莫来石陶瓷蓄热材料的热震断裂特性研究

摘要

我国每年排放的矿井乏风瓦斯产量巨大，不仅造成了资源浪费，而且污染了环境。逆流氧化技术是现阶段唯一能以较低成本回收利用乏风瓦斯的技术。蜂窝陶瓷蓄热体是煤矿乏风氧化处理装置的核心部件，其正常稳定的运行是逆流氧化装置高效节能的保证。然而实际应用中的蜂窝陶瓷蓄热体工作时会经常出现蜂窝孔破损、错位、堵塞等一系列问题，不但影响了氧化装置的换热效果，降低了瓦斯的利用效率，而且严重时会影响设备的正常运行，给生产维护带来了严重的负担。为此，本文首先对蓄热体常用的莫来石陶瓷材料的热震断裂特性规律进行了研究，然后从结构上对蜂窝蓄热体进行了断裂失效分析，最后基于实验数据和数值模拟结果预测了蓄热体的使用寿命。
　　本文的研究工作具体如下：
　　（1）根据蓄热体的蓄放热工作特点，选用加热冷却法来模拟蓄热体的热工作环境，然后对莫来石蓄热材料分别进行了热冲击实验和热疲劳实验。热冲击实验中，利用单边切口梁法和三点弯曲法研究了莫来石陶瓷材料的剩余弯曲强度和断裂韧性随不同热震参数（温差、介质等）的变化规律。热疲劳实验中研究了不同热震温差下剩余弯曲强度随热冲击循环次数的变化规律，并为后续材料的热寿命预测提供了相关实验数据。
　　（2）从能量的角度出发，利用断裂功法间接计算了莫来石陶瓷材料的断裂能。研究了其随热震温差、裂纹深度的变化规律，并与线弹性断裂力学理论计算得到的能量释放率进行了对比分析。
　　（3）利用间接耦合法对简化后的蓄热体模型进行了热应力分析，得到了蓄热体换热过程中的温度场和应力场；通过分析温度场及应力场的变化规律找出了蓄热体换热过程中失效的危险点，并判断了危险点的断裂方式和蓄热体裂纹的断裂方向。
　　（4）基于陶瓷材料的热疲劳寿命理论和实验测得的莫来石试样高温温差下的热疲劳寿命，预测了其他温差下材料的热疲劳寿命；并基于热疲劳实验数据及强度衰减理论建立了材料的热震损伤方程，结合数值模拟的结果预测了蓄热体的使用寿命。
　　本文的研究工作为莫来石陶瓷蓄热体的工程设计、断裂分析、寿命预测、可靠性评价等提供了有利的参考依据，同时有助于促进逆流氧化技术在煤矿乏风回收利用上的发展与应用。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 陶瓷蓄热体的研究现状

1.3 研究内容及技术路线

第二章 莫来石陶瓷蓄热材料的热冲击断裂行为的实验研究

2.1 引言

2.2 热震理论基础

2.3 莫来石陶瓷的热震断裂实验

2.4 莫来石陶瓷的热冲击性能研究

2.5 莫来石陶瓷的热疲劳性能研究

2. 6 本章小结

第三章 莫来石陶瓷蓄热材料热震条件下断裂能的研究

3.1 引言

3.2 能量法简介

3.3 断裂功法实验原理

3.4 实验结果及讨论

3.5 本章小结

第四章 蜂窝蓄热体的断裂失效分析

4.1 引言

4.2 间接耦合理论基础

4.3 蓄放热过程中温度场分析

4.4 蓄热体的断裂破损分析

4.5 本章小结

第五章 莫来石陶瓷蜂窝蓄热体的热疲劳寿命预测

5.1 引言

5.2 莫来石陶瓷材料的热疲劳寿命预测

5.3 蜂窝蓄热体的热疲劳寿命预测

5.4 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的论文

致谢