CN110388831A - 一种相变储热复合金属球及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相变储热复合金属球及其制造方法，所述相变储热复合金属球包括由金属外壳和合金内芯组成的复合金属球；金属外壳的材质为铁素体钢，合金内芯的材质为铝硅合金；所述合金内芯与金属外壳的体积比为1:6～20，合金内芯与金属外壳之间无间隙；所述复合金属球在20℃～577℃范围内的平均比热为449.64～471.88J/kg·K，在20℃条件下导热系数为70～160W/m·K，单位质量相变潜热为9.18～27.55kJ/kg，线膨胀系数为7.0～20.0ppm/℃。本发明所述相变储热复合金属球具备储能密度高、热稳定性好、热导率高、抗高温冲击能力强、寿命长等特点，可用于高炉渣干式余热回收等领域。

Description

一种相变储热复合金属球及其制造方法

技术领域

本发明涉及相变储热材料技术领域，尤其涉及一种相变储热复合金属球及其制造方法。

背景技术

高炉渣是高炉冶炼的副产物，其主要成分为氧化钙、氧化镁、三氧化二铝、二氧化硅等，可代替天然岩石生产水泥或矿渣微粉等用于建材产品。高炉渣的出炉温度大于1500℃，1吨高炉渣所含有的热量相当于64kg标准煤，现行的处理方法采用水淬工艺，除了少部分北方企业在冬天利用冲渣水的余热进行采暖外，基本没有其他有效的余热回收方式。因此，不仅高炉渣的显热及潜热无法回收利用，造成重大的能源浪费。而且INBA法水冲渣工艺还造成水资源的大量浪费，对大气、水和土壤也造成了严重的污染。经调研，国内外开发高炉渣干式余热回收技术研究较多，但一直未有工业化应用的报道。

国内外多数高炉熔渣显热回收技术目前仍处于实验室研究阶段，可将其余热回收方式分为物理热回收法和化学热回收法。其中前者根据熔渣前处理方法的不同，又分为滚筒法、风淬法、连铸式余热锅炉法、机械搅拌法、转杯法、钢球冷淬法等。其中钢球冷淬法因具有不耗水、热回收潜力大、硫化物排放少等优点，成为高炉渣余热回收技术的重要研究方向。但该工艺所使用的钢球需具有导热系数大、蓄热放热速度快、抗高温冲击能力强、寿命长等特点，单一材质的钢球难以满足高炉渣余热回收工艺要求。

金属基相变储热材料由于具有储能密度高、热稳定性好、热导率高等优点，同时又可以降低热能储存单元的大小和质量，允许大的等温操作，因而在太阳热发电、工业余热回收、电力削峰填谷等方面有着广阔的应用前景。

相变复合材料的制造方法主要包括高温固相法和液相化学法等。但两种制造方法都存在工艺复杂，工业化生产难度大等问题。而且生产出的相变储热材料导热性能较差，传热储/释热速率慢。

专利号为201210018441.5的中国专利公开了“一种高温复合相变储热材料及其制备方法”，其制备的高导热率的高温复合相变储热材料使储热材料导热率显著提高，大幅度提高储热材料储/释热速率，而且制备过程容易控制，操作简便。而且不需要任何粘结剂或其它保护剂，通过烧结即可直接获得储热材料，从而提高了储热材料利用率；另外其所制备的产品还可用于其它中低温复合储热材料，以及光热利用、热-冷-电联用、复合材料合成等许多领域。但该方法难以应用于高炉渣余热回收工艺中，因此其相变储热材料因抗高温冲击能力相对较差，不能与高炉熔渣直接接触，同时在换热后难以实现储热材料与高炉渣的分离和回收。

综上所述，现有技术中的相变储热材料难以满足高炉渣余热回收工艺等的要求。

发明内容

本发明提供了一种相变储热复合金属球及其制造方法，所述相变储热复合金属球具备储能密度高、热稳定性好、热导率高、抗高温冲击能力强、寿命长等特点，可用于高炉渣干式余热回收等领域。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种相变储热复合金属球，包括由金属外壳和合金内芯组成的复合金属球；所述金属外壳的材质为铁素体钢，所述合金内芯的材质为铝硅合金；所述合金内芯与金属外壳的体积比为1:6～20，合金内芯与金属外壳之间无间隙；所述复合金属球在20℃～577℃范围内的平均比热为449.64～471.88J/kg·K，在20℃条件下导热系数为70～160W/m·K，单位质量相变潜热为9.18～27.55kJ/kg，线膨胀系数为7.0～20.0ppm/℃。

所述金属外壳的厚度为5～30mm。

所述铁素体钢是铬元素重量百分比＞15％的低碳铬不锈钢，或者是铬元素重量百分比＞27％的中碳铬不锈钢或高碳铬不锈钢。

所述铝硅合金中硅的重量百分比为8％～12.5％。

一种相变储热复合金属球的制造方法，包括如下步骤：

1)将高纯硅和高纯铝在电炉中熔化制备铝硅合金，熔化温度为577～780℃，硅与铝的重量比为(8～12.5)：(87.5～92)；

2)熔化后的熔液保温20～40min，然后对熔液进行机械搅拌使其均匀混合成为铝硅合金熔液，搅拌时间为5～20min；

3)将铝硅合金熔液灌装入钢模体内；所述钢模体为顶部削平的球壳结构，中空部分为中间腔体，顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液采用以下2种方式灌装：

方式一：将铝硅合金熔液注入中间包中，通过中间包流口将铝硅合金熔液注入钢模体的中间腔体中；

方式二：将钢模体浸入铝硅合金熔液中，使铝硅合金熔液缓慢灌装入钢模体的中间腔体中；

4)灌装完成后，自然冷却至室温；

5)去除钢模体外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体顶面平齐，然后将钢模帽安装到钢模体的顶部；钢模帽的底部设有凹槽，该凹槽与钢模体上的凸台相互咬合，钢模体与钢模帽组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体内的铝硅合金即合金内芯；

6)将钢模帽和钢模体焊接为一体，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明所述复合金属球的熔点约为577℃，合金内芯的相变潜热大、储热密度高、导热能力强，应用于高炉渣余热回收时与液态高炉渣接触后可实现快速换热储热，在较低温度条件下能够实现余热的快速、高效存储，冷却强度大，换热后高炉渣的玻璃化率高；

2)本发明所述复合金属球的金属外壳为铁素体钢，具有熔点高、强度高、韧性好、使用寿命长的特点，可满足在高炉渣干式余热回收过程中连续使用的要求，同时可在完成高炉渣余热回收后通过磁选工艺实现复合金属球的回收再利用；

3)本发明所述复合金属球具有金属复合结构，合金内芯的线膨胀系数小，可与金属外壳同步膨胀或缩小，因此不易泄露，金属外壳具有熔点高、强度高、不易开裂的优点，因此能够提高复合金属球的抗高温冲击能力；

4)本发明所述复合金属球非常适合于作为非等温换热条件下的高炉渣余热回收工艺中的换热介质，不仅可充分利用复合金属球相变潜热大、储热密度高、导热能力强的优点，同时可明显减小铝硅合金熔化后对壳体钢材的侵蚀，从而提高复合金属球的使用寿命；

5)本发明所述相变储热复合金属球应用于高炉渣干式余热回收工艺中，具有明显的经济效益和环境效益，在行业内具有很大的推广实用价值。

附图说明

图1是本发明所述钢模体的结构示意图。

图2是本发明所述铝硅合金熔液灌装入钢模体的中间腔体中形成内芯的示意图。

图3是本发明所述钢模帽的结构示意图。

图4是本发明所述相变储热复合金属球的结构示意图。

图中：1.钢模体2.合金内芯3.钢模帽

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种相变储热复合金属球，包括由金属外壳和合金内芯2组成的复合金属球；所述金属外壳的材质为铁素体钢，所述合金内芯2的材质为铝硅合金；所述合金内芯2与金属外壳的体积比为1:6～20，合金内芯2与金属外壳之间无间隙；所述复合金属球在20℃～577℃范围内的平均比热为449.64～471.88J/kg·K，在20℃条件下导热系数为70～160W/m·K，单位质量相变潜热为9.18～27.55kJ/kg，线膨胀系数为7.0～20.0ppm/℃。

所述金属外壳的厚度为5～30mm。

所述铁素体钢是铬元素重量百分比＞15％的低碳铬不锈钢，或者是铬元素重量百分比＞27％的中碳铬不锈钢或高碳铬不锈钢。

所述铝硅合金中硅的重量百分比为8％～12.5％。(优选的，铝硅合金中硅的重量百分比为11.6％～12％。)

一种相变储热复合金属球的制造方法，包括如下步骤：

1)将高纯硅和高纯铝在电炉中熔化制备铝硅合金，熔化温度为577～780℃，硅与铝的重量比为(8～12.5)：(87.5～92)；

2)熔化后的熔液保温20～40min，然后对熔液进行机械搅拌使其均匀混合成为铝硅合金熔液，搅拌时间为5～20min；

3)将铝硅合金熔液灌装入钢模体1内；如图1所示，所述钢模体1为顶部削平的球壳结构，中空部分为中间腔体，顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液采用以下2种方式灌装：

方式一：将铝硅合金熔液注入中间包中，通过中间包流口将铝硅合金熔液注入钢模体的中间腔体中；

方式二：将钢模体浸入铝硅合金熔液中，使铝硅合金熔液缓慢灌装入钢模体的中间腔体中；

4)灌装完成后，自然冷却至室温；

5)如图2所示，去除钢模体1外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体1顶面平齐，然后将钢模帽3安装到钢模体1的顶部；如图3、图4所示，钢模帽3的底部设有凹槽，该凹槽与钢模体1上的凸台相互咬合，钢模体1与钢模帽3组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体1内的铝硅合金即合金内芯2；

6)将钢模帽1和钢模体3焊接为一体，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。

本发明中，所述高纯硅中硅的重量百分比含量(纯度)≥99.5％，所述高纯铝中铝的重量百分比含量(纯度)≥99.5％，铝硅合金中硅的重量百分比含量+铝的重量百分比含量＜100％时，余量为杂质。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

本实施例中，相变储热复合金属球由内、外两层不同金属复合制成，包括金属壳体和合金内芯2。

如图4所示，金属壳体由钢模帽3和钢模体1组成，其材质为铁素体钢，其中铬元素的重量百分比含量为16％，碳元素的重量百分比含量为0.08％，厚度为12.96mm。

合金内芯2的材质为铝硅合金，其中硅元素的重量百分比含量为11.8％，半径为12mm。

合金内芯2与金属外壳的体积比为1:8，合金内芯2与金属外壳之间无间隙。

本实施例所述相变储热复合金属球的单位质量相变潜热为21.43kJ/kg，在20℃至577℃范围内的平均比热为453.05J/kg·K，20℃条件下的导热系数为115W/m·K。

本实施例所述相变储热复合金属球的制造方法如下：

1)按照成分比例要求将硅纯度为99.7％的高纯硅铝纯度为99.8％的高纯铝在电炉中熔化，熔化温度为630℃，铝硅合金中硅的重量百分比含量为11.5％，铝的重量百分比含量为88.4％，余量为杂质。

2)熔化后的熔液保温35min，然后对熔液进行机械搅拌，搅拌时间为18min，熔液均匀混合后成为铝硅合金熔液。

3)将铝硅合金熔液注入中间包中，通过中间包流口将铝硅合金熔液注入钢模体1中，钢模体1顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液通过灌注口缓慢灌装入钢模体1的中间腔体中。

4)灌装完成后，自然冷却至室温。

5)去除钢模体1外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体1顶面平齐，然后将钢模帽3安装到钢模体1的顶部；钢模帽3的底部设有凹槽，凹槽与钢模体1上的凸台相互咬合，钢模体1与钢模帽3组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体1内的铝硅合金即合金内芯2；

6)在钢模帽3与钢模体1的接缝处进行焊接，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。

本实施例中的相变储热复合金属球应用于高炉渣余热回收，复合金属球在576℃条件下可快速实现高炉渣的余热回收，储热放热量和放热速度均优于纯低铬铸铁球，换热后高炉渣的玻璃化率为91％。

【实施例2】

本实施例中，相变储热复合金属球由内、外两层不同金属复合制成，包括金属壳体和合金内芯2。

如图4所示，金属壳体由钢模帽3和钢模体1组成，其材质为铁素体钢，其中铬元素的重量百分比含量为28％，碳元素的重量百分比含量为0.10％，厚度为14.06mm。

合金内芯2的材质为铝硅合金，其中硅元素的重量百分比含量为12.5％，半径为10mm。

合金内芯2与金属外壳的体积比为1:20，合金内芯2与金属外壳之间无间隙。

本实施例所述相变储热复合金属球的单位质量相变潜热为9.18kJ/kg，在20℃至577℃范围内的平均比热为459.88J/kg·K，20℃条件下的导热系数为72W/m·K。

本实施例所述相变储热复合金属球的制造方法如下：

1)按照成分比例要求将硅纯度为99.9％的高纯硅铝纯度为99.7％的高纯铝在电炉中熔化，熔化温度为680℃，铝硅合金中硅的重量百分比含量为11.8％，铝的重量百分比含量为88.18％，余量为杂质。

2)熔化后的熔液保温31min，然后对熔液进行机械搅拌，搅拌时间为16min，熔液均匀混合后成为铝硅合金熔液。

3)将铝硅合金熔液注入中间包中，通过中间包流口将铝硅合金熔液注入钢模体1中，钢模体1顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液通过灌注口缓慢灌装入钢模体1的中间腔体中。

4)灌装完成后，自然冷却至室温。

5)去除钢模体1外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体1顶面平齐，然后将钢模帽3安装到钢模体1的顶部；钢模帽3的底部设有凹槽，凹槽与钢模体1上的凸台相互咬合，钢模体1与钢模帽3组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体1内的铝硅合金即合金内芯2；

6)在钢模帽3与钢模体1的接缝处进行焊接，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。

本实施例中的相变储热复合金属球应用于高炉渣余热回收，复合金属球在576℃条件下可快速实现高炉渣的余热回收，储热放热量和放热速度均优于纯低铬铸铁球，换热后高炉渣的玻璃化率为90.5％。

【实施例3】

本实施例中，相变储热复合金属球由内、外两层不同金属复合制成，包括金属壳体和合金内芯2。

如图4所示，金属壳体由钢模帽3和钢模体1组成，其材质为铁素体钢，其中铬元素的重量百分比含量为17％，碳元素的重量百分比含量为0.12％，厚度为15.72mm。

合金内芯2的材质为铝硅合金，其中硅元素的重量百分比含量为12％，半径为10mm。

合金内芯2与金属外壳的体积比为1:16，合金内芯2与金属外壳之间无间隙。

本实施例所述相变储热复合金属球的单位质量相变潜热为11.34kJ/kg，在20℃至577℃范围内的平均比热为458.68J/kg·K，20℃条件下的导热系数为90.2W/m·K。

本实施例所述相变储热复合金属球的制造方法如下：

1)按照成分比例要求将硅纯度为99.6％的高纯硅铝纯度为99.7％的高纯铝在电炉中熔化，熔化温度为698℃，铝硅合金中硅的重量百分比含量为12.1％，铝的重量百分比含量为87.87％，余量为杂质。

2)熔化后的熔液保温30min，然后对熔液进行机械搅拌，搅拌时间为15min，熔液均匀混合后成为铝硅合金熔液。

3)将钢模体1浸入铝硅合金熔液中，钢模体1顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液通过灌注口缓慢灌装入钢模体1的中间腔体中。

4)灌装完成后，将钢模体1取出，自然冷却至室温。

5)去除钢模体1外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体1顶面平齐，然后将钢模帽3安装到钢模体1的顶部；钢模帽3的底部设有凹槽，凹槽与钢模体1上的凸台相互咬合，钢模体1与钢模帽3组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体1内的铝硅合金即合金内芯2；

6)在钢模帽3与钢模体1的接缝处进行焊接，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。

本实施例中的相变储热复合金属球应用于高炉渣余热回收，复合金属球在576℃条件下可快速实现高炉渣的余热回收，储热放热量和放热速度均优于纯低铬铸铁球，换热后高炉渣的玻璃化率为91.2％。

【实施例4】

本实施例中，相变储热复合金属球由内、外两层不同金属复合制成，包括金属壳体和合金内芯2。

如图4所示，金属壳体由钢模帽3和钢模体1组成，其材质为铁素体钢，其中铬元素的重量百分比含量为29％，碳元素的重量百分比含量为0.26％，厚度为9.23mm。

合金内芯2的材质为铝硅合金，其中硅元素的重量百分比含量为11.6％，半径为8mm。

合金内芯2与金属外壳的体积比为1:9，合金内芯2与金属外壳之间无间隙。

本实施例所述相变储热复合金属球的单位质量相变潜热为19.29kJ/kg，在20℃至577℃范围内的平均比热为454.25J/kg·K，20℃条件下的导热系数为110.5W/m·K。

本实施例所述相变储热复合金属球的制造方法如下：

1)按照成分比例要求将硅纯度为99.9％的高纯硅、铝纯度为99.9％高纯铝在电炉中熔化，熔化温度为727℃，铝硅合金中硅的重量百分比含量为11.6％，铝的重量百分比含量为88.3％，余量为杂质。

2)熔化后的熔液保温25min，然后对熔液进行机械搅拌，搅拌时间为14min，熔液均匀混合后成为铝硅合金熔液。

3)将钢模体1浸入铝硅合金熔液中，钢模体1顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液通过灌注口缓慢灌装入钢模体1的中间腔体中。

4)灌装完成后，将钢模体1取出，自然冷却至室温。

5)去除钢模体1外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体1顶面平齐，然后将钢模帽3安装到钢模体1的顶部；钢模帽3的底部设凹槽，凹槽与钢模体1上的凸台相互咬合，钢模体1与钢模帽3组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体1内的铝硅合金即合金内芯2；

6)在钢模帽3与钢模体1的接缝处进行焊接，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。

本实施例中的相变储热复合金属球应用于高炉渣余热回收，复合金属球在576℃条件下可快速实现高炉渣的余热回收，储热放热量和放热速度均优于纯低铬铸铁球，换热后高炉渣的玻璃化率为92.2％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相变储热复合金属球，其特征在于，包括由金属外壳和合金内芯组成的复合金属球；所述金属外壳的材质为铁素体钢，所述合金内芯的材质为铝硅合金；所述合金内芯与金属外壳的体积比为1:6～20，合金内芯与金属外壳之间无间隙；所述复合金属球在20℃～577℃范围内的平均比热为449.64～471.88J/kg·K，在20℃条件下导热系数为70～160W/m·K，单位质量相变潜热为9.18～27.55kJ/kg，线膨胀系数为7.0～20.0ppm/℃。

2.根据权利要求1所述的一种相变储热复合金属球，其特征在于，所述金属外壳的厚度为5～30mm。

3.根据权利要求1所述的一种相变储热复合金属球，其特征在于，所述铁素体钢是铬元素重量百分比＞15％的低碳铬不锈钢，或者是铬元素重量百分比＞27％的中碳铬不锈钢或高碳铬不锈钢。

4.根据权利要求1所述的一种相变储热复合金属球，其特征在于，所述铝硅合金中硅的重量百分比为8％～12.5％。

5.如权利要求1～4所述的任意一种相变储热复合金属球的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将高纯硅和高纯铝在电炉中熔化制备铝硅合金，熔化温度为577～780℃，硅与铝的重量比为(8～12.5)：(87.5～92)；

2)熔化后的熔液保温20～40min，然后对熔液进行机械搅拌使其均匀混合成为铝硅合金熔液，搅拌时间为5～20min；

3)将铝硅合金熔液灌装入钢模体内；所述钢模体为顶部削平的球壳结构，中空部分为中间腔体，顶部设有灌注口，灌注口的外侧设凸台；铝硅合金熔液采用以下2种方式灌装：

方式一：将铝硅合金熔液注入中间包中，通过中间包流口将铝硅合金熔液注入钢模体的中间腔体中；

方式二：将钢模体浸入铝硅合金熔液中，使铝硅合金熔液缓慢灌装入钢模体的中间腔体中；

4)灌装完成后，自然冷却至室温；

5)去除钢模体外表面的铝硅合金毛刺，将凝固后的铝硅合金顶面加工到与钢模体顶面平齐，然后将钢模帽安装到钢模体的顶部；钢模帽的底部设有凹槽，该凹槽与钢模体上的凸台相互咬合，钢模体与钢模帽组成一个完整的球壳体即金属外壳，钢模体内的铝硅合金即合金内芯；

6)将钢模帽和钢模体焊接为一体，去除焊接毛刺后即制得相变储热复合金属球。