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常見蜂窩陶瓷蓄熱體材料的性能
來源:|作者:金瑞 |發(fā)布時(shí)間:2021-03-31 |次瀏覽
蜂窩陶瓷蓄熱體用何種材料制備, 是由工業(yè)爐所產(chǎn)生的煙氣溫度、煙氣的腐蝕性、煙氣中所含粉塵的性質(zhì)和量的以及工業(yè)爐的工作條件決定的。目前有陶瓷、金屬兩類可作為蓄熱體的原
蜂窩蓄熱體用何種材料制備, 是由工業(yè)爐所產(chǎn)生的煙氣溫度、煙氣的腐蝕性、煙氣中所含粉塵的性質(zhì)和量的以及工業(yè)爐的工作條件決定的。目前有陶瓷、金屬兩類可作為蓄熱體的原材料, 但是由于工業(yè)煙氣的溫度隨著工業(yè)水平的發(fā)展在逐步上升, 而陶瓷以其高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等諸多特點(diǎn)成為目前蓄熱體制備的主要原材料。目前大部分的陶瓷蓄熱體主要制備成小球和蜂窩兩種結(jié)構(gòu)[5] , 而原料根據(jù)使用溫度的不同主要包括堇青石、莫來石、鋰輝石、氧化鋁、鈦酸鋁、碳化硅、尖晶石、硅藻土、膨脹土、沸石等多種材質(zhì), 這些材料根據(jù)本身化學(xué)性質(zhì)的不同用來制備不同功能的蓄熱體[6 -7] , 也可以將其中的兩種或幾種材料復(fù)合(復(fù)相陶瓷) 使用來蓄熱體某些方面的特定性能。蜂窩陶瓷質(zhì)量輕體積小, 但是比表面積大, 耐磨損、耐高溫, 氣流阻力非常小。因此蜂窩陶瓷比蓄熱小球傳熱快、爐體溫度均勻, 減少了NOx 的排放, 加節(jié)能。
常見蜂窩陶瓷蓄熱材料的性能
堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
由于堇青石與多種催化劑匹配性好, 比表面積大、熱膨脹系數(shù)小以及抗熱震性好等點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)該。張華等人用粘土、滑石和氧化鋁制備了堇青石質(zhì)(2MgO·2Al2 O3 ·5SiO2 )蜂窩陶瓷, 該陶瓷具有熱膨脹系數(shù)低、氣孔率高的點(diǎn)[16] 。堇青石雖然有很多點(diǎn), 目前得到了廣泛關(guān)注, 但仍然存
在缺點(diǎn), 即耐熱性稍差, 所以很多后續(xù)的研究都將重點(diǎn)集中了在堇青石中添加其他材料來提高堇青石性能方面。在堇青石中添加一些添加劑, 可以促進(jìn)堇青石燒結(jié)、降低熱膨脹系數(shù)、提高抗熱震性等, 通常的添加劑有硅線石、碳化硅、氧化鋯、氧化鍺、碳酸鋰以及氟化鈣等[17] , 添加后燒結(jié)形成硅線石- 堇青石、莫來石- 堇青石、鈦酸鋁- 堇青石、尖晶石- 堇青石等復(fù)相材料[18 -22] 。
許永貴等[23] 按重量百分比為40% ~ 70% 的堇青石, 5% ~15%的硅線石, 10% ~20%的紅柱石和15% ~35% 的鋯英石的原料制備了蓄熱式陶瓷球和蜂窩體, 經(jīng)測(cè)試90% 的樣品抗熱震次數(shù)大于35 次, 為合格產(chǎn)品, 并且樣品性能于氧化鋁陶瓷球。山東理工大學(xué)的白佳海[24] 制備了碳化硅- 堇青石質(zhì)多孔陶瓷, 測(cè)試結(jié)果顯示, 碳化硅- 堇青石多孔陶瓷與碳化硅多孔陶瓷相比, 抗折強(qiáng)度顯著提高, 熱膨脹系數(shù)明顯降低, 但顯氣孔率有所降低。杜永娟等[25] 從調(diào)整合理的化學(xué)組成、添加不同量和種類的添加劑、改善燒成工藝等幾個(gè)方面敘述了降低蜂窩狀堇青石陶瓷材料熱膨脹的途徑, 而且在上述幾種途徑均取得了有益效果。Agrawal D． K． 等[26] 用GeO2 來替代堇青石中的SiO2 , 研究了MgO·2Al2 O3 ·(5 - x)SiO2 ·xGeO2 的熱膨脹系數(shù)隨GeO2 加入量變化而變化的規(guī)律, 當(dāng)x≤1 時(shí)熱膨脹系數(shù)總體是降低的。吳皆正等[27] 在堇青石中引入氧化鋯來達(dá)到增韌和的目的?？姳蟮萚28] 將磷酸鹽、鋰鋁硅酸鹽引入堇青石來降低燒結(jié)溫度, 提高密度, 降低熱膨脹系數(shù)。
剛玉質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
剛玉質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
鋯鉻剛玉質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體, 該蓄熱體能在1 500 ℃以上使用, 燃料用量可以節(jié)約40% ~70%, 產(chǎn)量可以增加15%以上, NOx 排放量降至100 mg/ kg 以下, 還使得燃燒效率得到了明顯的提高。
碳化硅質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
碳化硅蜂窩陶瓷是近幾年才出現(xiàn)的一種新型陶瓷產(chǎn)物, 碳化硅作為主要原料制成蜂窩陶瓷體, 不常溫力學(xué)性能非常好, 高溫力學(xué)功能也非常異。但是碳化硅蜂窩陶瓷的斷裂韌性低, 脆性大, 因而近年來對(duì)于用碳化硅制備蜂窩陶瓷的研究多集中于在碳化硅中添加晶須或者纖維來增韌的復(fù)相陶瓷。
氧化鋁質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
氧化鋁陶瓷耐磨、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)大、機(jī)械強(qiáng)度高, 因此作為蜂窩陶瓷材料一度受到很多關(guān)注。賈元平等人分析比較了國(guó)內(nèi)外氧化鋁多孔陶瓷材料的幾種不同的制備方法及應(yīng)用情況, 指出氧化鋁多孔陶瓷因其比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高也越來越多的受到重視。但是氧化鋁多孔陶瓷脆性大, 強(qiáng)度和孔隙率的關(guān)系也有待進(jìn)一步化。
莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
胡定軍等用莫來石為主原料, 在其中加入適量的紅柱石、藍(lán)晶石、硅線石等添加劑來以達(dá)到提高蜂窩陶瓷高溫機(jī)械性能的目的, 并且降低了成本[10] 。俞浩等人制備了一種鈦酸鋁- 莫來石蜂窩陶瓷材料, 其在1 000 ~ 1 350 ℃高溫下工作時(shí)的抗熱震性以及抗折強(qiáng)度都比莫來石材料的異, 適宜在凈化氣氛下工作。
鈦酸鋁質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
鈦酸鋁以其熔點(diǎn)高、耐磨損、抗熱震性好以及熱膨脹系數(shù)低等勢(shì)得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。但鈦酸鋁在中溫區(qū)易部分分解產(chǎn)生微小裂紋, 導(dǎo)致強(qiáng)度降低, 因此對(duì)于鈦酸鋁的研究多集中于復(fù)相法上, 即在材料中加入剛玉、莫來石、碳化硅等來提高強(qiáng)度并分解。薛明俊、陳洪彬等人研究了莫來石的添加對(duì)鈦酸鋁熱分解的影響, 研究結(jié)果顯示, 在一定范圍內(nèi)莫來石添加量增加, 鈦酸鋁熱分解量減少。
碳化硅質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體
碳化硅蜂窩陶瓷是近幾年才出現(xiàn)的一種新型陶瓷產(chǎn)物, 碳化硅作為主要原料制成蜂窩陶瓷體, 不常溫力學(xué)性能非常好, 高溫力學(xué)功能也非常異。但是碳化硅蜂窩陶瓷的斷裂韌性低, 脆性大, 因而近年來對(duì)于用碳化硅制備蜂窩陶瓷的研究多集中于在碳化硅中添加晶須或者纖維來增韌的復(fù)相陶瓷。
莫來石質(zhì)、氧化鋁質(zhì)、碳化硅質(zhì)、鈦酸鋁質(zhì)蜂窩陶瓷材料的性能隨著研究的深入均有所提高, 但是其熱膨脹系數(shù)會(huì)隨著材料強(qiáng)度的增加而增加, 致其使用壽命受到的影響仍然很大。堇青石作為蜂窩陶瓷材料點(diǎn)多, 但耐熱性稍差, 所以在堇青石中添加一些添加劑形成復(fù)相材料, 促進(jìn)燒結(jié)、降低熱膨脹系數(shù)、提高耐熱性等可以作為當(dāng)前研究的重要方向。
