工業窯爐保溫隔熱材料的選擇與應用

1設備性能要求考慮到工業爐和炎熱設備的隔熱，應充分考慮和使用隔熱材料，以達到最佳的應用和節能效果。通常需要仔細分析和研究因素，如下所述。(1）設備的操作溫度；(2）隔熱材料的最高（安全）使用溫度；(3）絕熱性能，包括導熱系數、體積密度、比熱容、熱容等；(4）使用條件；(5）物理性能，如機械強度及熱脹冷縮特性等；(6）化學性能，如耐酸、耐堿等；(7）經濟效益，包括價格，施式難易及耐久性等。上述諸項可大致歸納為三類：即設備的操作溫度，隔熱材料的最高使用溫度及絕熱性能為第一類；使用條件，物理性能及化學特性為第二類；經濟效益為第三類。第一類的問題較直觀，易接受，這里著重敘述后兩方面的問題。2密度對導熱系數的影響輕質隔熱材料的隔熱性能通常隨著體積密度的降低而提高，因而從節能的效益出發，一般趨向于采用低密度隔熱材料。但是，它們之間的關系并不是始終呈簡單的線性關系。如體積密度不同的硬硅鈣石型保溫材料的導熱系數與溫度的關系可以看到，溫度在室溫至約300℃的范圍內，低密度保溫材料的導熱系數確實很低，隨著體積密度的提高，如從0.1g/cm3提高到0.13g/cm3,0.25g/cm3，導熱系數逐漸增大。但是，密度小的保溫材料，溫度對導熱系數的曲線的斜率影響大，因此，在300℃左右這三種密度不同的保溫材料的導熱系數變得幾乎相近。高于300℃以后，導熱系數與密度的關系與上述情況正好相反，即密度大的材料的導熱系數小，密度小的材料導熱系數較大。并且隨著溫度升高，溫度對于密度低的保溫材料（如容重為0.1g/cm3時）的導熱系數曲線的斜率的影響越變越大，因而導致它們之間的分歧越變越大，密度小的材料的導熱系數反而大大高于密度高的材料。這表明，在選擇隔熱材料時，不能只追求低密度高氣孔率，需根據使用溫度選擇密度恰當的材料，以取得最佳的節能效果。3爐襯材料的選擇近年來，越來越多的輕質隔熱耐火材料直接用作各種加熱窯爐的工作內襯。另外，有許多熱處理和燒結爐，為提高產品的質量和滿足工藝過程的要求，常常應用各種保護氣氛，如CO,CO2,H2等。不言而喻，氣氛對隔熱耐火材料的使用會有很大的影響，其中氫氣對隔熱耐火材料的影響最大。金屬氧化物（MO）在氫氣中加熱時存在如下化學平衡關系：當水蒸氣的含量低于上述化學平衡的含量時，金屬氧化物將被氫還原成金屬，金屬氧化物處于不穩定狀態。相反，當水蒸氣的含量超過化學平衡的含量時，金屬將被氧化生成氧化物，金屬氧化物處于穩定狀態。在一般的輕質隔熱耐火材料中，SiO2和Al2O3為主要成分，還含有一些Fe2O3,TiO2,CaO和MgO等雜質。在熱處理爐中，為了防止金屬工件被氧化，常常利用氫氣等氣氛控制熱處理過程。但是，從耐火材料爐襯的使用方面來考慮，耐火材料中的組分可能被還原，從而破壞材料的組織結構，使爐襯材料變質損毀。由此，在還原性氣氛條件下使用的爐襯材料，最好選用以氧化鋁為主要成分的材料或純氧化鋁材料。這里須加以說明一點，鈣長石輕質隔熱材料和含鈣高鋁材料的抗還原性氣氛的能力也較強。在一般輕質隔熱耐火材料中，常常還含有一些雜質，如Fe2O3,TiO2,CaO和MgO等，Fe2O3和FeO在約300℃下很容易逐漸被還原成金屬鐵，TiO2的還原溫度高些，可逐漸被還原：TiO2——Ti3O5——Ti2O3——TiO——Ti。鐵和鈦的氧化物在爐內氣氛作用下發生的氧化——還原反應為可逆反應，當氣氛的露點和溫度發生改變時，可導致氧化--還原反應反復進行，由于體積變化可使材料的組織結構崩潰。由此又可進一步得出，用于還原氣氛中的耐火材料爐襯的雜質含量低，特別是Fe2O3含量盡可能低的材料。此外，在普通硅酸鋁耐火纖維中，為了阻止耐火纖維材料在使用過程中的析晶過程和提高耐火纖維的使用溫度，在熔吹纖維時加入3～4%Cr2O3。但從材料的穩定性來看，Cr2O3在氫氣氣氛中易被還原，因而含Cr2O3硅酸鋁耐火纖維的材料，不宜在還原性氣氛下作為內襯使用。最后還應指出，氣氛對隔熱保溫材料的導熱系數有一定的影響，為了防止導熱系數高的氫氣擴散滲入氣孔中造成隔熱性能降低，在氫氣氣氛中使用的隔熱保溫耐火材料最好選用封閉氣孔結構型輕質材料，如耐火氧化物空心球制品，松香皂發泡法制造的輕質磚。4對工業爐襯熱的要求窯爐的隔熱方式大致有兩類：冷面隔熱和熱面隔熱。在冷面加強隔熱的情況下，隨著隔熱的加強，散熱損失顯著降低，但由于袂襯的平均溫度升高，因此爐襯的蓄熱逐漸增加。而在熱面加強隔熱時，散熱和蓄熱都將隨著強化隔熱而降低。從窯爐的作業方式看，工業窯爐可分為連續作業和間歇式作業兩種類型。對于連續作業的窯爐來說，蓄熱損失在熱損失中所占的比例很小，散熱損失是主要的。但對于周期性作業的間歇式窯爐，由于加熱--冷卻循環進行，蓄熱損失所占比重很大。從節能的觀點出發，由此可以得出結論，對于周期性作業窯爐，在爐襯熱面上直裝砌隔熱層（如耐火纖維貼面），可以取得最佳的節能效果。而對于連續作業窯爐，在外壁（冷面）加強隔熱優于內壁（熱面）隔熱的效果，但這會導致爐襯溫度升高，因而對耐火材料內襯的安全使用問題需加以注意。5導熱系數的影響隔熱材料的厚度及爐襯外表材料的輻射能力對隔熱材料的導熱系數有一定的影響。通常保溫材料在厚度為8～20mm時的導熱系數最高；爐殼外表材料的黑度高時，可使隔熱材料的導熱系數提高，導致熱損失增加。6系統經濟評價的基本方法顯然，對工業化大生產來說，隔熱保溫材料的應用在很大程度上受經濟效益的制約。在設計隔熱保溫工程時，可通過計算進行比較，尋求最經濟的隔熱方案。例如，當選定了某種隔熱材料時，通過加大保溫層的厚度可使散熱損失減少，但與此同時，保溫隔熱工程費用卻隨之增加。因此，保溫隔熱材料厚度的確定，取決于隔熱工程費用與采取保溫隔熱措施后的能源費用兩個因素。隔熱工程的經濟評價有各種不同的方法，下面例舉一簡單事例。設采取隔熱保溫后熱損失所相當的能源費用為C1（元/年），而購買隔熱材料以及隔熱工程施工等所需的投資折舊費為C2（元/年），則C1與C2之和最小時就是最經濟點。這種方法也可按另外一種方法來計算：設由于使用隔熱材料所節約的能源費為C3（元/年），則扣除投資折舊費用之后的純節約為C4=C3-C2,C4為最大值時就是最經濟點。從節能的觀點看，用上述方法確定的最經濟點大體上最佳的。但是，投資的收益率在工業上是很重要的，所以有時采用與上述方法略有不同的下述方法進行評估如果隔熱材料內襯每增加一單位厚度，導致設備的費用增加為dC2，同時真正節約的效益增加為dC4，則比值dC4/dC2就是效益率。如果此數值低于該企業的收益率η，則把dC2的資金投到隔熱材料上就失去意義了，即把dC2的資金投到其它項目上，可得到比dC4更大的收益。因此，只有當dC4/dC2≥η時，對隔熱工程的投資（即增加厚度）才是可取的。這一點即成為該企業的最經濟點。7加強爐襯罪犯的瞳氣內壓當對爐襯冷面加強隔熱時，爐襯的平均溫度將隨著隔熱層厚度的增加而升高。在爐襯熱面工作層與熔融金屬或爐渣接觸的條件下使用時，熔融金屬與熔渣將沿著耐火材料的氣孔通道浸入磚內，并與磚的組分發生反應產生化學侵蝕作用。在熔渣和爐襯耐火材料的組成和性能一定的條件下，熔渣浸入磚內的深度取決于爐襯內的溫度梯度。顯然，爐襯內的溫度梯度越大，熔渣浸入磚內的深度越淺，這是因為熔渣浸入磚內后，其溫度迅速降低至凝固點之下，從而使熔渣的滲透停止。由此不難想到，在爐襯熱面與熔渣直接接觸的條件下，對爐襯的冷面加強隔熱將導致熔渣浸入磚的深部，使反應變質層增厚；在溫度發生波動時，爐襯工作面易發生崩掉片，加速耐火材料的損壞。這種現象對于高溫耐火性能的堿性磚內襯尤為普遍。因此，在這種情況下，對爐襯冷面是否加強隔熱在技術上和經濟上都需要仔細研究。例如，堿性平爐的爐頂，它的主要損壞機理