戴曉云 徐宏

摘 要：在高溫?fù)Q熱領(lǐng)域當(dāng)中，無機非金屬陶瓷換熱器材料是常用的材料，其主要作用是回收煙氣的余熱以預(yù)熱助燃，可將能源的利用率提高25%-35%，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。鑒于當(dāng)前部分的無機材料換熱器穩(wěn)定性較差，導(dǎo)熱性能差、造成換熱效果不理想，因此研制新型的換熱器材料，提高導(dǎo)熱系數(shù)與抗熱震性，節(jié)能減排，成為了當(dāng)前該領(lǐng)域的重要任務(wù)。文章就無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備步驟與要點進(jìn)行簡要的分析，并以實例為基礎(chǔ)，探討該種材料的實際應(yīng)用效果，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：無機非金屬；陶瓷換熱器；制備；應(yīng)用

鑒于能源緊張的局勢，當(dāng)前國內(nèi)出現(xiàn)了許多無機非金屬陶瓷換熱器的專業(yè)生產(chǎn)廠家，然而限于生產(chǎn)技術(shù)，與國外的產(chǎn)品相比較依舊存在著不小的差異。對于，我國相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者就本國產(chǎn)品的配方、工藝、添加劑等進(jìn)行了科學(xué)的分析，發(fā)現(xiàn)不同的配方與添加劑對所生產(chǎn)出來的無機非金屬陶瓷換熱器材料的性能與組織結(jié)構(gòu)有著很大的影響。無機非金屬陶瓷換熱器材料具有高度的環(huán)保性，是新一代換熱器的理想選擇，有望全面替換當(dāng)前國內(nèi)所使用的金屬換熱器。

1 無機非金屬陶瓷換熱器材料的研究現(xiàn)狀與種類

整體而言，我國在無機非金屬陶瓷換熱器材料的研究方面起步較晚，總體水平落后于西方各國。當(dāng)前，國內(nèi)外用于制備陶瓷換熱器的材料主要有：莫來石、鋯英石、粘土、SiC、剛玉、堇青石等，其中我國的研究方向主要集中于莫來石以及堇青石兩種材料方面，筆者將對此兩種材料作簡單的論述。

1.1 莫來石。莫來石屬于斜方晶系，排列順序呈雙鏈狀，六配位鋁離子，具有化學(xué)穩(wěn)定性強、抗熱震性優(yōu)、耐火度好等特點，在化學(xué)、國防、玻璃等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。而在陶瓷行業(yè)，莫來石則主要是用于制作窯爐頂柱或是墊板，這是因為莫來石具有很好的耐火度與抗熱震性，在高溫之下其衰減度不明顯，即便經(jīng)歷劇烈的氧化，其化學(xué)性能依舊穩(wěn)定，因此莫來石是一種非常理想的應(yīng)用于制備無機非金屬陶瓷換熱器的重要無機材料。莫來石又分為純莫來石與雜莫來石兩種，前者性能優(yōu)于后者，膨脹系數(shù)更低，約為5.3-5.5×10-5/℃，發(fā)展前景良好。

1.2 堇青石。堇青石的耐火度較莫來石略差，化學(xué)穩(wěn)定性與抗熱震性則同樣優(yōu)異，同時堇青石更為經(jīng)濟實惠。堇青石的合成范圍具有明顯的局限性，耐腐蝕性并不理想，尤其是面對SO2等腐蝕性強的氣體，堇青石材料容易發(fā)生揮發(fā)或者是熔融的問題，導(dǎo)致氣流阻塞。常規(guī)狀態(tài)下的堇青石多呈無色透明狀，小部分為淺藍(lán)色或是淺黃色半透明狀，屬于六方晶系，氧離子堆積的密度不高，同時連接鎂氧八面體以及鋁氧四面體，化學(xué)性能穩(wěn)定性強。整體而言，堇青石無機材料的合成范圍有限，抗折性能不理想，且呈多孔結(jié)構(gòu)，不建議應(yīng)用在抗熱震性要求高的陶瓷換熱器產(chǎn)品當(dāng)中。

2 陶瓷換熱器對無機非金屬材料的內(nèi)質(zhì)要求

伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，我國社會整體對于能源的需求越來越大，逐漸上升為能耗大戶。據(jù)統(tǒng)計，窯爐能耗占全國工業(yè)總能耗的20%左右，其原因主要是排煙損失，我國全年的排煙損失折合約4500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能源損耗問題非常嚴(yán)重。鑒于此，要想達(dá)到理想的節(jié)能減排以及保護(hù)環(huán)境的效果，就必須要從提高工業(yè)爐燃料利用率方面著手，通過熱交換裝置回收工業(yè)爐余熱是非常有效的途徑之一，而換熱器是熱交換裝置的重要部件，與回收工業(yè)爐余熱的效果息息相關(guān)，也是熱交換裝置原理的重要體現(xiàn)。換熱器的常規(guī)材料是金屬材料，其本身的化學(xué)穩(wěn)定性并不強，且在高溫之下容易出現(xiàn)氧化問題，耐化學(xué)腐蝕性能差，在余熱的回收效果方面不理想，難以真正實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

鑒于此，無機非金屬陶瓷換熱器材料應(yīng)運而生，一般而言，無機非金屬陶瓷換熱器對材料的要求可總結(jié)為六點，分別是：（1）抗熱震性能要好；（2）使用壽命要長，符合經(jīng)濟原則；（3）耐高溫性能強，使用溫度必須要>1280℃；（4）蓄熱率以及導(dǎo)熱系數(shù)要高；（5）機械強度理想，即便是在高溫環(huán)境之后，依舊能夠保持常態(tài)；（6）耐化學(xué)腐蝕強，工業(yè)爐廢煙當(dāng)中含有大量的SO2、CO2等腐蝕性強的化學(xué)物質(zhì)，用于制作陶瓷換熱器的無機非金屬材料要求不能與其發(fā)生粉塵固熔反應(yīng)。

3 無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備方法分析

以使用環(huán)境的溫度為標(biāo)準(zhǔn)，無機非金屬陶瓷換熱器材料可以分為非氧化物材料以及氧化物材料兩種，不同的材料，其制備方法也有所不同。非氧化物材料采用的主要是反應(yīng)燒結(jié)法，而氧化物材料采用的則是常壓燒結(jié)法，兩種方法的具體分析如下：

（1）反應(yīng)燒結(jié)法。所謂的反應(yīng)燒結(jié)法主要是將兩種或是兩種以上的粉末以固定的比例調(diào)勻，塑造成型，繼而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在此過程當(dāng)中，其內(nèi)部至少有兩種成分相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要是應(yīng)用于碳化硅等非氧化物材料當(dāng)中。通過反應(yīng)燒結(jié)法而得出的制品，其燒結(jié)質(zhì)量非常好，外形與尺寸幾乎不發(fā)生任何的改變，在靜止冷卻的過程當(dāng)中也不會出現(xiàn)收縮的不良反應(yīng)，燒結(jié)所需的時間較短，并且燒結(jié)耗費少，符合經(jīng)濟原則，對于形狀復(fù)雜的制品燒制方面也能取得良好的效果。然而，該方法也存在相應(yīng)的局限性，例如允許加入的添加劑劑量非常少，導(dǎo)致機械強度等問題。

（2）常壓燒結(jié)法。常壓燒結(jié)法是當(dāng)前我國最為常用的燒結(jié)方法，其主要的特點就是不對材料進(jìn)行加壓作用。令其于大氣壓力之下燒結(jié)，操作方法更為簡便易行。該方法的應(yīng)用對象主要是氧化物材料，如莫來石等，首先將材料進(jìn)行細(xì)磨調(diào)勻，隨后在其中添加一定劑量的添加劑，塑造成型之后放置于馬沸爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)完畢之后將制品取出使其自行冷卻。常壓燒結(jié)法與上述的反應(yīng)燒結(jié)法相比較，燒結(jié)時間較長，因此燒結(jié)成本也更高，但是所得的制品由于添加了合適劑量的添加劑以及粘土，機械強度更為理想。

4 無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備實驗探討

鑒于無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備方法難以掌握，復(fù)雜程度高，筆者特意以莫來石的制備方法為例，采用常壓燒結(jié)的方法進(jìn)行實驗，具體流程與設(shè)備如下：

莫來石以高嶺土、氧化鋁、蘇州土、等為原材料加以合成，同時添加一定劑量的氟化鋁以及五氧化二釩，以提高莫來石的機械強度與抗腐蝕性能等。所用的原材料具體有：氧化鋁（純度為Al2O3≥98%）、蘇州土（純度為Al2O3≥45.8%）、高嶺土（純度為Al2O3≥29.5%）、氟化鋁（純度為AlF3≥99.50%）、五氧化二釩（純度為V2O5≥99.68%）。所用的設(shè)備具體為：硅鋁棒爐（型號為SX-5-12）、壓力機（型號為Y32）、球磨機（型號為QM-1F）、電子天平（型號為YB）、干燥箱（型號為DL-102）、熱導(dǎo)率測定儀（型號為TC-3）、電動抗折儀（型號為KZY-300-1）。

制備完成之后進(jìn)行測試，測試的方法包括抗熱震性測試、導(dǎo)熱性測試、抗折強度測試，具體如下：

（1）抗熱震性測試。將所得的制品放置于電爐當(dāng)中加熱，加熱至1000-1200℃，隨后停止加熱保溫靜置約25min，最后放入到約25℃的活水當(dāng)中。循環(huán)上述步驟，直至樣品破裂，循環(huán)次數(shù)越多，抗熱震性能越強。

（2）導(dǎo)熱性測試。將樣品放置于干燥箱中進(jìn)行干燥處理，控制水域溫度，打開電源。平衡狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為兩測點間的溫度波動<0.2℃，保持平衡狀態(tài)時間越長，導(dǎo)熱性越佳。

（3）抗折強度測試。采用三點抗彎法對樣品進(jìn)行抗折強度測試，跨距為45mm，尺寸為4×4.5×55。

5 無機非金屬陶瓷換熱器材料應(yīng)用實例分析

無機非金屬材料的抗熱震性、導(dǎo)熱性、抗折強度都比較理想，在陶瓷換熱器的制作方面具有高度的現(xiàn)實意義。文章以我國某省的卷煙廠為例進(jìn)行深入的分析。該卷煙廠的換熱器采用無機非金屬材料制成，整體形式為換熱管+箱體，兩者的材質(zhì)完全一致，換熱管共計安裝10根，外徑為200mm，內(nèi)徑為187mm，厚為13mm。試驗時間為3個月，經(jīng)統(tǒng)計，煤炭消耗<220137千焦/千克，各項性能均滿足使用要求，導(dǎo)熱系數(shù)≥2.50W/m·K，壓潰強度≥7.50Mpa，抗熱震性測試可循環(huán)35-40次。經(jīng)分析對比，陶瓷換熱器較之金屬換熱器，生產(chǎn)約降低9%，能耗量更低，經(jīng)濟效益與環(huán)境效益更為理想。

6 結(jié)束語

總而言之，在經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，能源消耗的問題不容忽視，能源消耗量過大，生產(chǎn)成本更高，對環(huán)境所造成的污染問題也更加嚴(yán)重，傳統(tǒng)的金屬換熱器由于導(dǎo)熱性能與抗熱震性能較差，在降低能源損耗，節(jié)能減排方面的效果非常不理想，而陶瓷換熱器以無機非金屬材料制成，經(jīng)多次的實際應(yīng)用與科學(xué)分析，其導(dǎo)熱性能與抗熱震性能較好，且抗折強度大，在高溫環(huán)境當(dāng)中依然保持著穩(wěn)定的化學(xué)形態(tài)，具有高度的實際應(yīng)用價值。

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