窑炉保温会用(yòng)到哪些材料？9种不同种类的耐火保温产品
2023-08-10 18:41:12 点击：
耐火保温材料自应用(yòng)到实际生产中以来，发挥了它重要的作用(yòng)，行业人员及企业也投入了大量的研究，很(hěn)多(duō)新(xīn)产品被相继开发出来。本文(wén)主要从使用(yòng)温度来分(fēn)别阐述不同种类的耐火保温材料，主要是从低温、中温及高温三个层次阐述不同种类的耐火保温材料。
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(yǒu)火焰法、蒸汽立吹法和离心喷吹法。目前，由于用(yòng)火焰喷吹法进行生产的火焰棉能(néng)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(néng)耗低，无渣球，无污染，是主要的生产工艺。此种方法的具體(tǐ)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體(tǐ)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(hěn)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。玻璃棉的化學(xué)成分(fēn)主要是SiO2(≥60%)和Al2O3，除此以外还含有(yǒu)CaO、MgO、碱金属氧化物(wù)及B2O3等物(wù)质;其导热系数在0.037～0.039W/(m·K)之间。玻璃棉具有(yǒu)一定的机械强度、易成型、绝缘性能(néng)好、抗腐蚀和疲劳损伤，被广泛地应用(yòng)于航空、石化、加工等领域，一般上限使用(yòng)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(wù)棉，物(wù)质的主要成分(fēn)是SiO2和Al2O3，其余是CaO和少量的MgO、Fe2O3等物(wù)质。岩棉以玄武岩和辉绿岩等天然火成岩為(wèi)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。目前國(guó)内外的矿(岩)棉均采用(yòng)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(duō)孔纤维状的结构，使得它在室温时的导热系数只有(yǒu)0.04W/(m·K)，有(yǒu)着良好的隔热性能(néng);同时，岩棉板也有(yǒu)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(yòng)温度在600℃以下，上限使用(yòng)温度可(kě)达650℃，是目前國(guó)内外使用(yòng)较為(wèi)普遍的保温隔热材料。现在更多(duō)的是应用(yòng)在有(yǒu)防火等级要求的建筑物(wù)中，例如北欧人均使用(yòng)量达到20kg，相比之下，我國(guó)矿(岩)棉的人均消费量还很(hěn)低。國(guó)内矿(岩)棉在建筑外墙保温的应用(yòng)上相比于欧洲起步较晚，兰州的甘肃建筑科(kē)學(xué)研究院办公楼的外墙保温是國(guó)内在这方面比较早的应用(yòng)，效果良好;虽然这比國(guó)外晚了20年左右，但近几年，國(guó)内矿(岩)棉行业广泛引进國(guó)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。岩棉除单独作為(wèi)保温材料使用(yòng)外，还可(kě)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(yòu)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(kě)以以工业生产中的残留废弃固相物(wù)體(tǐ)、陶瓷渣、大理(lǐ)石碎片為(wèi)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(xiǎo)，高温环境下仍有(yǒu)一定的机械强度，是一种性能(néng)优良的保温材料，在冶金、船舶等行业的热工设备上有(yǒu)着广泛的应用(yòng)。
示意图
硅酸钙材料的导热系数在0.05W/(m·K)左右，按使用(yòng)温度可(kě)分(fēn)為(wèi)低温型和高温型两种：低温型的绝热保温材料主要成分(fēn)是雪(xuě)钙石，亦称托贝莫来石，其分(fēn)子式為(wèi)5CaO·6SiO2·5H2O，上限使用(yòng)温度在650℃左右;高温型使用(yòng)温度可(kě)达到1000℃左右，其主要成分(fēn)是硬硅钙石，分(fēn)子式為(wèi)6CaO·SiO2·H2O。低温型的隔热材料主要应用(yòng)在石化工业上，而高温型硅酸钙绝热保温材料主要应用(yòng)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國(guó)的欧文(wén)斯-康宁纤维-玻璃公司(OwensCorningFiber-Galss)研究出来至今有(yǒu)近70年的时间，我國(guó)在这方面的研究是从上世纪七十年代开始，主要是采用(yòng)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(yòng)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體(tǐ)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為(wèi)基料，掺入定量辅助材料及填充材料，再加入合适化學(xué)添加剂制备而成的材料。之所以具有(yǒu)保温特性是因為(wèi)它具有(yǒu)封闭的微孔网状结构，一般用(yòng)静電(diàn)原理(lǐ)和湿法工艺以玄武石、白玉石等矿物(wù)原材料制备。其主要化學(xué)成分(fēn)為(wèi)SiO2和MgO，以及少量的Fe2O3、CaO、Al2O3、MnO2等;室温导热系数為(wèi)0.031W/(m·K)，350℃时的导热系数為(wèi)0.117W/(m·K)。复合硅酸盐材料阻燃隔热，力學(xué)上有(yǒu)一定的抗拉抗冲击性能(néng)，常用(yòng)于冶金、電(diàn)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(yǒu)着重要作用(yòng)，是隔热材料的优选产品。近年来，复合硅酸盐保温涂料也有(yǒu)了快速的发展和广泛的应用(yòng)，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(wù)和多(duō)种化學(xué)试剂為(wèi)原料，经特殊工艺制成的一种白色或灰白色粘稠状膏體(tǐ);常温或高温状态下均可(kě)施工，适用(yòng)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(yòng)寿命長(cháng)，并且能(néng)起到良好的隔热效果，上限使用(yòng)温度可(kě)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，高温體(tǐ)积稳定、抗侵蚀等诸多(duō)优异的性能(néng)条件，在耐火保温材料行业中占有(yǒu)一席之地，有(yǒu)广泛的应用(yòng)市场。其他(tā)复合硅酸盐系列产品也广泛的应用(yòng)于保温行业，通常其使用(yòng)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(yòng)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(duō)级加热→膨胀玻化→冷却处理(lǐ)→成品。其主要成分(fēn)如表1。
表1 闭孔珍珠岩主要成分(fēn)及含量
闭孔珍珠岩膨胀烧结后，呈玻化球形且内部為(wèi)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(duō)空的膨胀珍珠岩相比，闭孔珍珠岩具有(yǒu)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(yǒu)环保、吸声隔音、保温不燃、轻质多(duō)孔、流散性好、抗压强度高等优点，使得它可(kě)以作為(wèi)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(yòng)温度為(wèi)800℃左右。
闭孔膨胀珍珠岩主要是作為(wèi)保温骨料和添加到耐火类材料制成新(xīn)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(néng)优良，具有(yǒu)较好的实际应用(yòng)，是一种新(xīn)型工业墙體(tǐ)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(yǒu)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(yòng)闭孔珍珠岩作為(wèi)保温骨料(含量10%～30%)，另加入莫来石空心球、高铝水泥、固體(tǐ)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(néng)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(kě)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、抗压性等力學(xué)性能(néng)的前提下，可(kě)以起到隔热降噪的作用(yòng)。
6.漂珠类耐火保温材料
漂珠是粉煤灰在電(diàn)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(yòng)下形成浑圆球體(tǐ);经过多(duō)种物(wù)理(lǐ)化學(xué)反应，生成的气體(tǐ)在球體(tǐ)内膨胀，再配合表面张力作用(yòng)，球體(tǐ)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(fēn)是SiO2和Al2O3，还含有(yǒu)Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O和Na2O等，其中硅铝氧化物(wù)占80%以上。不同产地的漂珠其物(wù)质含量、色泽都稍有(yǒu)不同，大多(duō)数是呈灰白色，薄壁中空，表面封闭而光滑的具有(yǒu)透明半透明白色珍珠光泽的球形颗粒，其导热系数為(wèi)0.065W/(m·K)。粉煤灰漂珠具有(yǒu)容重小(xiǎo)、耐火度高，阻燃、耐侵蚀、高强度、保温绝缘等特性，是使用(yòng)广泛的耐火原材料之一，特别是在冶金、石油、机械、热处理(lǐ)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℃。
國(guó)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(lǐ)、化學(xué)物(wù)理(lǐ)性能(néng)、隔热机理(lǐ)[26]以及以漂珠為(wèi)主要保温骨料的漂珠砖等耐火材料。國(guó)内对漂珠的研究相对于國(guó)外较落后，很(hěn)多(duō)方面的理(lǐ)论知识都是借鉴了國(guó)外的文(wén)献，但是，经过多(duō)年的研究开发，也取得了诸多(duō)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(yǒu)些专利产品中漂珠耐火保温砖的导热系数可(kě)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(fēn)钟的次数可(kě)以达到30次;楚林[27]在铝磷酸盐漂珠的研究中，以磷酸二氢铝為(wèi)结合剂，氢氧化铝為(wèi)固化剂制备一种漂珠保温材料，材料抗压强度可(kě)以达到4.346MPa，體(tǐ)积密度0.517g/cm3，导热系数0.069W/(m·K);李文(wén)丹等以粉煤灰漂珠為(wèi)基體(tǐ)利用(yòng)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
气體(tǐ)的热传导和热对流、固體(tǐ)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(néng)够同时阻碍材料各种传热方式的新(xīn)材料是关键所在，通过科(kē)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(fēn)气體(tǐ)虽然在静止状态时的热导率很(hěn)小(xiǎo)，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(xiǎo)于50nm，微孔尺寸足够小(xiǎo)且小(xiǎo)于气體(tǐ)分(fēn)子的平均自由程，使得气體(tǐ)分(fēn)子之间不发生碰撞或碰撞几率很(hěn)小(xiǎo)，基本无法进行对流传热，从而阻断了气體(tǐ)分(fēn)子的热传导;硅质气凝胶这一理(lǐ)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(yǒu)良好的透光性，以及遮蔽红外線(xiàn)的功能(néng)。所以无定型SiO2凭借其独特的结构特征和本身性能(néng)优点成為(wèi)了制备纳米微孔绝热材料的主體(tǐ)材料，目前得到实际应用(yòng)的纳米绝热材料的纳米孔载體(tǐ)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(yǒu)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(yòu)一研究方向;AbeH.Y.等以气相SiO2為(wèi)主要原料，SiC為(wèi)遮光剂，无碱玻璃纤维為(wèi)增强剂，通过干法成型工艺制备了纳米SiO2多(duō)孔绝热材料，其制品的断裂应力达到1.58MPa，400℃时导热系数為(wèi)0.0282W/m·K，气孔率為(wèi)80.1%。國(guó)内对于气相法制备纳米SiO2隔热材料也有(yǒu)很(hěn)大成果，封金鹏等人采用(yòng)水蒸气蒸养法用(yòng)纳米SiO2粉體(tǐ)、SiC等材料制成纳米SiO2多(duō)孔绝热材料。纳米孔硅质隔热材料凭借着其轻质、多(duō)孔、隔热性能(néng)好等诸多(duō)优点，成為(wèi)了很(hěn)多(duō)科(kē)研人员的研究目标;这种轻质多(duō)孔绝热材料在航空航天、船舶、建筑等行业有(yǒu)很(hěn)大的开发空间。此类材料可(kě)以在950℃高温环境下長(cháng)期使用(yòng)，更高温度可(kě)以达到1025℃，甚至一些优化型材料可(kě)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(wù)，主要是黑云母、金云母和粘土矿物(wù)等热液蚀变或风化的产物(wù)，也有(yǒu)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(yòng)主要还是體(tǐ)现在膨胀蛭石上，膨胀蛭石是蛭石经膨胀(又(yòu)叫剥分(fēn))工艺后的产物(wù)，在國(guó)外又(yòu)称作剥分(fēn)蛭石，國(guó)内外普遍采用(yòng)物(wù)理(lǐ)方法和化學(xué)方法对蛭石进行剥分(fēn)，剥分(fēn)后的产物(wù)分(fēn)别称作热膨胀蛭石和化學(xué)剥分(fēn)蛭石，综合比较下，后者能(néng)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(duō)為(wèi)层状结构，膨胀后的蛭石层片间有(yǒu)空气间隔层，起到隔热作用(yòng)，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(yǒu)着重要的应用(yòng)，不仅可(kě)以把它单独作為(wèi)隔热层，还可(kě)以和水玻璃、水泥等结合剂混合压制成隔热材料使用(yòng)，有(yǒu)时也把它作為(wèi)隔热层的填充料，但是由于制品强度不够高，一般不用(yòng)于承重结构;使用(yòng)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(yǒu)应用(yòng)。
2009年，周國(guó)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(néng)，使膨胀蛭石的应用(yòng)不仅仅只是停留在骨料、填充料上，还可(kě)以像木(mù材一样制成用(yòng)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，测得其抗压强度為(wèi)1.61MPa，强度指标大于有(yǒu)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(yòu)称為(wèi)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(wù)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℃以上的電(diàn)炉里融化，再采用(yòng)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(fēn)和使用(yòng)温度可(kě)以分(fēn)為(wèi)3类，如表2所示：
表2 硅酸铝耐火纤维分(fēn)类
近几十年来，由于硅酸铝纤维的优良性能(néng)，國(guó)内外硅酸铝行业高速发展，新(xīn)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(hěn)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，以硅酸铝耐火纤维為(wèi)原料，配以结合剂、稳定剂等制备的耐火纤维纸可(kě)作為(wèi)高温环境中的隔热材料、缓冲材料，还可(kě)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(yòng)在航空航天器的隔热层上是目前前沿的研究之一;美國(guó)的金刚砂公司在这方面的研究较為(wèi)深入。而國(guó)内的硅酸铝纤维纸是采用(yòng)高纯度的陶瓷纤维制成，纤维纸的各项优良性能(néng)让它在高温隔热领域也有(yǒu)着重要的应用(yòng)。
示意图
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(yǒu)着广泛的应用(yòng);特别是陶瓷混凝土保温材料采用(yòng)蛭石、粉煤灰做填料，硅铝酸盐做粘结剂的研究，使材料具有(yǒu)低热导率和较高的抗热震性能(néng)。
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(duō)问题，如耐火原材料的无序开采和不当利用(yòng)导致了严重的资源浪费;环境问题还没有(yǒu)解决，使用(yòng)过期、被破坏的废弃耐火材料还未得到妥善的处理(lǐ)等;因此“绿色、高性能(néng)”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(duō)数都是疏松多(duō)孔的，材料中空隙占很(hěn)大比重，材料在接触到水分(fēn)时，会大量吸水，由于水的导热系数遠(yuǎn)大于空气，这就会严重影响材料的保温性能(néng)，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(yǒu)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(duō)样的，如炉窑墙壁耐火保温材料有(yǒu)着高耐火度，低热导率，良好的抗热震性，耐侵蚀等优异的力學(xué)性能(néng)和较小(xiǎo)的體(tǐ)积密度，施工方便，以及无毒环保等要求;所以，高性能(néng)多(duō)功能(néng)，环保、性价比高的复合型耐火保温材料必定是國(guó)内外发展的目标及热点。
