9種不同種類耐火保溫材料在高溫窯爐中的應用

 

1.玻璃棉保溫材料

 

玻璃棉是一種無機纖維隔熱吸聲材料，生產方法有火焰法、蒸汽立吹法和離心噴吹法。目前，由于用火焰噴吹法進行生產的火焰棉能耗高，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熔化成玻璃液，借助燃氣和空氣混合氣體從高速旋轉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的纖維;然后通過成形、沉降、聚集、噴粘結劑等工藝，就制成了玻璃棉。玻璃棉的化學成分主要是SiO2(≥60%)和Al2O3，除此以外還含有CaO、MgO、堿金屬氧化物及B2O3等物質;其導熱系數在0.037～0.039W/(m·K)之間。玻璃棉具有一定的機械強度、易成型、絕緣性能好、抗腐蝕和疲勞損傷，被廣泛地應用于航空、石化、加工等領域，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，物質的主要成分是SiO2和Al2O3，其余是CaO和少量的MgO、Fe2O3等物質。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、粘結劑等，經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。目前國內外的礦(巖)棉均采用常規(guī)生產工藝，即將原料高溫熔融成液態(tài)，再經高壓空氣、蒸汽噴吹或高速離心法將其制成細纖維，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、粒等系列產品。礦(巖)棉多孔纖維狀的結構，使得它在室溫時的導熱系數只有0.04W/(m·K)，有著良好的隔熱性能;同時，巖棉板也有一定的抗壓強度。

 

礦(巖)棉及其系列產品隔熱保溫、吸聲隔音、阻燃、耐高溫、不腐、不蛀等優(yōu)點使它由起初單一的工業(yè)保溫隔熱向核反應堆、船舶、吸聲板等特殊領域進軍。礦(巖)棉通常使用溫度在600℃以下，上限使用溫度可達650℃，是目前國內外使用較為普遍的保溫隔熱材料。現在更多的是應用在有防火等級要求的建筑物中，例如北歐人均使用量達到20kg，相比之下，我國礦(巖)棉的人均消費量還很低。國內礦(巖)棉在建筑外墻保溫的應用上相比于歐洲起步較晚，蘭州的甘肅建筑科學研究院辦公樓的外墻保溫是國內在這方面比較早的應用，效果良好;雖然這比國外晚了20年左右，但近幾年，國內礦(巖)棉行業(yè)廣泛引進國外生產技術，積力于礦(巖)棉的開發(fā)研制，已經取得了快速的發(fā)展。巖棉除單獨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)境下仍有一定的機械強度，是一種性能優(yōu)良的保溫材料，在冶金、船舶等行業(yè)的熱工設備上有著廣泛的應用。

 

 

示意圖

 

硅酸鈣材料的導熱系數在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用在石化工業(yè)上，而高溫型硅酸鈣絕熱保溫材料主要應用在冶金、工業(yè)設備及管道、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年的時間，我國在這方面的研究是從上世紀七十年代開始，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)人員已經研制出了超輕微孔硅酸鈣保溫隔熱材料以及硅酸鈣復合納米孔絕熱防火板材料;硅酸鈣材料應用廣泛，未來的研究方向主要是超輕、憎水、高強度、高絕熱的硅酸鈣絕熱材料。

 

4.復合硅酸鹽保溫材料

 

復合硅酸鹽耐火保溫材料是以固體基質連接的封閉孔型的網狀結構材料，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，再加入合適化學添加劑制備而成的材料。之所以具有保溫特性是因為它具有封閉的微孔網狀結構，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。其主要化學成分為SiO2和MgO，以及少量的Fe2O3、CaO、Al2O3、MnO2等;室溫導熱系數為0.031W/(m·K)，350℃時的導熱系數為0.117W/(m·K)。復合硅酸鹽材料阻燃隔熱，力學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備的保溫，它對于異型設備和一些非標準設備也有著重要作用，是隔熱材料的優(yōu)選產品。近年來，復合硅酸鹽保溫涂料也有了快速的發(fā)展和廣泛的應用，如稀土復合保溫材料等。

 

FBT(稀土)系列復合保溫材料是專利產品，它以礦物和多種化學試劑為原料，經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、加熱爐等熱工設備和傳統保溫材料不易解決的異形閥門、室內異形管道和變徑管等設備，施工簡單，干燥后與設備本身緊密結合，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1200℃。

 

海泡石類的保溫材料是近期研究出來的復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，有廣泛的應用市場。其他復合硅酸鹽系列產品也廣泛的應用于保溫行業(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過一系列復雜工藝制得，其工藝過程：珍珠巖原礦→粉碎篩選成珍珠巖礦砂→預熱→多級加熱→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后，呈?；蛐吻覂炔繛榉忾]的空心結構，即通過準確的控制加熱溫度和時間，使礦砂在短時內迅速膨脹，內部形成蜂窩狀結構，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、強度高等優(yōu)點，導熱系數在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、輕質多孔、流散性好、抗壓強度高等優(yōu)點，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1360℃，通常珍珠巖類產品使用溫度為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，添加合適的結合劑、穩(wěn)定劑和固化劑等制成輕質保溫磚，這種耐火磚性能優(yōu)良，具有較好的實際應用，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，它有著質輕隔熱、阻燃耐高溫和凝結時間短等優(yōu)點，目前閉孔珍珠巖保溫砂漿在這方面取得了好的成果。如輕質隔熱保溫澆注料專利中(專利號：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貼，可以提高鑄件質量，減少生產工序?；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燃燒時，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;經過多種物理化學反應，生成的氣體在球體內膨脹，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。不同產地的漂珠其物質含量、色澤都稍有不同，大多數是呈灰白色，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，其導熱系數為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、機械、熱處理等部門的工業(yè)窯爐和鑄造生產中的保溫補貼上。通常情況下，漂珠類保溫材料的工作溫度不高于1000℃。

 

國外對于漂珠類制品的開發(fā)研究開始于上世紀中期，主要是研究粉煤灰漂珠的形成機理、化學物理性能、隔熱機理[26]以及以漂珠為主要保溫骨料的漂珠磚等耐火材料。國內對漂珠的研究相對于國外較落后，很多方面的理論知識都是借鑒了國外的文獻，但是，經過多年的研究開發(fā)，也取得了諸多成就，漂珠保溫磚、漂珠復合保溫材料和漂珠隔熱涂料相繼研制成功。如有些專利產品中漂珠耐火保溫磚的導熱系數可以在0.18W/(m·K)上下，常溫抗壓強度達到5MPa，熱震穩(wěn)定性800℃空冷10分鐘的次數可以達到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，材料抗壓強度可以達到4.346MPa，體積密度0.517g/cm3，導熱系數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.納米孔硅質隔熱材料

 

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

 

空氣和大部分氣體雖然在靜止狀態(tài)時的熱導率很小，但是熱對流的存在加大了熱量傳遞的幅度，而納米孔硅質絕熱材料中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，基本無法進行對流傳熱，從而阻斷了氣體分子的熱傳導;硅質氣凝膠這一理想的微孔結構使得它在常溫下的導熱系數在0.03～0.05W/(m·K)之間，比空氣的熱導率還要低;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憑借其獨特的結構特征和本身性能優(yōu)點成為了制備納米微孔絕熱材料的主體材料，目前得到實際應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，其制品的斷裂應力達到1.58MPa，400℃時導熱系數為0.0282W/m·K，氣孔率為80.1%。國內對于氣相法制備納米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。納米孔硅質隔熱材料憑借著其輕質、多孔、隔熱性能好等諸多優(yōu)點，成為了很多科研人員的研究目標;這種輕質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化的產物，也有些是由基性巖受酸性巖漿的侵蝕變質而成[34]。目前，蛭石的應用主要還是體現在膨脹蛭石上，膨脹蛭石是蛭石經膨脹(又叫剝分)工藝后的產物，在國外又稱作剝分蛭石，國內外普遍采用物理方法和化學方法對蛭石進行剝分，剝分后的產物分別稱作熱膨脹蛭石和化學剝分蛭石，綜合比較下，后者能耗相對于前者較低，而且此方法不會破壞蛭石的結構。

 

蛭石多為層狀結構，膨脹后的蛭石層片間有空氣間隔層，起到隔熱作用，其導熱系數在0.04～0.12W/(m·K)之間，熱絕緣性好，同時它高達1400℃的熔點以及低至0.9g/cm3的密度使得它在輕質材料和防火隔熱材料上有著重要的應用，不僅可以把它單獨作為隔熱層，還可以和水玻璃、水泥等結合劑混合壓制成隔熱材料使用，有時也把它作為隔熱層的填充料，但是由于制品強度不夠高，一般不用于承重結構;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溫高強度性能，使膨脹蛭石的應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，測得其抗壓強度為1.61MPa，強度指標大于有關絕熱材料的強度要求，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，Fe2O3約占0.98%，K2O和Na2O約占0.5%。硅酸鋁纖維的表面光滑，內部固相物質以連續(xù)骨架形式存在，配合間隙中的低熱導率空氣，起到了保溫效果。生產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，國內外硅酸鋁行業(yè)高速發(fā)展，新型產品相繼出現，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，纖維紙的各項優(yōu)良性能讓它在高溫隔熱領域也有著重要的應用。

 

 

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，硅鋁酸鹽做粘結劑的研究，使材料具有低熱導率和較高的抗熱震性能。

 

巨大的市場需求推動著耐火保溫材料的快速發(fā)展，但是在發(fā)展過程中也出現了諸多問題，如耐火原材料的無序開采和不當利用導致了嚴重的資源浪費;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標準。除此以外，耐火保溫材料多數都是疏松多孔的，材料中空隙占很大比重，材料在接觸到水分時，會大量吸水，由于水的導熱系數遠大于空氣，這就會嚴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，具有疏水特點的憎水性耐火保溫材料也是一個重要的研究目標。目前，市場對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，低熱導率，良好的抗熱震性，耐侵蝕等優(yōu)異的力學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、性價比高的復合型耐火保溫材料必定是國內外發(fā)展的目標及熱點。