基于電蓄熱爐的氧化鋁結構陶瓷絕緣性能實驗分析及應用

付江奇，趙 頔，劉吉堂，王啟民

（沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136）

電蓄熱爐因其零污染、零排放、低成本、供暖方式靈活高效而成為近些年能源領域研究的熱點之一。在電蓄熱爐實際運行的過程中，由于電蓄熱體材料的絕緣性能在高溫、高電壓工況下降低，從而導致電加熱絲與蓄熱體發(fā)生導電而熔斷，嚴重威脅電蓄熱爐的安全性。為了解決上述問題，需要對電加熱絲加裝套管以防止其與蓄熱體發(fā)生導電情況。在套管材料的選擇方面，氧化鋁結構陶瓷具有較好的絕緣性和結構穩(wěn)定性，以及耐高溫、不怕氧化、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點，因而成為了電加熱絲套管材料的第一選擇。本文選取了5 種市場上近幾年來應用較為廣泛的氧化鋁結構陶瓷材料，以電蓄熱爐為應用熱力設備，對其高溫絕緣性進行實驗，從中選擇出符合要求的氧化鋁結構陶瓷材料。

1 絕緣性實驗

1.1 主要材料

依據(jù)電加熱絲套管材料對于高溫條件下絕緣性的要求，選取目前市場上應用廣泛且氧化鋁成分含量在75%～99%的5 組陶瓷試樣作為主要實驗材料。

1.2 主要實驗設備

為了保證材料的實驗溫度可以達到電蓄熱爐滿負荷條件下的爐膛溫度，選用馬弗爐作為實驗熱力設備。同時，為了在實驗過程中能夠隨時測試材料的絕緣性能，采用常見的手搖式萬用表作為實驗測試儀器。

1.3 夾具設計

為了保證實驗的準確性與可靠性，在夾具設計方面，排除材料屬性以外的其他因素對測試絕緣性能的影響，以不銹鋼作為夾具外型的主要材料，制作長方體模具，僅保留其兩個加工表面和一定厚度，并在其中一個表面攻制螺紋孔并配制長度可調節(jié)的螺栓。在模具內，靠近兩表面處分別放置耐火絕緣鋪墊材料，以防止模具與試樣陶瓷在高溫條件下出現(xiàn)導電情況。耐火絕緣材料之間放置兩組型號完全相同的試樣陶瓷，并使用具有一定厚度的抗高溫不銹鋼極片隔離。不銹鋼片的一側采用特殊焊接方法將導電性能良好且具有一定硬度的鐵絲焊接成一體，鐵絲另一端直接與萬用表相連?？紤]陶瓷試樣的厚度和形狀的差異性，整個夾具設計完成后可根據(jù)不同陶瓷組裝的具體情況通過螺栓靈活調節(jié)夾具間隙。夾具結構與800 ℃下所拍攝的實驗效果如圖1和圖2所示。

圖1 夾具結構

圖2 800 ℃下拍攝的實驗效果

1.4 高溫絕緣性能測試實驗過程

按照實驗對于材料的區(qū)分要求，對所有陶瓷實驗試樣進行分類編號，依據(jù)陶瓷試樣中氧化鋁成分含量的不同規(guī)制編號為1～5。組裝夾具分別將5組試樣放置馬弗爐中，將爐內溫度逐步提高至實驗所需最高溫度進行升溫實驗，并在升溫過程中使用手搖式萬用表對材料在不同溫度下的電阻值進行測量并記錄。當溫度達到實驗設定最高溫度后，停止升溫并打開馬弗爐隔離門，使爐內溫度自然下降進行降溫實驗，同時使用萬用表對材料在不同溫度下的電阻值進行測量，直至測量數(shù)值多次出現(xiàn)∞值時，實驗結束。實驗裝置簡圖及材料在電蓄熱爐中的應用如圖3和圖4所示。

圖3 實驗裝置

圖4 陶瓷材料在電蓄熱爐中的應用

2 結果分析、驗證與應用

在升溫和降溫實驗過程中，溫度每次變化100 ℃時使用萬用表測量一次電阻值，部分實驗結果如表1和表2所示。

表1 陶瓷試樣升溫實驗部分結果 MΩ

表2 陶瓷試樣降溫實驗部分結果 MΩ

2.1 結果分析

由表1 可以看出，5 組陶瓷材料的電阻值隨著溫度的不斷升高都出現(xiàn)了不同程度的減小。當溫度在500 ℃～800 ℃范圍內時，所有陶瓷材料的電阻值均明顯呈現(xiàn)出斷崖式、不規(guī)律的下降。這說明隨著溫度的不斷提升，材料的絕緣性能都受到不同程度影響，甚至在高溫條件下表現(xiàn)出了導電性。結合5 組陶瓷材料升溫實驗的結果可知，陶瓷3 升溫至800 ℃時，其電阻值達到20 MΩ，且在相同溫度條件下其電阻值高于其他4組陶瓷試樣。

由表2 可以看出，5 組陶瓷材料的電阻值隨著溫度的不斷下降呈快速增長趨勢。其中，陶瓷1、陶瓷2、陶瓷4 和陶瓷5 的溫度降至400 ℃～300 ℃范圍內時，其電阻值恢復為∞。陶瓷3 的溫度降至600 ℃時，其電阻值為∞，且隨著溫度不斷降低，其電阻值恢復為∞的速度大于其他4組陶瓷材料。

綜上所述，在高溫條件下陶瓷3 的絕緣性能高于其他4 組陶瓷材料，且在溫度不斷變化的過程中其絕緣性能保持穩(wěn)定。

2.2 驗證與應用

為了驗證實驗結果的準確性和可靠性，將實驗中的極限溫度提高至850 ℃，并針對試樣陶瓷3 進行多次實驗，所得結果如表3和表4所示。

表3 陶瓷3試樣升溫實驗部分結果 MΩ

表4 陶瓷3試樣降溫實驗部分結果 MΩ

由表3和表4可知，當溫度升高至850 ℃（電蓄熱爐滿負荷極限溫度）時，6 次實驗的電阻值在6 MΩ～160 MΩ 范圍內波動。其中，有4 次的試驗結果集中在35 MΩ～50 MΩ范圍內，這說明在電蓄熱鍋爐運行的極限溫度下陶瓷3 依然保持穩(wěn)定的絕緣性。當溫度下降時，試樣材料的電阻值呈指數(shù)增長，當溫度降至700 ℃時，5 次試驗結果接近∞，1 次結果為125 MΩ；當溫度下降至600 ℃時，電阻值均接近∞。

綜上所述，陶瓷3 經過多次實驗，在高溫和變溫工況下依然保持良好的絕緣性能，同時也驗證了初步實驗結論的可靠性和準確性。

以上述實驗分析和結論為理論依據(jù)，結合電蓄熱爐實際蓄熱體的尺寸和電加熱絲的有效長度，將陶瓷3作為高溫絕緣套管材料安裝于電蓄熱鍋爐爐膛的相關位置。通過蓄熱體的蓄放熱實驗，進一步驗證了陶瓷3不僅有效地解決了電阻絲與蓄熱體材料因高溫導電而發(fā)生的熔斷現(xiàn)象，而且其良好的耐磨損和抗熱震性使電蓄熱爐在實際運行中取得了不錯的效果，保障了電蓄熱爐運行的安全性和可靠性。

3 結論

本文研究了電蓄熱爐中電加熱絲的高溫套管材料，選取了氧化鋁成分含量不同的5 種陶瓷試樣進行高溫絕緣性能實驗，所得結論如下：

1）通過5 組試樣的變溫實驗，篩選出符合電蓄熱爐的電加熱絲套管的最佳絕緣性能材料——陶瓷3，即某廠家的99高鋁結構陶瓷；

2）針對陶瓷3，提高極限溫度（850 ℃左右）后多次進行變溫實驗，通過實驗結果進一步驗證了材料篩選的準確性和可靠性，并將所選陶瓷材料應用于電蓄熱爐的電加熱絲套管材料中，取得了較為理想的結果。