9种不同种类耐火保温材料在高温窑炉中的应用

 

1.玻璃棉保温材料

 

玻璃棉是一种无机纤维隔热吸声材料，生产方法有火焰法、蒸汽立吹法和离心喷吹法。目前，由于用火焰喷吹法进行生产的火焰棉能耗高，渣球含量高等原因，已被离心抽丝法所替代，此种方法能耗低，无渣球，无污染，是主要的生产工艺。此种方法的具体工艺过程是：将石英粉、白云石、纯碱、硼砂等原料混合均匀后在熔窑内熔化成玻璃液，借助燃气和空气混合气体从高速旋转的离心器喷嘴中高速喷出，通过离心器漏孔甩出成一次纤维;然后在环状燃烧室中牵拉成很细的纤维;然后通过成形、沉降、聚集、喷粘结剂等工艺，就制成了玻璃棉。玻璃棉的化学成分主要是SiO2(≥60%)和Al2O3，除此以外还含有CaO、MgO、碱金属氧化物及B2O3等物质;其导热系数在0.037～0.039W/(m·K)之间。玻璃棉具有一定的机械强度、易成型、绝缘性能好、抗腐蚀和疲劳损伤，被广泛地应用于航空、石化、加工等领域，一般上限使用温度在500℃～600℃左右。

 

 

玻璃棉示意图

 

2.矿(岩)棉保温材料

 

矿(岩)棉属于矿物棉，物质的主要成分是SiO2和Al2O3，其余是CaO和少量的MgO、Fe2O3等物质。岩棉以玄武岩和辉绿岩等天然火成岩为主要原材料，再加以适量辅助性材料、粘结剂等，经高温熔融离心喷吹制成纤维;岩棉主要是通过喷吹法、离心法、离心喷吹法制备。目前国内外的矿(岩)棉均采用常规生产工艺，即将原料高温熔融成液态，再经高压空气、蒸汽喷吹或高速离心法将其制成细纤维，得到矿(岩)棉的原棉，再将原棉通过不同工艺制成所需的板、管、粒等系列产品。矿(岩)棉多孔纤维状的结构，使得它在室温时的导热系数只有0.04W/(m·K)，有着良好的隔热性能;同时，岩棉板也有一定的抗压强度。

 

矿(岩)棉及其系列产品隔热保温、吸声隔音、阻燃、耐高温、不腐、不蛀等优点使它由起初单一的工业保温隔热向核反应堆、船舶、吸声板等特殊领域进军。矿(岩)棉通常使用温度在600℃以下，上限使用温度可达650℃，是目前国内外使用较为普遍的保温隔热材料。现在更多的是应用在有防火等级要求的建筑物中，例如北欧人均使用量达到20kg，相比之下，我国矿(岩)棉的人均消费量还很低。国内矿(岩)棉在建筑外墙保温的应用上相比于欧洲起步较晚，兰州的甘肃建筑科学研究院办公楼的外墙保温是国内在这方面比较早的应用，效果良好;虽然这比国外晚了20年左右，但近几年，国内矿(岩)棉行业广泛引进国外生产技术，积力于矿(岩)棉的开发研制，已经取得了快速的发展。岩棉除单独作为保温材料使用外，还可以和酚醛树脂、黄麻纤维等材料按一定比例制作混合型复合材料。

 

 

示意图

 

3.硅酸钙绝热保温材料

 

硅酸钙绝热材料又称微孔硅酸钙隔热材料，制作原材料一般是石灰、石棉等硅质原料，制作过程如图1所示：

 

 

硅酸钙绝热保温材料制作过程

 

除上述方法外，也可以以工业生产中的残留废弃固相物体、陶瓷渣、大理石碎片为原材料通过特定工艺制得硅酸钙材料。硅酸钙隔热材料耐火保温，容重小，高温环境下仍有一定的机械强度，是一种性能优良的保温材料，在冶金、船舶等行业的热工设备上有着广泛的应用。

 

 

示意图

 

硅酸钙材料的导热系数在0.05W/(m·K)左右，按使用温度可分为低温型和高温型两种：低温型的绝热保温材料主要成分是雪钙石，亦称托贝莫来石，其分子式为5CaO·6SiO2·5H2O，上限使用温度在650℃左右;高温型使用温度可达到1000℃左右，其主要成分是硬硅钙石，分子式为6CaO·SiO2·H2O。低温型的隔热材料主要应用在石化工业上，而高温型硅酸钙绝热保温材料主要应用在冶金、工业设备及管道、化工上等。硅酸钙绝热保温材料从美国的欧文斯-康宁纤维-玻璃公司(OwensCorningFiber-Galss)研究出来至今有近70年的时间，我国在这方面的研究是从上世纪七十年代开始，主要是采用浇注法研制托勃莫来石型耐火保温材料，通过研究人员的不懈努力，硅酸钙保温材料在八十年代中期得到快速发展。目前，行业人员已经研制出了超轻微孔硅酸钙保温隔热材料以及硅酸钙复合纳米孔绝热防火板材料;硅酸钙材料应用广泛，未来的研究方向主要是超轻、憎水、高强度、高绝热的硅酸钙绝热材料。

 

4.复合硅酸盐保温材料

 

复合硅酸盐耐火保温材料是以固体基质连接的封闭孔型的网状结构材料，主要是以铝镁硅酸盐的特种非金属矿为基料，掺入定量辅助材料及填充材料，再加入合适化学添加剂制备而成的材料。之所以具有保温特性是因为它具有封闭的微孔网状结构，一般用静电原理和湿法工艺以玄武石、白玉石等矿物原材料制备。其主要化学成分为SiO2和MgO，以及少量的Fe2O3、CaO、Al2O3、MnO2等;室温导热系数为0.031W/(m·K)，350℃时的导热系数为0.117W/(m·K)。复合硅酸盐材料阻燃隔热，力学上有一定的抗拉抗冲击性能，常用于冶金、电力、化工等行业;混合搅拌凝胶化压滤成型干燥成品除了一般热力设备的保温，它对于异型设备和一些非标准设备也有着重要作用，是隔热材料的优选产品。近年来，复合硅酸盐保温涂料也有了快速的发展和广泛的应用，如稀土复合保温材料等。

 

FBT(稀土)系列复合保温材料是专利产品，它以矿物和多种化学试剂为原料，经特殊工艺制成的一种白色或灰白色粘稠状膏体;常温或高温状态下均可施工，适用于各种管道、加热炉等热工设备和传统保温材料不易解决的异形阀门、室内异形管道和变径管等设备，施工简单，干燥后与设备本身紧密结合，耐腐蚀、防水，无气孔和缝隙，使用寿命长，并且能起到良好的隔热效果，上限使用温度可达1200℃。

 

海泡石类的保温材料是近期研究出来的复合硅酸盐隔热材料中的良好成果，凭借保温隔热，高温体积稳定、抗侵蚀等诸多优异的性能条件，在耐火保温材料行业中占有一席之地，有广泛的应用市场。其他复合硅酸盐系列产品也广泛的应用于保温行业，通常其使用温度在600℃～700℃左右。

 

5.闭孔珍珠岩保温材料

 

闭孔珍珠岩是选用天然珍珠岩矿经过一系列复杂工艺制得，其工艺过程：珍珠岩原矿→粉碎筛选成珍珠岩矿砂→预热→多级加热→膨胀玻化→冷却处理→成品。其主要成分如表1。

 

 

表1 闭孔珍珠岩主要成分及含量

 

闭孔珍珠岩膨胀烧结后，呈玻化球形且内部为封闭的空心结构，即通过准确的控制加热温度和时间，使矿砂在短时内迅速膨胀，内部形成蜂窝状结构，浅表溶融并形成封闭气孔，表面玻化成微圆球状颗粒，与外形不规则，表面多空的膨胀珍珠岩相比，闭孔珍珠岩具有吸水率低、强度高等优点，导热系数在0.047W/(m·K)到0.054W/(m·K)之间;再加上它具有环保、吸声隔音、保温不燃、轻质多孔、流散性好、抗压强度高等优点，使得它可以作为耐火砖的保温骨料及炉窑隔热层的填充材料等。耐火度高达1360℃，通常珍珠岩类产品使用温度为800℃左右。

 

闭孔膨胀珍珠岩主要是作为保温骨料和添加到耐火类材料制成新型隔热材料，如珍珠岩保温耐火砖、保温砂浆及保温混凝土等。珍珠岩保温砖是将闭孔珍珠岩和耐火骨料混合，添加合适的结合剂、稳定剂和固化剂等制成轻质保温砖，这种耐火砖性能优良，具有较好的实际应用，是一种新型工业墙体材料。保温砂浆是将适量闭孔膨胀珍珠岩添加到砂浆中制得的保温材料，它有着质轻隔热、阻燃耐高温和凝结时间短等优点，目前闭孔珍珠岩保温砂浆在这方面取得了好的成果。如轻质隔热保温浇注料专利中(专利号：CN102503467A)采用闭孔珍珠岩作为保温骨料(含量10%～30%)，另加入莫来石空心球、高铝水泥、固体水玻璃、铝硅溶胶等制成保温浇注料，施工简单，保温隔热性能良好。铸造生产中将闭孔珍珠岩和耐火骨料等按一定比例混合制成保温冒口和保温补贴，可以提高铸件质量，减少生产工序。混凝土中加入球形闭孔膨胀珍珠岩及减水剂，在不影响材料本身的抗折性、抗压性等力学性能的前提下，可以起到隔热降噪的作用。

 

6.漂珠类耐火保温材料

 

漂珠是粉煤灰在电厂锅炉内燃烧时，高温环境下脱水、熔融成微液滴，并在空气作用下形成浑圆球体;经过多种物理化学反应，生成的气体在球体内膨胀，再配合表面张力作用，球体变成中空玻璃泡，然后迅速冷却、硬化，终形成高真空的玻璃态空心漂珠。主要成分是SiO2和Al2O3，还含有Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O和Na2O等，其中硅铝氧化物占80%以上。不同产地的漂珠其物质含量、色泽都稍有不同，大多数是呈灰白色，薄壁中空，表面封闭而光滑的具有透明半透明白色珍珠光泽的球形颗粒，其导热系数为0.065W/(m·K)。粉煤灰漂珠具有容重小、耐火度高，阻燃、耐侵蚀、高强度、保温绝缘等特性，是使用广泛的耐火原材料之一，特别是在冶金、石油、机械、热处理等部门的工业窑炉和铸造生产中的保温补贴上。通常情况下，漂珠类保温材料的工作温度不高于1000℃。

 

国外对于漂珠类制品的开发研究开始于上世纪中期，主要是研究粉煤灰漂珠的形成机理、化学物理性能、隔热机理[26]以及以漂珠为主要保温骨料的漂珠砖等耐火材料。国内对漂珠的研究相对于国外较落后，很多方面的理论知识都是借鉴了国外的文献，但是，经过多年的研究开发，也取得了诸多成就，漂珠保温砖、漂珠复合保温材料和漂珠隔热涂料相继研制成功。如有些专利产品中漂珠耐火保温砖的导热系数可以在0.18W/(m·K)上下，常温抗压强度达到5MPa，热震稳定性800℃空冷10分钟的次数可以达到30次;楚林[27]在铝磷酸盐漂珠的研究中，以磷酸二氢铝为结合剂，氢氧化铝为固化剂制备一种漂珠保温材料，材料抗压强度可以达到4.346MPa，体积密度0.517g/cm3，导热系数0.069W/(m·K);李文丹等以粉煤灰漂珠为基体利用非均相沉淀法制备了高热反射率的外墙隔热涂料等。

 

7.纳米孔硅质隔热材料

 

气体的热传导和热对流、固体材料的热传导是材料传递热量的主要途径，因此探索一种能够同时阻碍材料各种传热方式的新材料是关键所在，通过科研人员不断的努力研究，然后纳米孔硅质隔热材料进入人们的视野。

 

空气和大部分气体虽然在静止状态时的热导率很小，但是热对流的存在加大了热量传递的幅度，而纳米孔硅质绝热材料中SiO2气凝胶微孔尺寸小于50nm，微孔尺寸足够小且小于气体分子的平均自由程，使得气体分子之间不发生碰撞或碰撞几率很小，基本无法进行对流传热，从而阻断了气体分子的热传导;硅质气凝胶这一理想的微孔结构使得它在常温下的导热系数在0.03～0.05W/(m·K)之间，比空气的热导率还要低;而且它在常温下还有良好的透光性，以及遮蔽红外线的功能。所以无定型SiO2凭借其独特的结构特征和本身性能优点成为了制备纳米微孔绝热材料的主体材料，目前得到实际应用的纳米绝热材料的纳米孔载体就是SiO2气凝胶。气凝胶更是和真空绝热板(VIP)一起被称作是比较、非常有发展前景的绝热材料。相对于SiO2气凝胶纳米孔隔热材料，气相SiO2是制备纳米孔隔热材料的又一研究方向;AbeH.Y.等以气相SiO2为主要原料，SiC为遮光剂，无碱玻璃纤维为增强剂，通过干法成型工艺制备了纳米SiO2多孔绝热材料，其制品的断裂应力达到1.58MPa，400℃时导热系数为0.0282W/m·K，气孔率为80.1%。国内对于气相法制备纳米SiO2隔热材料也有很大成果，封金鹏等人采用水蒸气蒸养法用纳米SiO2粉体、SiC等材料制成纳米SiO2多孔绝热材料。纳米孔硅质隔热材料凭借着其轻质、多孔、隔热性能好等诸多优点，成为了很多科研人员的研究目标;这种轻质多孔绝热材料在航空航天、船舶、建筑等行业有很大的开发空间。此类材料可以在950℃高温环境下长期使用，更高温度可以达到1025℃，甚至一些优化型材料可以在1200℃高温环境下工作一段时间。

 

8.蛭石隔热材料

 

蛭石是铁、镁含水硅铝酸盐类矿物，主要是黑云母、金云母和粘土矿物等热液蚀变或风化的产物，也有些是由基性岩受酸性岩浆的侵蚀变质而成[34]。目前，蛭石的应用主要还是体现在膨胀蛭石上，膨胀蛭石是蛭石经膨胀(又叫剥分)工艺后的产物，在国外又称作剥分蛭石，国内外普遍采用物理方法和化学方法对蛭石进行剥分，剥分后的产物分别称作热膨胀蛭石和化学剥分蛭石，综合比较下，后者能耗相对于前者较低，而且此方法不会破坏蛭石的结构。

 

蛭石多为层状结构，膨胀后的蛭石层片间有空气间隔层，起到隔热作用，其导热系数在0.04～0.12W/(m·K)之间，热绝缘性好，同时它高达1400℃的熔点以及低至0.9g/cm3的密度使得它在轻质材料和防火隔热材料上有着重要的应用，不仅可以把它单独作为隔热层，还可以和水玻璃、水泥等结合剂混合压制成隔热材料使用，有时也把它作为隔热层的填充料，但是由于制品强度不够高，一般不用于承重结构;使用温度一般不高于1100C。此外，膨胀蛭石的声绝缘性和吸附性让它在隔音材料和吸附剂等方面也有应用。

 

2009年，周国富等人研究开发出一种膨胀蛭石防火板，防火板良好的阻燃保8温高强度性能，使膨胀蛭石的应用不仅仅只是停留在骨料、填充料上，还可以像木材一样制成用于防火、吸声、隔断的板材等;此种防火板在1150C的高温下工作5h以后，测得其抗压强度为1.61MPa，强度指标大于有关绝热材料的强度要求，市场发展前景广阔。

 

9.硅酸铝纤维耐火保温材料

 

硅酸铝耐火纤维又称为陶瓷纤维，其主要组成是SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O等，其中SiO2和Al2O3占95%以上，Fe2O3约占0.98%，K2O和Na2O约占0.5%。硅酸铝纤维的表面光滑，内部固相物质以连续骨架形式存在，配合间隙中的低热导率空气，起到了保温效果。生产硅酸铝耐火纤维的方法是将精选的焦宝石原料在2000℃以上的电炉里融化，再采用喷吹或离心等方法使之纤维化。硅酸铝耐火纤维按照其成分和使用温度可以分为3类，如表2所示：

 

 

表2 硅酸铝耐火纤维分类

 

近几十年来，由于硅酸铝纤维的优良性能，国内外硅酸铝行业高速发展，新型产品相继出现，如硅酸铝纤维毡、纤维纸、纤维绳等。硅酸铝的研究也取得了很大的成果，耐高温温度也从1300℃提高到1800℃，甚至更高的温度。此外，以硅酸铝耐火纤维为原料，配以结合剂、稳定剂等制备的耐火纤维纸可作为高温环境中的隔热材料、缓冲材料，还可以制成管形和各种异型保温材料及铸造保温冒口等材料。把硅酸铝纤维纸应用在航空航天器的隔热层上是目前前沿的研究之一;美国的金刚砂公司在这方面的研究较为深入。而国内的硅酸铝纤维纸是采用高纯度的陶瓷纤维制成，纤维纸的各项优良性能让它在高温隔热领域也有着重要的应用。

 

 

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除上述保温材料外，硅藻土保温材料、保温砂浆、保温涂料和陶瓷混凝土等在耐火保温行业中也有着广泛的应用;特别是陶瓷混凝土保温材料采用蛭石、粉煤灰做填料，硅铝酸盐做粘结剂的研究，使材料具有低热导率和较高的抗热震性能。

 

巨大的市场需求推动着耐火保温材料的快速发展，但是在发展过程中也出现了诸多问题，如耐火原材料的无序开采和不当利用导致了严重的资源浪费;环境问题还没有解决，使用过期、被破坏的废弃耐火材料还未得到妥善的处理等;因此“绿色、高性能”是今后判断耐火保温材料好坏的一个标准。除此以外，耐火保温材料多数都是疏松多孔的，材料中空隙占很大比重，材料在接触到水分时，会大量吸水，由于水的导热系数远大于空气，这就会严重影响材料的保温性能，目前解决的方法都是在保温材料外层加置防水层，这就增加了成本，所以材料本身吸水率低，具有疏水特点的憎水性耐火保温材料也是一个重要的研究目标。目前，市场对耐火保温材料的要求是多样的，如炉窑墙壁耐火保温材料有着高耐火度，低热导率，良好的抗热震性，耐侵蚀等优异的力学性能和较小的体积密度，施工方便，以及无毒环保等要求;所以，高性能多功能，环保、性价比高的复合型耐火保温材料必定是国内外发展的目标及热点。