金屬蜂窩助燃板在燃燒領(lǐng)域的研制與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的研究

周佳強　王維亮　張蒙恩

青島海爾智慧廚房電器有限公司　山東青島　266103

1　引言

市場上現(xiàn)有家用遠紅外線灶具燃燒器上的金屬蜂窩助燃板，大多以汽車三元催化器用金屬蜂窩載體為基礎(chǔ)借鑒而來的，但由于一味照抄照搬汽車三元催化器用金屬蜂窩載體，沒有按遠紅外線催化燃燒的自身使用原理對金屬蜂窩載體進行定向結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料優(yōu)化選擇，載體加工工藝和工裝標(biāo)準不規(guī)范，使金屬蜂窩助燃板在使用過程中出現(xiàn)載體使用壽命短、載體容易發(fā)生變形、氧化、催化涂層易脫落、催化劑使用壽命極短、產(chǎn)生回火現(xiàn)象等一系列問題。由于金屬箔帶材質(zhì)本身濕潤性差，對預(yù)混燃氣沒有穩(wěn)流功能，一般情況下金屬蜂窩燃燒器須設(shè)置有燃氣穩(wěn)流器，才能保證燃氣灶具燃燒器實現(xiàn)穩(wěn)定、高效燃燒，現(xiàn)有用在家用遠紅外線燃氣灶具燃燒器上的金屬蜂窩助燃板，一般是在金屬蜂窩助燃板下表面焊接一層不銹鋼網(wǎng)或在金屬蜂窩助燃板下表面加一層金屬合金泡沫起隔熱和平衡氣流作用，這是為了克服金屬材料熱導(dǎo)率過高和材質(zhì)本身不透氣沒有穩(wěn)定氣流功能所采取的防范措施，但由于金屬材料具有熱脹冷縮的特性和金屬蜂窩助燃板使用環(huán)境比較惡劣等情況，導(dǎo)致金屬蜂窩助燃板下表面焊接的一層不銹鋼網(wǎng)片極易脫落或助燃板與合金泡沫之間發(fā)生變形，導(dǎo)致燃燒器發(fā)生回火現(xiàn)象，以上兩種結(jié)構(gòu)的金屬蜂窩助燃板在使用過程中存在很大技術(shù)隱患，現(xiàn)有市場上用在遠紅外線灶具燃燒器上的金屬蜂窩助燃板，只能使金屬蜂窩燃燒器遠紅外線催化燃燒達到一種暫時的不穩(wěn)定的平衡，市場上現(xiàn)有產(chǎn)品可靠性的差距是最明顯的問題，作為時間維度上的質(zhì)量，可靠性是最影響用戶信心的，應(yīng)該也是產(chǎn)品質(zhì)量方面最難以解決的、最難啃的骨頭。

2　金屬蜂窩助燃板種類及其應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1　金屬蜂窩助燃板種類

（1）金屬箔帶助燃板

采用雙層或多層金屬箔帶平板帶和金屬箔板變形帶交替放置纏繞或?qū)雍附又瞥傻慕饘俜涓C助燃板。

（2）金屬纖維助燃板。

（3）金屬合金泡沫助燃板。

（4）金屬粉末擠壓成型金屬蜂窩助燃板。

采用金屬粉末擠壓成型法生產(chǎn)的金屬蜂窩助燃板。

2.2　國外的研究現(xiàn)狀

國外在金屬纖維燃燒器方面的報道較多、應(yīng)用范圍較廣、產(chǎn)品也比較成熟，金屬纖維燃燒器在工業(yè)、商用領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用報告，也有很多著名的專業(yè)金屬纖維燃燒器生產(chǎn)廠家。采用金屬箔帶助燃板生產(chǎn)的燃燒器在國外還沒有相關(guān)產(chǎn)品報道，只有金屬箔帶蜂窩體在汽車三元催化器、散熱器、飛機發(fā)動機等工業(yè)領(lǐng)域有大量的應(yīng)用報道。采用金屬合金泡沫助燃板生產(chǎn)的燃燒器在國外工業(yè)領(lǐng)域有應(yīng)用報告，但應(yīng)用面較狹小。國外Corning公司已經(jīng)能從銅粉末用擠壓方法生產(chǎn)金屬蜂窩體。

2.3　國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)采用卷曲金屬箔帶波紋片的方法生產(chǎn)家用灶具燃燒器用金屬蜂窩載體已經(jīng)有六七年的歷史了，金屬箔帶助燃板在遠紅外線灶具燃燒器上的應(yīng)用也引起了家用灶具燃燒器領(lǐng)域的極大關(guān)注，相信通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，生產(chǎn)家用遠紅外線灶具燃燒器采用金屬蜂窩助燃板的廠家會越來越多。國內(nèi)金屬纖維燃燒器在工業(yè)、商用領(lǐng)域的應(yīng)用也比較廣泛，但是在家用灶具領(lǐng)域還沒有應(yīng)用的報告。幾年前家用灶具用金屬合金泡沫燃燒器在廣東萬和燃氣科技有限公司出版過產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)報告。上海重工采用金屬粉末擠壓成型法生產(chǎn)金屬蜂窩發(fā)熱體，樣板還處于測試階段。

3　遠紅外線灶具燃燒器用金屬箔帶助燃板存在哪些弊端

3.1　材料選擇不合理

現(xiàn)有用在家用遠紅外線灶具燃燒器或商用遠紅外線灶具燃燒器上的金屬箔帶助燃板，在金屬箔帶材料選擇方面，沒有按遠紅外線催化燃燒原理對金屬箔帶材質(zhì)進行優(yōu)化選擇，而是直接照抄照搬汽車三元催化器用金屬蜂窩載體所采用的鐵絡(luò)鋁箔帶材質(zhì)，汽車三元催化器用金屬蜂窩載體是對汽車尾氣進行凈化用的，而遠紅外線灶具燃燒器用金屬箔帶助燃板是進行遠紅外線催化燃燒用的，由于兩者的使用環(huán)境不一樣，所以遠紅外線灶具燃燒器用金屬箔帶助燃板要按自身的使用環(huán)境對金屬箔帶材質(zhì)進行優(yōu)化選擇。

3.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

現(xiàn)有用在遠紅外線灶具燃燒器上的金屬蜂窩發(fā)熱體，大多以汽車三元催化器用金屬蜂窩載體為基礎(chǔ)借鑒而來的，采用鐵鉻鋁金屬箔板平板帶和金屬箔板變形帶交替放置纏繞焊接或?qū)雍附佣山饘俜涓C載體，形成密集的有大量直孔隙通道的金屬蜂窩載體，這種金屬蜂窩載體有大量的直孔隙通道適合對汽車尾氣進行凈化用，而遠紅外線灶具燃燒器用金屬箔帶助燃板要按遠紅外線催化燃燒的自身使用原理對金屬蜂窩發(fā)熱載體進行定向結(jié)構(gòu)設(shè)計，譬如，有效降低金屬蜂窩發(fā)熱載體熱導(dǎo)率，進一步增加金屬蜂窩載體對預(yù)混燃氣的穩(wěn)流功能等。

3.3　催化燃燒問題

現(xiàn)有遠紅外線灶具燃燒器用金屬蜂窩助燃板上表面涂覆的一層黑色材料，基本上都是采用一種進口或國產(chǎn)黑色高溫油，具有一定的催化和裝飾作用，原則上講這是一種裝飾涂料，好一點的爐具采用四氧化三鐵等賤金屬催化材料，以上兩種催化材料不具備三效催化能力，同時催化劑使用壽命很短，另外由于催化涂層制備方法不合理，導(dǎo)致催化涂層與金屬基體結(jié)合強度很差，催化涂層極易脫落，使遠紅外線灶具燃燒器無法實現(xiàn)真正的遠紅外線催化輻射燃燒。

3.4　加工工藝與工裝標(biāo)準不規(guī)范

市場上現(xiàn)有用在遠紅外線灶具燃燒器上的金屬蜂窩助燃板，在金屬蜂窩載體加工制造過程中沒有對金屬蜂窩發(fā)熱體的整個外表面進行防腐處理，金屬蜂窩發(fā)熱載體與爐包之間裝配方法和密封隔熱處理不合理，金屬蜂窩助燃板的可安裝性、可維修性差，由于市場上現(xiàn)有用在家用遠紅外線灶具燃燒器上的金屬蜂窩發(fā)熱載體本身穩(wěn)流功能差和載體本身導(dǎo)熱率過高，于是現(xiàn)有產(chǎn)品大都在金屬蜂窩發(fā)熱載體下表面碰焊或釬焊一層不銹鋼網(wǎng)，還有的在金屬蜂窩發(fā)熱載體下表面加一層金屬合金泡沫起隔熱和燃氣穩(wěn)流器的作用，但由于金屬材料具有熱脹冷縮的特性和金屬蜂窩發(fā)熱體使用環(huán)境比較惡劣的情況，通過幾年的實踐證明以上兩種結(jié)構(gòu)的金屬蜂窩發(fā)熱體在使用過程中存在很大技術(shù)隱患，產(chǎn)品的穩(wěn)定性極差，有些做遠紅外線灶具金屬蜂窩燃燒器的公司把產(chǎn)品的質(zhì)量問題刻意掩蓋起來，沒有耐心做技術(shù)研發(fā)，為了快速掙錢，把不成熟的金屬蜂窩燃燒器推向市場，而其他一些小型金屬蜂窩燃燒器制造公司簡單地模仿有技術(shù)隱患的產(chǎn)品，最后都走進了死胡同，給遠紅外線灶具用金屬蜂窩燃燒器的進一步發(fā)展帶來了很大的負面影響。

4　燃氣灶具燃燒器用金屬箔帶助燃板技術(shù)解決方案

4.1　方案1：具有通道相互連通功能的金屬蜂窩發(fā)熱體及其制作方法

核心問題：用金屬箔帶材料制作的蜂窩發(fā)熱體最大的缺點就是金屬材料熱導(dǎo)率過高容易引起回火現(xiàn)象發(fā)生，以及金屬材料自身不透氣特性對預(yù)混燃氣沒有穩(wěn)流功能，使燃燒器不能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。具體解決方法是：用滾壓或沖壓設(shè)備在條形金屬箔帶上面沿著箔帶長度方向滾壓或沖壓出有一定規(guī)律的間斷式細長條孔，然后用特制的壓波機將金屬箔帶壓制成波紋帶，將金屬箔板波紋帶和金屬箔板平板帶疊合對接焊接或纏繞焊接成一體，制成以金屬為載體的具有通道相互連通結(jié)構(gòu)的金屬蜂窩載體。采用上述設(shè)計方案后，可使金屬蜂窩發(fā)熱體熱傳導(dǎo)出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，達到降低金屬蜂窩載體熱導(dǎo)率的目的，避免了由于金屬蜂窩發(fā)熱體熱導(dǎo)率過高，使燃燒器容易發(fā)生回火現(xiàn)象的難題，同時金屬蜂窩載體內(nèi)部具有相互連通的通道，可對預(yù)混燃氣起平衡氣流的功能，使預(yù)混燃氣在蜂窩通道內(nèi)不僅產(chǎn)生軸向流動，也可實現(xiàn)徑向流動，而且能夠使預(yù)混氣體初始混合不均勻得到部分補償，使金屬蜂窩燃燒器實現(xiàn)高效穩(wěn)定燃燒，提高熱效率、有害氣體排放更低。

4.2　方案2：具有同體異目功能的金屬蜂窩發(fā)熱體及其制作方法

本設(shè)計方案是：在同一金屬蜂窩發(fā)熱體中包括上部分開孔率低的出氣燃燒面層和下部分開孔率高的限流進氣燃燒面層，限流進氣燃燒面層金屬蜂窩發(fā)熱體具有控制氣流流速使氣流均勻流動，金屬蜂窩發(fā)熱體上部分開孔率低的部分構(gòu)成出氣燃燒面層，出氣燃燒面層金屬蜂窩發(fā)熱體可保證氣流更加通暢，可使火焰在出氣燃燒面層金屬蜂窩發(fā)熱體的上表面形成穩(wěn)定燃燒，金屬蜂窩發(fā)熱體由條形金屬箔板平板帶和兩條目數(shù)不同上下組合放置在一起的金屬箔板變形帶疊合纏繞焊接成型或交替放置對接焊接成型，其中目數(shù)不同的兩條金屬箔板變形帶端面相吻合處可有效降低金屬蜂窩發(fā)熱體熱導(dǎo)率和穩(wěn)定氣流功能，本設(shè)計方案有效解決了背景技術(shù)中提到的不足之處，徹底解決了金屬蜂窩發(fā)熱體自身穩(wěn)流功能差的缺點以及容易發(fā)生回火現(xiàn)象的難題，在不增加外部結(jié)構(gòu)的前提下通過自身結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計，解決了金屬蜂窩發(fā)熱體的穩(wěn)流和隔熱問題。

4.3　方案3：金屬蜂窩載體具有曲線孔隙通道及載體內(nèi)部通道之間具有相互連通的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計方案的特點：本設(shè)計方案是設(shè)計方案1的升級技術(shù)方案，即把方案1中的帶有通道相互連通結(jié)構(gòu)的直線孔隙通道金屬蜂窩發(fā)熱體升級為帶有通道相互連通結(jié)構(gòu)的曲線孔隙通道金屬蜂窩發(fā)熱體，本設(shè)計方案3中的金屬蜂窩發(fā)熱載體比方案1中的金屬蜂窩發(fā)熱載體穩(wěn)流功能更好，同時還可進一步增強金屬蜂窩發(fā)熱載體的防回火功能。

以上三種設(shè)計方案是本人研發(fā)的家用遠紅外線灶具燃燒器用第一代金屬蜂窩發(fā)熱載體中比較典型的幾種設(shè)計方案，第二代金屬蜂窩發(fā)熱載體設(shè)計方案將進一步增強金屬蜂窩發(fā)熱載體自身的穩(wěn)流和隔熱功能，在金屬蜂窩發(fā)熱載體下表面不設(shè)置穩(wěn)流隔熱網(wǎng)片的情況下金屬蜂窩燃燒器也能實現(xiàn)穩(wěn)定高效燃燒。第三代金屬蜂窩發(fā)熱載體設(shè)計方案是對第二代金屬蜂窩發(fā)熱載體的進一步升級和完善，第二代和第三代金屬蜂窩發(fā)熱載體設(shè)計方案的樣機已經(jīng)研制出來，現(xiàn)正在對樣機進行測試之中。

4.4　方案4：對金屬蜂窩助燃板金屬箔帶材料進行優(yōu)化選擇

解決方案: 根據(jù)金屬蜂窩發(fā)熱體的使用特點對金屬不銹鋼箔帶材料進行優(yōu)化選擇，通過對金屬蜂窩發(fā)熱體使用環(huán)境進行分析，通過實驗室對金屬蜂窩燃燒器進行長期反復(fù)測試及小批量現(xiàn)場測試，選擇采用含有稀土元素釔的優(yōu)質(zhì)FeCrAlY不銹鋼箔帶新型材料，這種添加稀土元素釔的不銹鋼箔帶新型材料的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化及可加工性和可焊接性等方面性能得到極大提高，根據(jù)有關(guān)資料報道這種新型FeCrAlY不銹鋼箔帶的使用壽命是普通FeCrAl不銹鋼箔帶的五倍以上，選用這種新型材料極大地提高了遠紅外線灶具燃燒器用金屬蜂窩發(fā)熱體的整體使用壽命。

5　結(jié)束語

家用遠紅外線灶具燃燒器用金屬蜂窩箔帶助燃板，作為一種新開發(fā)的金屬蜂窩助燃板新材料，解決了過去堇青石陶瓷蜂窩助燃板易炸裂的難題。

市場上現(xiàn)有的金屬蜂窩箔帶助燃板作為一種新開發(fā)出來的遠紅外灶具線燃燒器用金屬蜂窩助燃板，不論是在載體材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝還是催化燃燒用催化劑研制及涂覆工藝等方面都還存在巨大的研發(fā)改進空間。隨著不斷地研發(fā)改進，其使用性能會越來越好，未來發(fā)展空間廣闊。

金屬蜂窩箔帶助燃板和陶瓷蜂窩助燃板作為遠紅外線灶具燃燒器用蜂窩助燃板，它們之間不存在誰好誰壞的問題，而是各有優(yōu)勢利弊。

金屬蜂窩箔帶助燃板并不是遠紅外線灶具燃燒器用金屬蜂窩助燃板的唯一選擇，金屬纖維助燃板、金屬蜂窩合金泡沫助燃板、粉末擠壓金屬蜂窩助燃板及金屬基復(fù)合材料蜂窩載體等都有一定的應(yīng)用前景，尤其是在金屬纖維燃燒器方面發(fā)展前景及其廣闊，國外在金屬纖維材料制作及金屬纖維燃燒器研制方面比國內(nèi)先進很多，國內(nèi)此方面的研究尚有很大發(fā)展空間。

[1] 黃志甲，張旭，胡國祥. 金屬纖維燃燒器在中餐燃氣炒菜灶的應(yīng)用. 煤氣與熱力，2003(3)第23卷第3期.

[2] 聶廷哲，段常貴，李善斌. 應(yīng)用高發(fā)射率涂層改善燃氣紅外輻射器性能的研究. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報2002(2)第35卷第1期.

[3] 張全勝，劉艷春，任雪潭. 高效紅外線節(jié)能灶設(shè)計與分析. 廣東化工2015年第14期第42卷.