[发明专利]基于3D打印和硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱建造方法

权利要求书

1.一种基于3D打印和硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱建造方法，其特征在于，使用碳化硅纤维增强的硼硅酸盐玻璃作为建筑材料，以3D打印技术作为成型手段来制备脱硫排烟烟囱；其中，碳化硅纤维与硼硅酸盐玻璃的质量比为(2-5):100； 

所述3D打印是一种基于计算机控制的成型技术，该技术以计算机内的3D数字化模型作为控制参数和成型目标，运用非金属熔体和非金属纤维作为建筑材料，通过打印机的喷头来逐层打印并成型对象的一种方法； 

所述硼硅酸盐玻璃是以氧化钠Na₂O、氧化硼B₂O₃和二氧化硅SiO₂作为组分，其摩尔比例为Na₂O:B₂O₃:SiO₂=1:(0.7-1):(5-6.5)，加热至950-1100℃制备成熔体，然后进行成型和冷却而形成硼硅酸盐玻璃；在硼硅酸盐玻璃中，Na₂O的存在使得B₂O₃由硼氧三面体转变为硼氧四面体，导致B₂O₃从二维的层状结构转变为三维的网状结构，因而使得硼硅酸盐玻璃表现出热膨胀系数小、热稳定性好和化学稳定性高的特点； 

所述碳化硅纤维是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的一种无机纤维，它具有化学稳定性好、热膨胀系数小和耐热性能高的特点，其使用温度达1200℃以上，同时，碳化硅纤维具有抗拉强度达2000MPa以上，弹性模量达200GPa以上，因此，碳化硅纤维主要用作耐高温材料和复合材料体系中的增强材料。 

2.根据权利要求1所述基于3D打印和硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱建造方法，其特征在于，所述3D打印机包括用于盛放用于制备硼硅酸盐玻璃组分：纯碱Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃和石英砂SiO₂的第一料仓（1-1），与第一料仓（1-1）相连接的第一计量和输送泵（2-1）以及第一柔性管（3-1）；用于盛放碳化硅纤维的第二料仓（1-2），与第二料仓（1-2）相连接的计量和第二输送泵（2-2）以及第二柔性管（3-2）；第一柔性管（3-1）和第二柔性管（3-2）与混料器（4）相连接，混料器（4）与打印头相连接；打印头与机械臂相连接；机械臂通过连第三 接线（19-3）与控制器（17）连接；打印头通过第一连接线（19-1）与控制器（17）连接；视频监控器（9）使用固定点（10）固定在机械臂上并通过第二连接线（19-2）与控制器（17）连接；控制器（17）与计算机（18）相连接。 

3.根据权利要求2所述基于3D打印和硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱建造方法，其特征在于，所述打印头由加热电路（5）、熔体容器（6）、流速控制器（7）和可旋转喷头（8）构成。 

4.根据权利要求2所述基于3D打印和硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱建造方法，其特征在于，所述机械臂包括依次连接的伸缩杆（11）、第一转动轴（12）、第二转动轴（13）、升降器（14）和导杆（15），导杆（15）固定在基座（16）上。 

5.根据权利要求1或2基于3D打印和硼硅酸盐玻璃的脱硫排烟烟囱建造方法，其特征在于，所述脱硫排烟烟囱建造的具体实施步骤如下： 

（1）首先，根据烟囱的排烟功能要求和碳化硅增强硼硅酸盐玻璃的力学性能，计算烟囱的尺寸，基于烟囱的建造地点和计算所得烟囱内部直径和烟囱厚度的尺寸，在计算机中生成烟囱的数字化3D模型，该3D模型以烟囱在地面上垂直投影的中心点为原点，使用笛卡尔三维坐标轴，建立一系列离散的三维数据，该三维数据描述了烟囱沿高度方向而变化的烟囱内部直径和烟囱的厚度，同时，在3D模型中还描述了出于对烟气采样和监控目的而预留的接口； 

（2）硼硅酸盐玻璃的制备 

1）原材料选择：使用纯碱Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃、石英砂SiO₂和碳化硅纤维作为原材料，其中纯碱Na₂CO₃、硼酸H₃BO₃、石英砂SiO₂分别用于提供硼硅酸盐玻璃制备所需的组分：氧化钠Na₂O、氧化硼B₂O₃和二氧化硅SiO₂；石英砂中SiO₂的质量百分含量要求大于99%；硼酸中H₃BO₃的质量百分含量要求大于99%；纯碱中Na₂CO₃的质量百分含量要求大于99%；碳化硅纤维的直径为10微米，长度为10毫米，使用温度为1200℃以上，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于200GPa； 

2）对纯碱、硼酸和石英砂三种材料分别进行干燥、粉磨和筛分，颗粒的细度要求是所有的颗粒在筛分后均可通过公称直径为（30-45）微米的方孔筛； 

3）接着是硼硅酸盐玻璃制备所需材料的计量和配制，将纯碱、硼砂和石英砂按照摩尔比1:(0.7-1):(5-6.5)进行均匀混合，然后输送并存储于3D打印机的第一料仓（1-1）中； 

（3）将碳化硅纤维存储于3D打印机的第二料仓（1-2）中； 

（4）使用第一计量和输送泵（1-2）以及第二计量和输送泵（2-2）将混合均匀的硼硅酸盐玻璃制备所需的材料以及碳化硅纤维，按照硼硅酸盐玻璃制备所需材料：碳化硅纤维=100:(2-5)的质量比例输送至混料器（4）中； 

（5）在混料器（4）中，对输送的物料进行充分的混合，然后输送到打印头的熔体容器（6）中，加热电路对熔体容器中的物料进行加热，其目标温度是980℃，此时，纯碱、硼砂和石英砂会形成硼硅酸盐玻璃熔体，而高熔点的碳化硅纤维均匀悬浮于熔体中； 

（6）通过流速控制器7）、可旋转喷头（8）、视频监控器（9）、机械臂、控制器（17）和计算机（18）以及存储于计算机（18）中的3D模型，实现打印头位置的控制和内部熔体的释放，进行脱硫排烟烟囱的建造。