堇青石蓄熱式材料的研究*

劉 純 康建喜 陶曉文

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

1 實驗用高頻換向所需的蓄熱體材料的使用條件

本課題所使用的實驗爐為橫焰換向式蓄熱窯，使用溫度為1 150 ℃，換向時間為15 min，蓄熱體溫度為800～25 ℃循環(huán)。使用溫度不算高，但冷熱交換很頻繁，冷熱交換溫差較大。因此要求蓄熱體材料熱穩(wěn)定性要高，同時成本不能太高。

綜合以上溫度使用范圍、換向頻率、冷熱循環(huán)溫差等因素，最終確定采用堇青石作為蓄熱體主要組成。

2 配方路線確定

為了實現(xiàn)快速蓄熱、多蓄熱，我們將蓄熱體結(jié)構(gòu)設計為多孔結(jié)構(gòu)。成形方法采用類似脫硝載體所用的擠出成形。這種成形工藝要求塑性坯用泥料的出坯挺形性要好、坯體干燥抗裂性要高；同時性能要求熱穩(wěn)定性要高。

根據(jù)上述工藝加工與性能要求，參照日本類似產(chǎn)品的成分分析結(jié)果(見表1)，制訂出：堇青石熟料配方可形成堇青石成分的粘結(jié)劑配方路線。

表1 日本堇青石產(chǎn)品成分分析結(jié)果(質(zhì)量%)

3 配方研究

配方成分的試配主要依據(jù)為日本產(chǎn)品的成分，原料采用我們?nèi)菀椎玫?、且成本較低原料為原則進行適配。

3.1 原料選擇

塑性粘土選擇黑泥、Al2O3引入主要選擇氧化鋁和燒焦寶石、MgO引入選擇燒滑石。所選原料化學成分分析結(jié)果見表2。

表2 所用原料化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量%)

其中，除黑泥為塊狀外，其他氧化鋁和滑石均為粉料，粉料細度要求250目。燒焦寶石為成形配方中的骨料，其細度為80目。

3.2 熟料配方選擇及工藝參數(shù)研究

3.2.1 配方確定

堇青石(2MgO.2Al2O3.5SiO2)就其理論組成而言，Al2O3為34.93%，MgO為占13.7%，SiO2為51.37%。因此，確定堇青石熟料的組成，利用SiO2-Al2O3-MgO三元相圖，尋找合理組成。在相圖中，堇青石的理論組成點位于莫來石的第一晶相區(qū)，堇青石在相圖中所占范圍很小，此系統(tǒng)中除晶體外尚有不同溫度的5種易熔物質(zhì)。(圖略)[1]。

根據(jù)理論組成及所選原料化學成分，先計算出配方范圍，經(jīng)過多次燒結(jié)并測試，最終確定JS-3為熟料最終配方(見表3)。

表3JS-3配方(質(zhì)量%)

3.2.2 工藝參數(shù)研究

按JS-3配方配比配料，經(jīng)過球磨機細碎，漿料細度達到萬孔篩余小于1%后出漿，將漿料壓濾成餅且干燥，干塊入梭式窯煅燒，燒結(jié)溫度為1 300 ℃，煅燒塊料經(jīng)過破碎、篩分后備用。煅燒后的堇青石成分分析見表4。

表4 合成堇青石化學成分(質(zhì)量%)

由表4可知，合成的堇青石化學成分基本接近理論組成。

按理論配方配料，堇青石的合成溫度可達到1 400 ℃[2]，但是由于所選礦物原料中引入較多的低熔點物質(zhì)，因此使得堇青石合成溫度降低。本試驗結(jié)果的合成溫度1 300 ℃為最佳。

另外，研磨細度對堇青石的合成也不可忽視。一般而言，顆粒度越細，顆粒的比表面積越大，MgO、Al2O3和SiO2分子在高溫下發(fā)生反應的機率越大，生成堇青石的量就越多。但是顆粒度過細效果也不好，主要是生成堇青石晶體太小。經(jīng)過試驗研究，細度控制在萬孔篩余為0.2%～1.0%時效果較好。

3.3 粘結(jié)料配方選擇

為了利于多孔蓄熱體的擠出成形，減少燒成制品開裂，本研究采用以堇青石作為熟料，以可形成堇青石的生料作為粘結(jié)劑的配方體系。這樣的粘結(jié)劑首先可保證換熱蓄熱體具有較好的熱穩(wěn)定性；同時可避免堇青石熟料與粘結(jié)劑之間由于膨脹系數(shù)差別大而引起的燒成開裂。

結(jié)合堇青石理論組成、多孔蓄熱體塑性擠出成形所需的塑性要求以及原料性能特點，經(jīng)過多次試驗，確定粘結(jié)劑配方為JN-5。配方如表5所示。

表5JN-5粘結(jié)劑配方(質(zhì)量%)

4 多孔蓄熱塊材制備

塑性擠出多孔蓄熱體配方按結(jié)合劑45%～55%：堇青石熟料40%～45%：煅燒焦寶石10%～15%的比例配制。

3種料稱量配好后，加水混練。水分控制在14%～17%，混練好的泥條經(jīng)過24 h陳腐后進入真空練泥機練泥。練好的泥條送真空擠出成形機成形；切好的坯體在少空氣快速干燥器中進行干燥。本次實驗借用浙江某廠的催化劑載體擠出成形機進行中試。

坯體干燥至含水率小于1%后，裝入梭式窯進行燒成，燒成溫度為1 280 ℃，燒成周期為12 h，其中保溫時間為4 h。燒成窯使用我院研究所0.7 m3液化氣梭式窯進行燒成。

5 結(jié)果測試

5.1 堇青石蓄熱體材料化學成分分析(見表6)

由表6可見，本試驗所研制的蓄熱體材料化學成分與日本類似產(chǎn)品接近，達到預期目標。

表6 堇青石蓄熱體材料化學成分(質(zhì)量%)

5.2 堇青石蓄熱體工藝性能

產(chǎn)品的工藝性能見表7。

表7 產(chǎn)品工藝性能

5.3 堇青石蓄熱體熱性能

表8 蓄熱體材料性能指標

經(jīng)過測定，本研究制備的蓄熱體材料的耐火度、高溫荷重軟化溫度、線膨脹系數(shù)等熱性能基本接近日本類似材料。結(jié)果見表8。

6 結(jié)論

經(jīng)過對課題研究所需蓄熱體熱性能的要求分析，查找相應的國內(nèi)外先進產(chǎn)品技術資料，根據(jù)我國原料情況，制定出配方及工藝路線，經(jīng)過多次試驗及測試結(jié)果對比，最終制備出課題所需的多孔蓄熱體材料。為頻繁換向、冷熱交換、蓄熱節(jié)能試驗提供了材料支撐。