搪玻璃釉在水箱中的應用分析

1、搪玻璃釉在太陽能熱水器承壓搪瓷水箱中的應用分析摘要 本文闡述了搪玻璃釉的生產配方及優(yōu)勢特點，指出搪玻璃釉可以有效 提高太陽能熱水器承壓搪瓷水箱的使用壽命。關鍵詞 搪玻璃釉 承壓搪瓷水箱0 前言太陽能熱水器在我國應用已很普遍，但這種熱水器一般為真空玻璃管直插 式太陽能熱水器，這種熱水器儲水箱一般是開式結構， 用304 不銹鋼制作就能 滿足使用壽命的要求。1 搪瓷內膽特點分析真空玻璃管直插式太陽能熱水器由于諸多弊端， 不適合于高層建筑， 取而代 之是陽臺壁掛平板太陽能熱水器。 然而這種熱水器對水箱內膽的要求較高， 必 須同時滿足如下 3 個條件：1. 必須是閉式承壓運行及耐高溫；2. 內膽表面耐高

2、溫水的腐蝕；3. 能承受冷熱水進出壓力驟變及同時產生的溫差驟變。不銹鋼水箱不能滿足以上 3 條要求。首先不銹鋼內膽最大的隱患是 “焊縫”， 內膽上有 2 條環(huán)形焊縫和一條直形焊縫， 焊縫之間形成交叉點， 該點處易受自 來水及水中氯離子（Cl-）等有害離子的侵蝕，易產生水箱因腐蝕而穿孔漏水。 原因是不銹鋼在焊接后， 焊縫處的成分及晶型等都已發(fā)生變化。 其次不銹鋼的 成本比碳鋼要貴很多，所以一般均采用較薄的板材（厚0.6mm1.0mm ）。這樣耐壓強度不夠，同時也很容易吸癟。搪瓷內膽因采用較厚的 BTC-340R 專用鋼板，有較大的屈服強度，搪瓷處 理后具有承壓耐用、耐腐蝕、防吸癟及水質潔凈等性能

3、。所以搪瓷水箱用于承 壓太陽能熱水器比較合適。實際上，國內外很多廠家已廣泛使用搪瓷水箱，在這一點上電熱水器走在 前面，國外品牌主要是以 AO-史密斯、阿里斯頓為代表，國內品牌主要是以 海爾、美的為代表。 這充分證明搪瓷內膽的可靠性。 并且將搪瓷水箱冠上美稱。 如金圭、鈦金、金剛三層、藍鉆、藍金剛等。實際上無非含有3 層意思：1. 指搪瓷層中含有氧化鈷，是密著的主要成分，能使鋼板與搪瓷層完美牢固2. 指搪瓷的主體成分為二氧化硅， 是耐酸、 耐堿、耐高溫水腐蝕的主要成分。3. 采用高屈服強度并且適合搪瓷工藝要求的專用鋼板。從以上 3 點可以看到熱水器內膽所用的搪瓷釉的特點必須是耐酸、耐堿、 耐高溫

4、水的腐蝕，其次是與鋼板形成強力的結合，需要一種特殊的搪瓷釉，我 們一般稱之為熱水器底面兩用釉（也稱熱水器一次釉）。通常搪瓷內膽采用的 是一次涂搪工藝。2 一次釉生產工藝硅普多年的研究表明，酸、堿對搪瓷表面是有腐蝕的，同樣水對搪瓷表面 也是有腐蝕的， 并隨著水的純度增加而增加。腐蝕的速度也隨著溫度上升而增 加，并且超過沸點時達到最大。 水對瓷層的腐蝕首先是瓷層中的堿離子與氫離 子的交換，從而造成表面脫堿。下面是酸、堿對搪瓷表面及水對搪瓷表面腐蝕 性反應方程式。三 SiONa + H+OH- 三 SiOH+NaOH（搪瓷層） （水） （搪瓷層）（帶堿性水 ）隨著反應的進行會在表面形成一層致密膜，

5、有人稱之為 “保護膜層 ”。這層保 護膜富含二氧化硅（SiO2）、氧化鈦（TiO2 ）、氧化鋯（ZrO2）等成分。使 Na+與H+的離子擴散受到阻擋，使搪瓷釉具有耐水穩(wěn)定性。從以上的分析可知，二氧化硅（SiO2）、氧化鈦（TiO2 ）、氧化鋯（ZrO2）等成分能提高熱水器一次釉的耐水性能。 表 1為熱水器一次釉配方組成范圍。表 1 一次釉配方組成范圍成網組分二氧化硅（SiO 2 ） 6050三氧化二硼（B2O3 ） 815中間體氧化鈦（TiO2） +氧化鋁（AI2O3 ） +氧化鋯（ZrO2 ）+氧化錫（ SnO2） 510助熔組分氧化鈉（ Na2O） +氧化鉀（ K2O） +氧化鋰（ Li2

6、O） 1520氧化鈣（ CaO ） +氧化鎂（ MgO ）+氧化鋅（ ZnO）+氧化鋇（BaO） 35氟（F） 46密著劑、著色組分二氧化錳（Mn02） +氧化銅（CUO） + （ NiO） +氧化鉆 COO ）1 2從以上配方中可看出，首先它是一種底釉，所以三氧化二硼（ B203 ）、氟 （ F ）的成分應高一些。這樣才具備底釉的特性即對鋼板有浸潤作用，產生強 有力的密著，并且透氣性好，但這些成分對耐水性很不利，必須合理調配好。 所以，熱水器一次釉耐水性的提高有一定的局限性。3 搪玻璃釉生產工藝電熱水器的溫度很容易控制，但太陽能熱水器水箱受自然條件的限制一般 使用條件比較苛刻， 如果溫度控制

7、不好， 在夏天較強烈的太陽光下使用溫度會 達到近100 C的水溫甚至超過100 C,水箱設計承受溫度為80 C。所以，這對 水箱的腐蝕性提出更高的要求。為了進一步提高熱水器的使用壽命我們可以嘗試用搪玻璃釉，所謂搪玻璃釉 是一種含硅量較高（ SiO265% ），同時在配方中引入氧化鈦（ TiO2 ）、氧 化鋯（ZrO2 ）等耐腐蝕組分，含三氧化二硼（B2O3 ）、氟（F）較低的特種 釉。具有耐酸、耐堿、耐高溫水的腐蝕，并且能抗溫差急變。采用搪玻璃釉生 產的搪玻璃設備廣泛應用于化工、制藥領域，能夠承受高溫、高壓、強腐蝕等 苛刻條件，搪玻璃釉配方組成范圍見表 2。表 2 搪玻璃釉配方組成范圍成網組分

8、二氧化硅（ SiO 2 ）75 65三氧化二硼（ B2O3 ）2 3中間體氧化鈦（ TiO2 ）+氧化鋁（ Al2O3 ）+ 氧化鋯（ ZrO2 ）+氧化錫（ SnO2）510助熔組分氧化鈉（Na2O ） +氧化鉀（K2O） +氧化鋰（Li2O ） 1520氧化鈣（ CaO ） +氧化鎂（ MgO ）+氧化鋅（ ZnO）+氧化鋇（BaO） 35氟（F） 01密著劑、著色組分二氧化錳（Mn02） +氧化銅（CUO） + （ NiO） +氧化鉆COO ）1 2熱水器內膽應用搪玻璃涂層可通過兩次搪燒結實現，底釉層只考慮與鋼板 密著及面釉的匹配性，而面釉層就可以完全考慮提升釉料的腐蝕性。4 搪玻璃搪玻

9、璃瓷層優(yōu)點分析搪玻璃瓷層與熱水器一次搪瓷層相比具有如下 4 大優(yōu)點：4.1 表面形成致密保護層搪瓷層是多氣泡結構，良好的氣泡結構對熱水器的使用壽命非常關鍵，衡 量氣泡的合理性一般有如下參數： 氣泡的大小和氣泡的多少 （用氣泡密度來表 示，即 :氣泡占瓷層空間的比率）。良好的氣泡結構，應該是細小而又均勻， 最好不能有超過 40um 的氣泡。理想狀態(tài)，好的搪瓷層中最好不存在氣泡，從 而能保證耐水性能。但是，由于在熱水器一次釉粉中必須加入粘土，電解質等 材料才具備釉漿的涂搪性能， 而這些物質在加熱時會產生揮發(fā)性的氣體， 如粘 土中的結構水、電解質本身的分解。同時在搪燒時的鋼板也會產生脫碳反應， 產生

10、一氧化碳（ CO ）、二氧化碳（ CO2 ）、氫（ H2 ）等氣體。在搪燒完成之 前沒來得及跑離的氣體就固化在瓷層中，從而形成氣泡，請參照圖1。DC3C-60. 735 untA=293. ?539 ua2 d19-333 unC 123. R75 um 胖 12211 122 pi/2 d ；1化 431 tiniSumJDCSC 97. 932 unA 7G1 ZOE uni 2 d 31. 173 um 3fC 22L 661 um A 3909.937 un d-70. 557 una圖1熱水器一次釉搪瓷的氣泡結構分布圖圖2為熱水器一次釉涂層的剖面示意圖， 從圖2中可看出，整個瓷層自上

11、而 下都充滿著氣泡，氣泡密度一般為 30%40%，而搪玻璃瓷層分兩次燒成， 氣泡一般分布在底釉層中，在搪燒面釉時一般會降低搪燒溫度50 C100 C,氣泡就不會向上跑，這樣就形成致密的面釉保護層， 并且搪玻璃面層中一般很 少加入粘土與電解質，所以分解物質很少，鋼板高溫反應產生的一氧化碳（CO）、二氧化碳（C02 ）、氫（H2）氣體在底釉層中不會向上排放，瓷層 中幾乎沒有氣泡，見圖3。圖2圖34.2膨脹系數更匹配由于鋼材與搪瓷釉是兩種完全不同的材料，許多性能如：延伸率、彈性、抗拉強度等有較大差異，見表3o表3材料性質對照表材質性質抗拉強度/ ( Nmm2 )抗壓強度/ (N/mm2 )延伸率線性

12、膨脹系數(X10-7C-1 )張性模數 / (N/mm2 )搪玻璃釉 70 90800 10000.1 % 85 9575000鋼材 380 515 24015 35 % 136210000由于鋼材的膨脹系數比瓷層大，在燒成冷卻過程中可使瓷層得到殘余壓縮 應力，從表3可以看出，抗拉強度是很低的，而抗壓強度是非常高的(是鋼材 的 4 倍左右），只要選擇合理的瓷層膨脹系數，使得瓷層的壓縮應力在合理的 范圍（80100 N/mm2 ），對瓷層的穩(wěn)定性是非常有利的。熱水器在使用時，隨著溫度的升高與壓力的上升筒體鋼板會膨脹，導致瓷 層中殘留應力會變小， 如果這時沒有殘余壓應力的存在， 熱水器在受到壓力或

13、 受熱膨脹，瓷層就會受到拉應力，然而瓷層耐受拉應力的能力很差，所以會很 容易產生裂瓷現象。搪玻璃瓷層比熱水器一次搪瓷層的膨脹系數較小，這是因為一次釉在與鋼 板反應時有一定量的氧化鐵（ Fe2O3 ）溶入底釉中，增大了膨脹系數，所以搪 玻璃瓷層的殘留應力略大一些， 從而提高耐溫差急變及耐壓的能力，保證了搪 瓷層與鋼板同步伸縮不會產生裂紋。4.3 能實現雙面搪瓷太陽能熱水器換熱內膽有 3 種方式，即：夾套換熱、膽中膽換熱、盤管換 熱。理想的情況下?lián)Q熱內膽與循環(huán)介質接觸的一面最好進行搪瓷， 即雙面搪瓷 雖然在循環(huán)介質中已添加了緩腐蝕，但腐蝕量還是會有的。一般來講 BTC-340R 專用鋼板對密著是非

14、常有利的。但該鋼板雙面搪瓷有 困難， 必須用合適的雙面搪瓷底釉才能實現，雙面搪瓷對延長使用其壽命非常 有利，同時可減少循環(huán)介質中的雜質含量。4.4 瓷層厚度可靈活控制熱水器一次釉一次搪最佳厚度是 0.25mm 0.3mm 之間，如果太厚易產生 各種缺陷， 如：鱗爆、暗泡、燒生等。 而搪玻璃瓷層是通過兩次搪瓷來實現的， 底釉層厚度控制在 0.1mm 0.15mm 之間，面釉層控制在 0.2mm 0.25mm 之間，總瓷層厚度控制在 0.3mm0.4mm 之間，這樣保證了有效的耐腐蝕瓷 層厚度。從以上幾點分析來看，太陽能熱水器內膽用搪玻璃釉料是合理的，缺點是 增加了搪瓷成本，但這點成本對于整套熱水器的成本來說，還是相當少的。但 能提高使用年限，超過 1 倍甚至更多的年限。表 4 是搪玻璃釉耐水指標，從數據中可看出：搪玻璃釉的耐水指標是歐洲 標準的約 1/6。由此可見，如果達到歐洲標準的熱水器