用于控制濕潤陶瓷擠出物周界硬度的系統和方法
【專利說明】用于控制濕潤陶瓷擠出物周界硬度的系統和方法
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請根據35U.S.C.§ 120要求于2012年8月30日提交的美國專利申請系列號13/599，405的優先權權益，本文以該申請為基礎并將其全部內容結合于此。
[0003]MM
[0004]本發明涉及用于形成擠出體的擠出系統和方法，具體來說涉及用于控制擠出體的硬度，以減少或防止在擠出體中形成缺陷的擠出系統和方法。
【背景技術】
[0005]把塑化材料混合物擠出成多孔結構(即，蜂窩體)要求變形能力(用于成形模制)和結果完整性(用于保留形狀)之間的精細平衡。這種混合物可包括無機陶瓷粉末，粘合劑組分和液體組分，其量控制成在擠出過程中保持低壓力，扭矩，和溫度，同時形成在成形時能處理的自我支撐的體。
[0006]可形成擠出物的多孔結構，從而與靠近體中間或中央的孔相比，靠近形成的體周界的孔可具有較小或減少的橫截面。在理想或原始的多孔結構中，在各孔的內壓力和體以外的環境或大氣壓力實現壓力平衡。但是，在一些擠出過程中，用切割工具例如鋸刀片將擠出物是切割到所需的長度。當切割擠出物時，刀片可“涂沫(smear)”或坍塌更加易碎的結構的外孔。因為它們的較小尺寸，具有較小截面積的那些孔在切割步驟中趨于更易于涂沫或坍塌。
[0007]如果靠近擠出物周界或外層的孔因為涂沫發生坍塌，坍塌孔和環境之間失去壓力平衡。因為擠出物具有長度維度，各孔形成由這個長度限定的細長通道。因此，因為當孔坍塌時損壞壓力平衡，密封了通道的一端，導致其余的通道向內坍塌。坍塌的孔，或通道，由此沿著擠出物的長度形成稱作“表皮凹槽”的可見的缺陷。
[0008]表皮凹槽是不需要的，因為它是許多客戶不希望在擠出零件中出現的可見缺陷。更重要的是，表皮凹槽可為較高應力集中的來源，在一些情況下，在凹槽中可形成裂紋或微觀裂紋。因為形成裂紋或微觀裂紋，降低了成形零件的機構完整性，且可導致失效的零件。
[0009]用于減少或消除表皮凹槽的常規技術，雖然只取得了溫和到較小的成功，包括改善的切割過程、通過機械或其它劃割方法使表皮通風、通過降低批料水百分數硬化批料材料、以及用紅外或微波能力凝膠化和/或干燥擠出物的表皮。經過使用微波能量硬化濕潤擠出陶瓷體的一種這種示例參見美國專利公開號2005/0093209(貝爾曼(Bergman)等)，該文的全部內容通過引用納入本文。雖然使用微波能量在一些情況下取得了積極結果，微波能量可導致非均勻的加熱圖案，特別是在擠出物的外層處或靠近該外層處。
[0010]因此，需要改善擠出過程，具體來說，改善濕潤陶瓷擠出物在切割之前的結構完整性。還需要提供系統，其通過均勻的方式在其周界處或靠近其周界處改善擠出物的結構完整性。
[0011]臟
[0012]在本發明的示例性實施方式中，提供用于硬化濕潤擠出物外層的方法，其中擠出物具有蜂窩體多孔結構。所述方法包括經過擠出設備擠出該擠出物和將所述流體基本上均勻的流引導至擠出物的外層上。所述方法還包括將擠出物的粘合劑材料的溫度增加到它的凝膠點，至少硬化擠出物的外層。
[0013]在實施方式的一方面中，所述方法可包括至少從該擠出物外層去除部分的水。此夕卜，所述方法可包括用切割工具切割硬化的擠出物。在另一種方面中，所述方法包括防止外層因切割步驟而發生坍塌。此外，所述方法可包括使用加熱裝置將流體加熱到基本上均勻的溫度。這樣做，所述方法可包括在引導步驟之后測量擠出物外層的溫度，和控制加熱步驟以實現粘合劑材料的凝膠化。
[0014]在其它方面中，所述方法可包括測定來自擠出設備的擠出物的擠出速率，控制加熱步驟或擠出速率來實現粘合劑材料的凝膠化。此外，可將擠出物外層加熱到基本上均勻的溫度。
[0015]在另一種實施方式，提供包括擠出機的擠出系統，該擠出機構造成接收含粘合劑組分的批料材料以及經過模頭擠出該批料材料以形成擠出物。所述系統包括控制器、包含流體的流體供應、和結合到控制器并流體結合到流體供應的溫度單元。控制器可調節地控制溫度單元的輸出以取得所需的流體溫度。所述系統還包括與模頭隔開的施涂機設備，其具有進口和出口從而進口流體結合到溫度單元以接收流體。出口包括限定開孔，其構造成將基本上均勻流動的流體引導至擠出物外層上，以將粘合劑組分的溫度升高到它的凝膠點和/或從外層去除部分水。
[0016]在這個實施方式的一方面中，所述系統包括與施涂機設備隔開的切割工具。切割工具適于將擠出物分離成至少兩個部分。系統可還包括與控制器電連通的測量系統。所述測量系統可包括構造成測量從流體供應到溫度單元的流體流動的流量計以及構造成測量擠出物外層的溫度的溫度傳感器。基于溫度測量，控制器構造成可控制地調節來自流體供應的流體流動。
[0017]在一相關方面中，擠出系統可還包括與控制器電連通的編碼器。編碼器適于測量來自擠出機擠出物的擠出速率。基于溫度測量，控制器構造成可控制地調節擠出速率，溫度單元的輸出，或來自流體供應的流體流動。在一個不同的方面，施涂機設備和編碼器設置在模頭和切割工具之間。施涂機設備設置鄰近切割工具，編碼器設置鄰近模頭。
[0018]在本實施方式的方面，施涂機設備可包括具有第一部分和第二部分的環狀殼體，其中第一部分和第二部分相互樞軸地連接。殼體在第一部分和第二部分之間限定擠出物經過的開孔。施涂機設備還包括設置在第一部分中并結合到施涂機設備的進口的第一體，以及設置在第二部分中的第二體。第一體和第二體限定外腔室和內腔室，其中外腔室流體結合到進口，以及內腔室和外腔室經過擋板相互流體結合。設備還包括嵌塊，其設置在第一和第二體的內腔室中，從而該嵌塊是流體結合到出口。關于這個方面，在施涂機設備的出口限定的開孔包括多個限定于嵌塊中的狹縫。
[0019]在不同的實施方式中，提供用于控制由具有粘合劑組分的批料材料形成的濕潤多孔陶瓷擠出物硬度的方法。所述方法包括經過擠出設備擠出該擠出物，向溫度單元提供流體，在溫度單元控制流體溫度，和將擠出物從擠出設備移動到施涂機設備。所述方法還包括引導來自溫度單元的流體經過在施涂機設備中限定的開孔，使擠出物外層接觸該流體均勻的流，將粘合劑組分的溫度增加到它的凝膠點，和使擠出物經過施涂機設備以硬化擠出物。
[0020]在這個實施方式的一方面中，所述方法包括測量擠出物排出施涂機設備時的溫度。在另一種方面，所述方法包括測量供應到溫度單元的流體的流動速率，和測量擠出物的擠出速率。和這個相關，所述方法可包括測定所測量溫度是否對應于粘合劑組分到達其凝膠點的閾值溫度，從而如果所測量溫度低于閾值溫度，所述方法包括可調節地控制流體流動速率、擠出速率、或溫度單元的輸出直到所測量溫度到達閾值溫度。在其它方面中，所述方法可包括在施涂機設備的外腔室中接收流體，繞著外腔室循環流體，通過在施涂機設備的外腔室和內腔室之間的擋板中限定的多個開孔滲漏流體，和使流體均勻地通過在施涂機設備的嵌塊中限定的一個或多個狹縫或孔。
【附圖說明】
[0021]通過參考下面的示例性實施方式的描述，以及結合附圖上述的本發明的方面以及獲得它們的方式將變得更顯而易見，且所要求保護的發明本身也將更易于理解，其中:
[0022]圖1是濕潤陶瓷體的原始外部多孔層的部分截面視圖；
[0023]圖2是濕潤陶瓷體的涂沫的外部多孔層的部分截面視圖；
[0024]圖3就溫度和硬度而言圖形化顯示兩種不同的擠出物；
[0025]圖4是擠出系統的第一實施方式的方框圖；
[0026]圖5是施涂機設備的第一實施方式的截面視圖；
[0027]圖6是圖5的施涂機設備的分解圖。
[0028]圖7是擠出系統的第二實施方式的方框圖；
[0029]圖8是施涂機設備的第二實施方式的等距視圖；
[0030]圖9是圖8的所示的施涂機設備的截面圖；和
[0031]圖10是擠出過程的流程圖。
[0032]在全部的幾個視圖中，相同的附圖標記用來表示相應的部分。
[0033]具體描沐
[0034]下文所述的實施方式無意于窮指或限制。相反地，選擇并描述這些實施方式從而使得本領域技術人員能了解并理解本文所要求保護的本發明的原理和實踐。
[0035]出于本發明的目的，本文所用術語“擠出階段”或者“擠出”指的是將批料材料傳輸或輸送通過擠出機的筒，并迫使批料材料通過模頭組件。術語“流動方向”和“擠出方向”可互換使用，并表示批料材料傳輸通過筒并迫使通過模頭組件的方向。此外，術語“擠出機”和“擠出設備”可互換使用。
[0036]如本文所使用，術語“批料材料”可為干燥的陶瓷原料的潤濕混合物，例如粘土、滑石、氧化鋁和多鋁紅柱石，粘合劑/增塑劑例如甲基纖維素(一種纖維素醚)或者聚乙烯醇，和/或水。作為一種示例，批料材料中可存在約50-75重量％干燥的成分和約25-50重量％的濕潤成分。當反應后，批料材料可以形成陶瓷材料，例如碳化物或耐火氧化物或堇青石