加入收藏 | 设为首页 | 联系我们
中国搪瓷工业协会主办，欢迎登录。
搪玻璃釉在太阳能热水器承压搪瓷水箱上的应用前景分析
更新时间：2012-05-11 | 来源：中国搪瓷工业协会
一、概述
太阳能热水器在我国应用已很普遍，但多数热水器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。
但从2009年开始，我国出现了土地政策和建筑结构的转型，七层以下的住宅项目用地基本不批，而真空玻璃管直插式太阳能热水器是不适合于高层建筑的，取而代之的当然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，必须同时满足如下三个条件：
1、必须是闭式承压运行及耐高温。
2、内胆表面耐高温水的腐蚀。
3、能承受冷热水进出压力骤变及同时产生的温差急变。
不锈钢承压水箱是不能满足耐腐蚀要求的。首先不锈钢内胆最大的隐患是“焊缝”,内胆上有两条环形焊缝和一条直形焊缝，焊缝之间又形成交叉点，该点处易受自来水本身及水中有害离子的侵蚀，从而产生水箱穿孔漏水。原因是不锈钢在经过高温焊接后，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（0.6-1.0mm）。
而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、防腐蚀、防吸瘪及水质洁净等性能。所以搪瓷水箱用于太阳能热水器水箱是比较合适的。
实际上，国内外很多厂家已开始用搪瓷水箱，这一点上电热水器走在了前面，国外品牌主要是以A.O.史密斯、阿里斯顿为代表，而国内的品牌主要是以海尔、美的为代表。这充分证明搪瓷内胆应用于电热水器是可靠的。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。
以上美称无非含有三层意思：
1、指搪瓷层中含有氧化钴，使瓷面呈蓝色，同时也是密着的主要成分，能使钢板与搪瓷层完美牢固结合。
2、指搪瓷的主体成分为二氧化硅，它是耐酸、耐碱、耐高温水腐蚀的主要成分。
3、采用高屈服强度并且适合搪瓷工艺要求的专用钢板。
以上三点可以认识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，是一种特殊的搪瓷釉，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。
二、普通搪瓷水箱的特点
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。
≡SiO-Na + H+OH- ≡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 热水器一次釉配方组成范围
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是很不利的，必须合理调配好。所以，热水器一次釉耐水性的提高还是有一定的局限性的。
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，如果温控不好，在夏天较强烈的太阳光下使用温度会达到近100℃的水温甚至超过。所以，这对水箱的腐蚀性提出更高的要求。
三、搪玻璃水箱的优点
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，所谓搪玻璃釉它是一种含硅量较高（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.
热水器内胆应用搪玻璃涂层可通过两次搪烧来实现，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。
除了以上配方特点外，搪玻璃瓷层与热水器一次搪瓷层相比还具有如下四大优点：
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的参数：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，图-1为热水器一次釉搪瓷的气泡结构的放大图。
（1） 47um （2） 38um （3） 58um
图-1 热水器一次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50-100℃，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（CO2）、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 热水器一次釉瓷层剖面图 图-3 搪玻璃釉瓷层剖面图
（1）69um （2）37um （3）53um （4）31um
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-3.
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的膨胀系数，使得瓷层的压缩应力在合理的范围（80~100 N/mm2），对瓷层的稳定性是非常有利的，见图-4.
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。
3、能实现双面搪瓷
太阳能热水器换热器有三种方式，即：夹套换热、胆中胆换热、盘管换热。理想的情况下换热器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蚀剂，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。但该钢板双面搪瓷还是有困难的，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寿命还是非常有利的，同时可减少循环介质中的杂质含量。
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。
四、结论
从以上几点分析太阳能热水器内胆用搪玻璃釉料是合理的，缺点是增加了成本，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，超过一倍甚至更多的年限。
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
所以如果用了搪玻璃釉，那么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。
一个典型的案例：A.O.史密斯热水器使用寿命长达52年奇迹的故事也只有类似于搪玻璃釉这样的材料才能实现。
参考文献
1.Len Meusel（莱恩 莫伊泽尔）Phillip Stevens （菲利普 史蒂文斯） 主编。Quantifying Bubble Structure in Water Heater Enamels
（热水器搪瓷的气泡结构）
2.周英良、孙诗兵主编。新编玻璃工艺学。中国轻工业出版社。2009.6
3.卢进标主编。中国搪瓷手册。 中国轻工业出版社。2001.1
