换热器管
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密集烤烟房用氧化铝-堇青石换热陶瓷材料的制备点击：1850 日期：[ 2014-04-26 21:39:53 ] |
| 密集烤烟房用氧化铝-堇青石换热陶瓷材料的制备 袁红涛1，陆平2，梅东海1 （1.湖北省烟叶公司，武汉430070；2.武汉理工大学绿色建筑材料及制造教育部工程研究中心，武汉430070） 摘要：本文以矿物原料制备了氧化铝-堇青石换热陶瓷材料，研究了其密度、抗热震性能和热导率等性能，并将其用于烤烟生产工艺中。研究结果表明，随着温度的提高，样品的热导率也有所提高，烧结收缩率也增大；随着堇青石含量的增加，铝矾土含量的降低，样品热导率先增加后降低，并在堇青石含量为20%，1300℃温度下烧结时达到最大值4.69W/(m·K)。此时样品的密度为2.78g/cm3，抗热震性能良好。 关键词：天然矿物；热导率；抗热震；氧化铝；堇青石 1·引言 目前密集烤房供热系统中绝大部分使用钢制金属换热器，而且大部分使用耐硫酸露点腐蚀性能较差的普通低碳钢。使用高温下耐酸的合金钢材，可提高耐腐蚀性、延长换热器使用寿命，但由于耐酸高温合金钢价格比较高，耐腐蚀性也不是很理想。因此，研究开发耐腐蚀性好、性价比高的新型换热器材料将成为一个重要的发展方向。 氧化铝晶体在常温下热导率为30W/m·℃，小于氧化铍、氮化铝、金刚石和碳化硅等材料的热导率值，而其原料来源广、成本低廉、制造工艺简单的优势却是上述材料远远不能相比的。但氧化铝陶瓷的热膨胀系数较大，抗热震能力较差，这些缺点在很大程度上限制了其应用范围，也未见以氧化铝陶瓷作为换热器材料使用的报道。向氧化铝陶瓷中掺杂堇青石，制备氧化铝-堇青石复合陶瓷，则可以大大改善其高温热物理性能，从而可能将氧化铝陶瓷的应用拓展至热工行业。 湖北省烟叶公司和武汉理工大学绿色建筑材料及制造教育部工程研究中心的研究人员以矿物原料制备了氧化铝-堇青石换热陶瓷材料，并研究了其密度、热导率和抗热震等性能，提出了较好的配方和热处理制度，希望能为这种新型陶瓷换热器材料进一步工业化生产与推广提供有益参考。 2·实验 2.1实验原料及方案 实验主要原料为山西孝义产铝矾土、河南登封产堇青石、广西三环产钾长石、陕西铜川上店土，白云石和碳酸钡作为添加剂少量使用,所用原料的主要化学组成见表1。所有原料均预先进行破碎粉末，所得粉料过100目筛备用。 按照表2配料，分别记为1#、2#、3#、4#组，四组配方中紫木节土、钾长石、白云石和碳酸钡含量一致，分别为7%、3%、4%和4%，仅改变铝矾土和堇青石的含量。将制备好的配合料按照料:球:水=1:1.5:2的质量比例，在以刚玉球为研磨介质的球磨罐中球磨48h，然后在100℃下烘干24h。将球磨48h后烘干得到的配合料造粒，分别在4MPa的压力下成形得到直径为12mm的圆片坯体，在20MPa压力下成形得到尺寸为50mm×30mm×15mm的块状坯体。然后分别在1280℃和1300℃温度下烧成得到氧化铝-堇青石陶瓷样品，烧成温度受限于中试陶瓷厂窑炉的烧成温度。 2.2性能测试 样品的体积密度用阿基米德原理测试；样品的烧结线收缩率用游标卡尺测量；陶瓷样品的抗热震性能按照YB/T376.3[1]进行测试，将样品分别在800℃和600℃中保温20min以使之充分受热，然后取出在20℃的水中急冷，完全冷却后擦干样品表面的水分，观察样品表面是否产生裂纹，反复进行上述试验。在800℃下进行10次试验，600℃下进行40次试验，样品没有出现开裂现象，即通过了抗热震性能试验。 样品的热导率采用TC-7000H激光热常数仪进行测试，热导率的单位为W/（m·℃）。 3·结果与讨论 3.1样品的密度和收缩率分析 烧成后样品的密度见图1。结合表2各组配方，随着温度的提高，同一配方的样品的密度有所提高，说明提高温度可以促进样品的烧结致密化[2]。 由于所用的原料基本上为矿物原料，所含的各种碱金属和碱土金属氧化物如MgO、CaO、Na2O等都起到了烧结助剂的作用。烧结过程中，这些物质在较低温度下能够产生液相，小固体颗粒在液相中熔解，并在他处析出使得晶粒长大。液相对大颗粒的润湿，使得颗粒相互接近并填充气孔，从而促进了样品的烧结致密化；随着烧成温度的提高，Al3+的扩散速度也相应提高，同时形成的液相也大大增加，烧结进行得更为彻底，所以密度也迅速提高[2]。 由图1可知，在1280℃和1300℃两个温度下，随着堇青石含量从40%下降到10%，烧成后陶瓷样品的密度均呈上升的趋势。这主要是因为堇青石密度较小，约为2.5g/cm3，而铝矾土密度较大，约为3.6g/cm3，因此样品密度主要取决于铝矾土和堇青石这两种主要原料比重和烧结程度。堇青石所占比重越多，陶瓷样品密度就越小。 图2为样品烧结线收缩率曲线，随着温度的提高和堇青石含量的增加，样品的烧结线收缩率都呈增长的趋势。提高温度有助于烧结的进行，这是因为温度提高能够产生更多的液相，从而加强液相烧结，样品的线收缩率增大。氧化铝的扩散系数低，烧结困难，因此铝矾土含量越高，烧结就越困难。实验中铝矾土的含量随着堇青石含量的提高而降低，从而使得样品烧结变得更为容易，但是从样品热导率方面考虑，堇青石的含量不宜太多。 3.2抗热震性能分析 所有样品的抗热震性能都通过了试验，符合标准YB/T376.3的要求[1]。要提高材料的抗热震性能，要求材料具有高的原始强度、导热系数、低的热膨胀系数和弹性模量,提高材料强度和弹性模量之比（σ/E值），意味着材料可以吸收较多的弹性应变能而不致开裂，可使内应力得到缓减,但这些性能上的要求往往难以同时满足。 少量的分布均匀的气孔可以使得材料在热冲击下的裂纹扩展路线变得曲折，钝化裂纹，从而在一定程度上提高材料的抗热震性能[4]。但是气孔若太多，因为其各项参数与陶瓷基体相差甚远，在热冲击下会形成较大的内应力，对于陶瓷的抗热震性能更多的是负面的影响。 但更高温度下烧成的样品中，随着烧结的进行，气孔减少，样品密度逐渐增大，堇青石与氧化铝形成长柱状固溶体，能够紧密交错填充在氧化铝晶粒之间，这样可以提高裂纹扩展需要的能量，从而增强了材料的抗热震性能[3]。 陶瓷的晶界主要是玻璃相，这是烧结过程中助熔剂形成的液相冷却的产物。玻璃相会降低抗热震性能，因此在制备过程中应当尽量减少液相的形成。 3.3热导率分析 图3为不同烧成温度下烧结的样品的热导率曲线，随着堇青石含量的提高，铝矾土含量的降低，样品的热导率先上升、后下降。在堇青石含量为20%、铝矾土含量为62%时，分别在1280℃和1300℃温度下煅烧得到的样品热导率均为最大值，分别为4.52W/(m·K)和4.69 W/(m·K)。 样品的热导率取决于组分中氧化铝的比重以及烧结程度，虽然第1组样品的密度最大，但是由于其烧结程度是最低的，所以样品中气孔较多，致密程度不够，所以热导率不是最大；而第4组样品的烧结收缩率是最高的，但是由于含堇青石较多，氧化铝含量比较低，所以其热导率反而是最低的。1300℃温度下烧成的样品比1280℃温度下烧成的样品的热导率普遍都高一些，这说明实际生产时，应该尽量提高烧结温度，以提高产品的性能。但是综合考虑到样品的变形问题，收缩率不宜太大，因此应该由样品的组分和结构确定合适的烧结温度区间。 玻璃相的声子平均自由程较低，相当于几个晶面间距，所以玻璃相的热导率往往是很低的。同时由于玻璃相的存在，声子在运动过程中会被相界面所散射，进一步降低了材料的热导率[5]。因此在研制高热导率陶瓷的过程中应当尽量降低样品中玻璃相的含量，可以采取固相烧结为主、液相烧结为辅的方式进行热处理，让玻璃相对材料热导率的不良影响尽量降低。 样品中的气孔对热导率也有不利影响，气孔会增加声子散射界面，使得声子在传播过程中受到气孔界面的散射，从而降低热导率，因此必须尽量降低气孔率。但是另一方面,从抗热震考虑，需要有一定量微小分布均匀的气孔来增强抗热震性能[4]。 4·结论 实验结果证明，烧成温度和配方组成对氧化铝-堇青石导热陶瓷样品的性能共同起决定性作用。随着温度的提高，样品的热导率也有所提高，烧结收缩率也增大。随着堇青石含量的增加，铝矾土含量的降低，样品热导率先降低后增加，并在堇青石含量为20%、1300℃下烧结时达到最大值4.69W/(m·K)，样品的密度为2.85g/cm3，抗热震性能良好。 参考文献 [1]耐火制品抗热震性试验方法：水急冷裂纹判定法[S]（第3部分），北京：冶金工业出版社，2004，1～20. [2]陆小荣，朱永平.陶瓷工艺学[M].长沙：湖南大学出版社，2005，169~174. [3]韩亚苓,张巍,潘斌斌等.Al2O3-堇青石陶瓷的制备和抗热震性能研究[J].沈阳工业大学学报,2007,29(4):380～391. [4]关振铎，张中太，焦金生.无机材料物理性能[M].北京：清华大学出版社，1992，81~82. [5]奚同庚.无机材料热物性学[M].上海：上海科技出版社,1980，18～24. |
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