電磁加熱復(fù)合陶瓷煲的制備

林偉河 黃永俊 韋軍寧 許名傳 王雙喜

摘要：隨著人民生活水平的不斷提高，現(xiàn)代人的飲食觀念逐漸向健康、營(yíng)養(yǎng)、環(huán)?？繑n，老百姓對(duì)廚房電器的要求正在逐步從“使用”向“享用”發(fā)展，具有環(huán)保節(jié)能、健康安全特色的電磁加熱型陶瓷器皿逐步成為目前廚房器具領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過(guò)玻璃陶瓷復(fù)合漿料包覆430不銹鋼電磁發(fā)熱體以及對(duì)石膏成型模具的改進(jìn)，利用滾壓成型制備方法，制備了內(nèi)嵌表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼電磁發(fā)熱體的陶瓷膽坯體，在1300℃燒結(jié)制備出導(dǎo)磁性能、導(dǎo)熱性能、抗氧化性能優(yōu)越且成本較低的電磁加熱復(fù)合陶瓷煲。通過(guò)陶瓷煲底部槽體與包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼電磁發(fā)熱體尺寸的間隙設(shè)計(jì)，解決了電磁加熱復(fù)合陶瓷煲因金屬導(dǎo)磁加熱層與陶瓷基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配而引起鍋體脹裂、炸鍋等問(wèn)題。與市場(chǎng)上的陶瓷電燉盅進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：電磁加熱復(fù)合陶瓷煲40 min能把500 mL的水加熱到100℃，相同條件下其加熱效率是普通陶瓷電燉盅的2.5倍。

關(guān)鍵詞：電磁加熱;陶瓷煲;滾壓成型;玻璃陶瓷復(fù)合漿料;環(huán)保節(jié)能

中圖分類號(hào)：TM271???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0042-03????????????????????????? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Preparation of Composite Ceramic Pot for Induction Heating

Lin Weihe1，Huang Yongjun2，Wei Junning3，Xu Mingchuan1，Wang Shuangxi3

（1. Guangdong Shunxiang Ceramics Co.， Ltd.， Chaozhou， Guangdong 521000， China;

2. Shenzhen Xuewu S&T Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong 518132， China;

3. College of Engineering， Shantou University， Shantou， Guangdong 515063， China）

Abstract： With the improvement of people's living standard， the requirements to kitchen appliances become higher and higher. Induction Heating （IH） ceramic ware with environmental protection， energy saving， health and safety characteristics has gradually become hot points in cooking appliances field. Induction Heating （IH） ceramic ware with environmental protection， energy saving， health and safety characteristics has gradually become hot points in cooking appliances field. A glass-ceramic composite slurry was used to improve the high temperature oxidation resistance and thermal matching of the SUS430 stainless steel plate. Based on the improved plaster mold and roll-forming process for ceramic pot， a new kind of efficient process for making ceramic pot for IH with embedded SUS430 stainless steel plate at 1300℃ was proposed， which had excellent magnetic conductivity， thermal conductivity， oxidation resistance. Through the gap between SUS430 stainless steel plate and the bottom groove of the ceramic pot， the fracturingproblem due to the thermal expansionmismatching between steel and ceramic was resolved successfully. The experimental results show that the composite ceramic pot for induction heating could heat 500 mL water to be boiled in 40 minutes， the heating efficiency is 2.5 times that of commercial electrical resistance heating ceramic cooker under the same power condition. Key words： induction heating ; ceramic pot; roll-forming; glass-ceramic composite slurry; environmental protection and energy saving

0 引言

電飯鍋又稱作電飯煲，是一種利用電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?duì)食物進(jìn)行蒸、煮、燉、煨、燜等的多種功能炊具，具有使用方便、清潔衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)。日本東芝公司于 1950年發(fā)明了電飯鍋，1976年湛江市家用電器工業(yè)公司也研制出簡(jiǎn)易電飯鍋[1] 。2020年，全球電飯鍋市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了410億元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到672億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為7.3%。尤其是隨著人民生活水平的不斷提高，現(xiàn)代人的飲食觀念逐漸向健康、營(yíng)養(yǎng)、環(huán)保靠攏，老百姓對(duì)廚房電器的要求正在逐步從“使用”向 “享用”發(fā)展，具有環(huán)保節(jié)能、健康安全特色的電磁加熱型陶瓷器皿逐步成為目前廚房器具領(lǐng)域的熱點(diǎn)[2-3] 。陶瓷煲烹調(diào)時(shí)能保持食物的原滋原味，是健康、環(huán)保、安全的烹飪器具之一。但陶瓷本身不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電，因而陶瓷煲一直難以在電磁加熱電飯鍋上獲得應(yīng)用。目前市場(chǎng)上為了使陶瓷膽能夠采用電磁加熱，均在燒結(jié)好的陶瓷膽上采用粘貼、電鍍、鑲嵌等方法添加磁性制品實(shí)現(xiàn)電磁加熱的目的[4] 。徐和玉[5] 通過(guò)在陶瓷膽的底部外表面粘貼一層導(dǎo)磁金屬膜，可在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷膽的電磁加熱，但導(dǎo)磁金屬膜易老化、使用壽命短且工作時(shí)有大量的熱量直接散失到外界。蘇潮寧[6]通過(guò)在制備好的陶瓷膽的底部鍍上不銹鋼層，實(shí)現(xiàn)陶瓷膽在電磁爐上加熱的目的，但由于不銹鋼層熱膨脹系數(shù)與陶瓷失配嚴(yán)重，極易導(dǎo)致不銹鋼層脫落。Moon J S 等[7]進(jìn)一步在陶瓷膽外表面鍍上復(fù)合金屬層，其中內(nèi)層為鋁，外層為不銹鋼，有效地改善了不銹鋼發(fā)熱體與陶瓷鍋的界面結(jié)合，但導(dǎo)磁層仍設(shè)置在陶瓷膽的底部外表面。陳春水[8]通過(guò)在已制備好的陶瓷鍋底部嵌入一塊與鍋具底面積相同的鐵磁性薄片，使得該陶瓷鍋可以在電磁爐上加熱，但需要對(duì)脆性陶瓷進(jìn)行深加工，成品率低。目前，市場(chǎng)上研制的電磁陶瓷鍋內(nèi)膽，采用鑲嵌工藝時(shí)，需要對(duì)燒結(jié)好的陶瓷膽進(jìn)行深加工，工藝復(fù)雜且成本高;采用粘貼、電鍍等工藝時(shí)，一方面，由于導(dǎo)磁層設(shè)置在陶瓷膽的底部外表面，熱能利用效率低，另一方面，這種帶金屬導(dǎo)磁層的陶瓷膽在空氣中反復(fù)電磁加熱時(shí)，磁性發(fā)熱體容易被氧化而導(dǎo)致功率衰退[8]。本文結(jié)合傳統(tǒng)的滾壓成型工藝，通過(guò)對(duì)滾壓成型石膏模具的改進(jìn)和控制成型工藝，開(kāi)發(fā)了一種復(fù)合陶瓷煲內(nèi)嵌430不銹鋼電磁發(fā)熱體且一體化高溫?zé)Y(jié)制備的新方法，在1300℃制備出綜合性能優(yōu)越的電磁加熱復(fù)合陶瓷煲，并與市場(chǎng)上的陶瓷電燉盅進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)比。

1 抗高溫氧化430不銹鋼電磁發(fā)熱體的制備

采用傳統(tǒng)的陶瓷煲制備工藝，在430不銹鋼電磁發(fā)熱體與陶瓷坯體一起高溫?zé)Y(jié)時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重氧化[9]。因而實(shí)現(xiàn)不銹鋼電磁發(fā)熱體與陶瓷煲坯體一體化燒結(jié)制備的先決條件，是開(kāi)發(fā)出抗高溫氧化性好且與430不銹鋼發(fā)熱體熱膨脹系數(shù)相匹配的玻璃陶瓷復(fù)合防護(hù)漿料。為此，本研究采用難熔硅酸鹽和 ZrO2為主要原料制備了玻璃陶瓷復(fù)合料漿，并涂覆于430不銹鋼基體表面，在無(wú)保護(hù)氣氛下，1 300℃燒結(jié)制備表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼發(fā)熱體。當(dāng)添加15%ZrO2粉體時(shí)，涂層高溫?zé)Y(jié)后在430不銹鋼基體表面熔化形成連續(xù)致密的玻璃陶瓷相[10]。抗高溫氧化430不銹鋼電磁發(fā)熱體制備過(guò)程如圖1所示。

2 電磁加熱復(fù)合陶瓷煲的開(kāi)發(fā)

2.1 滾壓成型石膏模具的改進(jìn)

滾壓成型是在旋壓成型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種陶瓷成型新工藝，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外陶瓷生產(chǎn)中。滾壓成型是利用滾壓頭和盛放泥料的石膏模型分別繞自己的軸線以一定速度同方向旋轉(zhuǎn)，滾壓頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)逐漸靠近盛放泥料的模型，將模型中的泥料進(jìn)行滾壓延展成所需的坯體。滾壓成型按模型的形狀分為陽(yáng)模滾壓成型和陰模滾壓成型兩種。陽(yáng)模滾壓成型適用于盤、碟類和敞口淺型制品的成型，陰模滾壓成型一般適用于碗、鍋類制品的成型。滾壓成型與注漿成型相比，坯體致密，強(qiáng)度高，不易變形，生產(chǎn)工藝更簡(jiǎn)單，效率更高。

采用傳統(tǒng)滾壓成型工藝制備內(nèi)嵌不銹鋼電磁發(fā)熱體的陶瓷膽時(shí)，需要人工對(duì)陶瓷膽坯體挖槽，工藝復(fù)雜、效率低[6]。本文在傳統(tǒng)滾壓成型工藝基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種低成本、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的電磁電飯鍋用復(fù)合陶瓷膽的制備方法，通過(guò)控制成型工藝，在滾壓成型石膏模具的底部中間設(shè)計(jì)一個(gè)大于不銹鋼電磁發(fā)熱體尺寸的凸臺(tái)，如圖2所示。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得模型中的陶瓷坯料在滾壓頭的壓力作用下形成底部帶凹槽的陶瓷鍋坯體，避免了對(duì)陶瓷膽的二次加工，成型工藝簡(jiǎn)單，適合批量生產(chǎn)。設(shè)計(jì)凹槽的尺寸大于430鐵素體不銹鋼片，在430鐵素體不銹鋼片的周邊形成了永久性的空間，避免了因?yàn)榻饘倨臒崤蛎浵禂?shù)遠(yuǎn)大于陶瓷材料產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力，從而引起的導(dǎo)磁陶瓷鍋在制備過(guò)程中或反復(fù)電磁加熱使用過(guò)程中的開(kāi)裂、炸鍋問(wèn)題。另外，由于在430鐵素體不銹鋼片表面包覆了一層高溫防氧化層，避免了430鐵素體不銹鋼片與陶瓷膽一體化燒結(jié)成型過(guò)程中被氧化而導(dǎo)致最終的復(fù)合陶瓷膽電磁加熱時(shí)的功率衰退。

2.2 復(fù)合陶瓷煲制備工藝開(kāi)發(fā)

本文基于傳統(tǒng)的滾壓成型工藝和發(fā)熱金屬片與陶瓷鍋一體化高溫?zé)Y(jié)的需求，開(kāi)發(fā)了一種內(nèi)嵌表面包覆一層抗高溫氧化層的不銹鋼電磁發(fā)熱體的陶瓷膽，其制備工藝如圖3所示。

首先按照底部直徑110 mm的陶瓷膽的底部尺寸、形狀、厚度等參數(shù)計(jì)算所需的陶瓷坯料量，將陶瓷坯料放入用于制備陶瓷膽的底部中間帶凸臺(tái)的石膏模型的底部，利用滾壓頭和石膏模型滾壓成型，模型中的陶瓷坯料在壓力作用下形成底部帶凹槽的陶瓷鍋坯體;接著在直徑90 mm的表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼發(fā)熱片的上表面涂上一層陶瓷釉料并置放于上述陶瓷鍋坯體的凹槽中，其中陶瓷鍋坯體底部凹槽的尺寸大于 430不銹鋼電磁發(fā)熱片;然后利用陶瓷釉料把陶瓷封片和陶瓷鍋坯體底部封接在一起，得到底部?jī)?nèi)嵌430不銹鋼電磁發(fā)熱片的陶瓷鍋坯體;最后將坯體晾干后，在其外表面涂上釉料，按燒結(jié)工藝在燒結(jié)爐中燒成，從而獲得內(nèi)嵌電磁發(fā)熱體的陶瓷膽。由于凹槽的尺寸大于430 不銹鋼電磁發(fā)熱片，在430不銹鋼電磁發(fā)熱片的周邊形成了永久性的空間，避免了因?yàn)?30不銹鋼電磁發(fā)熱片的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于陶瓷材料而引起的導(dǎo)磁陶瓷鍋在制備過(guò)程中或反復(fù)電磁加熱使用過(guò)程中開(kāi)裂、炸鍋的問(wèn)題;另外在表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼電磁發(fā)熱片的上表面涂上一層陶瓷釉料，保證了燒結(jié)后的 430不銹鋼電磁發(fā)熱片與陶瓷基體緊密接觸，以保證導(dǎo)熱的高效性。本文開(kāi)發(fā)的導(dǎo)磁陶瓷膽通過(guò)在底部中間內(nèi)嵌電磁發(fā)熱體實(shí)現(xiàn)陶瓷鍋電磁加熱，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，適合批量生產(chǎn)。

2.3 復(fù)合陶瓷煲燒結(jié)

傳統(tǒng)陶瓷煲高溫?zé)Y(jié)溫度一般在 1 200 ℃，為了滿足將來(lái)一體化陶瓷膽的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，本文確定導(dǎo)磁陶瓷煲的燒結(jié)溫度為1 300 ℃。根據(jù)前期預(yù)研結(jié)果，首先將底部?jī)?nèi)嵌430不銹鋼電磁發(fā)熱片的陶瓷煲坯體置于馬弗爐中，以 1 ℃/min 升溫至 550 ℃，保溫時(shí)間 2 h，接著以 5 ℃/min升溫至1 000 ℃，然后再以3 ℃/min 升至燒結(jié)溫度，最后在1 300 ℃保溫2～5 h，自然冷卻。導(dǎo)磁陶瓷煲燒結(jié)溫度曲線如圖4所示。圖5所示為采用傳統(tǒng)的滾壓成型工藝和一體化高溫?zé)Y(jié)方法制備的、內(nèi)嵌430不銹鋼電磁發(fā)熱體的復(fù)合陶瓷煲及普通陶瓷煲。從外觀上，二者沒(méi)有明顯區(qū)別，表面均光滑完整。

3 復(fù)合陶瓷煲電磁加熱性能分析

目前市場(chǎng)的陶瓷鍋主要采用明火或電阻加熱盤方式實(shí)現(xiàn)加熱，本文按照陶瓷鍋使用性能要求，將開(kāi)發(fā)的電磁加熱用復(fù)合陶瓷煲與市場(chǎng)上的陶瓷電燉盅進(jìn)行了加熱對(duì)比試驗(yàn)，如圖 6 所示，二者同樣在室溫條件下加熱 500 mL 的水，在保證電磁爐功率 900 W 不變的前提下，對(duì)其加熱效率進(jìn)行了對(duì)比。如圖7所示，電磁復(fù)合陶瓷煲和陶瓷電燉鍋加熱效果差別巨大，陶瓷電燉鍋經(jīng)過(guò) 100 min才能把500 mL的水加熱到100 ℃，其后溫度基本不變，效率低、能耗高。而復(fù)合陶瓷膽 40 min 就能把 500 mL 的水加熱到 100 ℃，是陶瓷電燉鍋加熱效率的 2.5倍。相同條件下其加熱效率比普通電阻式陶瓷電燉鍋提高了一倍以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)滾壓成型石膏模具和控制成型工藝的改進(jìn)，提出了一種陶瓷煲內(nèi)嵌430不銹鋼電磁發(fā)熱體且一體化高溫?zé)Y(jié)制備的新方法，解決了電磁加熱復(fù)合陶瓷煲因金屬導(dǎo)磁加熱層與陶瓷基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配而引起鍋體脹裂、炸鍋等問(wèn)題，制備出導(dǎo)磁性能、導(dǎo)熱性能、抗氧化性能優(yōu)越且成本較低的電磁加熱復(fù)合陶瓷煲。將開(kāi)發(fā)的電磁加熱復(fù)合陶瓷煲與市場(chǎng)上的電阻加熱陶瓷燉盅進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，電磁爐用復(fù)合陶瓷膽40 min能把500 mL的水加熱到100 ℃，相同條件下其加熱效率是電阻加熱陶瓷燉盅的2.5倍，較好地實(shí)現(xiàn)了加熱效率和蒸煮品質(zhì)的完美結(jié)合。

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第一作者簡(jiǎn)介：林偉河（1979-），男，廣東潮州人，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)槿沼锰沾伞?/p>

※通訊作者簡(jiǎn)介：王雙喜（1965-），男，河北石家莊人，博士，教授，研究領(lǐng)域?yàn)樘沾刹牧吓c及其精密成型技術(shù)。

（編輯：王智圣）