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钢渣作为太阳能光热蓄热材料的研究

2019.09.28 来自:钢渣作为太阳能光热蓄热材料的研究

钢渣作为太阳能光热蓄热材料的研究

 

摘要: 研究了两种电弧炉钢渣( C 钢渣和 S 钢渣) 的微观结构、热稳定性和抗磨损性能,探索钢渣作为太阳能光热发电蓄热材料的适应性。应用同步热分析仪( simultaneous thermal analyzer,STA) 研究了钢渣的热稳定性,用 HT-1000 高温摩擦磨损试验机进行摩擦实验,使用扫描电子显微镜( scanning electron microscopy,SEM) 查看微观结构和化学成分,认为 C 钢渣和 S 钢渣抗磨损性能良好。


关键词:光热发电; 蓄热材料; 钢渣; 摩擦

  

0  引言


由于化石能源储量有限和使用化石能源引起的环境问题,发展可持续发展的新能源成为大势所趋。太阳能有资源丰富、清洁环保的优点,成为大力发展的新能源。太阳能的利用主要有光伏发电和光热发电。光伏发电具有波动性、间歇性的特点,电网适应性较差; 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,可以节约太阳能发电成本,实现钢渣资源化利用。吴建锋等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]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。


1  原材料和实验方法


1.1  原材料


实验使用两种钢渣,C 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。


图1  中国( 左边) 和西班牙( 右边) 钢渣原材料


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


图2  销盘实验钢渣样品尺寸和实物


1.2  实验方法


( 1) 热稳定性


使用 SAT 499 F3,测量确定蓄热材料热稳定性。实验气氛为氮气,吹气速率 10 mL/min,从 100 ℃升温到 1000 ℃,升温速率为 10 ℃ /min,得到样品钢渣的热重 - 示差扫描量热( thermogravimetric analysis and differential scanning calorimeter,TG-DSC) 曲线,探究样品在高温下的稳定性。


( 2) 高温摩擦实验


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 1500 g,实验时间为 120 min,旋转速度为 588 r/min,旋转半径为 4 mm。测量 800 ℃ 时样品钢渣的摩擦系数,探究样品钢渣的摩擦性能。


( 3) 微观结构和化学组成


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。


2  实验结果与分析


2.1  热重分析实验


氮气气氛下,C 钢渣和 S 钢渣的 TG-DSC 曲线见图 3。由 TG 曲线可以得出,在 100 ~ 1000 ℃ 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3  C钢渣和S钢渣的TG-DSC 曲线


2.2  高温摩擦实验


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。


2.3  摩擦实验前后微观结构和化学成分


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 ~ 40 μm,表面颗粒粒径为 5 ~50 μm。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 ~ 50 μm,表面有粒径为 5 ~10 μm 的颗粒分布。


图4  800℃下钢渣摩擦系数随时间的变化曲线


 图5  高温摩擦实验后C钢渣SEM和EDS图像



图6  高温摩擦实验前后S钢渣SEM和EDS图像


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 ~ 40 μm。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 ~30 μm; 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。


3  结论


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4 mm,进行120 min 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。

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。


作者:王一竹,李和平,周俊虎,岑可法

单位:浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州电子科技大学 能源研究所


通      知

 






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