淺析無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備及應用

戴曉云 徐宏

摘 要：在高溫換熱領域當中，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熱助燃，可將能源的利用率提高25%-35%，實現節能減排的目的。鑒于當前部分的無機材料換熱器穩定性較差，導熱性能差、造成換熱效果不理想，因此研制新型的換熱器材料，提高導熱系數與抗熱震性，節能減排，成為了當前該領域的重要任務。文章就無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備步驟與要點進行簡要的分析，并以實例為基礎，探討該種材料的實際應用效果，以供同行參考。

關鍵詞：無機非金屬；陶瓷換熱器；制備；應用

鑒于能源緊張的局勢，當前國內出現了許多無機非金屬陶瓷換熱器的專業生產廠家，然而限于生產技術，與國外的產品相比較依舊存在著不小的差異。對于，我國相關領域的學者就本國產品的配方、工藝、添加劑等進行了科學的分析，發現不同的配方與添加劑對所生產出來的無機非金屬陶瓷換熱器材料的性能與組織結構有著很大的影響。無機非金屬陶瓷換熱器材料具有高度的環保性，是新一代換熱器的理想選擇，有望全面替換當前國內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。當前，國內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，具有化學穩定性強、抗熱震性優、耐火度好等特點，在化學、國防、玻璃等行業得到了廣泛的應用。而在陶瓷行業，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，即便經歷劇烈的氧化，其化學性能依舊穩定，因此莫來石是一種非常理想的應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，前者性能優于后者，膨脹系數更低，約為5.3-5.5×10-5/℃，發展前景良好。

1.2 堇青石。堇青石的耐火度較莫來石略差，化學穩定性與抗熱震性則同樣優異，同時堇青石更為經濟實惠。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，堇青石材料容易發生揮發或者是熔融的問題，導致氣流阻塞。常規狀態下的堇青石多呈無色透明狀，小部分為淺藍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，化學性能穩定性強。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，且呈多孔結構，不建議應用在抗熱震性要求高的陶瓷換熱器產品當中。

2 陶瓷換熱器對無機非金屬材料的內質要求

伴隨經濟的發展，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。據統計，窯爐能耗占全國工業總能耗的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4500萬噸標準煤，能源損耗問題非常嚴重。鑒于此，要想達到理想的節能減排以及保護環境的效果，就必須要從提高工業爐燃料利用率方面著手，通過熱交換裝置回收工業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，與回收工業爐余熱的效果息息相關，也是熱交換裝置原理的重要體現。換熱器的常規材料是金屬材料，其本身的化學穩定性并不強，且在高溫之下容易出現氧化問題，耐化學腐蝕性能差，在余熱的回收效果方面不理想，難以真正實現節能減排的目的。

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

3 無機非金屬陶瓷換熱器材料的制備方法分析

以使用環境的溫度為標準，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燒結法，而氧化物材料采用的則是常壓燒結法，兩種方法的具體分析如下：

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

（2）常壓燒結法。常壓燒結法是當前我國最為常用的燒結方法，其主要的特點就是不對材料進行加壓作用。令其于大氣壓力之下燒結，操作方法更為簡便易行。該方法的應用對象主要是氧化物材料，如莫來石等，首先將材料進行細磨調勻，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行燒結，燒結完畢之后將制品取出使其自行冷卻。常壓燒結法與上述的反應燒結法相比較，燒結時間較長，因此燒結成本也更高，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，采用常壓燒結的方法進行實驗，具體流程與設備如下：

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）。

制備完成之后進行測試，測試的方法包括抗熱震性測試、導熱性測試、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℃的活水當中。循環上述步驟，直至樣品破裂，循環次數越多，抗熱震性能越強。

（2）導熱性測試。將樣品放置于干燥箱中進行干燥處理，控制水域溫度，打開電源。平衡狀態的標準為兩測點間的溫度波動<0.2℃，保持平衡狀態時間越長，導熱性越佳。

（3）抗折強度測試。采用三點抗彎法對樣品進行抗折強度測試，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用實例分析

無機非金屬材料的抗熱震性、導熱性、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實意義。文章以我國某省的卷煙廠為例進行深入的分析。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，兩者的材質完全一致，換熱管共計安裝10根，外徑為200mm，內徑為187mm，厚為13mm。試驗時間為3個月，經統計，煤炭消耗<220137千焦/千克，各項性能均滿足使用要求，導熱系數≥2.50W/m·K，壓潰強度≥7.50Mpa，抗熱震性測試可循環35-40次。經分析對比，陶瓷換熱器較之金屬換熱器，生產約降低9%，能耗量更低，經濟效益與環境效益更為理想。

6 結束語

總而言之，在經濟快速發展的今天，能源消耗的問題不容忽視，能源消耗量過大，生產成本更高，對環境所造成的污染問題也更加嚴重，傳統的金屬換熱器由于導熱性能與抗熱震性能較差，在降低能源損耗，節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，經多次的實際應用與科學分析，其導熱性能與抗熱震性能較好，且抗折強度大，在高溫環境當中依然保持著穩定的化學形態，具有高度的實際應用價值。

參考文獻

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