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
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｡
1 原材料和实验方法
1.1 原材料
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｡
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SAT499F3，测量确定蓄热材料热稳定性。实验气氛为氮气，吹气速率10mL/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｡
( 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10~40μm，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｡
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2~40μm。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｡
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｡
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
注：本文章转载自《能源工程》，不代表本网观点立场。
