陶瓷蓄热材料
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参考文献
* 李广平等3相图基础与耐火材料相平衡3北京：冶金工业 出版社，*44!
张长保 编辑
陶瓷蓄热材料的损坏机理
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
李朝祥， 王雪松， 王志贵 李朝祥,王雪松(安徽工业大学)， 王志贵(承德钢铁集团公司)
冶金能源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 2003，22(4) 11次
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根据铝’硅系陶瓷蓄热体的破坏现状及破 坏材料的镜下分析，结合铝’硅’氧化铁三元 相图，揭示了铝’硅系陶瓷蓄热材料在加热炉 温度条件的损坏条件和破坏机理，认为铝’硅 系蓄热材料在化学及矿物组成不当时，蓄热体 材料使用寿命必然很短。要解决这一问题，在 选取原料配方时，在保证材料抗热震稳定性的 同时，必须充分考虑材料抗氧化铁侵蚀的能力， 才能保证蓄热材料的使用寿命，充分发挥蓄热 式热交换技术的优越性。
根据资料〔*〕表 明，铝 ’ 硅 系 陶 瓷 材 料 受 氧 化铁的影响不仅与氧化铁的浓度有关，而且与 铝、硅质材料的矿物组成及气氛有关。
根据 "#$%&’()%$’氧化铁系统固面投影 图，由图!中/图可见，在还原性气氛中，含莫 来石和方石英的硅酸铝材料，只要吸收少量的 氧化亚铁（+,%），就 会 在 低 于 *$*-. 的 温 度 下 形成液相；而含莫来石和刚玉的高铝材料，却要 到*&0-.并吸收大量的 +,% 之后，才会形成液
2.学位论文 符卫东 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用 2006
高温蓄热式燃烧技术是上世纪80年代末提出的一种全新概念的燃烧技术，与传统工业加热炉相比具有生产效率高，燃料消耗低，安全环 保效应好等特点。
由于蓄热式加热炉应用例子少，在实际设计上还存在许多值得探讨的问题，首先是蓄热室烧咀形式的选择，虽然燃烧原理是一致的，但 烧咀的配置方案不一样，其燃烧效果也不同。其次是蓄热材料的选用，采用不同形式和不同材料的蓄热体其蓄热效果与使用年限也有不同。 所以本文提出采用陶瓷蓄热球作为加热炉的蓄热材料，以及分散换向式燃烧方式，对蓄热式加热炉的选型及改造具有较强的指导意义。
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要求。 （!）高热震稳定性 由于长期处于急冷急热这样恶劣的工作环
境，经常地承受着因内外温差变化而引起的应 力的作用，因此对材料的抗热震稳定性提出了 较高的要求。如果达不到相应的要求，蓄热材 料在频繁的温度变化过程中，会因为温度应力 的影响而破裂甚至粉碎，造成热交换器气流通 道的阻塞，从而造成热交换器不能正常工作。
高的致密度。 （$）抗渣性要求 蓄热材料在使用过程中，由于不可能与熔
融金属液接触，因此抗渣性往往容易被人们忽 略。但是从目前的损害情况和机理分析看，恰 恰是蓄热材料的抗渣性弱，而招致损坏。因为 在加热 炉 的 炉 气 烟 尘 中，含 有 大 量 的 氧 化 铁。 不管是氧化铁还是氧化亚铁，一旦与耐火材料 接触，在加热炉的温度条件下，形成低共熔物， 降低材料的软熔温度。因此，在正常使用过程 中，并非因为蓄热材料的软熔温度低，而造成材 料的软化或熔化，而是由于氧化铁的存在，降低 了材料的软化或熔化温度。最终造成软熔的材 料堵死了材料的气流通道，造成蓄热器内气流 不畅，严 重 时 气 流 不 通，热 交 换 器 无 法 正 常 工 作，不得不停炉检修，更换材料。因此，蓄热材 料同样必须具有良好抗氧化铁侵蚀的能力。 " 蓄热材料损坏的成因和机理
为进一步证实蓄热陶瓷材料损坏的原因与 烟气中的氧化铁有关，分别将损坏的陶瓷球和
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冶金能源
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图! "#$%&’()%$’氧化铁系统固面投影图
蜂窝陶瓷切割开来，经磨光抛光后，在电子显微 镜下观察，并获取照片图*、图$和图&（略）。
陶瓷球切片取样部位为陶瓷球的圆心部位 和蜂窝陶瓷的软熔部分。从陶瓷球切片的偏光 照片中可清晰看出，发白部分在电镜下呈反光 状态，为铁的氧化物，暗淡处为非金属矿物。金 属铁的氧化物不仅侵蚀了陶瓷球的边缘部分， 而且侵蚀到陶瓷球的中心部位。并且有大量的 氧化铁弥散分布在陶瓷球的内部，可见在陶瓷 球边缘部位有足够浓度的氧化铁与陶瓷材料反 应，从而形成低熔点物质，造成陶瓷球的软熔和 粘结。从 蜂 窝 陶 瓷 切 片 的 偏 光 照 片 中 可 以 看 出，不仅 有 大 量 的 氧 化 铁，而 且 有 少 量 白 色 亮 点，为金属铁。在大量的氧化铁中至少含有一 定量的氧化亚铁（+,%）。而氧化亚铁在*$*-. 的温度下就会形成液相，可见造成蜂窝陶瓷软 熔堵塞的现象将是不可避免的。
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相。而从1图看，在氧化性气氛中，在有氧化铁 （+,$%&）存在时，"#$%&／()%$ 的比值小于莫来石
组成 时，在 *&0-. 或 较 高 温 度 下 形 成 液 相，而 "#$%&／()%$ 比值大于莫来石组成的材料至少要 到*!2-.的温度才形成液相，*$*-. 的温度， 是加热炉排 气 十 分 容 易 达 到 的 温 度，*&0-. 温 度是高产加热炉容易接近和达到的温度，因此 在上述条件下陶瓷材料十分容易达到低温熔化 或软化的温度，造成材料软化粘结的现象将难 以避免。 ! 结论
根据蓄热体材料的使用性能要求和所经受 的急剧变化的温度环境，材料的抗热震稳定性 成为大多数用户所关心的主要问题。为了增加 蓄热材料的蓄热量，体积密度（或比重）同时成 为选材时的另一项指标。抗热震稳定性与密度 在一定程度上具有互斥性，密度越高，抗热震稳 定性一般来说都比较差。相反，抗热震稳定性 较好的材料，其密度就不会太致密。粘土质、高 铝质材料具有较好的抗热震稳定性，因此成为 首选蓄热材料。在加热炉条件下，炉气中多多 少少含有一定量的氧化铁粉尘，而且粉尘的颗 粒都比较细小。在使用过程中，蓄热器最上层 表面，在与气流热交换的同时，也充当着过滤器 的作用，长期以往，大量的氧化铁聚集在蓄热器 的最上层。在加热炉温度条件下，或是氧化亚 铁熔化或是铝硅质材料与氧化铁反应降低了材 料的软熔温度，致使球形蓄热体材料相互粘结 成块，蜂窝状陶瓷的气孔全部被软熔物质堵死。
本课题以蓄热式加热炉的设计计算为研究对象，对加热炉蓄热材料的选型及加热燃烧系统的确定进行了详细的论证和计算，确定了在步 进式加热炉上采用高温蓄热式燃烧技术，使该加热炉的装备技术达到了世界先进水平，实现了节能、降耗、环保及使用寿命长、生产率高的 目的。
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冶金能源
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陶瓷蓄热材料的损坏机理!
李朝祥 王雪松
王志贵
（安徽工业大学） （承德钢铁集团公司）
摘 要 从蓄热式热交换器的使用性能要求出发，对现场使用过的蓄热体材料的损坏状况和应用 条件进行分析，找出破坏的机理和原因，为今后的合理选材，提供必要的参考。 关键词 加热炉 蓄热材料 抗渣性
L 前言 自蓄热式热交换技术在国外发达国家广泛
应用以后，从LMNO年起这一技术受到了国内学 者的广泛关注。一些工业炉公司为抢占市场， 竞相开发应用，收到了一些效果。但缺乏大量 的基础性开发研究工作，例如，对于陶瓷蓄热材 料的选择，因急于上马，有些公司没有对陶瓷蓄 热材料作任何研究，只简单的选择已有相近性 能材料作替代品。所选蓄热材料寿命极短，在 使用过程中或破裂或熔化软化，严重影响蓄热 式换交换 器 的 使 用 效 果。 据 $!!$ 年 LL 月 LO !$!日，成 都“全 国 热 工、冶 金 节 能 技 术 研 讨 会”与会厂家的反映，大部分厂子蓄热材料的使
（"）良好的导热性 蓄热材料作为热的载体，工作中要求具有
把热量及时吸收和放出的能力，才能在与流动 介质的热交换过程中，把流动介质的热量传递 到蓄热介质的内部并及时地释放给被预热介 质，这种及时吸热放热的特性，要求蓄热载体材 料必须具有良好的导热性能。导热性能越好， 其体积利用率越高，蓄热设备的体积及用材可 以减少。有利于设备的微型化，对设备的布置 安装有利。
（#）密度和比热要求 作为蓄热载体，最主要的是要具有尽可能
高的贮热能力，而衡量物体贮热能力大小的参 数为（在无相变时）物体的密度与比热的乘积， 这个量 越 大，表 明 单 位 物 体 的 贮 热 能 力 越 大。 贮热能力大的物体，在额定贮热量的条件下，需 要的体积小，便于设备在整体上缩小体积。因 此，无论是提高密度还是提高比热都可以达到 增加蓄热能力的目的。由于单一物质的密度和 比热与物质的物性密切相关，一般难以人为改 变。但蓄热材料为多种单一物质复合而成的耐 火陶瓷材料，根据耐火材料的有关性能，其致密 度越高，材料的密度越大，其组成物质中密度大 的含量越高，材料的密度越大。但是材料的致 密度对材料的抗热震稳定性有很大影响，致密 度越高，其热震稳定性越差。而且有些密度大 的物质又会对组成材料的耐火性能有着直接地 负面影响。因此在选择蓄热材料的配方时，应 在保证材万料方抗数热据震稳定性的前提下，有尽可能
根据蓄热式热交换器的工作原理及工作特 点，对蓄热材料提出了以下要求：
（L）高温要求 蓄热式热交换器的优点之一，在于能够克
服常规金属换热器不能在高温下长期工作的弱 点。无论是高温余热回收，还是实现高温预热， 蓄热介质必须首先满足长期在高温下工作的要 求，因此，其耐火度必须达到耐火材料的耐火度
##
冶金能源
参考文献(1条) 1.李广平 相图基础与耐火材料相平衡 1994
相似文献(2条)
1.期刊论文 王雪松.李朝祥.樊远.黄若诚.WANG Xue-song.LI Chao-xiang.FAN Yuan.HUANG Ru-cheng 红
柱石矽线石矿物陶瓷蓄热材料的性能 -矿产综合利用2006(2)
根据蓄热式加热炉的生产实际,通过比较蓄热材料中各种矿物组成的性质差异,选择了红柱石、矽线石为骨料,配加α-Al2O3、镁砂,经过 合适的成型和烧结工艺,制作成蓄热陶瓷球.用水骤冷实验法测试不同配方制作的陶瓷球在高温下的抗热震性能和用坩埚法测试陶瓷球抗 Fe2O3、FeO渣侵蚀性能.结果表明:以红柱石为骨料,适当添加α-Al2O3的蓄热球抗热震性能较好,急冷急热次数平均达到20次;以矽线石为骨 料,适当添加镁砂粉的蓄热球抗渣性能较好.
! 安徽省自然科学基金资助项目，项目编号：!"!##$!$
收李稿朝日 祥期，副：$教!万!授"方%；$!#数""!%!据!"" 安徽省马鞍山市。
用寿命极短，一般在三个月，严重时仅二个月。 从而导致设备不能正常连续生产，作业率降低、 原材料等方面的浪费巨大。目前大部分使用厂 家，在选材上仍然存在着盲目性，造成这种不必 要的浪费现象仍在继续进行着。为此，本文根 据从现场提取的损坏的蓄热材料进行分析，以 便为蓄热材料的选取提供有益的指导。 $ 蓄热材料的性能要求
* 李广平等3相图基础与耐火材料相平衡3北京：冶金工业 出版社，*44!
张长保 编辑
陶瓷蓄热材料的损坏机理
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
李朝祥， 王雪松， 王志贵 李朝祥,王雪松(安徽工业大学)， 王志贵(承德钢铁集团公司)
冶金能源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 2003，22(4) 11次
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根据铝’硅系陶瓷蓄热体的破坏现状及破 坏材料的镜下分析，结合铝’硅’氧化铁三元 相图，揭示了铝’硅系陶瓷蓄热材料在加热炉 温度条件的损坏条件和破坏机理，认为铝’硅 系蓄热材料在化学及矿物组成不当时，蓄热体 材料使用寿命必然很短。要解决这一问题，在 选取原料配方时，在保证材料抗热震稳定性的 同时，必须充分考虑材料抗氧化铁侵蚀的能力， 才能保证蓄热材料的使用寿命，充分发挥蓄热 式热交换技术的优越性。
根据资料〔*〕表 明，铝 ’ 硅 系 陶 瓷 材 料 受 氧 化铁的影响不仅与氧化铁的浓度有关，而且与 铝、硅质材料的矿物组成及气氛有关。
根据 "#$%&’()%$’氧化铁系统固面投影 图，由图!中/图可见，在还原性气氛中，含莫 来石和方石英的硅酸铝材料，只要吸收少量的 氧化亚铁（+,%），就 会 在 低 于 *$*-. 的 温 度 下 形成液相；而含莫来石和刚玉的高铝材料，却要 到*&0-.并吸收大量的 +,% 之后，才会形成液
2.学位论文 符卫东 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用 2006
高温蓄热式燃烧技术是上世纪80年代末提出的一种全新概念的燃烧技术，与传统工业加热炉相比具有生产效率高，燃料消耗低，安全环 保效应好等特点。
由于蓄热式加热炉应用例子少，在实际设计上还存在许多值得探讨的问题，首先是蓄热室烧咀形式的选择，虽然燃烧原理是一致的，但 烧咀的配置方案不一样，其燃烧效果也不同。其次是蓄热材料的选用，采用不同形式和不同材料的蓄热体其蓄热效果与使用年限也有不同。 所以本文提出采用陶瓷蓄热球作为加热炉的蓄热材料，以及分散换向式燃烧方式，对蓄热式加热炉的选型及改造具有较强的指导意义。
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要求。 （!）高热震稳定性 由于长期处于急冷急热这样恶劣的工作环
境，经常地承受着因内外温差变化而引起的应 力的作用，因此对材料的抗热震稳定性提出了 较高的要求。如果达不到相应的要求，蓄热材 料在频繁的温度变化过程中，会因为温度应力 的影响而破裂甚至粉碎，造成热交换器气流通 道的阻塞，从而造成热交换器不能正常工作。
高的致密度。 （$）抗渣性要求 蓄热材料在使用过程中，由于不可能与熔
融金属液接触，因此抗渣性往往容易被人们忽 略。但是从目前的损害情况和机理分析看，恰 恰是蓄热材料的抗渣性弱，而招致损坏。因为 在加热 炉 的 炉 气 烟 尘 中，含 有 大 量 的 氧 化 铁。 不管是氧化铁还是氧化亚铁，一旦与耐火材料 接触，在加热炉的温度条件下，形成低共熔物， 降低材料的软熔温度。因此，在正常使用过程 中，并非因为蓄热材料的软熔温度低，而造成材 料的软化或熔化，而是由于氧化铁的存在，降低 了材料的软化或熔化温度。最终造成软熔的材 料堵死了材料的气流通道，造成蓄热器内气流 不畅，严 重 时 气 流 不 通，热 交 换 器 无 法 正 常 工 作，不得不停炉检修，更换材料。因此，蓄热材 料同样必须具有良好抗氧化铁侵蚀的能力。 " 蓄热材料损坏的成因和机理
为进一步证实蓄热陶瓷材料损坏的原因与 烟气中的氧化铁有关，分别将损坏的陶瓷球和
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图! "#$%&’()%$’氧化铁系统固面投影图
蜂窝陶瓷切割开来，经磨光抛光后，在电子显微 镜下观察，并获取照片图*、图$和图&（略）。
陶瓷球切片取样部位为陶瓷球的圆心部位 和蜂窝陶瓷的软熔部分。从陶瓷球切片的偏光 照片中可清晰看出，发白部分在电镜下呈反光 状态，为铁的氧化物，暗淡处为非金属矿物。金 属铁的氧化物不仅侵蚀了陶瓷球的边缘部分， 而且侵蚀到陶瓷球的中心部位。并且有大量的 氧化铁弥散分布在陶瓷球的内部，可见在陶瓷 球边缘部位有足够浓度的氧化铁与陶瓷材料反 应，从而形成低熔点物质，造成陶瓷球的软熔和 粘结。从 蜂 窝 陶 瓷 切 片 的 偏 光 照 片 中 可 以 看 出，不仅 有 大 量 的 氧 化 铁，而 且 有 少 量 白 色 亮 点，为金属铁。在大量的氧化铁中至少含有一 定量的氧化亚铁（+,%）。而氧化亚铁在*$*-. 的温度下就会形成液相，可见造成蜂窝陶瓷软 熔堵塞的现象将是不可避免的。
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相。而从1图看，在氧化性气氛中，在有氧化铁 （+,$%&）存在时，"#$%&／()%$ 的比值小于莫来石
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根据蓄热体材料的使用性能要求和所经受 的急剧变化的温度环境，材料的抗热震稳定性 成为大多数用户所关心的主要问题。为了增加 蓄热材料的蓄热量，体积密度（或比重）同时成 为选材时的另一项指标。抗热震稳定性与密度 在一定程度上具有互斥性，密度越高，抗热震稳 定性一般来说都比较差。相反，抗热震稳定性 较好的材料，其密度就不会太致密。粘土质、高 铝质材料具有较好的抗热震稳定性，因此成为 首选蓄热材料。在加热炉条件下，炉气中多多 少少含有一定量的氧化铁粉尘，而且粉尘的颗 粒都比较细小。在使用过程中，蓄热器最上层 表面，在与气流热交换的同时，也充当着过滤器 的作用，长期以往，大量的氧化铁聚集在蓄热器 的最上层。在加热炉温度条件下，或是氧化亚 铁熔化或是铝硅质材料与氧化铁反应降低了材 料的软熔温度，致使球形蓄热体材料相互粘结 成块，蜂窝状陶瓷的气孔全部被软熔物质堵死。
本课题以蓄热式加热炉的设计计算为研究对象，对加热炉蓄热材料的选型及加热燃烧系统的确定进行了详细的论证和计算，确定了在步 进式加热炉上采用高温蓄热式燃烧技术，使该加热炉的装备技术达到了世界先进水平，实现了节能、降耗、环保及使用寿命长、生产率高的 目的。
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陶瓷蓄热材料的损坏机理!
李朝祥 王雪松
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（安徽工业大学） （承德钢铁集团公司）
摘 要 从蓄热式热交换器的使用性能要求出发，对现场使用过的蓄热体材料的损坏状况和应用 条件进行分析，找出破坏的机理和原因，为今后的合理选材，提供必要的参考。 关键词 加热炉 蓄热材料 抗渣性
L 前言 自蓄热式热交换技术在国外发达国家广泛
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（"）良好的导热性 蓄热材料作为热的载体，工作中要求具有
把热量及时吸收和放出的能力，才能在与流动 介质的热交换过程中，把流动介质的热量传递 到蓄热介质的内部并及时地释放给被预热介 质，这种及时吸热放热的特性，要求蓄热载体材 料必须具有良好的导热性能。导热性能越好， 其体积利用率越高，蓄热设备的体积及用材可 以减少。有利于设备的微型化，对设备的布置 安装有利。
（#）密度和比热要求 作为蓄热载体，最主要的是要具有尽可能
高的贮热能力，而衡量物体贮热能力大小的参 数为（在无相变时）物体的密度与比热的乘积， 这个量 越 大，表 明 单 位 物 体 的 贮 热 能 力 越 大。 贮热能力大的物体，在额定贮热量的条件下，需 要的体积小，便于设备在整体上缩小体积。因 此，无论是提高密度还是提高比热都可以达到 增加蓄热能力的目的。由于单一物质的密度和 比热与物质的物性密切相关，一般难以人为改 变。但蓄热材料为多种单一物质复合而成的耐 火陶瓷材料，根据耐火材料的有关性能，其致密 度越高，材料的密度越大，其组成物质中密度大 的含量越高，材料的密度越大。但是材料的致 密度对材料的抗热震稳定性有很大影响，致密 度越高，其热震稳定性越差。而且有些密度大 的物质又会对组成材料的耐火性能有着直接地 负面影响。因此在选择蓄热材料的配方时，应 在保证材万料方抗数热据震稳定性的前提下，有尽可能
根据蓄热式热交换器的工作原理及工作特 点，对蓄热材料提出了以下要求：
（L）高温要求 蓄热式热交换器的优点之一，在于能够克
服常规金属换热器不能在高温下长期工作的弱 点。无论是高温余热回收，还是实现高温预热， 蓄热介质必须首先满足长期在高温下工作的要 求，因此，其耐火度必须达到耐火材料的耐火度
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冶金能源
参考文献(1条) 1.李广平 相图基础与耐火材料相平衡 1994
相似文献(2条)
1.期刊论文 王雪松.李朝祥.樊远.黄若诚.WANG Xue-song.LI Chao-xiang.FAN Yuan.HUANG Ru-cheng 红
柱石矽线石矿物陶瓷蓄热材料的性能 -矿产综合利用2006(2)
根据蓄热式加热炉的生产实际,通过比较蓄热材料中各种矿物组成的性质差异,选择了红柱石、矽线石为骨料,配加α-Al2O3、镁砂,经过 合适的成型和烧结工艺,制作成蓄热陶瓷球.用水骤冷实验法测试不同配方制作的陶瓷球在高温下的抗热震性能和用坩埚法测试陶瓷球抗 Fe2O3、FeO渣侵蚀性能.结果表明:以红柱石为骨料,适当添加α-Al2O3的蓄热球抗热震性能较好,急冷急热次数平均达到20次;以矽线石为骨 料,适当添加镁砂粉的蓄热球抗渣性能较好.
! 安徽省自然科学基金资助项目，项目编号：!"!##$!$
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用寿命极短，一般在三个月，严重时仅二个月。 从而导致设备不能正常连续生产，作业率降低、 原材料等方面的浪费巨大。目前大部分使用厂 家，在选材上仍然存在着盲目性，造成这种不必 要的浪费现象仍在继续进行着。为此，本文根 据从现场提取的损坏的蓄热材料进行分析，以 便为蓄热材料的选取提供有益的指导。 $ 蓄热材料的性能要求