節(jié)能耐磨防火材料的研究與開(kāi)發(fā)

節(jié)能耐磨防火材料的研究與開(kāi)發(fā)

近20年來(lái)，中國(guó)的高消費(fèi)能行業(yè)迅速擴(kuò)張，能源供應(yīng)越來(lái)越依賴(lài)于進(jìn)口。我國(guó)能源供給形勢(shì)面臨著國(guó)內(nèi)資源與環(huán)境壓力過(guò)大、國(guó)際能源和環(huán)境壓力逐步突出的雙重考驗(yàn),形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)。目前,我國(guó)的能源形勢(shì)可以概括為:需求快速增長(zhǎng),供給、儲(chǔ)備緊張,使用效率低下,浪費(fèi)、污染嚴(yán)重。我國(guó)的電力、鋼鐵、有色、石化、建材、化工、輕工、紡織等8個(gè)行業(yè)主要產(chǎn)品的平均單位能耗比國(guó)際先進(jìn)水平高很多。要緩解我國(guó)當(dāng)前突出的能源需求矛盾,除了加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、加快經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整外,還必須努力研發(fā)新技術(shù),以提高能源的利用率。其中,節(jié)能耐火材料的開(kāi)發(fā)利用作為應(yīng)對(duì)能源緊張形勢(shì)的有效手段之一,已成為耐火材料工作者努力的重要方向。一、復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般來(lái)說(shuō),材料的熱傳導(dǎo)形式分為固態(tài)(導(dǎo)熱)、氣態(tài)(對(duì)流)、輻射熱傳導(dǎo)3類(lèi),材料的組織結(jié)構(gòu)不同,材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別就很大。舉例來(lái)說(shuō),泡沫輕質(zhì)磚的組織結(jié)構(gòu)為氣相被連續(xù)的固相包圍所形成的蜂窩狀封閉氣孔型結(jié)構(gòu),在傳熱時(shí),固相的熱傳導(dǎo)就起主導(dǎo)作用,因此,它的導(dǎo)熱系數(shù)就較高;用可燃物法生產(chǎn)的輕質(zhì)磚則不同,它的顯微結(jié)構(gòu)呈松散的多孔狀,類(lèi)似于氣相為連續(xù)相的結(jié)構(gòu),固相斷斷續(xù)續(xù),被氣相分割,空氣起到了很好的熱阻作用,因此,它的導(dǎo)熱系數(shù)就較小。對(duì)于2種組成相同、氣孔率都為70%的輕質(zhì)剛玉耐火材料,500℃時(shí),用可燃物法生產(chǎn)的輕質(zhì)磚導(dǎo)熱系數(shù)為0.6W/(m.K),而用泡沫法生產(chǎn)的制品導(dǎo)熱系數(shù)為1.6W/(m.K)。在耐火纖維制品中,氣相為連續(xù)相,分布在由纖維構(gòu)成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架中,但纖維與纖維之間為松動(dòng)的點(diǎn)接觸,不能形成熱流的連續(xù)通路,因此,耐火纖維制品的導(dǎo)熱系數(shù)僅為相同成分普通輕質(zhì)磚的1/4~1/3。通常,要求節(jié)能耐火材料起到隔熱與保溫的作用。根據(jù)實(shí)用形態(tài)和功能,節(jié)能耐火材料主要分為散裝隔熱保溫耐火材料、定形隔熱保溫耐火材料、纖維狀隔熱保溫材料、復(fù)合隔熱保溫材料、不定形隔熱保溫耐火材料、特種隔熱保溫材料、高溫蓄熱材料等。二、清潔東南角熱膨脹型材料散裝隔熱保溫耐火材料主要是指可以起到隔熱作用的天然或人工合成的輕質(zhì)耐火材料,主要用來(lái)隔熱保溫,同時(shí)減輕爐體質(zhì)量、減少蓄熱,主要品種包括空心球、漂珠、硅藻土、珍珠巖等。1.溫熔融液體對(duì)空心小鼠的影響空心球是將原料熔化為液態(tài),以一定的速度流出,用壓縮空氣將高溫熔融液體吹成小液滴,在表面張力和離心力的作用下形成一個(gè)空心的小球?？招那虻闹饕馁|(zhì)包括氧化鋁質(zhì)、莫來(lái)石質(zhì)、鋁鎂尖晶石質(zhì)、鉻質(zhì)和鋯質(zhì)等。氧化鋁空心球的使用溫度高,可在1600℃以下使用。2.煤質(zhì)中灰黑的變化漂珠是指能漂浮在水面上的粉煤灰空心微珠,它是從粉煤灰中分離出來(lái)的,多呈灰白色,成分隨煤的不同波動(dòng)很大。漂珠的一般使用溫度小于1000℃,由于漂珠的熱導(dǎo)率小、保溫性能好、耐火度較高,常用于各種耐火材料中,是降低耐火材料密度的理想加入物。3.隔熱性能良好硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖,孔隙率高達(dá)80%~90%,隔熱性能良好。當(dāng)使用硅藻土做隔熱材料時(shí),一般最高使用溫度只限于900℃。由于硅藻土的吸水性強(qiáng),故多用于搗打成型的填充料。4.膨脹珍珠巖巖組巖珍珠巖是一種火山噴發(fā)的酸性熔巖,經(jīng)急速冷卻而成的玻璃質(zhì)巖石,因其具有珍珠裂隙結(jié)構(gòu)而得名。珍珠巖經(jīng)400~500℃預(yù)熱,在1180~1350℃高溫下膨脹,形成富含閉口和開(kāi)口氣孔的膨脹珍珠巖。珍珠巖密度小、吸濕性小,安全使用溫度一般為800℃。另外,還有陶粒(一般使用溫度小于1000℃)、蛭石(一般使用溫度800~1000℃)、輕質(zhì)磚砂(一般使用溫度小于1200℃)、黏土質(zhì)多孔熟料(一般使用溫度小于1400℃)等常用輕質(zhì)耐火材料。三、多孔熟料的生產(chǎn)定形隔熱保溫耐火材料是指使用前加工成具體形狀的一類(lèi)輕質(zhì)耐火材料,其內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)。定形隔熱保溫耐火材料性能相對(duì)穩(wěn)定,使用、運(yùn)輸和保管都很方便。目前,定形隔熱保溫耐火材料的生產(chǎn)工藝主要包括燒失法、泡沫法、化學(xué)法等。燒失法是一種傳統(tǒng)的添加可燃物的生產(chǎn)方法,在配料時(shí)加入木屑、煤粉、焦末等,顆粒度一般控制在50μm以下,加入量一般在5%~30%;也有加入聚苯乙烯球來(lái)制造多孔熟料定形隔熱保溫耐火材料的,加入量為5%~15%;另外,還可以通過(guò)加入粉煤灰、漂珠、膨潤(rùn)土、頁(yè)巖和珍珠巖等生產(chǎn)多孔的定形隔熱保溫耐火材料。泡沫法的關(guān)鍵是泡沫劑的選擇,常用的泡沫劑有松香皂、皂素脂和烷基苯磺酸鹽等,依靠機(jī)械法發(fā)泡制作定形隔熱保溫耐火材料?；瘜W(xué)法是物料在高溫下通過(guò)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生適量氣體而在材料中形成孔洞。根據(jù)材料的化學(xué)礦物組成進(jìn)行分類(lèi),定形隔熱保溫耐火材料可分為輕質(zhì)黏土磚、輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)莫來(lái)石磚、輕質(zhì)硅保溫磚等。1.質(zhì)黏土磚的制作輕質(zhì)黏土磚指三氧化二鋁(Al2O3)含量為30%~60%的輕質(zhì)耐火材料。這類(lèi)材料一般在1300℃左右燒成,常用的輕質(zhì)黏土磚密度為0.75~1.2g/cm3,常溫下,耐壓強(qiáng)度2~6MPa,導(dǎo)熱系數(shù)0.2~0.4W/(m.K),使用溫度為1200~1400℃。輕質(zhì)黏土磚的用途比較廣泛,主要用于各種工業(yè)窯爐中不接觸熔融物和無(wú)侵蝕氣體作用的隔熱層。2.u3000空磚的密度輕質(zhì)高鋁磚指Al2O3含量在45%以上的輕質(zhì)耐火材料,一般采用泡沫法生產(chǎn),在1350~1500℃燒成,氣孔率為70%左右。一般輕質(zhì)高鋁磚的密度為0.4~1.3g/cm3,常溫耐壓強(qiáng)度1.3~8.1MPa,導(dǎo)熱系數(shù)0.3~0.6W/(m.K)(350℃),使用溫度為1350~1800℃。輕質(zhì)高鋁磚的耐火度較高、抗熱震性好,常用作窯爐的高溫隔熱層。優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)高鋁磚可用于與火焰直接接觸的窯爐內(nèi)襯,但不宜用于受熔渣直接侵蝕的場(chǎng)合。由于輕質(zhì)高鋁磚在還原氣氛下化學(xué)穩(wěn)定性好,因而,氫氣、一氧化碳等氣體做保護(hù)氣氛的窯爐,一般都采用輕質(zhì)高鋁磚做隔熱襯里。3.莫來(lái)石磚的使用輕質(zhì)莫來(lái)石磚指Al2O3含量為50%~85%,以莫來(lái)石為主晶相和結(jié)合相的輕質(zhì)耐火材料。由于莫來(lái)石具有優(yōu)良的高溫機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性,因此,輕質(zhì)莫來(lái)石磚具有高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、高溫蠕變率低、熱膨脹系數(shù)小、抗化學(xué)侵蝕性能強(qiáng)和抗熱震性能好等良好性能,可直接接觸火焰作為窯爐工作襯,顯著地提高窯爐的節(jié)能效果。根據(jù)Al2O3含量及體積密度不同,輕質(zhì)莫來(lái)石磚的使用溫度波動(dòng)在1350~1650℃之間。表1是一種典型輕質(zhì)莫來(lái)石磚的理化指標(biāo),它的顯微結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖1。由于安全使用溫度較高,某鋼廠(chǎng)120t鋼包安全襯使用預(yù)制的整體澆注微孔莫來(lái)石磚,使鋼包表面溫度下降47℃左右,保溫隔熱性能明顯提高。這種輕質(zhì)隔熱莫來(lái)石注料和免燒磚,還可以用于焦?fàn)t爐門(mén)、高爐熱風(fēng)總管和圍管三叉口工作襯等部位,均能夠達(dá)到較好的使用效果。除以上介紹的3種材料外,定形隔熱保溫耐火材料還包括輕質(zhì)硅保溫磚、鈣長(zhǎng)石輕質(zhì)隔熱保溫磚等品種。在具體選用時(shí),應(yīng)主要考慮其使用的氣氛、環(huán)境以及作業(yè)特點(diǎn)等,如鈣長(zhǎng)石輕質(zhì)隔熱保溫磚體積密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗熱震性好、抗還原氣氛作用強(qiáng),正常使用溫度在1100~1300℃;但鈣長(zhǎng)石輕質(zhì)隔熱保溫磚結(jié)合輕質(zhì)莫來(lái)石磚后,使用溫度就可達(dá)1400℃以上,能夠廣泛用于對(duì)使用溫度要求更高的熱風(fēng)爐、均熱爐、加熱爐等襯里,用于石油工業(yè)各種催化裂化爐的隔熱襯等。四、在工業(yè)爐和熱力工程設(shè)備中的應(yīng)用纖維狀隔熱保溫材料由于具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱率小、熱容量小、抗熱震性能好以及施工方便等許多優(yōu)點(diǎn),因而在工業(yè)窯爐和熱力工程設(shè)備中的應(yīng)用日益廣泛,節(jié)能效果較為明顯。近年來(lái),纖維狀隔熱保溫材料無(wú)論在產(chǎn)量和品種方面都獲得了快速發(fā)展,目前,廣泛使用的纖維狀隔熱保溫材料為石棉、巖棉和硅酸鋁耐火纖維等。1.棉原礦的分類(lèi)石棉是天然的纖維狀含水硅酸鹽礦物的總稱(chēng),石棉和石棉制品在工業(yè)上的用途很廣。石棉原礦呈纖維集塊狀,經(jīng)分剝變成棉纖維。按成分和結(jié)構(gòu),石棉可分為蛇紋石類(lèi)石棉(又稱(chēng)“溫石棉”)、角閃石類(lèi)石棉、水鎂石棉和葉蠟石類(lèi)石棉等。作為保溫隔熱用的石棉制品則主要包括石棉繩、石棉布、石棉氈、石棉板、石棉管、石棉磚、石棉灰等。2.巖棉主要加工材料巖棉是以高爐礦渣、玄武巖、輝綠巖等天然巖石為原料制成的人造礦物纖維保溫隔熱材料。巖棉和巖棉板的主要生產(chǎn)工藝是:將原料投入高溫爐(如沖天爐)中,于1400~1600℃熔化,用噴吹法(或離心法)將熔體纖維化,同時(shí),噴入用于改善防水和手感性能的粘結(jié)劑酚醛樹(shù)脂和防塵油,并使其均勻地粘附在纖維表面上,再經(jīng)過(guò)分離系統(tǒng)分離纖維與渣球,在料倉(cāng)收集獲得松散纖維材料,然后,或進(jìn)一步沉降在網(wǎng)帶上經(jīng)輥壓、熱風(fēng)干燥和固化制得巖棉氈,或用玻璃布包縫制成玻璃布面巖棉氈。其中,松散棉還可進(jìn)一步加工成各種二次制品。巖棉的安全使用溫度高于玻璃纖維材料的使用溫度,一般為600℃,最高可達(dá)700℃。巖棉保溫材料主要用于鍋爐、貯存罐、加熱爐及工業(yè)管道等設(shè)備的保溫隔熱。另外,在建筑工業(yè)中,巖棉還可用于房屋的隔熱隔音以及鋼筋的耐火覆蓋等場(chǎng)合。3.高鋁耐火纖維的特性生產(chǎn)硅酸鋁耐火纖維通常按二氧化硅(SiO2)與Al2O3的質(zhì)量比為1﹕1進(jìn)行配料,將原料投入電弧爐或電阻爐中,在2000℃以上的高溫下熔化,然后引出小股熔流,用高壓蒸汽或壓縮空氣的高速氣流噴吹或借助高速旋轉(zhuǎn)盤(pán)的離心力使之纖維化。硅酸鋁耐火纖維在冶金工業(yè)應(yīng)用廣泛,使用溫度也較高,可達(dá)1000~1400℃。按其成分和使用溫度,硅酸鋁耐火纖維通常分為3類(lèi):普通硅酸鋁耐火纖維(含Al2O346%~48%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),使用溫度1000~1200℃);高鋁耐火纖維(含Al2O356%~64%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),使用溫度1200~1400℃);含氧化鉻4%和含氧化鋯15%的硅酸鋁耐火纖維(使用溫度1300~1400℃)。硅酸鋁耐火纖維性能優(yōu)良,除兼有高純Al2O3-SiO2系玻璃材料與纖維材料的特性外,耐熱性能好、質(zhì)量輕、隔熱性能好、蓄熱小、有彈性、抗機(jī)械震動(dòng)和抗熱震性好,還擁有優(yōu)良的電氣絕緣性及吸音性等,具體特性見(jiàn)表2。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,硅酸鋁耐火纖維為過(guò)冷態(tài)玻璃質(zhì)纖維,在正常使用溫度下較穩(wěn)定,但在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí),纖維會(huì)發(fā)生再結(jié)晶并產(chǎn)生收縮變形。不過(guò),添加少量三氧化二鉻(Cr2O3)可有效減少纖維在高溫加熱時(shí)的收縮,使纖維氈的使用溫度達(dá)到1400℃;添加氧化鋅(ZnO2)可有效抑制硅酸鋁耐火纖維在高溫使用時(shí)的析晶和晶粒生長(zhǎng),在提高纖維抵抗高溫收縮能力的同時(shí),使硅酸鋁耐火纖維的使用溫度提高到1400℃。硅酸鋁耐火纖維原棉也可以直接用作高溫隔熱的填充材料,但通常應(yīng)用最多的還是用不同方法加工制成的各種耐火纖維制品,其中,以耐火纖維毯、氈、紙、真空成品和纖維噴涂料的用途、用量最大。除以上介紹的幾種常見(jiàn)品種外,纖維狀隔熱保溫材料還包括多晶氧化鋁纖維、氧化鋯纖維,非氧化物(如碳化硼)纖維、碳和石墨纖維氈等高級(jí)產(chǎn)品,不過(guò),這些產(chǎn)品的價(jià)格昂貴,主要用于對(duì)溫度或者氣氛有特殊要求的場(chǎng)合。五、由聚氟隔材料制成復(fù)合隔熱保溫材料主要包括超細(xì)SiO2微粉復(fù)合隔熱材料、硅酸鈣絕熱材料、煉鋼中間包用絕熱板等。1.隔熱材料的壓制超細(xì)SiO2微粉復(fù)合隔熱材料是以超細(xì)SiO2微粉為主要成分,以無(wú)機(jī)纖維作為增強(qiáng)材料,物料混合后,壓制成板狀、管狀等形狀的隔熱材料。在SiO2微粉復(fù)合隔熱保溫材料中,由于SiO2微粉本身導(dǎo)熱率低,傳導(dǎo)熱量的顆粒斷面面積及顆粒之間的接觸面積較小,孔隙微細(xì),封閉的氣體難以產(chǎn)生流動(dòng),因而超細(xì)SiO2微粉復(fù)合隔熱保溫材料的導(dǎo)熱率比其他隔熱材料小,其使用溫度約1000℃左右。2.保溫性能好的問(wèn)題硅酸鈣絕熱材料又稱(chēng)微孔硅酸鈣保溫材料,用硅質(zhì)原料、石灰、石棉等,經(jīng)攪拌、凝膠化、水熱合成、成型、烘干等工藝處理后制成,具有良好的絕熱、耐熱性能,同時(shí)強(qiáng)度適宜,是一類(lèi)性能較好的保溫材料。硅酸鈣絕熱材料主要用作電力、化工、冶金、船舶等設(shè)備和管道的高溫絕熱材料,還可以用作房屋建筑的天棚、內(nèi)外墻的防火隔熱材料和裝飾隔音材料等。由于具有不被有色金屬熔體潤(rùn)濕的性能,硅酸鈣絕熱材料適用于熔融有色金屬的保存和運(yùn)輸,還可以用于以硅酸鈣材料組裝的熔化槽里襯、流槽或蓋板等;由于硅酸鈣絕熱材料的熱容量小且絕熱性能好,可以降低熔煉溫度并可保證正常的澆注過(guò)程。3.復(fù)合型絕熱材料煉鋼中間包用絕熱板是一種由纖維材料與耐火顆粒料構(gòu)成的復(fù)合型絕熱材料。絕熱板與一般的隔熱材料使用條件不同,在煉鋼中間包內(nèi),絕熱板直接與高溫鋼液接觸,所以要求具有良好的抗侵蝕性能。六、非晶態(tài)型聚氧基納米材料近年來(lái),科研工作者開(kāi)發(fā)出了一些新型節(jié)能耐火材料,有些已經(jīng)小批量使用。其中,一種添加了氧化硅氣凝膠的復(fù)合材料備受重視,其主要成分為SiO2,是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型的納米、多孔、低密度(0.005~0.2g/cm3)的非晶態(tài)材料,氣孔率大于95%,具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。因?yàn)榫哂羞B續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和納米級(jí)骨架結(jié)構(gòu)(1~100nm),因此,該材料顯示出了異常優(yōu)越的隔熱性能,其熱導(dǎo)率僅為0.016~0.03W/(m.K)。七、余熱存儲(chǔ)型不同于輕質(zhì)隔熱保溫耐火材料,高溫蓄熱耐火材料一般是致密型耐火材料。在選材上,高溫蓄熱耐火材料要求質(zhì)量熱容較高、密度較大、抗熱震等,不過(guò)目前這些材料的價(jià)格偏高。根據(jù)用途不同,高溫蓄熱耐火材料分為不同的類(lèi)型,如用于存儲(chǔ)高溫?zé)煔庥酂岬牟牧?或存儲(chǔ)峰谷電能轉(zhuǎn)化為熱能的材料等。熱工窯爐用高溫蓄熱材料是一種典型