耐火預(yù)制件具有現(xiàn)場施工方便、快捷、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在高溫工業(yè)爐窯領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。耐火預(yù)制件的生產(chǎn)工藝過程相對比較簡單，基本上按配料、攪拌、成型、烘干及預(yù)熱處理等工序過程進(jìn)行。與現(xiàn)場施工的不定形耐火材料相比，耐火預(yù)制件具有外形尺寸準(zhǔn)確，質(zhì)量先期控制，施工效率高，環(huán)境適應(yīng)性好，使用性能大幅提升等優(yōu)點(diǎn)，可解決不定形耐火材料現(xiàn)場施工中對于質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)和烘烤技術(shù)保障困難，人為因素影響大，施工時(shí)間長，不便更換、拆裝等局限性。將它與不定形耐火材料配合使用，能適應(yīng)高溫工業(yè)大規(guī)模集約化生產(chǎn)的需要。

　　3D打印技術(shù)又稱快速成型(簡稱RP)或增材制造(簡稱AM)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無?？焖俪尚汀Ｔ摷夹g(shù)具有成型速度快，精度高，周期短，可進(jìn)行多相實(shí)體結(jié)構(gòu)成型等特點(diǎn)，是對材料成型制造技術(shù)的重大革新和突破。本文中介紹了耐火預(yù)制件生產(chǎn)技術(shù)、3D打印的工藝方法與優(yōu)勢，闡述在耐火預(yù)制件成型中借鑒或利用混凝土打印、輪廓工藝及黏結(jié)成型3D打印新技術(shù)的可行性及應(yīng)用前景。

　　1耐火預(yù)制件的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)

　　耐火預(yù)制件是將高溫窯爐待施工的部位提前分割成小塊，并設(shè)計(jì)出特殊的形狀，按形狀制作模具，在工廠將耐火澆注料等預(yù)澆注成型、養(yǎng)護(hù)、烘烤完畢后運(yùn)到現(xiàn)場拼裝后使用。預(yù)制塊的分塊和尺寸，應(yīng)根據(jù)爐子大小和襯體厚度而定，盡量減少型號，節(jié)約模板，便于管理和施工;吊裝筑爐的預(yù)制塊，單塊質(zhì)量以1～3t為宜。人工搬運(yùn)和砌筑的預(yù)制塊，單塊質(zhì)量應(yīng)不大于30kg;預(yù)制塊的尺寸，長度和厚度方向一般分別以116mm和68mm為模數(shù)，選取適當(dāng)?shù)谋稊?shù)，減去砌縫尺寸即為預(yù)制塊尺寸。爐頂預(yù)制塊的寬度依爐長而定，不得小于300mm。爐墻預(yù)制塊的高度應(yīng)不大于400mm。耐火預(yù)制件的形狀主要有方形、長條形、拱形和環(huán)形等，均為特異形制品。所使用的模型分為木模、鋼模和鋼木復(fù)合模等，要求模型尺寸準(zhǔn)確、符合設(shè)計(jì)規(guī)范，模板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，使用中不變形，安裝與拆卸方便。

　　耐火預(yù)制件的成型一般是在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行的。拌和料填充進(jìn)模型后，根據(jù)拌和料中骨料臨界粒度的變化來調(diào)整、設(shè)定振動(dòng)臺(tái)的振幅和振動(dòng)時(shí)間，直至模型表面返漿、排完氣即可，最后找平、抹面、做標(biāo)記，進(jìn)入養(yǎng)護(hù)工序。

　　耐火預(yù)制件成型后，可向制品表面噴水或者噴霧，或者用水浸濕的麻袋或棉布覆蓋制品進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù);對于易快速凝結(jié)的預(yù)制件，可使用防水養(yǎng)護(hù)紙、聚乙烯薄膜或者成膜養(yǎng)護(hù)劑等。預(yù)制件脫模之后，也可再養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間。依其所用結(jié)合劑的作用及主要結(jié)合形式，預(yù)制件可以在室溫下通過水化結(jié)合而硬化，還可以通過化學(xué)結(jié)合(但不是水化，反應(yīng)是在室溫或低于陶瓷燒結(jié)的溫度下完成)而硬化，或者在室溫或較高溫度下通過有機(jī)結(jié)合而硬化，也可以在高溫下因物料燒結(jié)而以陶瓷結(jié)合的形式固化。

　　2、3D打印的工藝方法與優(yōu)勢

　　3D打印是以現(xiàn)代數(shù)字模型為驅(qū)動(dòng)源，通過連續(xù)的物理層疊加來逐層增加材料的方式，將金屬或非金屬粉體以及黏結(jié)劑等“打印材料”構(gòu)造生成為三維實(shí)體的快速成型技術(shù)，因而不需要預(yù)先制備和架設(shè)特殊形狀的澆注模具和施工模板，也能夠完成幾何形狀復(fù)雜的物體和構(gòu)件的成型及制作。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”?；趪娮齑蛴》椒ǎ?D打印可以分為熔融沉積成型(簡稱FDM)、黏結(jié)成型3D打印以及混凝土打印等工藝;基于激光束方法，3D打印可以分為光固化立體成型法(簡稱SLA)、激光選區(qū)燒結(jié)法(簡稱SLS)以及激光選區(qū)熔融法(簡稱SLM);如果利用電子束方法，則是電子束熔融法(簡稱EBM)。電子束熔融法的工作環(huán)境要求為真空，而且相對基于激光束的3D成型技術(shù)，其工作溫度更高，因而可以生產(chǎn)出更加致密光滑，類似于傳統(tǒng)精細(xì)加工方法生產(chǎn)的構(gòu)件。

　　與傳統(tǒng)的材料成型工藝相比，3D打印制造的主要優(yōu)勢有:

　　(1)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造。3D打印具有全數(shù)字還原不失真的特點(diǎn)，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床或模具生產(chǎn)，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，構(gòu)建出其他制造工藝所不能實(shí)現(xiàn)或無法想象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的物體，從而滿足高難度、復(fù)雜、個(gè)性化的設(shè)計(jì)需要。

　　(2)實(shí)現(xiàn)近凈成型制造。目前市售3D打印機(jī)的成型精度基本上都可以控制在0.3mm以下。比如3DSystems公司的ProjectSD6000/7000最高成型精度可以達(dá)到0.025～0.05mm，這種精度可以滿足大多數(shù)產(chǎn)品近凈成型制造的需要，在實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)體復(fù)制的同時(shí)，還能節(jié)省材料，極大提高材料使用率，減少浪費(fèi)。

　　(3)實(shí)現(xiàn)一體化、短流程制造。一個(gè)3D打印系統(tǒng)可以通過不同材料的打印或多種材料的混合打印，實(shí)現(xiàn)一體化成型，從而縮短生產(chǎn)流程及供應(yīng)鏈。

　　此外，產(chǎn)品用戶通過下載設(shè)計(jì)圖像數(shù)據(jù)在數(shù)小時(shí)內(nèi)能夠異地將產(chǎn)品“打印”出來的生產(chǎn)方式，可極大地節(jié)省勞動(dòng)力及運(yùn)輸成本，不僅改變了傳統(tǒng)的零部件庫存及大規(guī)模生產(chǎn)線的制造模式，也便于實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端苛刻條件下的制造。

　　3、可用于預(yù)制件的3D打印技術(shù)分析

　?。ㄒ唬┗炷?D打印

　　基于擠出噴嘴打印方法的混凝土3D打印技術(shù)，其主要工作原理是將配制好的混凝土漿體通過擠出裝置，在三維軟件的控制下，按照預(yù)先設(shè)置好的打印程序，由噴嘴擠出進(jìn)行打印，最終得到設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件，如圖1所示?？梢詫⒒炷?D打印技術(shù)視為自密實(shí)混凝土和噴射混凝土的結(jié)合，混凝土漿體需具有自密實(shí)混凝土的良好流動(dòng)性和無需振搗的優(yōu)點(diǎn)，也具有噴射混凝土較好的速凝性，便于制造繁雜構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，在噴嘴擠出后可迅速提供一定的強(qiáng)度來支撐后續(xù)堆積的打印材料。因此，無需傳統(tǒng)混凝土成型過程中復(fù)雜的支模過程，依靠混凝土3D打印技術(shù)就能夠完成混凝土構(gòu)件的無模成型。

　　由于耐火澆注料是由耐火集料和結(jié)合劑構(gòu)成的混合物，主要以干狀交貨，在加入水或其他液體混合后使用，通常采取振動(dòng)澆注、非振動(dòng)(自流)澆注、搗打、噴射或必要時(shí)進(jìn)行夯實(shí)等方式，在不需要加熱的情況下就可以成型并硬化。因此，在滿足耐火預(yù)制件使用性能的前提下，完全可以借鑒或利用混凝土3D打印技術(shù)，通過對耐火澆注料粒徑、流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行質(zhì)量控制，如限制耐火集料粒徑，以達(dá)到噴嘴直徑和打印精度的要求，提高澆注料的流動(dòng)性，確保在打印機(jī)管道中不堵塞;以及通過添加外加劑、早強(qiáng)減水劑等技術(shù)措施來調(diào)節(jié)其凝結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度，使?jié)沧⒘暇哂休^快的凝結(jié)時(shí)間和更好的早期強(qiáng)度，就可以獲得快速打印、無模成型以及增材堆積不變形且無塌陷的良好效果。最后，再對成型制品進(jìn)行相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)等后續(xù)處理，從而實(shí)現(xiàn)耐火澆注料預(yù)制件的3D打印制造。

　　（二）輪廓工藝

　　打印的混凝土構(gòu)件表面存在橫向的條紋，主要是在打印過程中混凝土層層疊加造成的，這影響了構(gòu)件表面平整度。為了避免這類問題，通常使用兩種方法:一是減小噴嘴的直徑，降低打印層的厚度，但這種方法會(huì)降低打印速度，影響施工效率;二是在成型后進(jìn)行后續(xù)抹平處理或打磨處理使其平整，但此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不經(jīng)濟(jì)。為此，美國南加州大學(xué)教授比洛克·霍什內(nèi)維斯在原3D打印混凝土的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，提出輪廓工藝新技術(shù)。輪廓工藝實(shí)際上是一項(xiàng)混合技術(shù)，主要包括輪廓打印系統(tǒng)和內(nèi)部填充系統(tǒng)兩部分，通過輪廓打印形成外部輪廓，再通過擠壓澆筑或注入來向內(nèi)部填充材料。其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是在噴嘴上安裝泥刀及控制器，用于抹平和精確規(guī)整每一層的外表和頂面，這就解決了在混凝土構(gòu)件成型過程中由于3D打印的逐層堆積，不可避免地導(dǎo)致層級堆積效應(yīng)，從而出現(xiàn)表面粗糙及橫向條紋的現(xiàn)象。如圖2所示。該工藝最大的特點(diǎn)是可打印出中空的墻體且強(qiáng)度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)在混凝土構(gòu)件中配筋，有利于提高混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度，在打印的同時(shí)對外表面進(jìn)行整平，既節(jié)省材料又提高了建筑物立面的美觀程度。

　　耐火材料屬于脆性材料，與金屬相比，脆性是耐火材料的致命弱點(diǎn)。它對拉伸和彎曲載荷的抵抗能力較弱，在使用過程中，由于受機(jī)械沖擊或熱沖擊，往往使材料造成損傷甚至斷裂，因此，要提高耐火澆注料的使用壽命，關(guān)鍵是增加韌性和提高強(qiáng)度。在耐火集料中加入具有特定成分、形狀和外觀以及一定長徑比的耐熱鋼纖維后，可以改善耐火澆注料的高溫韌性，提高材料在高溫下的抗機(jī)械沖擊和抗急冷急熱性能;但是，在耐火澆注料中添加鋼纖維制取鋼纖維增強(qiáng)耐火澆注料也存在難拌合、混合不均勻和摻加量難以提高等難題。在借助輪廓工藝新技術(shù)制備耐火預(yù)制件時(shí)，首先通過輪廓打印系統(tǒng)制備預(yù)制件外殼，然后在通過填充系統(tǒng)向內(nèi)部注入澆注料的過程中可以同步向內(nèi)噴入耐熱鋼纖維，既有利于增強(qiáng)內(nèi)部澆注料與外部薄殼界面的連接，又解決了鋼纖維增強(qiáng)澆注料成型過程中所存在的難拌合、混合不均勻和摻加量難以提高等技術(shù)難題。

　　由于輪廓工藝能夠用于單曲率和雙曲率的建筑物的成型和建造，因此對于帶有圓弧、溝槽及數(shù)個(gè)不同角度的斜面，以及難以進(jìn)行精密切磨加工的形狀特異的耐火預(yù)制件的打印成型是極為有利的。它們在使用時(shí)由于溫度或體積的變化，往往容易造成應(yīng)力局部集中，更需要引入耐火鋼纖維作為柔性體，以防止耐火預(yù)制件裂紋的發(fā)生和延伸，達(dá)到控制裂紋的擴(kuò)展，改善耐火材料抗脆性斷裂能力的目的。通過對內(nèi)部填充系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)，無疑可以提高耐火預(yù)制件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性能。

　?。ㄈそY(jié)3D打印

　　黏結(jié)3D打印技術(shù)，其工藝方法是先根據(jù)實(shí)體3D掃描(或設(shè)計(jì))得到的3D-CAD模型，按照一定方法將該模型分割為一系列單元，通常是在Z軸方向?qū)⑵浞纸爻梢欢ê穸鹊亩S薄層，通過移動(dòng)的鋪粉輥將粉體橫向平鋪在預(yù)定的打印層面上，由程序控制具有成千上萬個(gè)微米孔的黏結(jié)劑打印噴頭，將所使用的打印材料(多為粉狀材料，如陶瓷粉、金屬粉、塑料粉等)按照器件層面制造信息，有選擇性地將打印粉料黏結(jié)，從而將器件的截面“印刷”在粉料層上面。每打印完一層，承載升降平臺(tái)就精確下降一層;鋪設(shè)輥鋪粉，打印噴頭噴出黏結(jié)劑，交替進(jìn)行;最后，再經(jīng)吹掃清除未發(fā)生黏結(jié)反應(yīng)固化的其余粉料，就得到三維實(shí)體的器件。

　　黏結(jié)3D打印技術(shù)具有成型速度快，不需要額外的支撐材料等優(yōu)點(diǎn)，打印粉料的粒度在2～8mm可任意調(diào)節(jié)，器件打印精度為±0.3mm，可用于鑄造行業(yè)的砂型或型芯打印。由于不受模具加工工藝限制，可直接制作任意復(fù)雜形狀的砂型，保證了砂型精度，有望替代傳統(tǒng)的射芯機(jī)和射蠟機(jī)，實(shí)現(xiàn)無?；?、定制化生產(chǎn)。該類3D打印材料由于僅靠黏結(jié)劑將粉狀材料固結(jié)在一起，制品的力學(xué)性能不高;但該技術(shù)比較容易制作微孔結(jié)構(gòu)材料，用于制藥工業(yè)，在藥物的可控釋放上有顯著優(yōu)勢。

　　在應(yīng)用黏結(jié)3D打印技術(shù)制備耐火預(yù)制件時(shí)，可將耐火集料在專業(yè)生產(chǎn)廠于干燥狀態(tài)下均勻拌制混合成顆粒或粉狀的混合物，然后以干粉包裝或散裝的形式運(yùn)至現(xiàn)場使用。對成型固化后的預(yù)制件進(jìn)行熱處理，可以得到具有微孔結(jié)構(gòu)的制品，從而有利于改善預(yù)制件的抗熱震性與隔熱性能。此外，通過調(diào)整混合物及黏結(jié)劑的種類并控制熱處理工藝，如在預(yù)制件中形成大量的納米級孔洞，納米孔洞中的氣體不能自由流動(dòng)，孔洞的孔徑大部分為20～50nm，小于空氣等氣體分子自由程(約70nm)，極大地減弱了氣體分子發(fā)生碰撞而形成的熱傳導(dǎo)，消除了氣體對流傳熱;大量的氣固界面，減輕了固體熱傳導(dǎo)。同時(shí)，通過在其3D成型過程中采用添加特殊遮光劑的輔助措施，進(jìn)一步阻隔熱輻射，將可以制備常溫?zé)釋?dǎo)率遠(yuǎn)小于0.05W·(m·K)-1的隔熱性能極佳的隔熱材料預(yù)制件，用于高溫工業(yè)窯爐管道等特異形部位的隔熱保溫，取得顯著的節(jié)能效果。

　　除此之外，在打印粉料的制備過程中，若采用類似于美國Tethon3D公司的Porcelite材料技術(shù)，使耐火集料與光敏樹脂結(jié)合為復(fù)合材料，這樣就可以首先利用SLA打印機(jī)通過UV光固化工藝成型，然后再像陶坯那樣放入到溫控爐中，在較高的溫度下進(jìn)行熱處理形成陶瓷結(jié)合以提高致密度，獲得性能優(yōu)異的耐火預(yù)制件，滿足特種高溫工業(yè)領(lǐng)域的需要。

　　4、結(jié) 語

　　3D打印是一種先進(jìn)制造技術(shù)，它為材料和構(gòu)件提供了一種新的制造方法，符合“中國制造2025”科技發(fā)展規(guī)劃要求。目前我國只有部分高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究，尚不能形成完整的產(chǎn)業(yè)。以耐火預(yù)制件的3D打印為切入點(diǎn)，通過產(chǎn)、學(xué)、研合作，在耐火材料研發(fā)中開展3D打印最佳技術(shù)適應(yīng)性研究，不斷進(jìn)行技術(shù)拓展、集成創(chuàng)新和深度融合，同時(shí)加大對3D打印耐火材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)和資金支持，從而促進(jìn)我國3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于帶動(dòng)我國耐火材料行業(yè)供給側(cè)改革，實(shí)現(xiàn)智能化綠色的跨越發(fā)展，使我國從耐火材料的生產(chǎn)大國轉(zhuǎn)變成為制造強(qiáng)國，具有重要意義。

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