基于电蓄热炉的氧化铝结构陶瓷绝缘性能实验分析及应用

付江奇，赵 頔，刘吉堂，王启民

（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

电蓄热炉因其零污染、零排放、低成本、供暖方式灵活高效而成为近些年能源领域研究的热点之一。在电蓄热炉实际运行的过程中，由于电蓄热体材料的绝缘性能在高温、高电压工况下降低，从而导致电加热丝与蓄热体发生导电而熔断，严重威胁电蓄热炉的安全性。为了解决上述问题，需要对电加热丝加装套管以防止其与蓄热体发生导电情况。在套管材料的选择方面，氧化铝结构陶瓷具有较好的绝缘性和结构稳定性，以及耐高温、不怕氧化、硬度大、耐磨损、密度小等优点，因而成为了电加热丝套管材料的第一选择。本文选取了5 种市场上近几年来应用较为广泛的氧化铝结构陶瓷材料，以电蓄热炉为应用热力设备，对其高温绝缘性进行实验，从中选择出符合要求的氧化铝结构陶瓷材料。

1 绝缘性实验

1.1 主要材料

依据电加热丝套管材料对于高温条件下绝缘性的要求，选取目前市场上应用广泛且氧化铝成分含量在75%～99%的5 组陶瓷试样作为主要实验材料。

1.2 主要实验设备

为了保证材料的实验温度可以达到电蓄热炉满负荷条件下的炉膛温度，选用马弗炉作为实验热力设备。同时，为了在实验过程中能够随时测试材料的绝缘性能，采用常见的手摇式万用表作为实验测试仪器。

1.3 夹具设计

为了保证实验的准确性与可靠性，在夹具设计方面，排除材料属性以外的其他因素对测试绝缘性能的影响，以不锈钢作为夹具外型的主要材料，制作长方体模具，仅保留其两个加工表面和一定厚度，并在其中一个表面攻制螺纹孔并配制长度可调节的螺栓。在模具内，靠近两表面处分别放置耐火绝缘铺垫材料，以防止模具与试样陶瓷在高温条件下出现导电情况。耐火绝缘材料之间放置两组型号完全相同的试样陶瓷，并使用具有一定厚度的抗高温不锈钢极片隔离。不锈钢片的一侧采用特殊焊接方法将导电性能良好且具有一定硬度的铁丝焊接成一体，铁丝另一端直接与万用表相连。考虑陶瓷试样的厚度和形状的差异性，整个夹具设计完成后可根据不同陶瓷组装的具体情况通过螺栓灵活调节夹具间隙。夹具结构与800 ℃下所拍摄的实验效果如图1和图2所示。

图1 夹具结构

图2 800 ℃下拍摄的实验效果

1.4 高温绝缘性能测试实验过程

按照实验对于材料的区分要求，对所有陶瓷实验试样进行分类编号，依据陶瓷试样中氧化铝成分含量的不同规制编号为1～5。组装夹具分别将5组试样放置马弗炉中，将炉内温度逐步提高至实验所需最高温度进行升温实验，并在升温过程中使用手摇式万用表对材料在不同温度下的电阻值进行测量并记录。当温度达到实验设定最高温度后，停止升温并打开马弗炉隔离门，使炉内温度自然下降进行降温实验，同时使用万用表对材料在不同温度下的电阻值进行测量，直至测量数值多次出现∞值时，实验结束。实验装置简图及材料在电蓄热炉中的应用如图3和图4所示。

图3 实验装置

图4 陶瓷材料在电蓄热炉中的应用

2 结果分析、验证与应用

在升温和降温实验过程中，温度每次变化100 ℃时使用万用表测量一次电阻值，部分实验结果如表1和表2所示。

表1 陶瓷试样升温实验部分结果 MΩ

表2 陶瓷试样降温实验部分结果 MΩ

2.1 结果分析

由表1 可以看出，5 组陶瓷材料的电阻值随着温度的不断升高都出现了不同程度的减小。当温度在500 ℃～800 ℃范围内时，所有陶瓷材料的电阻值均明显呈现出断崖式、不规律的下降。这说明随着温度的不断提升，材料的绝缘性能都受到不同程度影响，甚至在高温条件下表现出了导电性。结合5 组陶瓷材料升温实验的结果可知，陶瓷3 升温至800 ℃时，其电阻值达到20 MΩ，且在相同温度条件下其电阻值高于其他4组陶瓷试样。

由表2 可以看出，5 组陶瓷材料的电阻值随着温度的不断下降呈快速增长趋势。其中，陶瓷1、陶瓷2、陶瓷4 和陶瓷5 的温度降至400 ℃～300 ℃范围内时，其电阻值恢复为∞。陶瓷3 的温度降至600 ℃时，其电阻值为∞，且随着温度不断降低，其电阻值恢复为∞的速度大于其他4组陶瓷材料。

综上所述，在高温条件下陶瓷3 的绝缘性能高于其他4 组陶瓷材料，且在温度不断变化的过程中其绝缘性能保持稳定。

2.2 验证与应用

为了验证实验结果的准确性和可靠性，将实验中的极限温度提高至850 ℃，并针对试样陶瓷3 进行多次实验，所得结果如表3和表4所示。

表3 陶瓷3试样升温实验部分结果 MΩ

表4 陶瓷3试样降温实验部分结果 MΩ

由表3和表4可知，当温度升高至850 ℃（电蓄热炉满负荷极限温度）时，6 次实验的电阻值在6 MΩ～160 MΩ 范围内波动。其中，有4 次的试验结果集中在35 MΩ～50 MΩ范围内，这说明在电蓄热锅炉运行的极限温度下陶瓷3 依然保持稳定的绝缘性。当温度下降时，试样材料的电阻值呈指数增长，当温度降至700 ℃时，5 次试验结果接近∞，1 次结果为125 MΩ；当温度下降至600 ℃时，电阻值均接近∞。

综上所述，陶瓷3 经过多次实验，在高温和变温工况下依然保持良好的绝缘性能，同时也验证了初步实验结论的可靠性和准确性。

以上述实验分析和结论为理论依据，结合电蓄热炉实际蓄热体的尺寸和电加热丝的有效长度，将陶瓷3作为高温绝缘套管材料安装于电蓄热锅炉炉膛的相关位置。通过蓄热体的蓄放热实验，进一步验证了陶瓷3不仅有效地解决了电阻丝与蓄热体材料因高温导电而发生的熔断现象，而且其良好的耐磨损和抗热震性使电蓄热炉在实际运行中取得了不错的效果，保障了电蓄热炉运行的安全性和可靠性。

3 结论

本文研究了电蓄热炉中电加热丝的高温套管材料，选取了氧化铝成分含量不同的5 种陶瓷试样进行高温绝缘性能实验，所得结论如下：

1）通过5 组试样的变温实验，筛选出符合电蓄热炉的电加热丝套管的最佳绝缘性能材料——陶瓷3，即某厂家的99高铝结构陶瓷；

2）针对陶瓷3，提高极限温度（850 ℃左右）后多次进行变温实验，通过实验结果进一步验证了材料筛选的准确性和可靠性，并将所选陶瓷材料应用于电蓄热炉的电加热丝套管材料中，取得了较为理想的结果。