9種不同種類耐火保溫材料在高溫窯爐中的應(yīng)用

 

1.玻璃棉保溫材料

 

玻璃棉是一種無機(jī)纖維隔熱吸聲材料，生產(chǎn)方法有火焰法、蒸汽立吹法和離心噴吹法。目前，由于用火焰噴吹法進(jìn)行生產(chǎn)的火焰棉能耗高，渣球含量高等原因，已被離心抽絲法所替代，此種方法能耗低，無渣球，無污染，是主要的生產(chǎn)工藝。此種方法的具體工藝過程是：將石英粉、白云石、純堿、硼砂等原料混合均勻后在熔窯內(nèi)熔化成玻璃液，借助燃?xì)夂涂諝饣旌蠚怏w從高速旋轉(zhuǎn)的離心器噴嘴中高速噴出，通過離心器漏孔甩出成一次纖維;然后在環(huán)狀燃燒室中牽拉成很細(xì)的纖維;然后通過成形、沉降、聚集、噴粘結(jié)劑等工藝，就制成了玻璃棉。玻璃棉的化學(xué)成分主要是SiO2(≥60%)和Al2O3，除此以外還含有CaO、MgO、堿金屬氧化物及B2O3等物質(zhì);其導(dǎo)熱系數(shù)在0.037～0.039W/(m·K)之間。玻璃棉具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、易成型、絕緣性能好、抗腐蝕和疲勞損傷，被廣泛地應(yīng)用于航空、石化、加工等領(lǐng)域，一般上限使用溫度在500℃～600℃左右。

 

 

玻璃棉示意圖

 

2.礦(巖)棉保溫材料

 

礦(巖)棉屬于礦物棉，物質(zhì)的主要成分是SiO2和Al2O3，其余是CaO和少量的MgO、Fe2O3等物質(zhì)。巖棉以玄武巖和輝綠巖等天然火成巖為主要原材料，再加以適量輔助性材料、粘結(jié)劑等，經(jīng)高溫熔融離心噴吹制成纖維;巖棉主要是通過噴吹法、離心法、離心噴吹法制備。目前國內(nèi)外的礦(巖)棉均采用常規(guī)生產(chǎn)工藝，即將原料高溫熔融成液態(tài)，再經(jīng)高壓空氣、蒸汽噴吹或高速離心法將其制成細(xì)纖維，得到礦(巖)棉的原棉，再將原棉通過不同工藝制成所需的板、管、粒等系列產(chǎn)品。礦(巖)棉多孔纖維狀的結(jié)構(gòu)，使得它在室溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.04W/(m·K)，有著良好的隔熱性能;同時(shí)，巖棉板也有一定的抗壓強(qiáng)度。

 

礦(巖)棉及其系列產(chǎn)品隔熱保溫、吸聲隔音、阻燃、耐高溫、不腐、不蛀等優(yōu)點(diǎn)使它由起初單一的工業(yè)保溫隔熱向核反應(yīng)堆、船舶、吸聲板等特殊領(lǐng)域進(jìn)軍。礦(巖)棉通常使用溫度在600℃以下，上限使用溫度可達(dá)650℃，是目前國內(nèi)外使用較為普遍的保溫隔熱材料?，F(xiàn)在更多的是應(yīng)用在有防火等級(jí)要求的建筑物中，例如北歐人均使用量達(dá)到20kg，相比之下，我國礦(巖)棉的人均消費(fèi)量還很低。國內(nèi)礦(巖)棉在建筑外墻保溫的應(yīng)用上相比于歐洲起步較晚，蘭州的甘肅建筑科學(xué)研究院辦公樓的外墻保溫是國內(nèi)在這方面比較早的應(yīng)用，效果良好;雖然這比國外晚了20年左右，但近幾年，國內(nèi)礦(巖)棉行業(yè)廣泛引進(jìn)國外生產(chǎn)技術(shù)，積力于礦(巖)棉的開發(fā)研制，已經(jīng)取得了快速的發(fā)展。巖棉除單獨(dú)作為保溫材料使用外，還可以和酚醛樹脂、黃麻纖維等材料按一定比例制作混合型復(fù)合材料。

 

 

示意圖

 

3.硅酸鈣絕熱保溫材料

 

硅酸鈣絕熱材料又稱微孔硅酸鈣隔熱材料，制作原材料一般是石灰、石棉等硅質(zhì)原料，制作過程如圖1所示：

 

 

硅酸鈣絕熱保溫材料制作過程

 

除上述方法外，也可以以工業(yè)生產(chǎn)中的殘留廢棄固相物體、陶瓷渣、大理石碎片為原材料通過特定工藝制得硅酸鈣材料。硅酸鈣隔熱材料耐火保溫，容重小，高溫環(huán)境下仍有一定的機(jī)械強(qiáng)度，是一種性能優(yōu)良的保溫材料，在冶金、船舶等行業(yè)的熱工設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用。

 

 

示意圖

 

硅酸鈣材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.05W/(m·K)左右，按使用溫度可分為低溫型和高溫型兩種：低溫型的絕熱保溫材料主要成分是雪鈣石，亦稱托貝莫來石，其分子式為5CaO·6SiO2·5H2O，上限使用溫度在650℃左右;高溫型使用溫度可達(dá)到1000℃左右，其主要成分是硬硅鈣石，分子式為6CaO·SiO2·H2O。低溫型的隔熱材料主要應(yīng)用在石化工業(yè)上，而高溫型硅酸鈣絕熱保溫材料主要應(yīng)用在冶金、工業(yè)設(shè)備及管道、化工上等。硅酸鈣絕熱保溫材料從美國的歐文斯-康寧纖維-玻璃公司(OwensCorningFiber-Galss)研究出來至今有近70年的時(shí)間，我國在這方面的研究是從上世紀(jì)七十年代開始，主要是采用澆注法研制托勃莫來石型耐火保溫材料，通過研究人員的不懈努力，硅酸鈣保溫材料在八十年代中期得到快速發(fā)展。目前，行業(yè)人員已經(jīng)研制出了超輕微孔硅酸鈣保溫隔熱材料以及硅酸鈣復(fù)合納米孔絕熱防火板材料;硅酸鈣材料應(yīng)用廣泛，未來的研究方向主要是超輕、憎水、高強(qiáng)度、高絕熱的硅酸鈣絕熱材料。

 

4.復(fù)合硅酸鹽保溫材料

 

復(fù)合硅酸鹽耐火保溫材料是以固體基質(zhì)連接的封閉孔型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，主要是以鋁鎂硅酸鹽的特種非金屬礦為基料，摻入定量輔助材料及填充材料，再加入合適化學(xué)添加劑制備而成的材料。之所以具有保溫特性是因?yàn)樗哂蟹忾]的微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一般用靜電原理和濕法工藝以玄武石、白玉石等礦物原材料制備。其主要化學(xué)成分為SiO2和MgO，以及少量的Fe2O3、CaO、Al2O3、MnO2等;室溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.031W/(m·K)，350℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.117W/(m·K)。復(fù)合硅酸鹽材料阻燃隔熱，力學(xué)上有一定的抗拉抗沖擊性能，常用于冶金、電力、化工等行業(yè);混合攪拌凝膠化壓濾成型干燥成品除了一般熱力設(shè)備的保溫，它對(duì)于異型設(shè)備和一些非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備也有著重要作用，是隔熱材料的優(yōu)選產(chǎn)品。近年來，復(fù)合硅酸鹽保溫涂料也有了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，如稀土復(fù)合保溫材料等。

 

FBT(稀土)系列復(fù)合保溫材料是專利產(chǎn)品，它以礦物和多種化學(xué)試劑為原料，經(jīng)特殊工藝制成的一種白色或灰白色粘稠狀膏體;常溫或高溫狀態(tài)下均可施工，適用于各種管道、加熱爐等熱工設(shè)備和傳統(tǒng)保溫材料不易解決的異形閥門、室內(nèi)異形管道和變徑管等設(shè)備，施工簡單，干燥后與設(shè)備本身緊密結(jié)合，耐腐蝕、防水，無氣孔和縫隙，使用壽命長，并且能起到良好的隔熱效果，上限使用溫度可達(dá)1200℃。

 

海泡石類的保溫材料是近期研究出來的復(fù)合硅酸鹽隔熱材料中的良好成果，憑借保溫隔熱，高溫體積穩(wěn)定、抗侵蝕等諸多優(yōu)異的性能條件，在耐火保溫材料行業(yè)中占有一席之地，有廣泛的應(yīng)用市場。其他復(fù)合硅酸鹽系列產(chǎn)品也廣泛的應(yīng)用于保溫行業(yè)，通常其使用溫度在600℃～700℃左右。

 

5.閉孔珍珠巖保溫材料

 

閉孔珍珠巖是選用天然珍珠巖礦經(jīng)過一系列復(fù)雜工藝制得，其工藝過程：珍珠巖原礦→粉碎篩選成珍珠巖礦砂→預(yù)熱→多級(jí)加熱→膨脹?；?rarr;冷卻處理→成品。其主要成分如表1。

 

 

表1 閉孔珍珠巖主要成分及含量

 

閉孔珍珠巖膨脹燒結(jié)后，呈?；蛐吻覂?nèi)部為封閉的空心結(jié)構(gòu)，即通過準(zhǔn)確的控制加熱溫度和時(shí)間，使礦砂在短時(shí)內(nèi)迅速膨脹，內(nèi)部形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，淺表溶融并形成封閉氣孔，表面?；晌A球狀顆粒，與外形不規(guī)則，表面多空的膨脹珍珠巖相比，閉孔珍珠巖具有吸水率低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)在0.047W/(m·K)到0.054W/(m·K)之間;再加上它具有環(huán)保、吸聲隔音、保溫不燃、輕質(zhì)多孔、流散性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，使得它可以作為耐火磚的保溫骨料及爐窯隔熱層的填充材料等。耐火度高達(dá)1360℃，通常珍珠巖類產(chǎn)品使用溫度為800℃左右。

 

閉孔膨脹珍珠巖主要是作為保溫骨料和添加到耐火類材料制成新型隔熱材料，如珍珠巖保溫耐火磚、保溫砂漿及保溫混凝土等。珍珠巖保溫磚是將閉孔珍珠巖和耐火骨料混合，添加合適的結(jié)合劑、穩(wěn)定劑和固化劑等制成輕質(zhì)保溫磚，這種耐火磚性能優(yōu)良，具有較好的實(shí)際應(yīng)用，是一種新型工業(yè)墻體材料。保溫砂漿是將適量閉孔膨脹珍珠巖添加到砂漿中制得的保溫材料，它有著質(zhì)輕隔熱、阻燃耐高溫和凝結(jié)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，目前閉孔珍珠巖保溫砂漿在這方面取得了好的成果。如輕質(zhì)隔熱保溫澆注料專利中(專利號(hào)：CN102503467A)采用閉孔珍珠巖作為保溫骨料(含量10%～30%)，另加入莫來石空心球、高鋁水泥、固體水玻璃、鋁硅溶膠等制成保溫澆注料，施工簡單，保溫隔熱性能良好。鑄造生產(chǎn)中將閉孔珍珠巖和耐火骨料等按一定比例混合制成保溫冒口和保溫補(bǔ)貼，可以提高鑄件質(zhì)量，減少生產(chǎn)工序?；炷林屑尤肭蛐伍]孔膨脹珍珠巖及減水劑，在不影響材料本身的抗折性、抗壓性等力學(xué)性能的前提下，可以起到隔熱降噪的作用。

 

6.漂珠類耐火保溫材料

 

漂珠是粉煤灰在電廠鍋爐內(nèi)燃燒時(shí)，高溫環(huán)境下脫水、熔融成微液滴，并在空氣作用下形成渾圓球體;經(jīng)過多種物理化學(xué)反應(yīng)，生成的氣體在球體內(nèi)膨脹，再配合表面張力作用，球體變成中空玻璃泡，然后迅速冷卻、硬化，終形成高真空的玻璃態(tài)空心漂珠。主要成分是SiO2和Al2O3，還含有Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O和Na2O等，其中硅鋁氧化物占80%以上。不同產(chǎn)地的漂珠其物質(zhì)含量、色澤都稍有不同，大多數(shù)是呈灰白色，薄壁中空，表面封閉而光滑的具有透明半透明白色珍珠光澤的球形顆粒，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.065W/(m·K)。粉煤灰漂珠具有容重小、耐火度高，阻燃、耐侵蝕、高強(qiáng)度、保溫絕緣等特性，是使用廣泛的耐火原材料之一，特別是在冶金、石油、機(jī)械、熱處理等部門的工業(yè)窯爐和鑄造生產(chǎn)中的保溫補(bǔ)貼上。通常情況下，漂珠類保溫材料的工作溫度不高于1000℃。

 

國外對(duì)于漂珠類制品的開發(fā)研究開始于上世紀(jì)中期，主要是研究粉煤灰漂珠的形成機(jī)理、化學(xué)物理性能、隔熱機(jī)理[26]以及以漂珠為主要保溫骨料的漂珠磚等耐火材料。國內(nèi)對(duì)漂珠的研究相對(duì)于國外較落后，很多方面的理論知識(shí)都是借鑒了國外的文獻(xiàn)，但是，經(jīng)過多年的研究開發(fā)，也取得了諸多成就，漂珠保溫磚、漂珠復(fù)合保溫材料和漂珠隔熱涂料相繼研制成功。如有些專利產(chǎn)品中漂珠耐火保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù)可以在0.18W/(m·K)上下，常溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa，熱震穩(wěn)定性800℃空冷10分鐘的次數(shù)可以達(dá)到30次;楚林[27]在鋁磷酸鹽漂珠的研究中，以磷酸二氫鋁為結(jié)合劑，氫氧化鋁為固化劑制備一種漂珠保溫材料，材料抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到4.346MPa，體積密度0.517g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)0.069W/(m·K);李文丹等以粉煤灰漂珠為基體利用非均相沉淀法制備了高熱反射率的外墻隔熱涂料等。

 

7.納米孔硅質(zhì)隔熱材料

 

氣體的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流、固體材料的熱傳導(dǎo)是材料傳遞熱量的主要途徑，因此探索一種能夠同時(shí)阻礙材料各種傳熱方式的新材料是關(guān)鍵所在，通過科研人員不斷的努力研究，然后納米孔硅質(zhì)隔熱材料進(jìn)入人們的視野。

 

空氣和大部分氣體雖然在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的熱導(dǎo)率很小，但是熱對(duì)流的存在加大了熱量傳遞的幅度，而納米孔硅質(zhì)絕熱材料中SiO2氣凝膠微孔尺寸小于50nm，微孔尺寸足夠小且小于氣體分子的平均自由程，使得氣體分子之間不發(fā)生碰撞或碰撞幾率很小，基本無法進(jìn)行對(duì)流傳熱，從而阻斷了氣體分子的熱傳導(dǎo);硅質(zhì)氣凝膠這一理想的微孔結(jié)構(gòu)使得它在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)在0.03～0.05W/(m·K)之間，比空氣的熱導(dǎo)率還要低;而且它在常溫下還有良好的透光性，以及遮蔽紅外線的功能。所以無定型SiO2憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和本身性能優(yōu)點(diǎn)成為了制備納米微孔絕熱材料的主體材料，目前得到實(shí)際應(yīng)用的納米絕熱材料的納米孔載體就是SiO2氣凝膠。氣凝膠更是和真空絕熱板(VIP)一起被稱作是比較、非常有發(fā)展前景的絕熱材料。相對(duì)于SiO2氣凝膠納米孔隔熱材料，氣相SiO2是制備納米孔隔熱材料的又一研究方向;AbeH.Y.等以氣相SiO2為主要原料，SiC為遮光劑，無堿玻璃纖維為增強(qiáng)劑，通過干法成型工藝制備了納米SiO2多孔絕熱材料，其制品的斷裂應(yīng)力達(dá)到1.58MPa，400℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.0282W/m·K，氣孔率為80.1%。國內(nèi)對(duì)于氣相法制備納米SiO2隔熱材料也有很大成果，封金鵬等人采用水蒸氣蒸養(yǎng)法用納米SiO2粉體、SiC等材料制成納米SiO2多孔絕熱材料。納米孔硅質(zhì)隔熱材料憑借著其輕質(zhì)、多孔、隔熱性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了很多科研人員的研究目標(biāo);這種輕質(zhì)多孔絕熱材料在航空航天、船舶、建筑等行業(yè)有很大的開發(fā)空間。此類材料可以在950℃高溫環(huán)境下長期使用，更高溫度可以達(dá)到1025℃，甚至一些優(yōu)化型材料可以在1200℃高溫環(huán)境下工作一段時(shí)間。

 

8.蛭石隔熱材料

 

蛭石是鐵、鎂含水硅鋁酸鹽類礦物，主要是黑云母、金云母和粘土礦物等熱液蝕變或風(fēng)化的產(chǎn)物，也有些是由基性巖受酸性巖漿的侵蝕變質(zhì)而成[34]。目前，蛭石的應(yīng)用主要還是體現(xiàn)在膨脹蛭石上，膨脹蛭石是蛭石經(jīng)膨脹(又叫剝分)工藝后的產(chǎn)物，在國外又稱作剝分蛭石，國內(nèi)外普遍采用物理方法和化學(xué)方法對(duì)蛭石進(jìn)行剝分，剝分后的產(chǎn)物分別稱作熱膨脹蛭石和化學(xué)剝分蛭石，綜合比較下，后者能耗相對(duì)于前者較低，而且此方法不會(huì)破壞蛭石的結(jié)構(gòu)。

 

蛭石多為層狀結(jié)構(gòu)，膨脹后的蛭石層片間有空氣間隔層，起到隔熱作用，其導(dǎo)熱系數(shù)在0.04～0.12W/(m·K)之間，熱絕緣性好，同時(shí)它高達(dá)1400℃的熔點(diǎn)以及低至0.9g/cm3的密度使得它在輕質(zhì)材料和防火隔熱材料上有著重要的應(yīng)用，不僅可以把它單獨(dú)作為隔熱層，還可以和水玻璃、水泥等結(jié)合劑混合壓制成隔熱材料使用，有時(shí)也把它作為隔熱層的填充料，但是由于制品強(qiáng)度不夠高，一般不用于承重結(jié)構(gòu);使用溫度一般不高于1100C。此外，膨脹蛭石的聲絕緣性和吸附性讓它在隔音材料和吸附劑等方面也有應(yīng)用。

 

2009年，周國富等人研究開發(fā)出一種膨脹蛭石防火板，防火板良好的阻燃保8溫高強(qiáng)度性能，使膨脹蛭石的應(yīng)用不僅僅只是停留在骨料、填充料上，還可以像木材一樣制成用于防火、吸聲、隔斷的板材等;此種防火板在1150C的高溫下工作5h以后，測得其抗壓強(qiáng)度為1.61MPa，強(qiáng)度指標(biāo)大于有關(guān)絕熱材料的強(qiáng)度要求，市場發(fā)展前景廣闊。

 

9.硅酸鋁纖維耐火保溫材料

 

硅酸鋁耐火纖維又稱為陶瓷纖維，其主要組成是SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O等，其中SiO2和Al2O3占95%以上，F(xiàn)e2O3約占0.98%，K2O和Na2O約占0.5%。硅酸鋁纖維的表面光滑，內(nèi)部固相物質(zhì)以連續(xù)骨架形式存在，配合間隙中的低熱導(dǎo)率空氣，起到了保溫效果。生產(chǎn)硅酸鋁耐火纖維的方法是將精選的焦寶石原料在2000℃以上的電爐里融化，再采用噴吹或離心等方法使之纖維化。硅酸鋁耐火纖維按照其成分和使用溫度可以分為3類，如表2所示：

 

 

表2 硅酸鋁耐火纖維分類

 

近幾十年來，由于硅酸鋁纖維的優(yōu)良性能，國內(nèi)外硅酸鋁行業(yè)高速發(fā)展，新型產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，如硅酸鋁纖維氈、纖維紙、纖維繩等。硅酸鋁的研究也取得了很大的成果，耐高溫溫度也從1300℃提高到1800℃，甚至更高的溫度。此外，以硅酸鋁耐火纖維為原料，配以結(jié)合劑、穩(wěn)定劑等制備的耐火纖維紙可作為高溫環(huán)境中的隔熱材料、緩沖材料，還可以制成管形和各種異型保溫材料及鑄造保溫冒口等材料。把硅酸鋁纖維紙應(yīng)用在航空航天器的隔熱層上是目前前沿的研究之一;美國的金剛砂公司在這方面的研究較為深入。而國內(nèi)的硅酸鋁纖維紙是采用高純度的陶瓷纖維制成，纖維紙的各項(xiàng)優(yōu)良性能讓它在高溫隔熱領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。

 

 

示意圖

 

除上述保溫材料外，硅藻土保溫材料、保溫砂漿、保溫涂料和陶瓷混凝土等在耐火保溫行業(yè)中也有著廣泛的應(yīng)用;特別是陶瓷混凝土保溫材料采用蛭石、粉煤灰做填料，硅鋁酸鹽做粘結(jié)劑的研究，使材料具有低熱導(dǎo)率和較高的抗熱震性能。

 

巨大的市場需求推動(dòng)著耐火保溫材料的快速發(fā)展，但是在發(fā)展過程中也出現(xiàn)了諸多問題，如耐火原材料的無序開采和不當(dāng)利用導(dǎo)致了嚴(yán)重的資源浪費(fèi);環(huán)境問題還沒有解決，使用過期、被破壞的廢棄耐火材料還未得到妥善的處理等;因此“綠色、高性能”是今后判斷耐火保溫材料好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。除此以外，耐火保溫材料多數(shù)都是疏松多孔的，材料中空隙占很大比重，材料在接觸到水分時(shí)，會(huì)大量吸水，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，這就會(huì)嚴(yán)重影響材料的保溫性能，目前解決的方法都是在保溫材料外層加置防水層，這就增加了成本，所以材料本身吸水率低，具有疏水特點(diǎn)的憎水性耐火保溫材料也是一個(gè)重要的研究目標(biāo)。目前，市場對(duì)耐火保溫材料的要求是多樣的，如爐窯墻壁耐火保溫材料有著高耐火度，低熱導(dǎo)率，良好的抗熱震性，耐侵蝕等優(yōu)異的力學(xué)性能和較小的體積密度，施工方便，以及無毒環(huán)保等要求;所以，高性能多功能，環(huán)保、性價(jià)比高的復(fù)合型耐火保溫材料必定是國內(nèi)外發(fā)展的目標(biāo)及熱點(diǎn)。