[發(fā)明專利]基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310432852.3
• 申請(qǐng)日: 2013-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN103524022A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓建國(guó);閻培渝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): C03B19/00
• 分類號(hào): C03B19/00
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，使用碳化硅纖維增強(qiáng)的硼硅酸鹽玻璃作為建筑材料，以3D打印技術(shù)作為成型手段來制備脫硫排煙煙囪；其中，碳化硅纖維與硼硅酸鹽玻璃的質(zhì)量比為(2-5):100；?

所述3D打印是一種基于計(jì)算機(jī)控制的成型技術(shù)，該技術(shù)以計(jì)算機(jī)內(nèi)的3D數(shù)字化模型作為控制參數(shù)和成型目標(biāo)，運(yùn)用非金屬熔體和非金屬纖維作為建筑材料，通過打印機(jī)的噴頭來逐層打印并成型對(duì)象的一種方法；?

所述硼硅酸鹽玻璃是以氧化鈉Na₂O、氧化硼B(yǎng)₂O₃和二氧化硅SiO₂作為組分，其摩爾比例為Na₂O:B₂O₃:SiO₂=1:(0.7-1):(5-6.5)，加熱至950-1100℃制備成熔體，然后進(jìn)行成型和冷卻而形成硼硅酸鹽玻璃；在硼硅酸鹽玻璃中，Na₂O的存在使得B₂O₃由硼氧三面體轉(zhuǎn)變?yōu)榕鹧跛拿骟w，導(dǎo)致B₂O₃從二維的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而使得硼硅酸鹽玻璃表現(xiàn)出熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好和化學(xué)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)；?

所述碳化硅纖維是以有機(jī)硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β-碳化硅結(jié)構(gòu)的一種無機(jī)纖維，它具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小和耐熱性能高的特點(diǎn)，其使用溫度達(dá)1200℃以上，同時(shí)，碳化硅纖維具有抗拉強(qiáng)度達(dá)2000MPa以上，彈性模量達(dá)200GPa以上，因此，碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和復(fù)合材料體系中的增強(qiáng)材料。?

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，所述3D打印機(jī)包括用于盛放用于制備硼硅酸鹽玻璃組分：純堿Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃和石英砂SiO₂的第一料倉(cāng)（1-1），與第一料倉(cāng)（1-1）相連接的第一計(jì)量和輸送泵（2-1）以及第一柔性管（3-1）；用于盛放碳化硅纖維的第二料倉(cāng)（1-2），與第二料倉(cāng)（1-2）相連接的計(jì)量和第二輸送泵（2-2）以及第二柔性管（3-2）；第一柔性管（3-1）和第二柔性管（3-2）與混料器（4）相連接，混料器（4）與打印頭相連接；打印頭與機(jī)械臂相連接；機(jī)械臂通過連第三?接線（19-3）與控制器（17）連接；打印頭通過第一連接線（19-1）與控制器（17）連接；視頻監(jiān)控器（9）使用固定點(diǎn)（10）固定在機(jī)械臂上并通過第二連接線（19-2）與控制器（17）連接；控制器（17）與計(jì)算機(jī)（18）相連接。?

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，所述打印頭由加熱電路（5）、熔體容器（6）、流速控制器（7）和可旋轉(zhuǎn)噴頭（8）構(gòu)成。?

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，所述機(jī)械臂包括依次連接的伸縮桿（11）、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸（12）、第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸（13）、升降器（14）和導(dǎo)桿（15），導(dǎo)桿（15）固定在基座（16）上。?

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2基于3D打印和硼硅酸鹽玻璃的脫硫排煙煙囪建造方法，其特征在于，所述脫硫排煙煙囪建造的具體實(shí)施步驟如下：?

（1）首先，根據(jù)煙囪的排煙功能要求和碳化硅增強(qiáng)硼硅酸鹽玻璃的力學(xué)性能，計(jì)算煙囪的尺寸，基于煙囪的建造地點(diǎn)和計(jì)算所得煙囪內(nèi)部直徑和煙囪厚度的尺寸，在計(jì)算機(jī)中生成煙囪的數(shù)字化3D模型，該3D模型以煙囪在地面上垂直投影的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，使用笛卡爾三維坐標(biāo)軸，建立一系列離散的三維數(shù)據(jù)，該三維數(shù)據(jù)描述了煙囪沿高度方向而變化的煙囪內(nèi)部直徑和煙囪的厚度，同時(shí)，在3D模型中還描述了出于對(duì)煙氣采樣和監(jiān)控目的而預(yù)留的接口；?

（2）硼硅酸鹽玻璃的制備?

1）原材料選擇：使用純堿Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃、石英砂SiO₂和碳化硅纖維作為原材料，其中純堿Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃、石英砂SiO₂分別用于提供硼硅酸鹽玻璃制備所需的組分：氧化鈉Na₂O、氧化硼B(yǎng)₂O₃和二氧化硅SiO₂；石英砂中SiO₂的質(zhì)量百分含量要求大于99%；硼酸中H₃BO₃的質(zhì)量百分含量要求大于99%；純堿中Na₂CO₃的質(zhì)量百分含量要求大于99%；碳化硅纖維的直徑為10微米，長(zhǎng)度為10毫米，使用溫度為1200℃以上，抗拉強(qiáng)度大于2500MPa，彈性模量大于200GPa；?

2）對(duì)純堿、硼酸和石英砂三種材料分別進(jìn)行干燥、粉磨和篩分，顆粒的細(xì)度要求是所有的顆粒在篩分后均可通過公稱直徑為（30-45）微米的方孔篩；?

3）接著是硼硅酸鹽玻璃制備所需材料的計(jì)量和配制，將純堿、硼砂和石英砂按照摩爾比1:(0.7-1):(5-6.5)進(jìn)行均勻混合，然后輸送并存儲(chǔ)于3D打印機(jī)的第一料倉(cāng)（1-1）中；?

（3）將碳化硅纖維存儲(chǔ)于3D打印機(jī)的第二料倉(cāng)（1-2）中；?

（4）使用第一計(jì)量和輸送泵（1-2）以及第二計(jì)量和輸送泵（2-2）將混合均勻的硼硅酸鹽玻璃制備所需的材料以及碳化硅纖維，按照硼硅酸鹽玻璃制備所需材料：碳化硅纖維=100:(2-5)的質(zhì)量比例輸送至混料器（4）中；?

（5）在混料器（4）中，對(duì)輸送的物料進(jìn)行充分的混合，然后輸送到打印頭的熔體容器（6）中，加熱電路對(duì)熔體容器中的物料進(jìn)行加熱，其目標(biāo)溫度是980℃，此時(shí)，純堿、硼砂和石英砂會(huì)形成硼硅酸鹽玻璃熔體，而高熔點(diǎn)的碳化硅纖維均勻懸浮于熔體中；?

（6）通過流速控制器7）、可旋轉(zhuǎn)噴頭（8）、視頻監(jiān)控器（9）、機(jī)械臂、控制器（17）和計(jì)算機(jī)（18）以及存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)（18）中的3D模型，實(shí)現(xiàn)打印頭位置的控制和內(nèi)部熔體的釋放，進(jìn)行脫硫排煙煙囪的建造。?