CN102630219A - 用于对蜂窝状陶瓷坯体进行热力除去粘结的方法和设备 - Google Patents

Abstract

蜂窝状陶瓷坯体在支承在多个限制流动的支承构件上的同时在加热的含氧气体的循环中去除粘结，以便有选择地限制气氛通过坯体的蜂窝状内芯部分的循环，并同时允许气氛自由地循环通过支承构件和坯体。

Description

用于对蜂窝状陶瓷坯体进行热力除去粘结的方法和设备

相关申请的交互参照

本申请要求对2009年11月30日提交的美国专利申请No.12/627,000的优先权益。

背景

本文披露的方法和装置总体涉及陶瓷蜂窝体的制造，具体来说，涉及加热蜂窝状陶瓷坯体，以在将坯体熔结以反应烧结成为陶瓷蜂窝体之前，从未烧坯件中除去粘结的成分。

由诸如堇青石、碳化硅和钛酸铝等之类的耐火陶瓷材料组成的陶瓷蜂窝体，已广泛地应用于催化基体和颗粒过滤器的制造中。如此的基体和过滤器目前需要清除诸如一氧化碳、氮气和硫氧化物、未烧尽的碳氢化合物之类的污染物，以及诸如来自内燃机废气或来自工业燃烧过程的烟道气的煤烟之类的颗粒物。

熔结蜂窝状陶瓷的坯体，将它们转换为陶瓷蜂窝体，首先需要从坯体中除去粘结或除去各种有机粘结物或形成多孔的组分。在制造的早期成形阶段中，需要用这些组分来使陶瓷前体粉末和粘结组分的塑性混合物成形为自支承的坯体的蜂窝状形状。成形通常是将塑性混合物挤压通过蜂窝挤压模来实现。

若坯体蜂窝的形状包括超过约5重量％的诸如纤维质粘结剂的有机组分和/或诸如可燃烧的淀粉的形成多孔的添加剂的话，则会出现很大的制造困难。如果有机粘结剂和/或形成多孔的组分的除去未加仔细地管理，则在烧结好的物品中可观察到很高的开裂率。特别成问题的是大的蜂窝状坯体的去除粘结，例如，用于生产堇青石颗粒过滤器或生产用于处理重型柴油机废气流的燃烧器的那些大的蜂窝状坯体的去除粘结。

在去除蜂窝状陶瓷坯体粘结的过程中，可认为造成开裂的主要根源是蜂窝状坯体的内芯内有机物的未受控制的燃烧（热逸散）。如此未受控制的燃烧在坯体中产生大的热梯度，该热梯度又产生热应力，热应力很大，足以在去除粘结过程中造成开裂。

已经有人提出了许多种解决如此开裂的方法。这些方法包括使用低氧去除粘结的气氛来降低有机物燃烧速率；使用在去除粘结过程中的降低的加热速率来减小坯体内的内部温差；以及使用在去除粘结过程中的气体通过坯体蜂窝孔的循环水平，以提高坯体内的温度分布均匀性。

然而，在烧结过的陶瓷蜂窝体中仍会遇到很高程度的开裂。

发明内容

根据本文披露方法的实施例，蜂窝状陶瓷坯体的去除粘结包括这样的步骤：在加热的含氧气体循环气氛中加热坯体，同时有选择地限制通过坯体的蜂窝状内芯部分的气体循环。在某些实施例中，有选择地限制通过坯体的蜂窝状内芯部分的气体循环包括：加热坯体，同时将坯体支承在流动限制的水平支承表面上。该水平支承表面具有这样的面积，其至少足以阻塞通过定位在支承表面上的坯体的至少大部分蜂窝的循环气流，但不足以显著地限制气体在坯体的侧向或圆周侧表面上的循环。

本发明还包括用于蜂窝状陶瓷坯体去除粘结的装置。该装置的实施例包括具有用于加热坯体的加热封闭环境的炉窑，连同设置在加热的封闭环境内的基座支承件，该基座支承件包括间距，间距允许加热的含氧气体自由地循环通过基座支承件。这些实施例还包括多个设置在基座支承件上限制流动的坯体支承构件，用来以在坯***于支承构件上的同时限制加热的含氧气体通过坯体的蜂窝状内芯部分。

该装置还包括炉窑入口，入口允许加热的含氧气体流入加热的封闭环境中；以及用于循环加热的含氧气体通过基座支承件、坯体支承构件以及位于坯体支承构件上的坯体的气体循环装置。在所选择的实施例中，坯体的支承构件包括含有水平支承表面的盘支承件。每个支承表面具有这样的面积，其至少足以阻塞通过支承的坯体的大部分蜂窝（蜂窝开口面向支承表面）的加热的气流。然而，支承表面面积不足以显著地限制加热的含氧气体通过支承的坯体的侧向表面的循环。

附图说明

下面将参照附图来描述以上披露的方法和装置的实施例，附图中：

图1是描绘在去除粘结过程中坯体内芯温度对窑温度的曲线图；

图2示出适用于实践所披露方法的装置；

图3显示该装置一部分的详细视图；

图4示出该装置一部分的另一详细视图；以及

图5a和5b示出坯体支承构件的实施例。

具体实施方式

本发明的方法和装置特别适用于大的蜂窝状陶瓷坯体的去除粘结，该类型生产的蜂窝状坯体用于制造重型柴油机或汽油内燃机的蜂窝催化剂支承物或过滤器。如此蜂窝生产的一个重要份额是由耐火、低膨胀的堇青石（镁铝硅酸盐）蜂窝组成，这样的蜂窝通过反应-烧结塑性混合物来形成，塑性混合物是由粘土、滑石、氧化铝和其它前体粉末与诸如纤维质醚的粘结剂和诸如淀粉或石墨之类的多孔形成剂相组合而成。尽管使用本发明的方法和装置不局限于堇青石的蜂窝状坯体的去除粘结，但下面仍将参照如此堇青石的蜂窝状坯体的去除粘结来描述本发明的方法和装置的实施例。

本发明的方法和装置特别适用于从堇青石蜂窝坯体中去除相当高含量的有机物。在影响所披露的用于对堇青石蜂窝去除粘结的方法有效性的众多处理可变因素中，它们是物品固定类型、窑内保持的氧含量、去除粘结过程中所用的加热速率，以及用于加热的含氧气体在经受去除粘结的物品上循环的窑气氛的流量。

使用实心的耐火盘作为坯体支承构件，代替诸如现有技术中所用类型的环形固定器的支承件来促进气体循环通过坯体的蜂窝状内部，显著地减小了正在处理的蜂窝状陶瓷坯体内的热梯度。如此的盘有效地限制了进入坯体内芯的氧量、限制了物品内芯中有机物未受控制燃烧的可能性。然而，有待选择的盘支承件应具有类似于所要去除粘结的物品直径的直径，以便确保循环的含氧气体基本上无限制地进入到物品的外表面。

为对蜂窝状坯体去除粘结，使用实心的盘固定器作为支承构件的披露的方法和装置的实施例的有效性图示在附图中图1中。图1绘出典型的内芯当中的温度，在缓慢地加热炉窑达到从坯体中完全地去除有机物的温度过程中可在大的蜂窝状堇青石坯体的中心内芯内测量该温度。在附图中该加热过程中炉窑内的温度由曲线K显示。

图1中标示为“P”的曲线表示内芯温度，该温度代表加热支承在现有技术中所用设计的环形固定器上的大的蜂窝状堇青石坯体过程中测得的那些温度。例如，如此环形固定器的构造大致披露在所出版的美国专利申请US2008/0116621中。图1中标示为“I”的曲线表示内芯温度，该温度代表在由曲线“P”表征的同样构造的蜂窝状堇青石坯体内加热过程中测得的那些温度，但坯体支承在根据目前所披露方法的实心盘构造的坯体支承构件上的情形除外。

从附图中可以看清两个蜂窝状坯体之间的内芯当中温度之差，以及这些温度曲线偏离周围炉窑气体温度的程度。由曲线“P”表征的经历内芯温度变化的环形支承的坯体在加热过程中经受大的向上温度漂移或热逸散，达到内芯温度的某一点几乎比周围炉窑气体的温度高250°C。另一方面，由曲线“I”表征的经历内芯温度变化的盘支承的坯体在加热过程中经受远小得多的与周围炉窑气体的温度的偏离。曲线“I”表示在去除粘结过程中已经达到了对有机物粘结剂烧尽反应的有效控制，以及加热的坯体内远低得多的热应力。由曲线“P”表示的经历温度变化的大的坯体在去除粘结过程中通常会开裂，而由曲线“I”表示的经历温度变化的类似构造的坯体则不会开裂。

在特殊的情形中，对于坯体去除粘结的相关方面提供更广泛控制的本方法的实施例可进一步提供处理的优点。在某些方法中，蜂窝状陶瓷坯体含有5重量％或更多有机物材料，或甚至含有5-15重量％的有机物材料，这些方法是有代表性的。

很好适用于如此使用的实施例的实例包括这样的实例，其中，去除粘结是在包括少于20体积％氧的含氧气氛中进行，例如，其中，去除粘结是在含有13-19体积％氧的含氧气氛中进行。

如上所述，应使用这样的方法，其中，通过蜂窝状坯体的侧向外表面的加热的含氧气体的循环基本上是不受限制的。传统规格的耐火固定器板例如提供的水平支承表面的量级是坯体横截面面积的1.5-2倍或更多倍，这样的耐火固定器板不满足该要求。对于本描述来说，为了确保通过坯体的侧向外表面的气体循环基本上不受限制，以下披露方法的实施例是有效的，其中，坯体的支承构件的水平支承表面具有的面积，在横向于坯体蜂窝定向的方向的坯体横截面所占据面积的±20％内。在有些实施例中，坯体支承构件的水平支承表面具有的面积在坯体横截面所占据面积的±10％内，这样的实施例提供更佳的气体循环。

去除粘结过程中所用的炉窑加热速率部分地可取决于蜂窝状陶瓷坯体的大小，以及取决于炉窑内生坯物品的负载和可提供的含氧气体循环的加热水平。在大部分情形中，以下的方法是合适的，其中，加热坯体的步骤是在炉窑加热速率不超过约6°C/hr且温度范围在约200-300°C的情况下进行，或在某些实施例中，是在炉窑加热速率在1-4°C/hr范围内进行。气体通过坯体的侧向外表面的流速理想地是在0.5-5m/s范围内，在某些情形中在1-2m/s范围内。

对包括堇青石前体粉末的大的蜂窝状陶瓷坯体的去除粘结，可包括在对由其它材料组成的坯体去除粘结过程中不会遇到的问题，其中，堇青石前体通常包括水合的粘土成分。前体混合物中包括粘土的结果是，坯体的加热步骤则包括放热的有机物烧尽阶段和吸热的粘土脱羟基阶段，放热和吸热事件的交迭有可能产生比粘结剂单独烧尽过程中遇到的应力还要大的内部热应力。为了避免出现组合应力的问题，因此可有利地采用本文披露的方法的实施例，其中，加热步骤是在开始粘土脱羟基阶段之前对基本上完成粘结剂烧尽阶段有效的加热速率下进行。

目前用于对蜂窝状陶瓷坯体去除粘结的装置，可适用于以上披露方法的实践中。如此装置可包括专用的去除粘结的炉子以及大的定期的或隧道式的炉窑，其可执行去除粘结并然后以顺序的方式进行反应-烧结。

图2示出适用于实践所披露方法的装置的一个实施例的示意图，但未按真实比例或成比例地绘出。如该图所示，炉窑10提供一加热的封闭环境12，其用来加热多个待要被去除粘结的诸如坯体那样的坯体14。设置在炉窑中的还有气体入口开口10a，用来将加热的含氧气体递送到加热的封闭环境12中，如热气体流动箭头20所示。

基座支承件16设置在加热的封闭环境12内，在去除粘结过程中用以支承坯体14的阵列。基座支承件16包括呈支承结构中的间隙或其它开口形式的间距，其将在下文中详细地予以描述，这些间距允许加热的含氧气体不受限地循环通过基座支承件，如附图中的气体流动箭头20a所示。

设置在加热的封闭环境12内的基座支承件16上的是限制流动的坯体支承构件18。设置这些支承构件是为了限制加热的含氧气体通过位于支承构件上的坯体的蜂窝状内芯部分。该限制的流动在附图中由气体流动箭头20b示出，与由气体流动箭头20a所示的加热的含氧气体通过坯体14的基本上不受限的流动相反。

炉窑10另外还包括使加热的含氧气体循环通过基座支承件、坯体支承构件以及位于支承构件上的坯体的装置。在图2所示装置的实施例中，该装置包括包围坯体的内部封闭环境30以及循环风扇32，该风扇用来将加热的含氧气体抽吸到该内部封闭环境内、通过该内部封闭环境以及抽出该内部封闭环境。在所示实施例的操作中，加热的气体20被允许通过封闭基部处的内部封闭的入口30a流入内部封闭环境30中，然后，循环风扇32向上抽吸加热的气体20通过封闭环境并通过基座支承件16、坯体支承构件18和坯体14。

如图2中的气体流动箭头20c所示，风扇32将加热的含氧气体排入形成在炉窑10的壁和内部封闭30的壁之间的循环导管10b内。导管10a可便于从内部封闭30的顶部排出的加热的含氧气体的全部或仅其一部分进行循环。因此，由于可能需要对含氧气体混合物的温度和/或组成进行控制，所以排出的气体可通过入口30a流回到内部封闭30内。

图3示出位于基座支承件16上的蜂窝状陶瓷坯体14阵列布置的示意俯视平面图，在如图2所示的装置内进行粘结去除。特别地参照图3，基座支承件16对坯体14提供了下面支承，例如，其由纵梁16a的阵列构成。这些纵梁彼此间距开且大致平行地布置，它们诸如在端部安装在横梁16b上。纵梁16a和横梁16b可用合适的用于炉窑设备的高温材料制成，例如，碳化硅材料。当加热气体向上抽吸通过炉窑加热的封闭环境时，纵梁16a之间的间距17允许加热的气体自由地流过坯体14。基座支承件16可具有交替的构造，例如，由打孔的或开槽的板来形成，只要仍保持有足够的加热气体流过坯体14的侧表面就可。

图4是设置在诸如图3所示的纵梁16a的基座支承件上坯体14的放大侧视图，其中，示出了由耐火盘固定器18组成的限制流动的坯体支承构件的位置。附图中的图5a和5b示出了如图4所示盘结构的坯体支承构件18的俯视图（a）和侧视图（b）。

在所示的结构中，盘18定位成阻塞加热的含氧气体流入坯体14的内芯部分中，如图中的气体流动箭头20b所示。盘18的上部水平表面具有足够的面积来阻挡加热气体流动到支承在该表面上的坯体的蜂窝14a内，但盘18的直径足够小，它不会显著地限制加热的含氧气体20a循环通过坯体的外部侧表面。

图4的结构布置还附加地包括设置在盘18和坯体14之间的所谓甜饼或牺牲盘19，它的使用是传统的，用以保护坯体14底部端免遭翘曲和/或受到构造盘18所用材料的污染。如此的牺牲盘不是单独设计或企图显著地限制加热的含氧气体流朝向坯体的循环。例如，盘18可用高温陶瓷材料制造，高温陶瓷材料例如是碳化硅、氧化铝、多铝红柱石、氧化锆或其它耐火陶瓷或金属。此外，正如所示的盘18的实施例那样，盘底侧可包括底切部，其有利地使盘18和基座支承件纵梁16a之间的接触面积为最小。

使用以上披露的方法和装置，则有好多个相随的优点，但从经济性观点来看，其中更为重要的是大大地降低了裂纹出现率，同时，显著地缩短了组合的去除粘结/烧结循环的长度。对于至少一种产品类型，已经确保烧结循环长度的缩短达到13％，以及裂纹出现率的降低达一个量级。

从以上描述中可以明白到，提供了以上阐述的方法和装置的特殊实施例，仅是为了说明本发明而不是加以限制，在附后权利要求书的范围之内，对于这些实施例还可作出或采纳各种改适和修改。

Claims (17)

1.一种用于蜂窝状陶瓷坯体的去除粘结的方法，所述方法包括这样的步骤：在含氧气体循环气氛中加热坯体，同时有选择地限制通过坯体的蜂窝状内芯部分的气体循环。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，有选择地限制通过所述坯体的所述蜂窝状内芯部分的含氧气氛的循环包括：在将所述坯体支承在流动限制的水平支承表面上的同时加热所述坯体，所述水平支承表面具有这样的面积，所述面积至少足以阻塞通过支承在所述支承表面上的坯体的大部分蜂窝的含氧气体流动，但不足以显著地限制加热的含氧气体通过所述坯体的侧向外表面的循环。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述流动限制的水平支承表面具有的面积，在横向于所述坯体蜂窝定向的方向的所述坯体横截面所占据面积的±20％内。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，沿平行于坯体蜂窝定向方向的方向通过所述坯体的侧向外表面的含氧气氛的循环基本上未受限制。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，蜂窝状陶瓷坯体含有5重量％或以上的有机材料。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，蜂窝状陶瓷坯体包含水合的粘土成分。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，加热坯体的步骤是在炉窑加热速率不超过约6°C/hr且温度范围在约200-300°C的情况下进行。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，加热坯体的步骤是在1-4°C/hr的加热速率范围内进行。

9.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述含氧气氛包括少于20体积％氧气。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述含氧气氛含有13-19体积％氧气。

11.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，加热步骤包括有机物烧尽阶段和粘土脱羟基阶段。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，加热步骤是在开始所述粘土脱羟基阶段之前对基本上完成所述粘结剂烧尽阶段有效的加热速率下进行。

13.用于蜂窝状陶瓷坯体去除粘结的装置，所述装置包括：

具有用于加热坯体的加热封闭环境的炉窑；

设置在所述加热的封闭环境内的基座支承件，所述基座支承件包括间距，所述间距允许加热的含氧气体自由地循环通过所述基座支承件；

多个流动限制坯体的支承构件，所述多个流动限制坯体的支承构件设置在所述基座支承件上，用以限制加热的含氧气体流动通过位于支承构件上的坯体的蜂窝状内芯部分；

炉窑入口，所述炉窑入口允许加热的含氧气体流入加热的封闭环境中；以及

气体循环装置，所述气体循环装置用于循环加热的含氧气体通过所述基座支承件、坯体支承构件以及位于所述坯体支承构件上的坯体。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述坯体的支承构件包括含有水平支承表面的盘支承件，每个支承表面具有的至少足以阻塞通过支承成蜂窝开口面向支承表面的坯体的大部分蜂窝的含氧气体的气流，但支承表面面积不足以显著地限制加热的含氧气体通过所述坯体的侧向表面的循环。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，每个水平支承表面具有的面积，在横向于坯体蜂窝定向的方向的坯体横截面所占据面积的±20％内。

16.如权利要求13-15中任一项所述的装置，其特征在于，所述基座支承件包括间距开的耐火纵梁。

17.如权利要求13-16中任一项所述的装置，其特征在于，用于循环加热的含氧气体通过所述基座支承件、所述坯体支承构件以及位于所述坯体支承构件上的所述坯体的循环装置，所述循环装置包括（i）位于所述炉窑内并包围所述坯体的内部封闭环境，以及（ii）循环风扇，所述循环风扇用来将加热的含氧气体抽吸到所述内部封闭环境内、通过所述内部封闭环境以及抽出所述内部封闭环境。

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