耐高温、高导热、超长碳化硅陶瓷热交换管技术.docx

这是我们碳化硅课题组在碳化硅陶瓷热交换方面的相关材料。
课题组在碳化硅陶瓷换热器方面的研究大致如下：

ì 2006年：国家863支持下开始碳化硅陶瓷热交换管研制
ì 2008年：研制成功长度1500mm碳化硅陶瓷热交换管，主要性能指标达到国际先进水平，外径10-20mm，用于化工酸碱腐蚀领域换热
ì 2009年：研制成功直径400mm碳化硅陶瓷热交换板，用于板式高性能高温反应换热
ì 2010年：开始开发热交换效率更高的块孔式碳化硅陶瓷换热器，用于钢铁行业不锈钢酸洗换热
ì 2011年：研制成功长度1500mm碳化硅陶瓷热交换管，外径20-45mm用于新型焦炉用陶瓷换热室
ì 2012年：开展3000mm长碳化硅陶瓷热交换管的中试生产线建设。

附件是我们的一些相关材料。请您审阅指导！
也麻烦冉老师把项目大概的背景，应用领域给我们指导，向领导汇报！
目前我们热交换管的尺寸在10-35mm，长度可以做到1500mm，接下来会尽快开展小口径10mm以下碳化硅陶瓷管材的研究，争取能给你们配合好。

耐高温、高导热、超长碳化硅陶瓷热交换管
中国科学院上海硅酸盐研究所
结构陶瓷中心先进碳化物材料研究课题组
一、 应用背景
随着世界性能源危机的日益加剧，为有效回收利用高温废液废气的多余热量，工业领域对换热器的需求越来越大，对质量要求也越来越高。为此，各国近年来相继制订了围绕换热器的发展计划，如：美国2003年提出的HTHX高温换热器研究计划，欧盟2005年实施的VHTR高温反应器研究计划等。除节约能耗外，工业换热器还能降低工业废液废气排放温度，降低环境危害，保护环境生态。
我国长期以来对余热回收不够重视，导致产值能耗很高。2001年以来开始采用蜂窝陶瓷蓄热燃烧技术回收冶金、建材窑炉排出的高温烟气的余热，达到节约燃料20~40％的效益，但远未普遍应用。至于采用高导热陶瓷换热器来回收量大面广的高温及中低温废液废气的余热，更是处于空白状态。
碳化硅陶瓷具有优异的耐高温和耐腐蚀性能，它即使在较高温度下也能长时间工作于热的气体和液体环境、氧化和腐蚀性气氛及强酸强碱中；热导率高达120~180 W/m×K，约为金属钽的两倍，不锈钢的5倍，聚四氟乙烯的50倍，具有优异的传热效率；具有较高的力学强度，即使壁厚仅1.5~2.0 mm也具有较高的强度，可以承受换热器工作条件下的力学和热学环境条件，薄壁结构还将进一步提高其热交换效率。这样，碳化硅换热器不仅可在高温烟气回收热量中发挥作用，而且对中、低温度的废液废气也能有效回收余热，使得余热的回收利用可在更加广阔的领域进行。目前国际上普遍认为碳化硅陶瓷热交换管是未来换热器发展和广泛应用的必然趋势。国外研究表明：采用碳化硅换热器通常可节约燃料消耗40%以上，具有十分显著的社会经济效益。
因此，在国家“十一五“863项目的支持下，从节约能源和保护环境的角度出发，利用高性能碳化硅陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀、高导热等特点，上海硅酸盐研究所从2006年开始重点开展耐腐蚀、高导热、长管、薄壁碳化硅高效节能热交换管的结构和组成设计、性能及其先进制备技术的研究，目前关键的制备技术如高导热碳化硅陶瓷组成结构设计、高塑性碳化硅陶瓷练泥、挤出成型和无变形高温烧结技术已经成熟，主要性能指标达到国际先进水平。

二、 关键技术与性能指标
目前国际上研究开发的碳化硅热交换管主要包括两种材料体系：即反应烧结SiC和无压烧结SiC。其中反应烧结SiC材料主要有聚合物渗透裂解（Polymer Infiltration and Pyrolysis, PIP）和熔融硅渗透（Metal Infiltration, MI）两种制备工艺，通过PIP或MI工艺制备的碳化硅陶瓷材料往往含有10-30%的游离硅，因此其耐碱及强酸介质的腐蚀性较差。相比之下，无压烧结碳化硅陶瓷材料是通过亚微米级SiC与非氧化物烧结助剂的高温烧结制备的，这种材料往往具有优异的综合性能。国际上最早获得工业应用的碳化硅热交换器大都采用反应烧结工艺生产，例如英国Refel公司和日本旭硝子公司等。近年来，为满足越来越高的应用要求，国外一些研究机构成功研究开发了无压烧结碳化硅热交换器，例如美国Carborundum公司（后被法国Saint-Gobain公司收购）和瑞士Buchi公司。工业应用表明：无压烧结碳化硅热交换器较反应烧结碳化硅热交换器在节能效率、使用寿命等方面具有更加明显的优势。
目前，在长管、薄壁碳化硅陶瓷热交换管的制备技术方面，主要包括注浆和挤出成型两种。但受注浆成型工艺特点的限制，产品的壁厚均匀性和圆整度较差，而且对与长度超过2m以上的热交换管，该工艺不能很好满足。挤出成型是制备等截面积、超长陶瓷制品的最有效的方法之一，通过混炼、挤出的连续生产工艺，除受烧结设备的限制外，理论长度可达10m左右。目前，高性能碳化硅陶瓷管材的生产基本被法国Saint-Gobain公司垄断，几大生产换热器的公司如美国Heat Transfer International公司，德国SGL Group公司，意大利ItalProtec公司所需热交换管都来自法国Saint-Gobain公司。国内在碳化硅陶瓷管材制备方面仅有山东部分公司生产注浆成型反应烧结的管材，在挤出成型方面迟迟没有研究进展。
上海硅酸盐研究所在2006年项目开始就针对高性能碳化硅陶瓷管材的挤出成型制备工艺，重点开展以B4C-C烧结助剂体系的常压烧结工艺，水基高塑性配方设计和练泥技术，连续单螺杆挤出成型技术和低应力、无变形干燥、脱脂和高温烧结技术等，在国内首次实现了长管、薄壁高性能碳化硅陶瓷热交换管的制备。但受高温烧结设备的限制以及前期研发工作的重点，目前生产的碳化硅陶瓷换热管外径在10-25mm之间，壁厚在1.0-2.5mm之间。同时，该技术具有很强的工艺扩展性，能够实现反应烧结碳化硅陶瓷热交换管和SiC-Si3N4管的生产。

下图是制备的碳化硅陶瓷热交换管的相关图片：

碳化硅热交换管：长度≤ 1500mm，壁厚1.5mm，外径14mm

下表为制备的碳化硅陶瓷热交换管的相关性能指标：
物理性能
体积密度 （g.cm-3）
抗弯强度 （Mpa）
维氏硬度 （GPa）
压痕韧性 （MPa·m1/2）
径向抗压强度
（Mpa）
导热系数（W/m·K) 室温
热膨胀系数 （RT-1000oC） （10-6/K）
SICCAS
3.04
426±24
14.68±0.3
5.09±0.12
517±32
130
4.44
Saint-gobain
3.06
380
-
-
-
100
4.02
1200oC下陶瓷管材的热导率约50-80 W/m·K。
1200oC下陶瓷管材的径向抗压强度基本变化不大，450MPa左右。

相关专利和技术标准：