浅析无机非金属陶瓷换热器材料的制备及应用
时间：2020-03-31 05:17:38 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：在高温换热领域当中，无机非金属陶瓷换热器材料是常用的材料，其主要作用是回收烟气的余热以预热助燃，可将能源的利用率提高25%-35%，实现节能减排的目的。鉴于当前部分的无机材料换热器稳定性较差，导热性能差、造成换热效果不理想，因此研制新型的换热器材料，提高导热系数与抗热震性，节能减排，成为了当前该领域的重要任务。文章就无机非金属陶瓷换热器材料的制备步骤与要点进行简要的分析，并以实例为基础，探讨该种材料的实际应用效果，以供同行参考。
关键词：无机非金属；陶瓷换热器；制备；应用
鉴于能源紧张的局势，当前国内出现了许多无机非金属陶瓷换热器的专业生产厂家，然而限于生产技术，与国外的产品相比较依旧存在着不小的差异。对于，我国相关领域的学者就本国产品的配方、工艺、添加剂等进行了科学的分析，发现不同的配方与添加剂对所生产出来的无机非金属陶瓷换热器材料的性能与组织结构有着很大的影响。无机非金属陶瓷换热器材料具有高度的环保性，是新一代换热器的理想选择，有望全面替换当前国内所使用的金属换热器。
1 无机非金属陶瓷换热器材料的研究现状与种类
整体而言，我国在无机非金属陶瓷换热器材料的研究方面起步较晚，总体水平落后于西方各国。当前，国内外用于制备陶瓷换热器的材料主要有：莫来石、锆英石、粘土、SiC、刚玉、堇青石等，其中我国的研究方向主要集中于莫来石以及堇青石两种材料方面，笔者将对此两种材料作简单的论述。
1.1 莫来石。莫来石属于斜方晶系，排列顺序呈双链状，六配位铝离子，具有化学稳定性强、抗热震性优、耐火度好等特点，在化学、国防、玻璃等行业得到了广泛的应用。而在陶瓷行业，莫来石则主要是用于制作窑炉顶柱或是垫板，这是因为莫来石具有很好的耐火度与抗热震性，在高温之下其衰减度不明显，即便经历剧烈的氧化，其化学性能依旧稳定，因此莫来石是一种非常理想的应用于制备无机非金属陶瓷换热器的重要无机材料。莫来石又分为纯莫来石与杂莫来石两种，前者性能优于后者，膨胀系数更低，约为5.3-5.5×10-5/℃，发展前景良好。
1.2 堇青石。堇青石的耐火度较莫来石略差，化学稳定性与抗热震性则同样优异，同时堇青石更为经济实惠。堇青石的合成范围具有明显的局限性，耐腐蚀性并不理想，尤其是面对SO2等腐蚀性强的气体，堇青石材料容易发生挥发或者是熔融的问题，导致气流阻塞。常规状态下的堇青石多呈无色透明状，小部分为浅蓝色或是浅黄色半透明状，属于六方晶系，氧离子堆积的密度不高，同时连接镁氧八面体以及铝氧四面体，化学性能稳定性强。整体而言，堇青石无机材料的合成范围有限，抗折性能不理想，且呈多孔结构，不建议应用在抗热震性要求高的陶瓷换热器产品当中。
2 陶瓷换热器对无机非金属材料的内质要求
伴随经济的发展，我国社会整体对于能源的需求越来越大，逐渐上升为能耗大户。据统计，窑炉能耗占全国工业总能耗的20%左右，其原因主要是排烟损失，我国全年的排烟损失折合约4500万吨标准煤，能源损耗问题非常严重。鉴于此，要想达到理想的节能减排以及保护环境的效果，就必须要从提高工业炉燃料利用率方面着手，通过热交换装置回收工业炉余热是非常有效的途径之一，而换热器是热交换装置的重要部件，与回收工业炉余热的效果息息相关，也是热交换装置原理的重要体现。换热器的常规材料是金属材料，其本身的化学稳定性并不强，且在高温之下容易出现氧化问题，耐化学腐蚀性能差，在余热的回收效果方面不理想，难以真正实现节能减排的目的。
鉴于此，无机非金属陶瓷换热器材料应运而生，一般而言，无机非金属陶瓷换热器对材料的要求可总结为六点，分别是：（1）抗热震性能要好；（2）使用寿命要长，符合经济原则；（3）耐高温性能强，使用温度必须要>1280℃；（4）蓄热率以及导热系数要高；（5）机械强度理想，即便是在高温环境之后，依旧能够保持常态；（6）耐化学腐蚀强，工业炉废烟当中含有大量的SO2、CO2等腐蚀性强的化学物质，用于制作陶瓷换热器的无机非金属材料要求不能与其发生粉尘固熔反应。
3 无机非金属陶瓷换热器材料的制备方法分析
以使用环境的温度为标准，无机非金属陶瓷换热器材料可以分为非氧化物材料以及氧化物材料两种，不同的材料，其制备方法也有所不同。非氧化物材料采用的主要是反应烧结法，而氧化物材料采用的则是常压烧结法，两种方法的具体分析如下：
（1）反应烧结法。所谓的反应烧结法主要是将两种或是两种以上的粉末以固定的比例调匀，塑造成型，继而发生化学反应，在此过程当中，其内部至少有两种成分相互发生化学反应，主要是应用于碳化硅等非氧化物材料当中。通过反应烧结法而得出的制品，其烧结质量非常好，外形与尺寸几乎不发生任何的改变，在静止冷却的过程当中也不会出现收缩的不良反应，烧结所需的时间较短，并且烧结耗费少，符合经济原则，对于形状复杂的制品烧制方面也能取得良好的效果。然而，该方法也存在相应的局限性，例如允许加入的添加剂剂量非常少，导致机械强度等问题。
（2）常压烧结法。常压烧结法是当前我国最为常用的烧结方法，其主要的特点就是不对材料进行加压作用。令其于大气压力之下烧结，操作方法更为简便易行。该方法的应用对象主要是氧化物材料，如莫来石等，首先将材料进行细磨调匀，随后在其中添加一定剂量的添加剂，塑造成型之后放置于马沸炉中进行烧结，烧结完毕之后将制品取出使其自行冷却。常压烧结法与上述的反应烧结法相比较，烧结时间较长，因此烧结成本也更高，但是所得的制品由于添加了合适剂量的添加剂以及粘土，机械强度更为理想。
4 无机非金属陶瓷换热器材料的制备实验探讨
鉴于无机非金属陶瓷换热器材料的制备方法难以掌握，复杂程度高，笔者特意以莫来石的制备方法为例，采用常压烧结的方法进行实验，具体流程与设备如下：
莫来石以高岭土、氧化铝、苏州土、等为原材料加以合成，同时添加一定剂量的氟化铝以及五氧化二钒，以提高莫来石的机械强度与抗腐蚀性能等。所用的原材料具体有：氧化铝（纯度为Al2O3≥98%）、苏州土（纯度为Al2O3≥45.8%）、高岭土（纯度为Al2O3≥29.5%）、氟化铝（纯度为AlF3≥99.50%）、五氧化二钒（纯度为V2O5≥99.68%）。所用的设备具体为：硅铝棒炉（型号为SX-5-12）、压力机（型号为Y32）、球磨机（型号为QM-1F）、电子天平（型号为YB）、干燥箱（型号为DL-102）、热导率测定仪（型号为TC-3）、电动抗折仪（型号为KZY-300-1）。
制备完成之后进行测试，测试的方法包括抗热震性测试、导热性测试、抗折强度测试，具体如下：
（1）抗热震性测试。将所得的制品放置于电炉当中加热，加热至1000-1200℃，随后停止加热保温静置约25min，最后放入到约25℃的活水当中。循环上述步骤，直至样品破裂，循环次数越多，抗热震性能越强。
（2）导热性测试。将样品放置于干燥箱中进行干燥处理，控制水域温度，打开电源。平衡状态的标准为两测点间的温度波动<0.2℃，保持平衡状态时间越长，导热性越佳。
（3）抗折强度测试。采用三点抗弯法对样品进行抗折强度测试，跨距为45mm，尺寸为4×4.5×55。
5 无机非金属陶瓷换热器材料应用实例分析
无机非金属材料的抗热震性、导热性、抗折强度都比较理想，在陶瓷换热器的制作方面具有高度的现实意义。文章以我国某省的卷烟厂为例进行深入的分析。该卷烟厂的换热器采用无机非金属材料制成，整体形式为换热管+箱体，两者的材质完全一致，换热管共计安装10根，外径为200mm，内径为187mm，厚为13mm。试验时间为3个月，经统计，煤炭消耗<220137千焦/千克，各项性能均满足使用要求，导热系数≥2.50W/m·K，压溃强度≥7.50Mpa，抗热震性测试可循环35-40次。经分析对比，陶瓷换热器较之金属换热器，生产约降低9%，能耗量更低，经济效益与环境效益更为理想。
6 结束语
总而言之，在经济快速发展的今天，能源消耗的问题不容忽视，能源消耗量过大，生产成本更高，对环境所造成的污染问题也更加严重，传统的金属换热器由于导热性能与抗热震性能较差，在降低能源损耗，节能减排方面的效果非常不理想，而陶瓷换热器以无机非金属材料制成，经多次的实际应用与科学分析，其导热性能与抗热震性能较好，且抗折强度大，在高温环境当中依然保持着稳定的化学形态，具有高度的实际应用价值。
参考文献
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