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