如何采用热导率低的隔热保温耐火材料，降低热工设备的热损失？
发布日期： 2019-12-02 09:40:21 阅读量（907） 作者：刘梓明热工设备的内衬是由耐火材料构筑，对热损失，耐火材料在其中起关键作用，在高温下，耐火材料既要保持稳定，又要保住热量尽量不损失，因此，耐火材料要保温性能好，蓄热少。
1、热工设备热损失
热工设备一般都是耗能大户，温度越高，耗能越多。大多数情况下热效率都很低，热能利用率不到30%。热工设备的热损失一般有以下几项：
(1)热工设备体表面各部位散失的热量，可达产品单位能耗的10%〜40%;
(2)热工设备体的蓄热损失，对连续操作的热工设备不太重要，对问歇式作业的热工设备蓄热损失达5%〜25%;
(3)水冷损失的热蒱，如连续式轧钢加热炉的泔轨水冷管，不做耐火材料包扎，热量损失达25%以上;
(4)接缝、孔眼和炉门等部位密封不严泄漏损失的热量，如电弧炉门热量损失达35%以上;
(5)排烟带走的热损失。
以上热损失都与耐火材料有关，特别是(1)~(4)项与耐火材料的隔热保温性能有很大关系。减少炉体表面热损失的基木途径就是选用合适的隔热保温材料，降低炉体外表面温度。在炉膛温度一定的情况下，外表面温度主要取决于炉墙厚度和炉墙材料的热导率。加大炉墙厚度将导致炉体的蓄热增加，可使蓄热损失增大。因此，合理利用隔热保温材料成为最佳选择。
近年来，我国隔热保温材料发展很快，不但有各种材质，不同体积密度，不同热导率的定型产品，还有相应的不定形耐火材料，各种材质的耐火纤维及制品，硅钙板，纳米绝热板等。这些保温隔热产品的外形规格，理化指标，隔热保温效果不同，市售价格也不同。因此，应该根据热工设备的使用条件进行内衬设计。收集原始资料，其中包括温度参数(热工设备的热面温度，冷面温度)，物理常数(隔热材料的热导率，体积密度，最高使用温度)，经济参数(耐火材料价格，燃料价格，发热量，利用系数等)，然后进行计算节能效果，并分析对比，选择合适的隔热保温材料并制定合理的方案。
2、降低热工设备散热损失的实例
(1)钢包的隔热保温
目前，我国钢铁行业平均能耗比日本高50%，大型企业高30%。钢包是钢铁行业的重要热工设备。为了钢包保温，经过对钢包散热计算及对隔热保温材料的研究发现，钢包内衬应该采用四层材料砌筑，即在钢壳内表面涂层节能涂料，向内是10mm纳米绝热板，再向内是75mm的高强纳微米隔热浇注料，再向内是工作层。渣线工作层采用低热导率的镁碳砖，熔池工作层采用刚玉一尖晶石质不烧砖。这种方法应用在120t精炼钢包上，使渣线处钢包壳温度约225℃，熔池处钢包壳约200℃，包胧壳约170℃。这种节能结构取得了良好的使用效果:①高强纳微米浇注料和低导热工作层能有效保护纳米板，使之长期处于安全工作温度内，显著提高保温层和永久层的使用寿命;②完全可以使包壳温度降低100℃以上，提高包壳使用寿命，减少烤包用燃气，钢液温度降低速度显著减慢，降低出钢温度，提高金属收得率，提高劳动生产率，达到节能环保和降低成本的目的。
(2) 水泥回转窑过波带用低导热复合砖
水泥回转窑是高耗能的热工设备，特别是前后过渡带，耐火材料内衬没有窑皮保护，直接与水泥物料接触，窑体温度偏高，增加了热损失及燃料消耗，降低窑体和托轮的使用寿命，同时使耐火材料也容易损坏。为了减少散热和安全隐患，采用工作层、保温层、隔热层三层结构。如果采用三种不同热导率的耐火砖砌筑，在回转窑运转时，往往容易发生内衬掉砖事故。因此，研究了低导热多层复合砖，即砖采用三层结构:工作层(硅莫砖厚0.140m)，保温层(轻质莫来石砖厚0.035m)，这两层的结合界面采用正弦曲面结合方式，而第三层为隔热层(含ZrO2的陶瓷纤维板，厚0.025m)，保温层与隔热层的结合面采用135°坡形结合方式，可使复合砖中间层(保温层)的应力集中较少，多层复合砖综合热导率由原来硅莫砖的2.74降低到1.50W/(m·K)，使窑外壳温度降低50〜70℃。
(3)鞍钢260t炼钢转炉采用20mm厚的纳米绝热板代替40mm厚的多晶纤维隔热板优化了炉衬结构，增大了炉容比，增加产钢量使炉壳温度下降11℃以上，在整个转炉炉役过程中没有出现粉化现象，没有炉衬砖的掉落，同时还减少了冶炼时间，减少铁水消耗。
(4)水冷式粉煤气化炉用高热导率碳化硅质捣打料
粉煤气化炉水冷壁采用高热导率碳化硅质捣打料内衬，高温时靠熔渣挂在碳化硅捣打料的内衬上，由于碳化硅的热导率高，熔渣碰到内衬迅速冷凝，随温度降低，热导率减小(见表1)。炉内向外依次是热渣、固渣、碳化硅耐火材料、水冷壁、惰性气体保护层、高铝不定形耐火材料、外保护层。这样使炉膛的热损失减小。
在高温工业，利用保温隔热材料节能环保的例子还有很多。隔热保温材料气孔率高(40%〜85%以上)，体积密度低(低于1.5g/cm3)，热导率低(低于1.0W/(m·K))。不过在选择这些隔热保温材料时要注意以下问题：
(1)隔热保温材料的热导率(λ)
热导率也称导热系数，而它的倒数1/λ为热阻。热导率越小，隔热效果越好。众所周知，空气的热导率最低，见表2。
另外气孔大小对λ值也有一定影响。低温时，隔热材料的热导率随气孔径增大而降低，800℃以上特别是1000℃以上热导率随气孔径增大而迅速提高。因此高温取气孔径小的隔热材料，而低温取气孔径大的隔热材料。在气孔率相同时，碰微结构以气相连续相比固相连续相的热导率小，纤维材料中气孔像固相一样连续，所以耐火纤维及制品的热导率小。隔热材料的固相，由于化学矿物成分的差异，其材料的热阻率差别很大。一般是啊 晶体结构越复杂热导率越小，固相中的玻璃相比晶相的热导率低。随温度升高，玻璃相热导率升高;结晶相温度升高，而热导率下降。英国开发一种超细SiO2复合隔热材料，体积密度0.24g/cm3左右，其热导率比所有隔热材料都低，甚至小于静止空气。
(2)隔热材料的耐热性
一些隔热材料的使用温度较低，如纳米绝热板在安钢100t钢包使用，钢包壳温度250℃以下，保温效果很好，但使用温度较低，在1000℃以下。超过使用温度会受压变形，导致内衬跟着变形，不但保温性能变差，且带来安全隐患。因此，有人提出隔热材料主要取决一定温度下收缩变形大小，不提耐火度。国际上一般都以重烧收缩量不大于2%的温度作为隔热材料使用温度范围，也作为隔热材料与纯耐火材料的区别之一。
(3)隔热材料的强度
由于气孔率较高，相对强度较低，如上述的纳米绝热板，保温效果好，气孔率高，而强度低。为了保证运输和施工需要，隔热材料必须应有一定强度。特别是有些与火焰直接接触的隔热制品，提高强度非常重要。随着体积密度增大而强度提高，在体积密度相同时，固相连接比气相连接强度高，这与孔径大小有关系，降低气孔径是提高隔热材料强度的有效技术措施。
(4)气氛与隔热材料
许多热工设备工作衬用隔热材料，也常用各种保护气氛，如CO、CO2、H2、N2等。Al2O3-SiO2系耐火材料在氢气中，SiO2被还职为金属娃和水蒸气，Al2O3很稳定，因此在氢气中要选用氧化铝质隔热材料。在硅酸铝纤维中含有3%〜4%的Cr2O3，在氢气还原气氛中易被还原，因此含有氧化铬的硅酸铝纤维不宜在还原气氛中使用。
(5)隔热方式
在间歇作业的热工设备上，炉衬热面直接砌隔热层(耐火纤维贴面)，可以取得最佳的节能效果，而对连续作业的热工设备，在外壁(冷面)加强隔热优于内壁(热面)隔热的效果。
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