耐高溫、高導(dǎo)熱、超長碳化硅陶瓷熱交換管技術(shù)

1、這是我們碳化硅課題組在碳化硅陶瓷熱交換方面的相關(guān)材料。課題組在碳化硅陶瓷換熱器方面的研究大致如下： 2006年：國家863支持下開始碳化硅陶瓷熱交換管研制 2008年：研制成功長度1500mm碳化硅陶瓷熱交換管，主要性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，外徑10-20mm，用于化工酸堿腐蝕領(lǐng)域換熱 2009年：研制成功直徑400mm碳化硅陶瓷熱交換板，用于板式高性能高溫反應(yīng)換熱 2010年：開始開發(fā)熱交換效率更高的塊孔式碳化硅陶瓷換熱器，用于鋼鐵行業(yè)不銹鋼酸洗換熱 2011年：研制成功長度1500mm碳化硅陶瓷熱交換管，外徑20-45mm用于新型焦?fàn)t用陶瓷換熱室 2012年：開展3000mm長碳化硅陶瓷熱

2、交換管的中試生產(chǎn)線建設(shè)。附件是我們的一些相關(guān)材料。請您審閱指導(dǎo)！也麻煩冉老師把項(xiàng)目大概的背景，應(yīng)用領(lǐng)域給我們指導(dǎo)，向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)！目前我們熱交換管的尺寸在10-35mm，長度可以做到1500mm，接下來會盡快開展小口徑10mm以下碳化硅陶瓷管材的研究，爭取能給你們配合好。耐高溫、高導(dǎo)熱、超長碳化硅陶瓷熱交換管中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所結(jié)構(gòu)陶瓷中心先進(jìn)碳化物材料研究課題組應(yīng)用背景隨著世界性能源危機(jī)的日益加劇，為有效回收利用高溫廢液廢氣的多余熱量，工業(yè)領(lǐng)域?qū)Q熱器的需求越來越大，對質(zhì)量要求也越來越高。為此，各國近年來相繼制訂了圍繞換熱器的發(fā)展計(jì)劃，如：美國2003年提出的HTHX高溫?fù)Q熱器研究計(jì)劃，歐

3、盟2005年實(shí)施的VHTR高溫反應(yīng)器研究計(jì)劃等。除節(jié)約能耗外，工業(yè)換熱器還能降低工業(yè)廢液廢氣排放溫度，降低環(huán)境危害，保護(hù)環(huán)境生態(tài)。我國長期以來對余熱回收不夠重視，導(dǎo)致產(chǎn)值能耗很高。2001年以來開始采用蜂窩陶瓷蓄熱燃燒技術(shù)回收冶金、建材窯爐排出的高溫?zé)煔獾挠酂?，達(dá)到節(jié)約燃料2040的效益，但遠(yuǎn)未普遍應(yīng)用。至于采用高導(dǎo)熱陶瓷換熱器來回收量大面廣的高溫及中低溫廢液廢氣的余熱，更是處于空白狀態(tài)。碳化硅陶瓷具有優(yōu)異的耐高溫和耐腐蝕性能，它即使在較高溫度下也能長時間工作于熱的氣體和液體環(huán)境、氧化和腐蝕性氣氛及強(qiáng)酸強(qiáng)堿中；熱導(dǎo)率高達(dá)120180 W/mK，約為金屬鉭的兩倍，不銹鋼的5倍，聚四氟乙烯的50倍

4、，具有優(yōu)異的傳熱效率；具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，即使壁厚僅1.52.0 mm也具有較高的強(qiáng)度，可以承受換熱器工作條件下的力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境條件，薄壁結(jié)構(gòu)還將進(jìn)一步提高其熱交換效率。這樣，碳化硅換熱器不僅可在高溫?zé)煔饣厥諢崃恐邪l(fā)揮作用，而且對中、低溫度的廢液廢氣也能有效回收余熱，使得余熱的回收利用可在更加廣闊的領(lǐng)域進(jìn)行。目前國際上普遍認(rèn)為碳化硅陶瓷熱交換管是未來換熱器發(fā)展和廣泛應(yīng)用的必然趨勢。國外研究表明：采用碳化硅換熱器通?？晒?jié)約燃料消耗40%以上，具有十分顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。因此，在國家“十一五“863項(xiàng)目的支持下，從節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，利用高性能碳化硅陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、高導(dǎo)熱等特點(diǎn)

5、，上海硅酸鹽研究所從2006年開始重點(diǎn)開展耐腐蝕、高導(dǎo)熱、長管、薄壁碳化硅高效節(jié)能熱交換管的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計(jì)、性能及其先進(jìn)制備技術(shù)的研究，目前關(guān)鍵的制備技術(shù)如高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高塑性碳化硅陶瓷練泥、擠出成型和無變形高溫?zé)Y(jié)技術(shù)已經(jīng)成熟，主要性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。關(guān)鍵技術(shù)與性能指標(biāo)目前國際上研究開發(fā)的碳化硅熱交換管主要包括兩種材料體系：即反應(yīng)燒結(jié)SiC和無壓燒結(jié)SiC。其中反應(yīng)燒結(jié)SiC材料主要有聚合物滲透裂解（Polymer Infiltration and Pyrolysis, PIP）和熔融硅滲透（Metal Infiltration, MI）兩種制備工藝，通過PIP或MI工

6、藝制備的碳化硅陶瓷材料往往含有10-30%的游離硅，因此其耐堿及強(qiáng)酸介質(zhì)的腐蝕性較差。相比之下，無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷材料是通過亞微米級SiC與非氧化物燒結(jié)助劑的高溫?zé)Y(jié)制備的，這種材料往往具有優(yōu)異的綜合性能。國際上最早獲得工業(yè)應(yīng)用的碳化硅熱交換器大都采用反應(yīng)燒結(jié)工藝生產(chǎn)，例如英國Refel公司和日本旭硝子公司等。近年來，為滿足越來越高的應(yīng)用要求，國外一些研究機(jī)構(gòu)成功研究開發(fā)了無壓燒結(jié)碳化硅熱交換器，例如美國Carborundum公司（后被法國Saint-Gobain公司收購）和瑞士Buchi公司。工業(yè)應(yīng)用表明：無壓燒結(jié)碳化硅熱交換器較反應(yīng)燒結(jié)碳化硅熱交換器在節(jié)能效率、使用壽命等方面具有更加明顯的

7、優(yōu)勢。目前，在長管、薄壁碳化硅陶瓷熱交換管的制備技術(shù)方面，主要包括注漿和擠出成型兩種。但受注漿成型工藝特點(diǎn)的限制，產(chǎn)品的壁厚均勻性和圓整度較差，而且對與長度超過2m以上的熱交換管，該工藝不能很好滿足。擠出成型是制備等截面積、超長陶瓷制品的最有效的方法之一，通過混煉、擠出的連續(xù)生產(chǎn)工藝，除受燒結(jié)設(shè)備的限制外，理論長度可達(dá)10m左右。目前，高性能碳化硅陶瓷管材的生產(chǎn)基本被法國Saint-Gobain公司壟斷，幾大生產(chǎn)換熱器的公司如美國Heat Transfer International公司，德國SGL Group公司，意大利ItalProtec公司所需熱交換管都來自法國Saint-Gobain公

8、司。國內(nèi)在碳化硅陶瓷管材制備方面僅有山東部分公司生產(chǎn)注漿成型反應(yīng)燒結(jié)的管材，在擠出成型方面遲遲沒有研究進(jìn)展。上海硅酸鹽研究所在2006年項(xiàng)目開始就針對高性能碳化硅陶瓷管材的擠出成型制備工藝，重點(diǎn)開展以B4C-C燒結(jié)助劑體系的常壓燒結(jié)工藝，水基高塑性配方設(shè)計(jì)和練泥技術(shù)，連續(xù)單螺桿擠出成型技術(shù)和低應(yīng)力、無變形干燥、脫脂和高溫?zé)Y(jié)技術(shù)等，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了長管、薄壁高性能碳化硅陶瓷熱交換管的制備。但受高溫?zé)Y(jié)設(shè)備的限制以及前期研發(fā)工作的重點(diǎn)，目前生產(chǎn)的碳化硅陶瓷換熱管外徑在10-25mm之間，壁厚在之間。同時，該技術(shù)具有很強(qiáng)的工藝擴(kuò)展性，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷熱交換管和SiC-Si3N4管的生產(chǎn)。下圖是制備的碳化硅陶瓷熱交換管的相關(guān)圖片：碳化硅熱交換管：長度 1500mm，壁厚1.5mm，外徑14mm下表為制備的碳化硅陶瓷熱交換管的相關(guān)性能指標(biāo)：物理性能體積密度 （g.cm-3）抗彎強(qiáng)度 （Mpa）維氏硬度 （GPa）壓痕韌性 （MPam1/2）徑向抗壓強(qiáng)度（Mpa）導(dǎo)熱系數(shù)（W/mK) 室溫?zé)崤蛎浵禂?shù) （RT-1000oC） （10-6/K）SICCAS