜10助熔组分氧化钠（Na2O）+氧化钾（K2O）+氧化锂（Li2O）15〜20氧化钙（CaO）+氧化镁（MgO）+氧化锌（ZnO）+氧化钡（BaO）3〜5氟（F）0〜1密着剂、着色组分二氧化锰（Mn02）+氧化铜（CUO）+（NiO）+氧化钻COO）1〜2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。搪玻璃搪玻璃瓷层优点分析搪玻璃瓷层与热水器一次搪瓷层相比具有如下4大优点：4.1表面形成致密保护层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—DC3C-60.735untA=293.?539ua"2d^19-333unC123.R75um胖12211122pi/2d；1化431tiniSumJDCSC97.932unA7G1ZOEuni2d31.173um3fC22L661umA3909.937und-70.557una图1热水器一次釉搪瓷的气泡结构分布图图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50C〜100C,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（C02）、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。图2图34.2膨胀系数更匹配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3o表3材料性质对照表材质性质抗拉强度/(Nmm2)抗压强度/(N/mm2)延伸率线性膨胀系数(X10-7C-1)张性模数/(N/mm2)搪玻璃釉70〜90800〜10000.1%85〜9575000钢材380〜515〜24015〜35%136210000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。热水器在使用时，随着温度的升高与压力的上升筒体钢板会膨胀，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。4.3能实现双面搪瓷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。4.4瓷层厚度可灵活控制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。表-4搪玻璃釉耐水指标检验项目检验结果标准要求检测标准耐热水侵蚀性0.55g/m2.d失重w3.5g/n?.dDIN4753相当于0.0803mm/年相当于0.511mm/年注：假定搪玻璃层密度为2.5，腐蚀量1g/m2.d相当于0.146mm/年。结论综上所述，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。