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发布：2026-05-21 · 事件：2026-05-21 08:17:19

｜ 摘自 《煤气与热力》2026年5月刊 固体蓄热部件抗热震性优化实验研究 李卓阳 1, 2 谭羽非 1, 2 宋佩耕 1, 2 （ 1. 哈尔滨工业大学 建筑与设计学院， 黑龙江 哈尔滨 150006； 2. 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150006 ） 摘 要 为了解决固体蓄热电暖装置的固体蓄热部件存在抗热震性较差、使用寿命短的问题，...

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｜ 摘自 《煤气与热力》2026年5月刊 固体蓄热部件抗热震性优化实验研究 李卓阳 1, 2 谭羽非 1, 2 宋佩耕 1, 2 （ 1. 哈尔滨工业大学 建筑与设计学院， 黑龙江 哈尔滨 150006； 2. 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150006  ） 摘 要 为了解决固体蓄热电暖装置的固体蓄热部件存在抗热震性较差、使用寿命短的问题，进行固体蓄热部件抗热震性实验研究，将主体材料选为MgO，添加材料选为Fe 2 O 3 和ZrO 2 ，通过更改3者的配比来寻找抗热震性更好的固体蓄热部件，并对固体蓄热电暖装置的运行过程进行模拟。实验结果表明，当烧结镁砂、Fe 2 O 3 细粉、ZrO 2 细粉的质量比为86.4∶9.6∶4.0时，固体蓄热部件在多次高低温冲击实验后热导率和比热容衰减率较小。模拟结果表明，使用优化后固体蓄热部件的固体蓄热电暖装置前表面温度最低，其抗热震性最佳。使用优化后固体蓄热部件的固体蓄热电暖装置与优化前相比，使用寿命提高。 关键词 固体蓄热电暖装置 ； 固体蓄热部件 ； 抗热震性 1 概述 固体蓄热部件是固体蓄热电暖装置的重要组成部分，其主要功能是在固体蓄热电暖装置中进行蓄放热循环，抗热震性是评价其在承受急剧温度变化时抗破损能力的重要指标。目前的固体蓄热电暖装置所采用的固体蓄热部件抗热震性较差，具体表现为材料经过多次蓄放热之后热导率和比热容降低，在加热时间和功率不变时，固体蓄热电暖装置温度大幅上升，存在安全隐患，严重限制固体蓄热电暖装置的推广使用 [ 1 ] 。 为了提高固体蓄热部件的抗热震性，国内外学者在固体蓄热材料的分析筛选等方面已进行许多研究，其中较典型的有Aksel等人 [ 2 ] 通过将含量为30%且中值粒径分别为3、11、22 μm的镁铝尖晶石加入致密氧化镁中进行实验研究，发现镁铝尖晶石的加入能够有效提高氧化镁的抗热震性，且中值粒径为22 μm时效果最佳。张骋等人 [ 3 ] 以氧化镁为主体原料，以稀土氧化物、CaO等为添加材料，制备了多种氧化镁陶瓷样本。对各样本进行测试分析发现，添加稀土氧化物V 2 O 5 、在1 640 ℃烧结的样品具有较好的抗热震性。狄玉丽等人 [ 4 ] 以氧化镁为主体原料，以Nd 2 O 3 为添加材料，成功制备出烧结性能良好且抗热震性优良的镁制材料，并且通过对比分析发现，烧结温度为1 580 ℃、Nd 2 O 3 质量分数为4%时镁制固体蓄热材料的抗热震性最佳。张涛等人 [ 5 ] 通过实验测试的方法对加入不同含量氧化锆高温烧结而成的实验样本的热膨胀系数和抗热震性进行实验测试，结果表明，氧化锆的加入会明显降低实验样本热膨胀系数，且抗热震性提升明显。 综上所述，前人对固体蓄热部件使用的主体材料、添加材料、配比方案进行研究，但是对于高低温冲击实验的测试方法与指标分析方面的研究还比较缺乏。本文在前人研究的基础之上，针对固体蓄热部件抗热震性差、使用寿命短的问题 [ 1 ] ，确定固体蓄热材料的主体材料为MgO，添加材料为Fe 2 O 3 细粉和ZrO 2 细粉，研究3种材料的配比，进行固体蓄热部件的高低温冲击实验，对实验结果进行比较分析，验证优化后固体蓄热部件抗热震性。 2 固体蓄热部件抗热震性实验系统 2.1 实验装置 抗热震性较差的固体蓄热部件在多次蓄放热之后，其热导率和比热容会由于多次温度循环发生衰减。一般情况下若不存在外力干扰，固体蓄热部件通常不会在使用过程中出现明显的表面破损。因此，本文设计的抗热震性实验的测量对象为表面无明显破损的固体蓄热部件，通过分析固体蓄热部件的初始热物性参数和经过多次高低温冲击实验后的热物性参数的变化情况，来评估固体蓄热部件的抗热震性。 实际使用中的固体蓄热部件衰减周期漫长，一般在使用2~3 a后才会出现能让人明显感觉到的性能衰减。为了提高实验的可行性，加速测试样本性能衰减，选择提高测试样本的加热速度并适当拓宽测试样本的加热温度区间。本文将最大加热温度设置为800 ℃，且控制加热时间在2 h以内，冷却温度设置为17 ℃，此温度下，固体蓄热部件内部材料不会发生化学反应。根据高低温冲击实验的加热要求，选用XL-2A智能马弗炉对测试样本进行加热，XL-2A智能马弗炉主要技术指标见 表1 ，XL-2A智能马弗炉见 图1 。 表1     XL-2A智能马弗炉主要技术指标 图1     XL-2A智能马弗炉 固体蓄热部件属于混合聚合物，选用瞬态平面热源法测试固体蓄热部件测试样本的热导率和比热容，测量仪器为瞬态平面热源法导热仪，是一种用于测试材料导热性能的仪器，Hot disk探头是瞬态平面热源法导热仪的一部分，负责与被测部件接触。瞬态平面热源法导热仪技术参数见 表2 ，瞬态平面热源法导热仪见 图2 ，Hot disk探头摆放见 图3 。 表2     瞬态平面热源法导热仪技术参数 图2     瞬态平面热源法导热仪 图3     Hot disk探头摆放 2.2 材料筛选与配比 固体蓄热部件各种材料的比例的确定是实验的关键环节。耐火镁砖为目前常用的固体蓄热部件 [ 6 ] ，因此实验样本主体材料为MgO，MgO具有化学性质稳定、耐高温和热物性良好等优点，MgO固体蓄热部件完全满足固体蓄热部件的蓄放热要求，但存在热膨胀系数较大的问题，其热膨胀系数达13.5×10 -6  ℃ -1 ，严重影响了固体蓄热部件的抗热震性 [ 7-8 ] 。针对以上问题，市场常用的固体蓄热部件从加强材料微观结构强度出发，利用Fe 2 O 3 在高温烧结条件下与MgO反应生成的MgFe 2 O 4 分散在主体材料MgO周围，加强晶界结合强度的特点，提高固体蓄热部件的抗热震性。Al 2 O 3 在提高镁制材料抗热震性方面也具有与Fe 2 O 3 相近的作用，广泛应用于提高镁制耐火材料抗热震性。从固体蓄热部件的应用环境考虑，Fe 2 O 3 具有比Al 2 O 3 更为优良的热物性。从烧结形成微裂纹分散吸收主裂纹尖端能量出发，加入一定含量的单斜ZrO 2 细粉（简称ZrO 2 细粉）作为添加材料，利用ZrO 2 细粉在高温烧结时产生晶型转变，发生一定的体积变化，从而在材料内部产生微裂纹，分散吸收主裂纹尖端开裂能量，对提高固体蓄热部件抗热震性效果最为明显。ZrO 2 细粉充分混合后，均匀分布于MgO晶粒晶界处，与MgO形成固溶体，活化了MgO晶体晶格，能够促进烧结。综上所述，本文确定固体蓄热材料的主体材料为MgO，选取Fe 2 O 3 细粉和ZrO 2 细粉作为添加材料来改善固体蓄热部件的抗热震性。 实验样本包括6个测试样本和1个参照样本，研制实验分2阶段进行，第1阶段首先研究Fe 2 O 3 细粉的添加比例对固体蓄热部件的抗热震性影响，筛选得到最佳Fe 2 O 3 细粉添加比例。第2阶段在烧结镁砂和Fe 2 O 3 细粉质量比不变的条件下，研究ZrO 2 细粉的添加比例对固体蓄热部件的抗热震性影响。以样本材料配比见 表3 。 表3     样本材料配比 2.3 实验步骤 高低温冲击实验步骤为： ①　将测试样本制成30 mm×30 mm×100 mm的长方体小块。 ②　采用瞬态平面热源法导热仪分别对每个测试样本进行初始热导率和初始比热容测量。 ③　将每个测试样本均置于智能马弗炉中，设置1 h将炉内温度加热到800 ℃，并保持800 ℃炉内温度1 h。 ④　使用工业火钳将高温测试样本取出，置于室内冷却，冷却到室温，为1次完整的高低温冲击实验。 ⑤　每进行1次高低温冲击实验后，均对测试样本进行热导率和比热容测量。重复进行15次高低温冲击实验与测量。 ⑥　记录整理实验结果并进行分析。 固体蓄热部件抗热震性衰减过程包括快速衰减期和稳定期，抗热震性要依据快速衰减期衰减率和稳定期衰减率综合评价。由于稳定期的实验数据仍存在波动，因此将测试样本达到稳定期后测得的数据取平均值，作为该测试样本热导率稳定值或比热容稳定值。将测试样本当前的热导率稳定值和比热容稳定值与该测试样本的初始热导率和初始比热容分别做差，再除以该测试样本的初始热导率或初始比热容，分别得到该测试样本热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率。3次高低温冲击实验后比热容衰减率和热导率衰减率：第3次高低温冲击实验得到的比热容和热导率与该测试样本的初始热导率和初始比热容分别做差，再分别除以该测试样本的初始热导率和初始比热容，分别得到该测试样本3次高低温冲击实验后热导率衰减率和比热容衰减率。 3 实验结果与分析 3.1 添加Fe 2 O 3 对固体蓄热部件抗热震性的影响 研究对象为测试样本Y1~Y3，进行高低温冲击实验。测试样本Y1~Y3热导率变化见 图4 ，测试样本Y1~Y3比热容变化见 图5 。 图4     测试样本Y1~Y3热导率变化 图5     测试样本Y1~Y3比热容变化 从 图4 可以看出，测试样本Y1~Y3的热导率快速衰减期均在第6次高低温冲击实验后结束，热导率稳定值分别约为2.56、3.08、2.88 W/(m·K)，热导率稳定值衰减率分别为40.2％、33.0％、47.1％。从 图5 可以看出，Y1~Y3的比热容快速衰减期均在第9次高低温冲击实验后结束，Y1~Y3比热容稳定值分别约为580、600、330 J/(kg·K)，比热容稳定值衰减率为52.7％、47.8％、65.1％。 测试样本3次高低温冲击实验后比热容和热导率衰减率见 表4 。 表4     测试样本3次高低温冲击实验后比热容和热导率衰减率 从 表4 可以看出，随Fe 2 O 3 添加比例增大，固体蓄热部件3次高低温冲击实验后热导率和比热容衰减率变化规律一致，均先减小后增大，且Fe 2 O 3 细粉质量分数为10%时即测试样本Y2，3次高低温冲击实验后热导率和比热容衰减率均最小。故从固体蓄热部件衰减率方面进行抗热震性评价时，最佳Fe 2 O 3 细粉质量分数为10%。 测试样本比热容稳定值衰减率和热导率稳定值衰减率见 表5 。 表5     测试样本比热容稳定值衰减率和热导率稳定值衰减率 从 表5 可以看出，随Fe 2 O 3 细粉质量分数增大，固体蓄热部件的热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率变化规律一致，均是先减小后增大，且Fe 2 O 3 细粉质量分数为10%时即测试样本Y2的热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率均最小。 从固体蓄热部件衰减率方面进行抗热震性分析评价时，最佳Fe 2 O 3 细粉质量分数为10%。通过对本阶段实验数据整理分析得出，最佳固体蓄热部件测试样本为Y2，最佳Fe 2 O 3 细粉质量分数为10%。 3.2 添加ZrO 2 对固体蓄热部件抗热震性的影响 第2阶段实验在确定最佳Fe 2 O 3 细粉质量分数为10%的基础上，研究ZrO 2 细粉质量分数对固体蓄热部件抗热震性影响，研究对象为Y4~Y6，以第1阶段测试样本Y2作为参照样本。测试样本Y4~Y6热导率变化见 图6 ，测试样本Y4~Y6比热容变化见 图7 。 图6     测试样本Y4~Y6热导率变化 图7     测试样本Y4~Y6比热容变化 图6 中测试样本Y4~Y6的热导率快速衰减期分别在第6、3、3次高低温冲击实验后结束，热导率稳定值分别约为3.26、3.43、3.26 W/(m·K)，热导率稳定值衰减率分别为21.6％、13.8％、12.4％。 图7 中测试样本Y4~Y6的比热容快速衰减期均在第6次高低温循环实验后结束，比热容稳定值分别约为656、682、651 J/(kg·K)，比热容稳定值衰减率分别为37.0％、31.3％、30.2％。 测试样本3次高低温冲击实验后比热容和热导率衰减率见 表6 。 表6     测试样本3次高低温冲击实验后比热容和热导率衰减率 对比测试样本Y4与参照样本Y2的实验结果可以看出，ZrO 2 细粉的加入有效降低了固体蓄热部件3次高低温冲击实验后热导率衰减率，但比热容衰减率降低不明显。从测试样本Y4~Y6的实验结果可以看出，随着ZrO 2 细粉质量分数增加，热导率衰减率明显降低，ZrO 2 细粉质量分数超过4%后随ZrO 2 细粉质量分数增大，热导率衰减率和比热容衰减率变化程度十分微小。将测试样本Y5与参照样本Y2对比可知，测试样本Y5的比热容衰减率和热导率衰减率明显减小，从固体蓄热部件衰减率方面分析评价时，最佳ZrO 2 细粉质量分数为4%。 测试样本热导率和比热容稳定值衰减率见 表7 。 表7     测试样本热导率和比热容稳定值衰减率 由 表7 可得，固体蓄热部件的热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率随ZrO 2 细粉质量分数增加而减小，当ZrO 2 细粉质量分数超过4%后，热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率随ZrO 2 细粉质量分数增大而减小的程度不明显。将测试样本Y5与参照样本Y2对比可知，测试样本Y5的比热容稳定值衰减率和热导率稳定值衰减率明显减小。 从固体蓄热部件衰减率方面评价时，最佳ZrO 2 细粉质量分数为4%。综合分析评价得到烧结镁砂、Fe 2 O 3 细粉、ZrO 2 细粉质量分数之比为86.4∶9.6∶4.0。 3.3 优化固体蓄热部件与常用固体蓄热部件分析 随着固体蓄热部件热物性性能衰减，固体蓄热电暖装置前表面温度最易超出标准限定温度95 ℃ [ 9 ] 。根据前文的研究结果，参照样本和测试样本Y5在进行3次高低温冲击实验后热导率和比热容处于快速衰减期，在受到6次高低温冲击实验后热导率和比热容处于稳定期，因此选取参照样本固体蓄热电暖装置作为参照组，测试样本Y5固体蓄热电暖装置作为优化组。研究了固体蓄热电暖装置前表面温度与运行时间的关系，见 图8 。固体蓄热电暖装置前表面温度随着运行时间增加先升高后降低，参照组6次高低温冲击实验后固体蓄热电暖装置前表面温度峰值最高，优化组6次高低温冲击实验后固体蓄热电暖装置前表面温度峰值明显低于参照组。 图8     固体蓄热电暖装置前表面温度与运行时间的关系 初始温度提升率定义为参照组或优化组固体蓄热电暖装置最高前表面温度分别与参照组初始状态最高前表面温度的差值，与参照组初始状态最高前表面温度的比值。标准温度提升率定义为参照组或优化组固体蓄热电暖装置前表面最高温度分别与95 ℃的差值与95 ℃的比值。经过3次高低温冲击实验后优化组固体蓄热电暖装置前表面最高温度未超过95 ℃，经过6次高低温冲击实验后优化组固体蓄热电暖装置前表面最高温度仅96.50 ℃，相较于参照组，优化组的标准温度提升率较低。固体蓄热电暖装置最高前表面温度分析统计见 表8 。 表8     固体蓄热电暖装置最高前表面温度分析统计 从 表8 可以看出，参照组固体蓄热电暖装置在进行高低温冲击实验后初始温度提升率大于优化组，而优化组在进行6次高低温冲击实验后其最高前表面温度也仅超出标准限定值1.58%，可忽略不计。市场调研结果发现，参照组在严寒地区的正常使用寿命一般在5 a左右，本文模拟实验中参照组进行3次高低温冲击实验后，开始出现无法正常运行的情况，故本文将受到3次高低温冲击实验近似等同于在严寒地区运行5 a。优化组在其他部件不发生故障的情况下，可正常运行的时间较参照组增加，优化组使用寿命大幅提高。 4 结论 ①　高低温冲击实验结果表明，固体蓄热部件中烧结镁砂与Fe 2 O 3 细粉质量分数之比为9∶1时，其热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率均较小。在此基础上添加ZrO 2 细粉，固体蓄热部件中烧结镁砂、Fe 2 O 3 细粉、ZrO 2 细粉质量分数之比为86.4∶9.6∶4.0时，其热导率稳定值衰减率和比热容稳定值衰减率最小。 ②　将固体蓄热部件中烧结镁砂、Fe 2 O 3 细粉、ZrO 2 细粉质量分数之比为86.4∶9.6∶4.0的固体蓄热电暖装置作为优化组，将烧结镁砂与Fe 2 O 3 细粉质量分数之比为85∶15的固体蓄热电暖装置作为参照组，进行模拟实验，优化组前表面温度最低，其抗热震性最佳。 ③　使用优化后固体蓄热部件的固体蓄热电暖装置与优化前相比，使用寿命提高。 1. 中国冶金百科全书总编辑委员会《耐火材料》卷编辑委员会 , 冶金工业出版社《中国冶金百科全书》编辑部 .  中国冶金百科全书—耐火材料 [M].  北京 : 冶金工业出版社 , 1997 : 165 - 166 . 2. AKSEL C , RAND B , RILEY F L , et al .  Thermal Shock Behaviour of Magnesia-Spinel Composites [J].  Journal of the European Ceramic Society , 2004 ( 9 ): 2839 - 2845 . 3. 张骋 , 黄德信 , 徐兵 , 等 .  氧化镁陶瓷抗热震性能 [J].  稀有金属材料与工程 , 2009 ( S2 ): 1207 - 1209 . 4. 狄玉丽 , 赵星滔 , 郑博 , 等 .  烧结工艺及Nd 2 O 3 对氧化镁陶瓷烧结及抗热震性能的影响 [J].  稀土 , 2021 ( 1 ): 61 - 71 . 5. 张涛 , 袁宁 .  氧化锆改性镁基复相材料热膨胀行为研究 [J].  化工新型材料 , 2020 ( 8 ): 152 - 155 . 6. 薛宗伟 .  添加剂对氧化镁陶瓷热震稳定性的影响(硕士学位论文) [D].  鞍山 : 辽宁科技大学 , 2019 ： 4 - 5 7. AKSEL C , WARREN P D , RILEY F L .  Magnesia–Spinel Microcomposites [J].  Journal of the European Ceramic Society , 2004 ( 10/11 ): 3119 - 3128 . 8. OTHMAN A G M , KHALIL N M .  Sintering of Magnesia Refractories Through the Formation of Periclase–Forsterite–Spinel Phases [J].  Ceramics International , 2005 ( 8 ): 1117 - 1121 . 9. 宋佩耕 ， 张甜甜 ， 韩东亮 ， 等 .  固体蓄热电供暖装置的结构优化 [J].  煤气与热力 , 2022 ( 8 ): A21 - A25, A 39 . Experimental Study on Optimization of Thermal Shock Resistance of Solid Heat Storage Components LI Zhuoyang 1, 2 TAN Yufei 1, 2 SONG Peigeng 1, 2 Abstract To address the problems of poor thermal shock resistance and short service life of solid heat storage components in solid heat storage electric heating devices，an experimental study on the thermal shock resistance of such components was carried out. The main material was selected as MgO，and the additive materials were fine Fe 2 O 3  powder and fine ZrO 2  powder. By adjusting the ratio of the three materials，solid heat storage components with better thermal shock resistance were explored，and the operation process of the solid heat storage electric heating device was simulated. The experimental results show that when the mass ratio of sintered magnesia，Fe 2 O 3 ，and ZrO 2  is 86.4∶9.6∶4.0，the solid heat storage component exhibits a small attenuation rate of thermal conductivity and specific heat capacity after repeated high‑low temperature shock tests. The simulation results indicate that the solid heat storage electric heating device equipped with the optimized solid heat storage component has the lowest frontsurface temperature and the best thermal shock resistance. Compared with the original device，the service life of the device using the optimized solid heat storage component is improved. Keywords solid heat storage electric heating device ； solid heat storage component ； thermal shock resistance 引用本文： 李卓阳,谭羽非,宋佩耕.固体蓄热部件抗热震性优化实验研究[J].煤气与热力,2026,46(05):19-25. 基金信息： 国家自然科学基金资助项目（52278099） 中图分类号： TU832.2 文章编号： 1000-4416（2026）05-0019-07 文献标识码： A 责任编辑： 马艳   声明： 本文著作权归《煤气与热力》杂志社有限公司所有。