中國粉體網(wǎng)訊 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。按其材質(zhì)可分為金屬、陶瓷、塑料、石墨、玻璃換熱器等。石墨、玻璃、聚四氟乙烯等換熱器主要用在低溫、中溫的條件下。在高溫條件，目前國內(nèi)絕大多數(shù)還采用金屬換熱器。
然而，冶金、機(jī)械、化工等廠中的均熱爐、鍛造加熱爐、玻璃熔窯等，一般出爐煙溫度較高，若在煙道中直接安裝各種普碳鋼制的金屬換熱器，其使用壽命很短，如果采用耐熱合金鋼、稀有金屬、制成的換熱器則價格過于昂貴，投資巨大。另外，使用金屬換熱器時，不僅在高溫條件下存在耐用性問題，使用時受到酸性或堿性氣體腐蝕，且必須降低換熱器的出口溫度，這樣大大影響了節(jié)能效果。綜合比較，陶瓷換熱器以耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、抗熱震、低膨脹系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長的特性，可長期在濃硫酸、鹽酸和堿性氣、液體中使用，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。
陶瓷換熱器對材料的要求
一般而言，無機(jī)非金屬陶瓷換熱器對材料的要求可總結(jié)為六點(diǎn)，分別是：
（1）抗熱震性能要好；
（2）使用壽命要長，符合經(jīng)濟(jì)原則；
（3）耐高溫性能強(qiáng)，使用溫度必須要＞1280℃；
（4）蓄熱率以及導(dǎo)熱系數(shù)要高；
（5）機(jī)械強(qiáng)度理想，即便是在高溫環(huán)境之后，依舊能夠保持常態(tài)；
（6）耐化學(xué)腐蝕強(qiáng)，工業(yè)爐廢煙當(dāng)中含有大量的SO2、CO2等腐蝕性強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，用于制作陶瓷換熱器的無機(jī)非金屬材料要求不能與其發(fā)生粉塵固熔反應(yīng)。
陶瓷換熱器材料
碳化硅
碳化硅具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，同時其化學(xué)性能穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，并具有優(yōu)異的抗熱震性。所以，碳化硅質(zhì)材料是陶瓷換熱器的首選材料。碳化硅在水蒸氣、含氧氣氛中存在高溫氧化問題。含氧氣氛中，碳化硅在800℃以上開始被氧化，可形成一層SiO2保護(hù)膜，在溫度高于1200℃時該保護(hù)膜即軟化被沖蝕破壞，換熱元件壽命迅速縮短。這也是一般碳化硅換熱元件最高用到1200℃的原因。碳化硅與蒸汽自1000℃開始強(qiáng)烈反應(yīng)，腐蝕生成的SiO2與水蒸氣發(fā)生揮發(fā)反應(yīng)，生成氣態(tài)的Si(OH)4，不能形成保護(hù)膜。
因此在碳化硅換熱器設(shè)計時候要注意以下問題：
（1）煙氣含有較多的水蒸氣和少量氧氣，煙氣側(cè)溫度不宜超過1200℃。
（2）空氣中包含大量氧氣和少量水蒸氣，空氣側(cè)溫度不宜超過1000℃，極限為1200℃。
（3）蒸汽環(huán)境中，蒸汽與碳化硅在高溫下劇烈反應(yīng)，存在爆炸風(fēng)險，蒸汽溫度不宜超過1000℃。
（4）煤氣中含有H2、CO、H2O，煤氣溫度不宜超過1000℃。水蒸氣與碳化硅反應(yīng)形成SiO2，而H2具有還原性，在高溫下H2與SiO2快速發(fā)生反應(yīng)，使SiO2還原，造成換熱元件表面出現(xiàn)裂紋、松弛等。
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(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗熱震性優(yōu)、耐火度好等特點(diǎn)，在化學(xué)、國防、玻璃等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。而在陶瓷行業(yè)，莫來石則主要是用于制作窯爐頂柱或是墊板，這是因?yàn)槟獊硎哂泻芎玫哪突鸲扰c抗熱震性，在高溫之下其衰減度不明顯，即便經(jīng)歷劇烈的氧化，其化學(xué)性能依舊穩(wěn)定，因此莫來石是一種非常理想的應(yīng)用于制備無機(jī)非金屬陶瓷換熱器的重要無機(jī)材料。莫來石又分為純莫來石與雜莫來石兩種，前者性能優(yōu)于后者，膨脹系數(shù)更低，約為5.3-5.5×10-5/℃，發(fā)展前景良好。
堇青石
堇青石的耐火度較莫來石略差，化學(xué)穩(wěn)定性與抗熱震性則同樣優(yōu)異，同時堇青石更為經(jīng)濟(jì)實(shí)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(qiáng)的氣體，堇青石材料容易發(fā)生揮發(fā)或者是熔融的問題，導(dǎo)致氣流阻塞。常規(guī)狀態(tài)下的堇青石多呈無色透明狀，小部分為淺藍(lán)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(xué)性能穩(wěn)定性強(qiáng)。整體而言，堇青石無機(jī)材料的合成范圍有限，抗折性能不理想，且呈多孔結(jié)構(gòu)，不建議應(yīng)用在抗熱震性要求高的陶瓷換熱器產(chǎn)品當(dāng)中。
陶瓷換熱器的制備方法
以使用環(huán)境的溫度為標(biāo)準(zhǔn)，無機(jī)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(yīng)燒結(jié)法，而氧化物材料采用的則是常壓燒結(jié)法，兩種方法的具體分析如下：
（1）反應(yīng)燒結(jié)法。所謂的反應(yīng)燒結(jié)法主要是將兩種或是兩種以上的粉末以固定的比例調(diào)勻，塑造成型，繼而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在此過程當(dāng)中，其內(nèi)部至少有兩種成分相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要是應(yīng)用于碳化硅等非氧化物材料當(dāng)中。通過反應(yīng)燒結(jié)法而得出的制品，其燒結(jié)質(zhì)量非常好，外形與尺寸幾乎不發(fā)生任何的改變，在靜止冷卻的過程當(dāng)中也不會出現(xiàn)收縮的不良反應(yīng)，燒結(jié)所需的時間較短，并且燒結(jié)耗費(fèi)少，符合經(jīng)濟(jì)原則，對于形狀復(fù)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(yīng)的局限性，例如允許加入的添加劑劑量非常少，影響機(jī)械強(qiáng)度等問題。
（2）常壓燒結(jié)法。常壓燒結(jié)法是當(dāng)前我國最為常用的燒結(jié)方法，其主要的特點(diǎn)就是不對材料進(jìn)行加壓作用。令其于大氣壓力之下燒結(jié)，操作方法更為簡便易行。該方法的應(yīng)用對象主要是氧化物材料，如莫來石等，首先將材料進(jìn)行細(xì)磨調(diào)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爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)完畢之后將制品取出其自行冷卻。常壓燒結(jié)法與上述的反應(yīng)燒結(jié)法相比較，燒結(jié)時間較長，因此燒結(jié)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(jī)械強(qiáng)度更為理想。
參考來源：
[1]戴曉云等.淺析無機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的制備及應(yīng)用
[2]宋德升等.碳化硅高溫?fù)Q熱器的研制及應(yīng)用
[3]栗海峰.新型無機(jī)非金屬陶瓷換熱器材料的制備與應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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