电磁加热复合陶瓷煲的制备

林伟河 黄永俊 韦军宁 许名传 王双喜

摘要：隨着人民生活水平的不断提高，现代人的饮食观念逐渐向健康、营养、环保靠拢，老百姓对厨房电器的要求正在逐步从“使用”向“享用”发展，具有环保节能、健康安全特色的电磁加热型陶瓷器皿逐步成为目前厨房器具领域的热点。通过玻璃陶瓷复合浆料包覆430不锈钢电磁发热体以及对石膏成型模具的改进，利用滚压成型制备方法，制备了内嵌表面包覆一层抗高温氧化层的430不锈钢电磁发热体的陶瓷胆坯体，在1300℃烧结制备出导磁性能、导热性能、抗氧化性能优越且成本较低的电磁加热复合陶瓷煲。通过陶瓷煲底部槽体与包覆一层抗高温氧化层的430不锈钢电磁发热体尺寸的间隙设计，解决了电磁加热复合陶瓷煲因金属导磁加热层与陶瓷基体之间热膨胀系数不匹配而引起锅体胀裂、炸锅等问题。与市场上的陶瓷电炖盅进行了应用对比，试验结果表明：电磁加热复合陶瓷煲40 min能把500 mL的水加热到100℃，相同条件下其加热效率是普通陶瓷电炖盅的2.5倍。

关键词：电磁加热;陶瓷煲;滚压成型;玻璃陶瓷复合浆料;环保节能

中图分类号：TM271             文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）12-0042-03                          开放科学（资源服务）标识码（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

电饭锅又称作电饭煲，是一种利用电能转变为热能，对食物进行蒸、煮、炖、煨、焖等的多种功能炊具，具有使用方便、清洁卫生等优点。日本东芝公司于 1950年发明了电饭锅，1976年湛江市家用电器工业公司也研制出简易电饭锅[1] 。2020年，全球电饭锅市场规模达到了410亿元，预计2026年将达到672亿元，年复合增长率（CAGR）为7.3%。尤其是随着人民生活水平的不断提高，现代人的饮食观念逐渐向健康、营养、环保靠拢，老百姓对厨房电器的要求正在逐步从“使用”向 “享用”发展，具有环保节能、健康安全特色的电磁加热型陶瓷器皿逐步成为目前厨房器具领域的热点[2-3] 。陶瓷煲烹调时能保持食物的原滋原味，是健康、环保、安全的烹饪器具之一。但陶瓷本身不导磁、不导电，因而陶瓷煲一直难以在电磁加热电饭锅上获得应用。目前市场上为了使陶瓷胆能够采用电磁加热，均在烧结好的陶瓷胆上采用粘贴、电镀、镶嵌等方法添加磁性制品实现电磁加热的目的[4] 。徐和玉[5] 通過在陶瓷胆的底部外表面粘贴一层导磁金属膜，可在电磁场中产生涡流而发热，从而实现陶瓷胆的电磁加热，但导磁金属膜易老化、使用寿命短且工作时有大量的热量直接散失到外界。苏潮宁[6]通过在制备好的陶瓷胆的底部镀上不锈钢层，实现陶瓷胆在电磁炉上加热的目的，但由于不锈钢层热膨胀系数与陶瓷失配严重，极易导致不锈钢层脱落。Moon J S 等[7]进一步在陶瓷胆外表面镀上复合金属层，其中内层为铝，外层为不锈钢，有效地改善了不锈钢发热体与陶瓷锅的界面结合，但导磁层仍设置在陶瓷胆的底部外表面。陈春水[8]通过在已制备好的陶瓷锅底部嵌入一块与锅具底面积相同的铁磁性薄片，使得该陶瓷锅可以在电磁炉上加热，但需要对脆性陶瓷进行深加工，成品率低。目前，市场上研制的电磁陶瓷锅内胆，采用镶嵌工艺时，需要对烧结好的陶瓷胆进行深加工，工艺复杂且成本高;采用粘贴、电镀等工艺时，一方面，由于导磁层设置在陶瓷胆的底部外表面，热能利用效率低，另一方面，这种带金属导磁层的陶瓷胆在空气中反复电磁加热时，磁性发热体容易被氧化而导致功率衰退[8]。本文结合传统的滚压成型工艺，通过对滚压成型石膏模具的改进和控制成型工艺，开发了一种复合陶瓷煲内嵌430不锈钢电磁发热体且一体化高温烧结制备的新方法，在1300℃制备出综合性能优越的电磁加热复合陶瓷煲，并与市场上的陶瓷电炖盅进行了应用对比。

1 抗高温氧化430不锈钢电磁发热体的制备

采用传统的陶瓷煲制备工艺，在430不锈钢电磁发热体与陶瓷坯体一起高温烧结时，会发生严重氧化[9]。因而实现不锈钢电磁发热体与陶瓷煲坯体一体化烧结制备的先决条件，是开发出抗高温氧化性好且与430不锈钢发热体热膨胀系数相匹配的玻璃陶瓷复合防护浆料。为此，本研究采用难熔硅酸盐和 ZrO2为主要原料制备了玻璃陶瓷复合料浆，并涂覆于430不锈钢基体表面，在无保护气氛下，1 300℃烧结制备表面包覆一层抗高温氧化层的430不锈钢发热体。当添加15%ZrO2粉体时，涂层高温烧结后在430不锈钢基体表面熔化形成连续致密的玻璃陶瓷相[10]。抗高温氧化430不锈钢电磁发热体制备过程如图1所示。

2 电磁加热复合陶瓷煲的开发

2.1 滚压成型石膏模具的改进

滚压成型是在旋压成型的基础上发展而来的一种陶瓷成型新工艺，已广泛应用于国内外陶瓷生产中。滚压成型是利用滚压头和盛放泥料的石膏模型分别绕自己的轴线以一定速度同方向旋转，滚压头旋转的同时逐渐靠近盛放泥料的模型，将模型中的泥料进行滚压延展成所需的坯体。滚压成型按模型的形状分为阳模滚压成型和阴模滚压成型两种。阳模滚压成型适用于盘、碟类和敞口浅型制品的成型，阴模滚压成型一般适用于碗、锅类制品的成型。滚压成型与注浆成型相比，坯体致密，强度高，不易变形，生产工艺更简单，效率更高。

采用传统滚压成型工艺制备内嵌不锈钢电磁发热体的陶瓷胆时，需要人工对陶瓷胆坯体挖槽，工艺复杂、效率低[6]。本文在传统滚压成型工艺基础上，开发一种低成本、生产工艺简单的电磁电饭锅用复合陶瓷胆的制备方法，通过控制成型工艺，在滚压成型石膏模具的底部中间设计一个大于不锈钢电磁发热体尺寸的凸台，如图2所示。这样的结构设计，使得模型中的陶瓷坯料在滚压头的压力作用下形成底部带凹槽的陶瓷锅坯体，避免了对陶瓷胆的二次加工，成型工艺简单，适合批量生产。设计凹槽的尺寸大于430铁素体不锈钢片，在430铁素体不锈钢片的周边形成了永久性的空间，避免了因为金属片的热膨胀系数远大于陶瓷材料产生过大的热应力，从而引起的导磁陶瓷锅在制备过程中或反复电磁加热使用过程中的开裂、炸锅问题。另外，由于在430铁素体不锈钢片表面包覆了一层高温防氧化层，避免了430铁素体不锈钢片与陶瓷胆一体化烧结成型过程中被氧化而导致最终的复合陶瓷胆电磁加热时的功率衰退。

2.2 复合陶瓷煲制备工艺开发

本文基于传统的滚压成型工艺和发热金属片与陶瓷锅一体化高温烧结的需求，开发了一种内嵌表面包覆一层抗高温氧化层的不锈钢电磁发热体的陶瓷胆，其制备工艺如图3所示。

首先按照底部直径110 mm的陶瓷胆的底部尺寸、形状、厚度等参数计算所需的陶瓷坯料量，将陶瓷坯料放入用于制备陶瓷胆的底部中间带凸台的石膏模型的底部，利用滚压头和石膏模型滚压成型，模型中的陶瓷坯料在压力作用下形成底部带凹槽的陶瓷锅坯体;接着在直径90 mm的表面包覆一层抗高温氧化层的430不锈钢发热片的上表面涂上一层陶瓷釉料并置放于上述陶瓷锅坯体的凹槽中，其中陶瓷锅坯体底部凹槽的尺寸大于 430不锈钢电磁发热片;然后利用陶瓷釉料把陶瓷封片和陶瓷锅坯体底部封接在一起，得到底部内嵌430不锈钢电磁发热片的陶瓷锅坯体;最后将坯体晾干后，在其外表面涂上釉料，按烧结工艺在烧结炉中烧成，从而获得内嵌电磁发热体的陶瓷胆。由于凹槽的尺寸大于430 不锈钢电磁发热片，在430不锈钢电磁发热片的周边形成了永久性的空间，避免了因为430不锈钢电磁发热片的热膨胀系数远大于陶瓷材料而引起的导磁陶瓷锅在制备过程中或反复电磁加热使用过程中开裂、炸锅的问题;另外在表面包覆一层抗高温氧化层的430不锈钢电磁发热片的上表面涂上一层陶瓷釉料，保证了烧结后的 430不锈钢电磁发热片与陶瓷基体紧密接触，以保证导热的高效性。本文开发的导磁陶瓷胆通过在底部中间内嵌电磁发热体实现陶瓷锅电磁加热，生产工艺简单，适合批量生产。

2.3 复合陶瓷煲烧结

传统陶瓷煲高温烧结温度一般在 1 200 ℃，为了满足将来一体化陶瓷胆的产业化应用，本文确定导磁陶瓷煲的烧结温度为1 300 ℃。根据前期预研结果，首先将底部内嵌430不锈钢电磁发热片的陶瓷煲坯体置于马弗炉中，以 1 ℃/min 升温至 550 ℃，保温时间 2 h，接着以 5 ℃/min升温至1 000 ℃，然后再以3 ℃/min 升至烧结温度，最后在1 300 ℃保温2～5 h，自然冷却。导磁陶瓷煲烧结温度曲线如图4所示。图5所示为采用传统的滚压成型工艺和一体化高温烧结方法制备的、内嵌430不锈钢电磁发热体的复合陶瓷煲及普通陶瓷煲。从外观上，二者没有明显区别，表面均光滑完整。

3 复合陶瓷煲电磁加热性能分析

目前市场的陶瓷锅主要采用明火或电阻加热盘方式实现加热，本文按照陶瓷锅使用性能要求，将开发的电磁加热用复合陶瓷煲与市场上的陶瓷电炖盅进行了加热对比试验，如图 6 所示，二者同样在室温条件下加热 500 mL 的水，在保证电磁炉功率 900 W 不变的前提下，对其加热效率进行了对比。如图7所示，电磁复合陶瓷煲和陶瓷电炖锅加热效果差别巨大，陶瓷电炖锅经过 100 min才能把500 mL的水加热到100 ℃，其后温度基本不变，效率低、能耗高。而复合陶瓷胆 40 min 就能把 500 mL 的水加热到 100 ℃，是陶瓷电炖锅加热效率的 2.5倍。相同条件下其加热效率比普通电阻式陶瓷电炖锅提高了一倍以上。

4 结束语

本文通过对滚压成型石膏模具和控制成型工艺的改进，提出了一种陶瓷煲内嵌430不锈钢电磁发热体且一体化高温烧结制备的新方法，解决了电磁加热复合陶瓷煲因金属导磁加热层与陶瓷基体之间热膨胀系数不匹配而引起锅体胀裂、炸锅等问题，制备出导磁性能、导热性能、抗氧化性能优越且成本较低的电磁加热复合陶瓷煲。将开发的电磁加热复合陶瓷煲与市场上的电阻加热陶瓷炖盅进行了对比试验。结果表明，电磁炉用复合陶瓷胆40 min能把500 mL的水加热到100 ℃，相同条件下其加热效率是电阻加热陶瓷炖盅的2.5倍，较好地实现了加热效率和蒸煮品质的完美结合。

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[6] 徐和玉. 用于电磁炉的陶瓷煲：CN1539365A[P].2005-06-22.

[7] 苏潮宁.一种电磁炉专用陶瓷锅及其制备方法：CN103735146A [P].2014-04-23.

[8] Moon J S， Choi B G， Kwon M K. Pan and method for making： 20150083711[P]. 2015-08.

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[11] Yongjun Huang， Shuangxi Wang， Wenjun Wang. Study of glass-ceramic coating on the SUS430 stainless steel plate with high temperature oxidation resistance [J]. Key Engineering Ma? terials， 2018（281）：487-492.

第一作者简介：林伟河（1979-），男，广东潮州人，硕士，工程师，研究领域为日用陶瓷。

※通讯作者简介：王双喜（1965-），男，河北石家庄人，博士，教授，研究领域为陶瓷材料与及其精密成型技术。

（编辑：王智圣）