電磁加熱復合陶瓷煲的制備

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，現代人的飲食觀念逐漸向健康、營養、環保靠攏，老百姓對廚房電器的要求正在逐步從“使用”向“享用”發展，具有環保節能、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域的熱點。通過玻璃陶瓷復合漿料包覆430不銹鋼電磁發熱體以及對石膏成型模具的改進，利用滾壓成型制備方法，制備了內嵌表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼電磁發熱體的陶瓷膽坯體，在1300℃燒結制備出導磁性能、導熱性能、抗氧化性能優越且成本較低的電磁加熱復合陶瓷煲。通過陶瓷煲底部槽體與包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼電磁發熱體尺寸的間隙設計，解決了電磁加熱復合陶瓷煲因金屬導磁加熱層與陶瓷基體之間熱膨脹系數不匹配而引起鍋體脹裂、炸鍋等問題。與市場上的陶瓷電燉盅進行了應用對比，試驗結果表明：電磁加熱復合陶瓷煲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。

關鍵詞：電磁加熱;陶瓷煲;滾壓成型;玻璃陶瓷復合漿料;環保節能

中圖分類號：TM271???????????? 文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0042-03????????????????????????? 開放科學（資源服務）標識碼（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，是一種利用電能轉變為熱能，對食物進行蒸、煮、燉、煨、燜等的多種功能炊具，具有使用方便、清潔衛生等優點。日本東芝公司于 1950年發明了電飯鍋，1976年湛江市家用電器工業公司也研制出簡易電飯鍋[1] 。2020年，全球電飯鍋市場規模達到了410億元，預計2026年將達到672億元，年復合增長率（CAGR）為7.3%。尤其是隨著人民生活水平的不斷提高，現代人的飲食觀念逐漸向健康、營養、環保靠攏，老百姓對廚房電器的要求正在逐步從“使用”向 “享用”發展，具有環保節能、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域的熱點[2-3] 。陶瓷煲烹調時能保持食物的原滋原味，是健康、環保、安全的烹飪器具之一。但陶瓷本身不導磁、不導電，因而陶瓷煲一直難以在電磁加熱電飯鍋上獲得應用。目前市場上為了使陶瓷膽能夠采用電磁加熱，均在燒結好的陶瓷膽上采用粘貼、電鍍、鑲嵌等方法添加磁性制品實現電磁加熱的目的[4] 。徐和玉[5] 通過在陶瓷膽的底部外表面粘貼一層導磁金屬膜，可在電磁場中產生渦流而發熱，從而實現陶瓷膽的電磁加熱，但導磁金屬膜易老化、使用壽命短且工作時有大量的熱量直接散失到外界。蘇潮寧[6]通過在制備好的陶瓷膽的底部鍍上不銹鋼層，實現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與陶瓷失配嚴重，極易導致不銹鋼層脫落。Moon J S 等[7]進一步在陶瓷膽外表面鍍上復合金屬層，其中內層為鋁，外層為不銹鋼，有效地改善了不銹鋼發熱體與陶瓷鍋的界面結合，但導磁層仍設置在陶瓷膽的底部外表面。陳春水[8]通過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，但需要對脆性陶瓷進行深加工，成品率低。目前，市場上研制的電磁陶瓷鍋內膽，采用鑲嵌工藝時，需要對燒結好的陶瓷膽進行深加工，工藝復雜且成本高;采用粘貼、電鍍等工藝時，一方面，由于導磁層設置在陶瓷膽的底部外表面，熱能利用效率低，另一方面，這種帶金屬導磁層的陶瓷膽在空氣中反復電磁加熱時，磁性發熱體容易被氧化而導致功率衰退[8]。本文結合傳統的滾壓成型工藝，通過對滾壓成型石膏模具的改進和控制成型工藝，開發了一種復合陶瓷煲內嵌430不銹鋼電磁發熱體且一體化高溫燒結制備的新方法，在1300℃制備出綜合性能優越的電磁加熱復合陶瓷煲，并與市場上的陶瓷電燉盅進行了應用對比。

1 抗高溫氧化430不銹鋼電磁發熱體的制備

采用傳統的陶瓷煲制備工藝，在430不銹鋼電磁發熱體與陶瓷坯體一起高溫燒結時，會發生嚴重氧化[9]。因而實現不銹鋼電磁發熱體與陶瓷煲坯體一體化燒結制備的先決條件，是開發出抗高溫氧化性好且與430不銹鋼發熱體熱膨脹系數相匹配的玻璃陶瓷復合防護漿料。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合料漿，并涂覆于430不銹鋼基體表面，在無保護氣氛下，1 300℃燒結制備表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼發熱體。當添加15%ZrO2粉體時，涂層高溫燒結后在430不銹鋼基體表面熔化形成連續致密的玻璃陶瓷相[10]。抗高溫氧化430不銹鋼電磁發熱體制備過程如圖1所示。

2 電磁加熱復合陶瓷煲的開發

2.1 滾壓成型石膏模具的改進

滾壓成型是在旋壓成型的基礎上發展而來的一種陶瓷成型新工藝，已廣泛應用于國內外陶瓷生產中。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，滾壓頭旋轉的同時逐漸靠近盛放泥料的模型，將模型中的泥料進行滾壓延展成所需的坯體。滾壓成型按模型的形狀分為陽模滾壓成型和陰模滾壓成型兩種。陽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，強度高，不易變形，生產工藝更簡單，效率更高。

采用傳統滾壓成型工藝制備內嵌不銹鋼電磁發熱體的陶瓷膽時，需要人工對陶瓷膽坯體挖槽，工藝復雜、效率低[6]。本文在傳統滾壓成型工藝基礎上，開發一種低成本、生產工藝簡單的電磁電飯鍋用復合陶瓷膽的制備方法，通過控制成型工藝，在滾壓成型石膏模具的底部中間設計一個大于不銹鋼電磁發熱體尺寸的凸臺，如圖2所示。這樣的結構設計，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，避免了對陶瓷膽的二次加工，成型工藝簡單，適合批量生產。設計凹槽的尺寸大于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，避免了因為金屬片的熱膨脹系數遠大于陶瓷材料產生過大的熱應力，從而引起的導磁陶瓷鍋在制備過程中或反復電磁加熱使用過程中的開裂、炸鍋問題。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成型過程中被氧化而導致最終的復合陶瓷膽電磁加熱時的功率衰退。

2.2 復合陶瓷煲制備工藝開發

本文基于傳統的滾壓成型工藝和發熱金屬片與陶瓷鍋一體化高溫燒結的需求，開發了一種內嵌表面包覆一層抗高溫氧化層的不銹鋼電磁發熱體的陶瓷膽，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、厚度等參數計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，得到底部內嵌430不銹鋼電磁發熱片的陶瓷鍋坯體;最后將坯體晾干后，在其外表面涂上釉料，按燒結工藝在燒結爐中燒成，從而獲得內嵌電磁發熱體的陶瓷膽。由于凹槽的尺寸大于430 不銹鋼電磁發熱片，在430不銹鋼電磁發熱片的周邊形成了永久性的空間，避免了因為430不銹鋼電磁發熱片的熱膨脹系數遠大于陶瓷材料而引起的導磁陶瓷鍋在制備過程中或反復電磁加熱使用過程中開裂、炸鍋的問題;另外在表面包覆一層抗高溫氧化層的430不銹鋼電磁發熱片的上表面涂上一層陶瓷釉料，保證了燒結后的 430不銹鋼電磁發熱片與陶瓷基體緊密接觸，以保證導熱的高效性。本文開發的導磁陶瓷膽通過在底部中間內嵌電磁發熱體實現陶瓷鍋電磁加熱，生產工藝簡單，適合批量生產。

2.3 復合陶瓷煲燒結

傳統陶瓷煲高溫燒結溫度一般在 1 200 ℃，為了滿足將來一體化陶瓷膽的產業化應用，本文確定導磁陶瓷煲的燒結溫度為1 300 ℃。根據前期預研結果，首先將底部內嵌430不銹鋼電磁發熱片的陶瓷煲坯體置于馬弗爐中，以 1 ℃/min 升溫至 550 ℃，保溫時間 2 h，接著以 5 ℃/min升溫至1 000 ℃，然后再以3 ℃/min 升至燒結溫度，最后在1 300 ℃保溫2～5 h，自然冷卻。導磁陶瓷煲燒結溫度曲線如圖4所示。圖5所示為采用傳統的滾壓成型工藝和一體化高溫燒結方法制備的、內嵌430不銹鋼電磁發熱體的復合陶瓷煲及普通陶瓷煲。從外觀上，二者沒有明顯區別，表面均光滑完整。

3 復合陶瓷煲電磁加熱性能分析

目前市場的陶瓷鍋主要采用明火或電阻加熱盤方式實現加熱，本文按照陶瓷鍋使用性能要求，將開發的電磁加熱用復合陶瓷煲與市場上的陶瓷電燉盅進行了加熱對比試驗，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，對其加熱效率進行了對比。如圖7所示，電磁復合陶瓷煲和陶瓷電燉鍋加熱效果差別巨大，陶瓷電燉鍋經過 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 結束語

本文通過對滾壓成型石膏模具和控制成型工藝的改進，提出了一種陶瓷煲內嵌430不銹鋼電磁發熱體且一體化高溫燒結制備的新方法，解決了電磁加熱復合陶瓷煲因金屬導磁加熱層與陶瓷基體之間熱膨脹系數不匹配而引起鍋體脹裂、炸鍋等問題，制備出導磁性能、導熱性能、抗氧化性能優越且成本較低的電磁加熱復合陶瓷煲。將開發的電磁加熱復合陶瓷煲與市場上的電阻加熱陶瓷燉盅進行了對比試驗。結果表明，電磁爐用復合陶瓷膽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，較好地實現了加熱效率和蒸煮品質的完美結合。

參考文獻：

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第一作者簡介：林偉河（1979-），男，廣東潮州人，碩士，工程師，研究領域為日用陶瓷。

※通訊作者簡介：王雙喜（1965-），男，河北石家莊人，博士，教授，研究領域為陶瓷材料與及其精密成型技術。

（編輯：王智圣）