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太阳能光热蓄热材料——钢渣的研究进展

  太阳能光热电站配备大容量储热装置,实现发电功率平稳、可控输出,具有电网友好性,应用广泛。光热发电站配备储热系统后,可以实现连续发电,提高太阳能光热发电站效率。目前在用的储热材料有熔盐、合金等,熔盐使用成本较高且凝固温度很高;合金使用成本较高。发展储热材料的关键是提高储能材料的热容、工作温度和工质的化学及物理稳定性,增强工质容器及输运管路的防腐能力。钢渣是炼钢过程中产生的固体废物,由冶炼反应物、侵蚀脱落的炉体和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料组成。

  钢铁冶炼过程中会产生大量钢渣。占产钢量的10%~15%,2015年我国粗钢产量是8.04亿t,其钢渣产量为0.80亿~1.2亿t。我国对钢渣的利用主要集中在冶炼溶剂、建筑材料等,利用率只有38. 7% ,与发达国家存在较大差距。积极开拓钢渣综合利用新途径,提高钢渣利用率,可以提高经济和环境效益。

  开发钢渣作为太阳能光热发电蓄热材料,可以节约成本,实现钢渣资源化利用。吴建锋等(论文:《利用石墨尾矿研制太阳能中温储热陶瓷及抗热震性》)利用石墨尾矿制备太阳能中温储热陶瓷材料,测量了储热材料的抗折强度、抗热震性能。吴建锋等(论文:《用铁尾矿制备太阳能陶瓷蓄热材料的研究》)利用铁尾矿和山东页岩为主要原料设计了蓄热陶瓷,研究了配方组成和烧结温度对材料性能的影响。GUTIERREZ 等(论文:《Advances in the valorization of waste and by-product materials as thermal energy storage ( TES) materials》)研究了不同工业废渣,如飞灰、钢渣、铜渣的热物理性能,证明了工业废渣作为蓄热材料的可能性。ORTEGA-FERN NDEZ等(论文:《Thermophysical characterization of a by-product from the steel industry to be used as a sustainable and low-cost thermal energy storage material》)研究了两种工业钢渣的表观特征、导热率和热稳定性,提出钢渣可以作为太阳能光热发电蓄热材料。但钢渣作为固体蓄热材料,由于工作环境温度较高,可能造成钢渣膨胀、钢渣颗粒间磨损。目前国内外还没有钢渣磨损性能方面的研究的报道。本文中主要研究了样品钢渣的微观结构、热物理性能和磨损性能,以探索钢渣作为太阳能光热发电蓄热材料的适应性。

  实验使用两种钢渣,钢渣来自中国某钢铁企业,S钢渣来自西班牙 CIC energiGUNE 研究中心。C钢渣和S钢渣均在空气中冷却。如图1所示,C钢渣颜色为暗沉灰色,表面多孔;S钢渣颜色为光泽灰褐色,表面较平整。

  将原材料钢渣切割加工,用于高温摩擦实验。高温摩擦实验的摩擦副如图 2 所示。销子为接触面,盘为目标面。

  使用 HT-1000高温摩擦仪器对样品钢渣在干燥空气环境中进行摩擦实验。实验温度为800℃,试验载荷为1500g,实验时间为120min,旋转速度为588r/min,旋转半径为4mm。测量800℃ 时样品钢渣的摩擦系数,探究样品钢渣的摩擦性能。

  选择销子的下表面为研究面,在摩擦实验前后,使用 SEM S3700 进行电镜扫描,观察销子下表面的微观结构的变化。使用 EDX 对销子下表面的化学组成进行测量,对比摩擦实验前后化学组成的变化。探究高温摩擦实验对样品钢渣表面和化学组成的影响。

  氮气气氛下,C钢渣和S钢渣的TG-DSC曲线。由TG 曲线 ℃ 温度范围内,C钢渣和S钢渣没有明显的重量变化,C钢渣最大增重为0.27%,S钢渣最大增重为 1.14% 。C钢渣和S钢渣的DSC曲线平滑,没有明显的放热峰和吸热倒峰,可以判断在加热过程中,没有发生吸热和放热反应。综合TG-DSC曲线分析,C钢渣和S钢渣在100~1000℃ 温度范围内具有很好的热稳定性。CALVET等也得到了相似的结论。

  图4是 800℃下,C钢渣和S钢渣摩擦系数随时间变化的曲线。从曲线可以看出,C、钢渣的摩擦系数为0.26~0.43,平均摩擦系数为0.343,具有较低的摩擦系数;S钢渣的摩擦系数为0.22~0.47,平均摩擦系数为0. 312。从曲线来看,C钢渣的摩擦系数较为稳定,在0. 35附近浮动,S钢渣的摩擦系数波动较大。C钢渣和S钢渣均呈现出良好的抗磨损性能,是因为钢渣硬度高、含铁量多。

  摩擦实验前后C钢渣和S钢渣SEM和EDS 图像见图5和图6。从图5看出,在进行高温摩擦实验前,C钢渣表面较为平坦致密,有少许孔隙,呈颗粒分布。放大后可以发现孔隙为10~40μm,表面颗粒粒径为5~50μm。从图6 看出,S钢渣表面不平坦,有许多凹陷,孔隙,呈纤维状形貌。放大后,可以发现孔隙为5~50μm,表面有粒径为5~10μm的颗粒分布。

  高温摩擦试验后,C钢渣表面有明显颗粒物凸起。放大后,观察到表面有材料剥落现象,泡状颗粒聚集在表面凹陷处,其粒径为2~40μm。S 钢渣表面呈台阶状形貌,放大后观察到表面有明显凹陷,大量泡状颗粒聚集在凹陷处,粒径大约为2~30μm;有明显磨损破坏现象,可以看到明显裂痕、犁沟。钢渣的磨损是由疲劳磨损、粘着磨损、磨粒磨损等多种磨损机制综合作用的结果。

  在干燥高温空气环境中,销子和盘产生相对运动。在压力作用下,销子和盘的接触面受到剪切力和摩擦力作用,销子表面产生塑性变形。根据材料的疲劳理论可以认为:疲劳裂痕形成的核心位置主要是孔洞、杂质和擦伤等处。钢渣样品由于存在大量孔隙,受到剪切力和摩擦力后,在孔隙附近应力集中,产生裂痕。由于高温的影响,销子表面软化,此时接触点发生粘着,由于材料粘着胶合,相对运动后会形成撕裂裂纹。在疲劳摩擦和粘着摩擦的双重作用下,销子表面材料发生剥落,形成磨屑和剥落坑。磨屑可以充当磨粒,在两摩擦表面间移动,在表面进行微量切削。

  C钢渣和S钢渣在100~1000 ℃ 有较好的热稳定性,钢渣的主要构成元素有氧、碳、铁、钙、硅等元素。在800 ℃空气环境中,试验载荷为1500g,旋转速度为588 r/min,旋转半径为4mm,进行120min 摩擦试验,C钢渣的摩擦系数为0.26~0.43,平均为0. 343,具有较低的摩擦系数;S 钢渣的摩擦系数为0. 22~0. 47,平均为0. 312。C钢渣和 S钢渣在摩擦试验中,几乎没有质量损失,抗磨损性能良好。

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