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1、第十章 隔热耐火材料10.1 隔热耐火材料概述定义隔热耐火材料是指气孔率高，体积密度小，其有隔热性能，对热可起屏蔽作用的材料。由于隔热耐火材料的重量轻，通常又称为轻质耐火材料。隔热耐火材料，除了主要用在高于环境温度条件下防止热的流出损失外，还用于低于环境温度的下以防止热的流入。在前一种情况下使用时，常称为保温材料。由于节能降耗的要求，隔热耐火材料得以迅速发展。10.1.1 隔热耐火材料分类隔热耐火材料的品种繁多，可从不同的角度进行分类。最常用的一种分类方法是根据材料的化学矿物组成或生产用原料进行分类和命名，如采用粘土原料、硅质或高铝质原料制成的轻质隔热耐火制品称为轻质粘土砖、轻质硅砖或轻质高铝
2、砖。如果按照使用温度来分类，隔热耐火材料可分为 3 种：1）低温隔热材料，600；2）中温隔热材料，6001200；3）高温隔热材料，1200。从体积密度来看，轻质隔热耐火材料的体积密度一般不大于 1.3 gcm-3 ，常用的轻质隔热耐火材料的体积密度为 0.6 1.0gcm -3 ，若体积密度为 0.3 0.4gcm -3 或更低，则称为超轻质隔热耐火材料。隔热耐火材料还可以根据材料的形态分为：粉粒状隔热材料、定形隔热材料、纤维状隔热材料和复合隔热材料等。1）粉粒状隔热材料有不含结合剂的直接利用耐火粉末或颗粒料作填充隔热层的粉粒散落关材料与含有结合剂的粉粒散落状轻质不定形隔热耐火材料。粉粒状
3、隔热材料使用方便，容易施工，在现场填充和制作即可成为高温窑炉和设备的有效的绝热层。2）定形隔热材料是指具有多孔组织结构的、形状一定的隔热材料，其中以砖形制品最为普遍，因而一般又称为轻质隔热砖。轻质隔热砖的特点是性能稳定，使用、运输和保管都很方便。3）纤维状隔热材料系棉状和纤维制品状隔热材料。纤维材料易形成多孔组织，因此，纤维状隔热材料的特点是重量轻、绝热性能好、富有弹性，并有良好的吸声和防震等性能。4）复合隔热材料，主要指纤维材料与期货材料配制而成的绝热材料，如绝热板、绝热涂层等隔热材料。从结构上看，隔热耐火材料系由固相和气相（气孔）构成。据此，隔热材料又可按固相与气相的存在方式和分布状态分为
4、以下三类：1）气相为连续相而固相为分散相的隔热材料；2）固相为连续相而气相为分散相的隔热材料；3）气相与固相都为连续相的隔热材料，这种分类方法对分析研究组织结构对隔热材料性能的影响比较方便。10.1.2 隔热原理热传递在隔热耐火材料热量交换中表现为三种方式：传导热 + 对流热 + 辐射热。具体表述见 225 页 2 段。理解：分子（ 原子 ）在晶格位置热振动，反映宏观物理量，温度；且能使物体温度传递；这是在红外波段范围内的能量传递。（声子导热）其他波段范围内的能量传递，也是电磁波迁移，可改变物质不同的物理性质。如高能粒子的辐射能量，在改变物体不同的物理性质同时，亦可改变物体温度。（光子导热）1
5、0.1.3 隔热耐火材料相分布与热导率的关系1.概述热导率(tlaermal conductivity)在单位时间内，单位温度梯度时，单位面积所通过的热量。它是直接表征物质导热能力的物理量，单位 w(mK)。曾称导热系数、导热率，用单位 kcal(cmhK)，1kcal(cmhK)=1163w(mK)。在稳定传 J 下导传热中，傅里叶公式为，式中 Q 为传热量，F 为传热面积， 为传热时间，dT/d 为温度梯度，UL 为热导率。可见 A 值越大，表示导热量越大。习惯上把 1称为热阻，表示阻止导热的能力。热导率是耐火材料最重要的热物理性能之一。对于高温热工设备的设计是不可缺少的重要数据，用于砌体
6、厚度设计、温度分布及热损失计算等。对于那些用于隔热的保温材料和要求导热性能良好的隔焰加热炉的结构材料，其热导率尤为重要。采用热导率小的材料砌筑炉墙可以减少厚度或热损失。采用热导率大的材料作为隔焰板和换热器管，可以提高炉膛温度和传热效率，耐火材料的热导率也直接影响制品的抗热震性、抗侵蚀性等重要使用性能。材料的 值与温度；物质晶相有关。构成耐火材料的多数氧化物晶体在室温以上时，随温度升高 值 下降。玻璃相的 值 随温度升高而增大。由玻璃相和晶体的混合物组成的耐火材料的 值，则随温度升高而上升或下降。由于许多硅酸盐玻璃和氧化物晶体在高温时能透过光子而导热(热辐射导热)，会使耐火材料高温下的有效 值
7、有所提高。材料的 值 大小主要由其化学组成、物相组成和显微结构所决定。不同组成的晶体的 有很大差异。材料的化学成分越复杂，杂质含量越多，尤其是形成固溶体时， 直下降越明显。例如镁铝尖晶石的 值比 Al2O3和 MgO 的都小。晶界，尤其是晶界上的杂质和畸变，会使 有所降低，因为气体的 。比固体要小得多，所以材料中的气孔能显著降低材料的 值。常见的耐火材料的热导率随温度变化的规律，见图。由于成分、结构的差异，各种耐火材料 值 差别很大。碳化硅制品是高热导率的品种。随着制品中 SiC 含量减少， 值显著降低。石墨是高导热的，含碳耐火材料也具有高 值，且与石墨种类、碳含量密切相关。其值易于用石墨加入
8、量进行调节。镁砖的 值随温度升高而显著下降。高纯刚玉砖、烧结白云石砖、氧化锆砖和镁铬砖的 值随温度升高而缓慢降低。碳化硅砖、硅砖、橄榄石砖的川直则随温度升高而增大。多数耐火材料的 值在 16W(mK)之间。隔热材料的 值在 002035W(mK)之间，且随温度升高而增大。2. 材料类型隔热材料（绝热材料）类型不同，导热系数不同。隔热材料的物质构成不同，其物理热性能也就不同；隔热机理存有区别，其导热性能或导热系数也就各有差异。即使对于同一物质构成的隔热材料，内部结构不同，或生产的控制工艺不同，导热系数的差别有时也很大。对于孔隙率较低的固体隔热材料，结晶结构的导热系数最大，微晶体结构的次之，玻璃体
9、结构的最小。3. 热流方向导热系数与热流方向的关系，仅仅存在于各向异性的材料中，即在各个方向上构造不同的材料中。纤维质材料从排列状态看，分为方向与热流向垂直和纤维方向与热流向平行两种情况。传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些。一般情况下纤维保温材料的纤维排列是后者或接近后者，同样密度条件下，其导热系数要比其它形态的多孔质保温材料的导热系数小得多。见 226 页 图 102 （a）；其分析：见 226 页 公式。对于各向异性的材料(如木材等)，当热流平行于纤维方向时，受到阻力较小；而垂直于纤维方向时，受到的阻力较大。以松木为例，当热流垂直于木纹时，导热系数为0.1
10、7w/(mK)，平行于木纹时，导热系数为 0.35W/(mK)。10.1.4 热导率与温度，体积密度和气孔的关系1. 热导率与温度的关系温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升。因为温度升高时，材料固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响，在温度为 0-50范围内并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。 见 228 页 图 103 2. 热导率与体积密度的关系容重(或比重、密度)是材料气孔率的直接反映，由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数，所以保温隔热材料往往都具有很高的气孔率，也即具有较小的容重。
11、一般情况下，增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降。但对于表观密度很小的材料，特别是纤维状材料，当其表观密度低于某一极限值时，导热系数反而会增大，这是由于孔隙率增大时互相连通的孔隙大大增多，从而使对流作用得以加强。因此这类材料存在一个最佳表观密度，即在这个表观密度时导热系数最小。见 228 页 图 104 3. 热导率与气孔的关系气孔质材料分为气泡类固体材料和粒子相互轻微接触类固体材料两种。具有大量或无数多开口气孔的隔热材料，由于气孔连通方向更接近于与传热方向平行，因而比具有大量封闭气孔材料的绝热性能要差一些。对于孔隙率高的隔热材料，由于气体(空气)对导热系数的影响起主要作用，固体部分无论
12、是晶态结构还是玻璃态结构，对导热系数的影响都不大。在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸越大，导热系数越大；互相连通型的孔隙比封闭型孔隙的导热系数高，封闭孔隙率越高，则导热系数越低。见 228 页 图 105 10.1.5 热传递方式及研究高效隔热耐火材料原则 自学10.2 轻质耐火材料生产工艺10.2.1 轻质粘土制品生产1. 轻质耐火材料制备基本思路含铝量 30%-46%的轻质耐火制品，以粘土熟料或轻质熟料为主要原料，通常采用可燃物法生产，也可采用化学法或泡沫法形成多孔结构。配料与水混合制成可塑泥料或泥浆，以挤压成型或浇注成型，干燥后于 1250-1350氧化气氛中烧成。常用的粘土砖的体积密度为
13、0.75-1.2g/cm3 之间.现实中用比重为 1.0 的较多。2. 轻质粘土制品轻质粘土砖产品是由粘土熟料作骨料，耐火粘土作结合剂制成的 Al2O3 含量为 30-48%的耐火制品。该产品价格低廉，但热震稳定性好，隔热性能好，主要用于热力锅炉、玻璃窑炉、水泥窑炉、化肥造气炉、高炉、热风炉、焦化炉、电炉、铸造及浇钢用砖等。普通轻质隔热耐火砖生产的材质有粘土质、高铝质高强漂珠砖，低铁莫来石、高铝聚轻隔热耐火砖，硅藻土隔热耐火砖。 3. 可燃加入物特性 自学4. 可塑法成型生产工艺流程选择轻质隔热砖的生产工艺流程：(1)可燃物加入法。是在制砖的配料中加入易烧尽的可燃物(如锯木屑、石油焦、木炭、烟
14、煤和木质素等)。在制品烧成过程中，可燃物被烧掉，制品具有较高的气孔率。此法工艺简单、操作方便，但制品体积密度仍然较高，耐压强度也较差。用可燃物加入法生产粘土轻质隔热砖的工艺流程见图 1。图 1 可燃物加入法生产粘土轻质隔热砖工艺流程示意图成型方法分为半干法和可塑法，可根据加入物的特性进行选择。如果加入物没有弹性或弹性很小并且成型性能好，可选用半干法成型。当加入物有较大的弹性并且成型困难，则可选用可塑法成型。可塑法成型应设置困料室，将困好的泥料经螺旋挤泥机制成荒坯，再经机压或手工成型制成砖坯。经 12801520烧制成粘土轻质砖。2310.2.2 轻质高铝砖生产多孔轻质耐火制品主要有轻质砖、轻质
15、高铝砖、空心球制品和轻质耐火混凝土。生产的方法很多，但无论采用何种方法，根本目的在于制取具有气孔率高、气孔尺寸小、分布均匀、体积密度小、稳定性高和绝热性能好而强度也较高的绝热耐火制品。1. 制取稳定泡沫的原理泡沫的含义： 见 230 页 1 段泡沫，是聚在一起的许多小泡。由不溶性气体分散在液体或熔融固体中所形成的分散物系。泡沫剂：是一种表面活性物质，由高分子；无机碱等及水混合而成。泡沫剂，又称发泡剂，是指能够降低液体表面张力，产生大量均匀稳定的泡沫，是用以生产泡沫混凝土的外加剂。泡沫剂能使其水溶液在机械作用力引入空气的情况下，产生大量泡沫，就是表面活性剂或者表面活性物质，实质就是它的表面活性作
16、用。没有表面活性作用，就不能发泡。泡沫形成分析：从气球模型得知，大气压力与固体胶皮表面张力平衡气球内气压，构成稳定体系。泡沫由散布在液体中的气泡组成。在气泡形成过程中，出现了气-液分界面，立即使得表面活性剂譬如润湿分散剂、乳化剂的极性分子饱和。这样形成的气泡在液体中也向着极性分子层向上运动。这时每个气泡壁由两个表面活性剂分子层组成，保留少量的液体。这种结构加强了气泡壁的抵抗能力，因此使得泡沫的稳定存在。很多因素影响泡沫的形成和稳定，其中有以下方面：搅拌和使用过程，温度，pH 和媒介的粘性。因此需要使用一种可以降低表面张力和泡沫形成的机械抵抗性能的助剂，它能使气泡破裂和阻止气泡形成泡沫稳定泡沫稳定性的因素除了膜的强度和膜的弹性外，影响泡沫稳定性因素还有体相粘度和表面粘度。体相粘度和表面粘
