金属蜂窝助燃板在燃烧领域的研制与应用现状及发展趋势的研究

周佳强　王维亮　张蒙恩

青岛海尔智慧厨房电器有限公司　山东青岛　266103

1　引言

市场上现有家用远红外线灶具燃烧器上的金属蜂窝助燃板，大多以汽车三元催化器用金属蜂窝载体为基础借鉴而来的，但由于一味照抄照搬汽车三元催化器用金属蜂窝载体，没有按远红外线催化燃烧的自身使用原理对金属蜂窝载体进行定向结构设计与材料优化选择，载体加工工艺和工装标准不规范，使金属蜂窝助燃板在使用过程中出现载体使用寿命短、载体容易发生变形、氧化、催化涂层易脱落、催化剂使用寿命极短、产生回火现象等一系列问题。由于金属箔带材质本身湿润性差，对预混燃气没有稳流功能，一般情况下金属蜂窝燃烧器须设置有燃气稳流器，才能保证燃气灶具燃烧器实现稳定、高效燃烧，现有用在家用远红外线燃气灶具燃烧器上的金属蜂窝助燃板，一般是在金属蜂窝助燃板下表面焊接一层不锈钢网或在金属蜂窝助燃板下表面加一层金属合金泡沫起隔热和平衡气流作用，这是为了克服金属材料热导率过高和材质本身不透气没有稳定气流功能所采取的防范措施，但由于金属材料具有热胀冷缩的特性和金属蜂窝助燃板使用环境比较恶劣等情况，导致金属蜂窝助燃板下表面焊接的一层不锈钢网片极易脱落或助燃板与合金泡沫之间发生变形，导致燃烧器发生回火现象，以上两种结构的金属蜂窝助燃板在使用过程中存在很大技术隐患，现有市场上用在远红外线灶具燃烧器上的金属蜂窝助燃板，只能使金属蜂窝燃烧器远红外线催化燃烧达到一种暂时的不稳定的平衡，市场上现有产品可靠性的差距是最明显的问题，作为时间维度上的质量，可靠性是最影响用户信心的，应该也是产品质量方面最难以解决的、最难啃的骨头。

2　金属蜂窝助燃板种类及其应用现状

2.1　金属蜂窝助燃板种类

（1）金属箔带助燃板

采用双层或多层金属箔带平板带和金属箔板变形带交替放置缠绕或对接焊接制成的金属蜂窝助燃板。

（2）金属纤维助燃板。

（3）金属合金泡沫助燃板。

（4）金属粉末挤压成型金属蜂窝助燃板。

采用金属粉末挤压成型法生产的金属蜂窝助燃板。

2.2　国外的研究现状

国外在金属纤维燃烧器方面的报道较多、应用范围较广、产品也比较成熟，金属纤维燃烧器在工业、商用领域都有大量的应用报告，也有很多著名的专业金属纤维燃烧器生产厂家。采用金属箔带助燃板生产的燃烧器在国外还没有相关产品报道，只有金属箔带蜂窝体在汽车三元催化器、散热器、飞机发动机等工业领域有大量的应用报道。采用金属合金泡沫助燃板生产的燃烧器在国外工业领域有应用报告，但应用面较狭小。国外Corning公司已经能从铜粉末用挤压方法生产金属蜂窝体。

2.3　国内的研究现状

国内采用卷曲金属箔带波纹片的方法生产家用灶具燃烧器用金属蜂窝载体已经有六七年的历史了，金属箔带助燃板在远红外线灶具燃烧器上的应用也引起了家用灶具燃烧器领域的极大关注，相信通过不断的技术创新，生产家用远红外线灶具燃烧器采用金属蜂窝助燃板的厂家会越来越多。国内金属纤维燃烧器在工业、商用领域的应用也比较广泛，但是在家用灶具领域还没有应用的报告。几年前家用灶具用金属合金泡沫燃烧器在广东万和燃气科技有限公司出版过产品研发技术报告。上海重工采用金属粉末挤压成型法生产金属蜂窝发热体，样板还处于测试阶段。

3　远红外线灶具燃烧器用金属箔带助燃板存在哪些弊端

3.1　材料选择不合理

现有用在家用远红外线灶具燃烧器或商用远红外线灶具燃烧器上的金属箔带助燃板，在金属箔带材料选择方面，没有按远红外线催化燃烧原理对金属箔带材质进行优化选择，而是直接照抄照搬汽车三元催化器用金属蜂窝载体所采用的铁絡铝箔带材质，汽车三元催化器用金属蜂窝载体是对汽车尾气进行净化用的，而远红外线灶具燃烧器用金属箔带助燃板是进行远红外线催化燃烧用的，由于两者的使用环境不一样，所以远红外线灶具燃烧器用金属箔带助燃板要按自身的使用环境对金属箔带材质进行优化选择。

3.2　结构设计不合理

现有用在远红外线灶具燃烧器上的金属蜂窝发热体，大多以汽车三元催化器用金属蜂窝载体为基础借鉴而来的，采用铁铬铝金属箔板平板带和金属箔板变形带交替放置缠绕焊接或对接焊接而成金属蜂窝载体，形成密集的有大量直孔隙通道的金属蜂窝载体，这种金属蜂窝载体有大量的直孔隙通道适合对汽车尾气进行净化用，而远红外线灶具燃烧器用金属箔带助燃板要按远红外线催化燃烧的自身使用原理对金属蜂窝发热载体进行定向结构设计，譬如，有效降低金属蜂窝发热载体热导率，进一步增加金属蜂窝载体对预混燃气的稳流功能等。

3.3　催化燃烧问题

现有远红外线灶具燃烧器用金属蜂窝助燃板上表面涂覆的一层黑色材料，基本上都是采用一种进口或国产黑色高温油，具有一定的催化和装饰作用，原则上讲这是一种装饰涂料，好一点的炉具采用四氧化三铁等贱金属催化材料，以上两种催化材料不具备三效催化能力，同时催化剂使用寿命很短，另外由于催化涂层制备方法不合理，导致催化涂层与金属基体结合强度很差，催化涂层极易脱落，使远红外线灶具燃烧器无法实现真正的远红外线催化辐射燃烧。

3.4　加工工艺与工装标准不规范

市场上现有用在远红外线灶具燃烧器上的金属蜂窝助燃板，在金属蜂窝载体加工制造过程中没有对金属蜂窝发热体的整个外表面进行防腐处理，金属蜂窝发热载体与炉包之间装配方法和密封隔热处理不合理，金属蜂窝助燃板的可安装性、可维修性差，由于市场上现有用在家用远红外线灶具燃烧器上的金属蜂窝发热载体本身稳流功能差和载体本身导热率过高，于是现有产品大都在金属蜂窝发热载体下表面碰焊或钎焊一层不锈钢网，还有的在金属蜂窝发热载体下表面加一层金属合金泡沫起隔热和燃气稳流器的作用，但由于金属材料具有热胀冷缩的特性和金属蜂窝发热体使用环境比较恶劣的情况，通过几年的实践证明以上两种结构的金属蜂窝发热体在使用过程中存在很大技术隐患，产品的稳定性极差，有些做远红外线灶具金属蜂窝燃烧器的公司把产品的质量问题刻意掩盖起来，没有耐心做技术研发，为了快速挣钱，把不成熟的金属蜂窝燃烧器推向市场，而其他一些小型金属蜂窝燃烧器制造公司简单地模仿有技术隐患的产品，最后都走进了死胡同，给远红外线灶具用金属蜂窝燃烧器的进一步发展带来了很大的负面影响。

4　燃气灶具燃烧器用金属箔带助燃板技术解决方案

4.1　方案1：具有通道相互连通功能的金属蜂窝发热体及其制作方法

核心问题：用金属箔带材料制作的蜂窝发热体最大的缺点就是金属材料热导率过高容易引起回火现象发生，以及金属材料自身不透气特性对预混燃气没有稳流功能，使燃烧器不能实现稳定燃烧。具体解决方法是：用滚压或冲压设备在条形金属箔带上面沿着箔带长度方向滚压或冲压出有一定规律的间断式细长条孔，然后用特制的压波机将金属箔带压制成波纹带，将金属箔板波纹带和金属箔板平板带叠合对接焊接或缠绕焊接成一体，制成以金属为载体的具有通道相互连通结构的金属蜂窝载体。采用上述设计方案后，可使金属蜂窝发热体热传导出现不连续现象，达到降低金属蜂窝载体热导率的目的，避免了由于金属蜂窝发热体热导率过高，使燃烧器容易发生回火现象的难题，同时金属蜂窝载体内部具有相互连通的通道，可对预混燃气起平衡气流的功能，使预混燃气在蜂窝通道内不仅产生轴向流动，也可实现径向流动，而且能够使预混气体初始混合不均匀得到部分补偿，使金属蜂窝燃烧器实现高效稳定燃烧，提高热效率、有害气体排放更低。

4.2　方案2：具有同体异目功能的金属蜂窝发热体及其制作方法

本设计方案是：在同一金属蜂窝发热体中包括上部分开孔率低的出气燃烧面层和下部分开孔率高的限流进气燃烧面层，限流进气燃烧面层金属蜂窝发热体具有控制气流流速使气流均匀流动，金属蜂窝发热体上部分开孔率低的部分构成出气燃烧面层，出气燃烧面层金属蜂窝发热体可保证气流更加通畅，可使火焰在出气燃烧面层金属蜂窝发热体的上表面形成稳定燃烧，金属蜂窝发热体由条形金属箔板平板带和两条目数不同上下组合放置在一起的金属箔板变形带叠合缠绕焊接成型或交替放置对接焊接成型，其中目数不同的两条金属箔板变形带端面相吻合处可有效降低金属蜂窝发热体热导率和稳定气流功能，本设计方案有效解决了背景技术中提到的不足之处，彻底解决了金属蜂窝发热体自身稳流功能差的缺点以及容易发生回火现象的难题，在不增加外部结构的前提下通过自身结构的巧妙设计，解决了金属蜂窝发热体的稳流和隔热问题。

4.3　方案3：金属蜂窝载体具有曲线孔隙通道及载体内部通道之间具有相互连通的结构

本设计方案的特点：本设计方案是设计方案1的升级技术方案，即把方案1中的带有通道相互连通结构的直线孔隙通道金属蜂窝发热体升级为带有通道相互连通结构的曲线孔隙通道金属蜂窝发热体，本设计方案3中的金属蜂窝发热载体比方案1中的金属蜂窝发热载体稳流功能更好，同时还可进一步增强金属蜂窝发热载体的防回火功能。

以上三种设计方案是本人研发的家用远红外线灶具燃烧器用第一代金属蜂窝发热载体中比较典型的几种设计方案，第二代金属蜂窝发热载体设计方案将进一步增强金属蜂窝发热载体自身的稳流和隔热功能，在金属蜂窝发热载体下表面不设置稳流隔热网片的情况下金属蜂窝燃烧器也能实现稳定高效燃烧。第三代金属蜂窝发热载体设计方案是对第二代金属蜂窝发热载体的进一步升级和完善，第二代和第三代金属蜂窝发热载体设计方案的样机已经研制出来，现正在对样机进行测试之中。

4.4　方案4：对金属蜂窝助燃板金属箔带材料进行优化选择

解决方案: 根据金属蜂窝发热体的使用特点对金属不锈钢箔带材料进行优化选择，通过对金属蜂窝发热体使用环境进行分析，通过实验室对金属蜂窝燃烧器进行长期反复测试及小批量现场测试，选择采用含有稀土元素钇的优质FeCrAlY不锈钢箔带新型材料，这种添加稀土元素钇的不锈钢箔带新型材料的耐高温、耐腐蚀、抗氧化及可加工性和可焊接性等方面性能得到极大提高，根据有关资料报道这种新型FeCrAlY不锈钢箔带的使用寿命是普通FeCrAl不锈钢箔带的五倍以上，选用这种新型材料极大地提高了远红外线灶具燃烧器用金属蜂窝发热体的整体使用寿命。

5　结束语

家用远红外线灶具燃烧器用金属蜂窝箔带助燃板，作为一种新开发的金属蜂窝助燃板新材料，解决了过去堇青石陶瓷蜂窝助燃板易炸裂的难题。

市场上现有的金属蜂窝箔带助燃板作为一种新开发出来的远红外灶具线燃烧器用金属蜂窝助燃板，不论是在载体材料选择、结构设计、加工工艺还是催化燃烧用催化剂研制及涂覆工艺等方面都还存在巨大的研发改进空间。随着不断地研发改进，其使用性能会越来越好，未来发展空间广阔。

金属蜂窝箔带助燃板和陶瓷蜂窝助燃板作为远红外线灶具燃烧器用蜂窝助燃板，它们之间不存在谁好谁坏的问题，而是各有优势利弊。

金属蜂窝箔带助燃板并不是远红外线灶具燃烧器用金属蜂窝助燃板的唯一选择，金属纤维助燃板、金属蜂窝合金泡沫助燃板、粉末挤压金属蜂窝助燃板及金属基复合材料蜂窝载体等都有一定的应用前景，尤其是在金属纤维燃烧器方面发展前景及其广阔，国外在金属纤维材料制作及金属纤维燃烧器研制方面比国内先进很多，国内此方面的研究尚有很大发展空间。

[1] 黄志甲，张旭，胡国祥. 金属纤维燃烧器在中餐燃气炒菜灶的应用. 煤气与热力，2003(3)第23卷第3期.

[2] 聂廷哲，段常贵，李善斌. 应用高发射率涂层改善燃气红外辐射器性能的研究. 哈尔滨建筑大学学报2002(2)第35卷第1期.

[3] 张全胜，刘艳春，任雪潭. 高效红外线节能灶设计与分析. 广东化工2015年第14期第42卷.