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常见蜂窝陶瓷蓄热体材料的性能

来源:|作者:金瑞 |发布时间:2021-03-31 |次浏览
蜂窝陶瓷蓄热体用何种材料制备, 是由工业炉所产生的烟气温度、烟气的腐蚀性、烟气中所含粉尘的性质和量的多少以及工业炉的工作条件决定的。目前有陶瓷、金属两类可作为蓄热体的原
蜂窝蓄热体用何种材料制备, 是由工业炉所产生的烟气温度、烟气的腐蚀性、烟气中所含粉尘的性质和量的多少以及工业炉的工作条件决定的。目前有陶瓷、金属两类可作为蓄热体的原材料, 但是由于工业烟气的温度随着工业水平的发展在逐步上升, 而陶瓷以其高强度、耐腐蚀、耐高温等诸多特点成为目前蓄热体制备的主要原材料。目前大部分的陶瓷蓄热体主要制备成小球和蜂窝两种结构[5] , 而原料根据使用温度的不同主要包括堇青石、莫来石、锂辉石、氧化铝、钛酸铝、碳化硅、尖晶石、硅藻土、膨胀土、沸石等多种材质, 这些材料根据本身化学性质的不同用来制备不同功能的蓄热体[6 -7] , 也可以将其中的两种或几种材料复合(复相陶瓷) 使用来增强蓄热体某些方面的特定性能。蜂窝陶瓷质量轻体积小, 但是比表面积大, 耐磨损、耐高温, 气流阻力非常小。因此蜂窝陶瓷比蓄热小球传热快、炉体温度均匀, 减少了NOx 的排放, 更加节能环保。

常见蜂窝陶瓷蓄热材料的性能
常见蜂窝陶瓷蓄热材料的性能
堇青石质蜂窝陶瓷蓄热体
由于堇青石与多种催化剂匹配性好, 比表面积大、热膨胀系数小以及抗热震性好等优点而得到了广泛应该。张华等人用粘土、滑石和氧化铝制备了堇青石质(2MgO·2Al2 O3 ·5SiO2 )蜂窝陶瓷, 该陶瓷具有热膨胀系数低、气孔率高的优点[16] 。堇青石虽然有很多优点, 目前得到了广泛关注, 但仍然存
在缺点, 即耐热性稍差, 所以很多后续的研究都将重点集中了在堇青石中添加其他材料来提高堇青石性能方面。在堇青石中添加一些添加剂, 可以促进堇青石烧结、降低热膨胀系数、提高抗热震性等, 通常的添加剂有硅线石、碳化硅、氧化锆、氧化锗、碳酸锂以及氟化钙等[17] , 添加后烧结形成硅线石- 堇青石、莫来石- 堇青石、钛酸铝- 堇青石、尖晶石- 堇青石等复相材料[18 -22] 。
许永贵等[23] 按重量百分比为40% ~ 70% 的堇青石, 5% ~15%的硅线石, 10% ~20%的红柱石和15% ~35% 的锆英石的原料配方制备了蓄热式陶瓷球和蜂窝体, 经测试90% 的样品抗热震次数大于35 次, 为合格产品, 并且样品性能优于氧化铝陶瓷球。山东理工大学的白佳海[24] 制备了碳化硅- 堇青石质多孔陶瓷, 测试结果显示, 碳化硅- 堇青石多孔陶瓷与碳化硅多孔陶瓷相比, 抗折强度显著提高, 热膨胀系数明显降低, 但显气孔率有所降低。杜永娟等[25] 从调整合理的化学组成、添加不同量和种类的添加剂、改善烧成工艺等几个方面叙述了降低蜂窝状堇青石陶瓷材料热膨胀的途径, 而且在上述几种途径均取得了有益效果。Agrawal D. K. 等[26] 用GeO2 来替代堇青石中的SiO2 , 研究了MgO·2Al2 O3 ·(5 - x)SiO2 ·xGeO2 的热膨胀系数随GeO2 加入量变化而变化的规律, 当x≤1 时热膨胀系数总体是降低的。吴皆正等[27] 在堇青石中引入氧化锆来达到增韧和增强的目的。缪斌等[28] 将磷酸盐、锂铝硅酸盐引入堇青石来降低烧结温度, 提高密度, 降低热膨胀系数。

刚玉质蜂窝陶瓷蓄热体
锆铬刚玉质蜂窝陶瓷蓄热体, 该蓄热体能在1 500 ℃以上使用, 燃料用量可以节约40% ~70%, 产量可以增加15%以上, NOx 排放量降至100 mg/ kg 以下, 还使得燃烧效率得到了明显的提高。

碳化硅质蜂窝陶瓷蓄热体
碳化硅蜂窝陶瓷是近几年才出现的一种新型陶瓷产物, 碳化硅作为主要原料制成蜂窝陶瓷体, 不仅常温力学性能非常好, 高温力学功能也非常优异。但是碳化硅蜂窝陶瓷的断裂韧性低, 脆性大, 因而近年来对于用碳化硅制备蜂窝陶瓷的研究多集中于在碳化硅中添加晶须或者纤维来增韧的复相陶瓷。

氧化铝质蜂窝陶瓷蓄热体
氧化铝陶瓷耐磨、耐高温、导热系数大、机械强度高, 因此作为蜂窝陶瓷材料一度受到很多关注。贾元平等人分析比较了国内外氧化铝多孔陶瓷材料的几种不同的制备方法及应用情况, 指出氧化铝多孔陶瓷因其比表面积大、机械强度高也越来越多的受到重视。但是氧化铝多孔陶瓷脆性大, 强度和孔隙率的关系也有待进一步优化。

莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体
胡定军等用莫来石为主原料, 在其中加入适量的红柱石、蓝晶石、硅线石等添加剂来以达到提高蜂窝陶瓷高温机械性能的目的, 并且降低了成本[10] 。俞浩等人制备了一种钛酸铝- 莫来石蜂窝陶瓷材料, 其在1 000 ~ 1 350 ℃高温下工作时的抗热震性以及抗折强度都比莫来石材料的优异, 适宜在净化气氛下工作。

钛酸铝质蜂窝陶瓷蓄热体
钛酸铝以其熔点高、耐磨损、抗热震性好以及热膨胀系数低等优势得到了国内外研究人员的广泛关注。但钛酸铝在中温区易部分分解产生微小裂纹, 导致强度降低, 因此对于钛酸铝的研究多集中于复相法上, 即在材料中加入刚玉、莫来石、碳化硅等来提高强度并抑制分解。薛明俊、陈洪彬等人研究了莫来石的添加对钛酸铝热分解的影响, 研究结果显示, 在一定范围内莫来石添加量增加, 钛酸铝热分解量减少。

碳化硅质蜂窝陶瓷蓄热体
碳化硅蜂窝陶瓷是近几年才出现的一种新型陶瓷产物, 碳化硅作为主要原料制成蜂窝陶瓷体, 不仅常温力学性能非常好, 高温力学功能也非常优异。但是碳化硅蜂窝陶瓷的断裂韧性低, 脆性大, 因而近年来对于用碳化硅制备蜂窝陶瓷的研究多集中于在碳化硅中添加晶须或者纤维来增韧的复相陶瓷。

莫来石质、氧化铝质、碳化硅质、钛酸铝质蜂窝陶瓷材料的性能随着研究的深入均有所提高, 但是其热膨胀系数会随着材料强度的增加而增加, 致其使用寿命受到的影响仍然很大。堇青石作为蜂窝陶瓷材料优点多, 但耐热性稍差, 所以在堇青石中添加一些添加剂形成复相材料, 促进烧结、降低热膨胀系数、提高耐热性等可以作为当前研究的重要方向。