编号：FTJS107382
篇名： 钢渣基储热陶瓷材料的制备及性能研究
作者： 张靖岑
关键词： 储热陶瓷材料; 钢渣; 复合储热材料; Al-12Si; 热力学分析;
机构：北京科技大学
摘要： 储热技术在提高能源利用效率、促进可再生能源应用及降低能耗等方面发挥着重要作用。其中,储热材料是储热技术的核心,当前研究的重点是开发低成本、高储热密度、宽使用温度及优良循环稳定性的储热材料。本文以钢铁副产物-钢渣为主要原料,旨在开发一种低成本、高使用温度、高储热密度、高导热系数且成形稳定、热循环性能良好的钢渣基储热陶瓷材料。首先,通过高温重构预处理的方式获得成形稳定性良好的钢渣原料,解决钢渣在陶瓷制备中含量较少、材料尺寸形变过大的问题;随后,基于CaO-MgO-SiO2相图,利用钢渣原料为主要组分,研发制备了储热陶瓷材料,建立了新型CaO-MgO-SiO2-Al2O3-Fe2O3钢渣储热陶瓷体系,并明确了钢渣储热陶瓷放大模块的制备工艺;进一步的,阐明了新型钢渣储热陶瓷体系的烧结过程及各元素对烧结过程的控制机理;最后,在钢渣储热陶瓷中引入高导热金属材料以提升其导热性能,制备出具有高导热系数、高储热密度、优良力学性能的钢渣/Al-12Si复合储热陶瓷材料,以期对扩展钢渣资源化应用、研发制备高性能储热陶瓷材料提供理论指导和应用支持。 针对钢渣成形不稳定问题,首先明确了钢渣的化学成分、矿物组成及主要不安定因素,之后利用热力学计算与实验分析相结合的研究方法,设计出钢渣高温重构预处理工艺。结果表明,最低预处理温度为850℃,此时获得的钢渣原料在室温至1300℃温度范围内拥有良好的热稳定性。同时,与常用氧化镁储热材料相比,预处理后的钢渣原料拥有更高储热密度,是极具潜力的储热材料,为钢渣高效利用和储热材料的开发奠定了基础。 基于CaO-MgO-SiO2相图,建立了以钢渣、黏土、氧化镁为原料的CaO-MgO-SiO2-Al2O3-Fe2O3新型钢渣储热陶瓷体系。通过分析不同预处理钢渣含量和不同烧结温度对储热材料组织和性能的影响,发现当钢渣原料含量为60 wt.%、烧结温度为1200℃时,钢渣储热陶瓷材料性能最佳。其抗压强度为81.72MPa,导热系数为1.13 W/（m·K）,在50-1000℃范围内的储热密度为1222.2J/g。此外,制备的钢渣储热陶瓷材料拥有良好的热循环性能,经300次热循环测试后,样品抗压强度和导热系数是热循环前的94.4%和98.8%,样品在50-1000℃区间的储热密度为1223.8 J/g,几乎无变化。对样品进行工业化生产工艺探索,并成功制备了储热性能优良的工业级钢渣储热陶瓷材料,其制备成本仅为4.2元/kWh,在储存相同热能情况下,是常用氧化镁显热储热材料的十分之一,为钢渣储热陶瓷材料实际生产应用提供了理论依据。 由于钢渣储热陶瓷材料的组成、晶相结构和形成机制与传统陶瓷存在较大差异,研究分析其烧结机理及各元素对烧结过程的影响和控制规律,对钢渣储热陶瓷材料的制备和应用至关重要。研究表明,钢渣储热陶瓷体系在烧结过程中会发生大量元素迁移和氧化物固溶现象,主要通过在低共熔点形成液相来促进样品烧结,其烧结过程主要分为三个阶段:第Ⅰ阶段为水分及黏土原料中结晶水及羟基的消失阶段,样品出现轻微收缩现象;第Ⅱ阶段为晶相转变阶段,样品尺寸逐渐变大;第Ⅲ阶段为烧结致密化阶段,样品尺寸又开始逐渐减小。此外,在这种新型钢渣储热陶瓷体系中铁元素组分在钢渣储热陶瓷烧结过程中主要起到助熔作用,含量不宜超过20wt.%;Al2O3组分在钢渣储热材料烧结过程中主要表现为与Ca、Si元素结合生成钙铝黄长石相,进而作为低共熔物促进储热陶瓷材料的液相烧结,含量不宜超过15 wt.%。 基于钢渣储热陶瓷材料体系,针对其用于储热领域时导热系数较低的问题,提出引入高导热金属材料的解决方法。通过添加Al-12Si合金粉末的方式可有效提高钢渣储热陶瓷材料的导热性能,同时有利于提升储热陶瓷材料力学性能和储热性能。经溶胶-凝胶包覆及热处理获得的Al-12Si合金原料与钢渣储热陶瓷材料拥有良好相容性。当Al-12Si含量为15 wt.%,烧结温度为1200℃时,钢渣/Al-12Si复合储热陶瓷材料导热系数为3.297W/（m·K）,抗压强度为95.8 MPa,相变潜热储热密度为41.8 J/g,在50-550℃范围内的显热储热密度为572.4 J/g,制备成本为13.0元/kWh,低于目前常用氧化镁储热材料。更重要的是,该材料展现出优异的热循环稳定性,在经过300次热循环后,外观几乎没有变化,无金属泄漏现象。样品的储热密度（50-550℃区间的显热储热密度与相变潜热储热密度之和）、抗压强度及导热系数分别为热循环前的99.7%、93.3%、99.7%。结果表明,本研究为制备钢渣基储热陶瓷材料提供了一种新的方法,在储热系统中具有很高的应用潜力。