1、考试安排 时 间：16周周二（6月3号）下午4-6点 地 点：0102 考试形式：开卷铁水预处理铁水预处理炉外精炼炉外精炼连铸连铸2022年6月4日星期六6时47分52秒3耐火材料工艺学耐火材料工艺学4第八章 隔热耐火材料基本要求：了解隔热耐火材料的种类、制备方法及成孔原理；重 难 点：隔热耐火材料的隔热原理，影响导热率的因素（热导率与温度、显微结构、体积密度和气孔特性等的关系）。 5主要内容一、隔热耐火材料概述（1）隔热耐火材料与节能（2）隔热耐火材料定义（3）隔热耐火材料分类（4）隔热耐材的隔热原理及影响因素二、隔热耐火材料的制备方法（1）多孔隔热耐火制品及其制备方法（2）纤维状隔热制品及
2、其制备方法（3）纤维隔热材料存在的问题与发展（4）研制高效隔热耐火材料的原则61、隔热耐火材料概述、隔热耐火材料概述1.1 隔热耐火材料与节能隔热耐火材料与节能第八章 隔热耐火材料单位国内生产总值(GDP)能耗降低20%左右能源紧张，节能势在必行 能耗大户：钢铁工业、有色冶金工业、建筑工业等“十一五”中国超过10%的能源被钢铁业“吃”掉要抓好资源节约、建设环境友好型社会轻质隔热耐火材料“十五”“十二五”第八章 隔热耐火材料60-65% AluminaSilicaInsulationPorous SilicaPrecast 50-55% AluminaInsulation 60-65% Alum
3、inaInsulation 热风炉 HOT BLAST STOVES 第八章 隔热耐火材料7 大多数情况下，各种工业窑炉的热损失一般都很大，如下表所示，能源利用率不到33%，因而有很大的节能潜力。窑炉名称热效率，%半连续式煤气加热炉13.327.7箱式电阻炉31.432.6井式回火炉24电弧炉12.823.6远红外烘干室2030表表 一些工业窑炉的热效率一些工业窑炉的热效率热效率（%）=工艺有效热量/供入炉子的热量*100%第八章 隔热耐火材料8 一般工业窑炉的热损失，主要包括下列几项： 1）从炉体表面各部位散失的热量； 2）炉体的蓄热损失； 3）水冷损失的热量； 4）接缝、孔眼和炉门等密封不
4、严的部位泄露损失的热量； 5）排烟带走的废热损失。第八章 隔热耐火材料9 炉体的表面热损失，与窑炉的种类和保温隔热耐火材料的利用有关，如表所示，可高达产品单位能耗的1040%。产品名称窑炉设备单位产品能耗MJ/t产品炉体散热损失MJ/t产品%水泥回转窑544071013.0玻璃池窑9500149015.7耐火材料隧道窑6700253037.8陶瓷隧道窑12140459037.8钢铁化铁炉2462020908.5表表 各种工业窑炉的炉体散热损失各种工业窑炉的炉体散热损失1）从炉体表面各部位散失的热量）从炉体表面各部位散失的热量第八章 隔热耐火材料102）炉体的蓄热损失）炉体的蓄热损失 炉体的蓄热
5、损失，对连续操作的窑炉不太重要，因为这类窑炉通常运行数月至数年才需停炉维修。 但对于间歇式不连续使用的窑炉，炉衬耐火材料的蓄热损失则很大，它与窑炉的尺寸、炉墙厚度、砌体的热容量，材料的导热性和加热时间及温度等因素有关，达525%。第八章 隔热耐火材料11低热容量低热容量低热导系数低热导系数隔热耐火材料（保温耐火材料）隔热耐火材料（保温耐火材料）隔热耐火材料隔热耐火材料是指低导热系数低导热系数与低热容量低热容量的耐火材料，也称保温耐火材料。由于它们的气孔率高气孔率高，体积密度低体积密度低，因此也称为轻质轻质气孔率高气孔率高 体积密度低体积密度低轻质耐火材料轻质耐火材料耐火材料。耐火材料。1.2
6、隔热耐火材料的定义隔热耐火材料的定义第八章 隔热耐火材料12图图 各种结构炉衬在内表面相同情况下其热工性能的比较各种结构炉衬在内表面相同情况下其热工性能的比较1高岭棉；高岭棉；2矿棉；矿棉；3轻质耐火砖；轻质耐火砖；4致密耐火砖致密耐火砖第八章 隔热耐火材料IIIIII热耗，kJ/cm2s0.5330.5330.613蓄热，kJ/cm32060062500550000炉衬质量，kg/cm336115556 可见，采用导热系数低和热容小的隔热耐火材料，尤其是采用新型的耐火纤维材料，可使炉体的热损失大大减少，从而节约大量能源。13粘土质隔热耐火材料(1) (1) 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分
7、类高铝质隔热耐火材料硅质隔热耐火材料硅藻土质隔热耐火材料蛭石隔热耐火材料氧化铝隔热耐火材料莫来石隔热耐火材料1.3 隔热耐火材料分类隔热耐火材料分类第八章 隔热耐火材料14低温隔热材料（小于600），它不属于耐火材料；中温隔热材料（600-1200）； 高温隔热材料（大于1200）。 （2）按使用温度分类）按使用温度分类第八章 隔热耐火材料15各种隔热材料的使用温度各种隔热材料的使用温度 第八章 隔热耐火材料16类别特征举例粉粒状隔热材料粉粒散状隔热填料粉粒散状不定形隔热材料膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅藻土等，氧化物空心球定形隔热材料多孔、泡沫隔热制品轻质耐火混凝土、轻质浇注料纤维状隔热材料棉状和
8、纤维隔热材料石棉、玻璃纤维、岩棉、陶瓷纤维、氧化物纤维及制品复合隔热材料纤维和纤维复合材料绝热板、绝热涂料、硅钙板第八章 隔热耐火材料（3）按存在形态分类）按存在形态分类17膨胀珍珠岩膨胀珍珠岩 第八章 隔热耐火材料18由氧化铝空心球制成的新型高温隔热耐火材料由氧化铝空心球制成的新型高温隔热耐火材料 第八章 隔热耐火材料19第八章 隔热耐火材料20第八章 隔热耐火材料21隔热耐火材料按组织结构分类（举例）隔热耐火材料按组织结构分类（举例）类别特征举例气相连续的隔热材料固相为孤立分散相粉粒料填充隔热层，以可燃物法制造的轻质耐火砖固相连续的隔热材料气相为孤立分散相氧化物空心球制品，粉煤灰漂珠隔热制
9、品，泡沫法轻质砖，泡沫玻璃混合结构的隔热材料气相和固相都为连续相纤维、棉状隔热材料，耐火纤维毡，岩棉、玻璃棉保温材料（4）按结构特点分类）按结构特点分类第八章 隔热耐火材料22（a）气相连续结构型或开放气孔结构型气相连续结构型或开放气孔结构型 显微结构特点是固相被气相分割，成为断断续续的非连续相。 以轻质耐火材料粉粒填充的隔热耐火层，采用可燃物加入物法生产的大多数轻质隔热制品属于这种结构类型。气相固相纤维abc第八章 隔热耐火材料23（b）固相连续结构型或封闭气孔结构型固相连续结构型或封闭气孔结构型 显微结构特点是大部分气孔以封闭气孔的形式存在，固相连续而气相被分割孤立存在。 用泡沫法生产的轻
10、质耐火制品，各种氧化物空心球隔热制品都属于这种结构类型。第八章 隔热耐火材料气相固相纤维abc24（c）固相和气相都为连续相的混合结构型）固相和气相都为连续相的混合结构型 显微结构特点是固相和气相都以连续相的形式存在。 各种矿棉、耐火纤维隔热材料和制品以及纤维复合材料均属于这种类型。第八章 隔热耐火材料气相固相纤维abc25按使用方式按使用方式：直接向火；非直接向火。按体积密度按体积密度：一般轻质（体积密度0.6-1.0g/cm3）； 超轻质（体积密度0.3-0.4g/cm3）。按生产方法按生产方法：可燃物加入法、泡沫法和化学法等。第八章 隔热耐火材料26传导传导对流对流热传递方式热传递方式辐
11、射辐射固相传导固相传导气孔或空隙气孔或空隙气相传导气相传导纤维或骨料纤维或骨料基质颗粒基质颗粒二次辐射二次辐射1.4 隔热耐火材料的隔热原理与影响因素隔热耐火材料的隔热原理与影响因素第八章 隔热耐火材料27Q0Q1Q2Q3123Q0Q00气 孔隔热耐火材料中的热传递隔热耐火材料中的热传递 e隔热耐火材料的 有效传热系数LTQe式中，Q通过隔热耐火材料传递的热量； e隔热耐火材料的有效传热系数； T隔热耐火材料两边的温差； L隔热耐火材料的传热距离。隔热的基本原理是隔热的基本原理是降低导热系数降低导热系数。第八章 隔热耐火材料28并联型并联型m=V11 V22V1和和V2各层所占体积百分数各层所
12、占体积百分数 1和和2各层的热导率各层的热导率 当热流方向与平板平行时当热流方向与平板平行时第八章 隔热耐火材料29 当热流方向与平板垂直时当热流方向与平板垂直时串联型串联型1/m=V1/1 V2/2V1和和V2各层所占体积百分数各层所占体积百分数 1和和2各层的热导率各层的热导率第八章 隔热耐火材料301）热传导热传导 通常气体的导热系数是很小的。大多数隔热耐火材料气孔中的气体为空气。空气的导热系数如表所示。它的导热系数比固体材料要小得多。因而，通过气孔的传导传热是很小的。 不同温度下空气的导热系数不同温度下空气的导热系数（W/cmK）温度，空气00.024525000.0336410000
13、.0778815000.09084气孔的传热主要包括如下几个方面气孔的传热主要包括如下几个方面 第八章 隔热耐火材料312）对流传热）对流传热 由于大部分隔热耐火材料中的气孔是很小的，气体在气孔中的流动受到限制，速度很小，因而气孔中的气体的对流传热也不大。 气孔的孔径越小，气孔中的气体的流动性越差，对流传热也越小。当气孔的孔径小于气孔中的气体的分子运动自由程时，气孔中的分子停止运动，不再有通过气孔的对流传热。 第八章 隔热耐火材料32含空气的气孔的导热系数与气孔孔径的关系含空气的气孔的导热系数与气孔孔径的关系第八章 隔热耐火材料333）辐射传热）辐射传热 由于在大多数隔热耐火材料中的气体为空气
14、，即O2与N2。它们的分子结构都为对称双原子型的。这类气体吸收与发射辐射能的能力极小。因此，通过气孔的辐射 传热主要是通过气孔的高温壁向低温的辐射。但总的来看通过气孔的辐射传热也是不大的。 第八章 隔热耐火材料34气孔率为气孔率为70%隔热耐火材料中各传热机制所占传热比例隔热耐火材料中各传热机制所占传热比例温度/传热比例/%固相传导气相传导辐射传热合计5008012810010007411151001500701119100在所有传热机制中，固相的传热占很大比例。应该指出的是，固相传热占的比例高并不意味该隔热材料的隔热效果差。恰恰是气相隔热效果好，才导致固相传热占的比例高。第八章 隔热耐火材料
15、35 显微结构包括气孔率、气孔尺寸、气孔面积与孔壁面积之比等。 气孔率高，孔壁面积（固相面积）所占的比例就小。但气孔率的提高是有限的。 气孔孔径越小越有利于提高隔热材料的隔热效果。一方面降低了气体分子的运动空间，减少了对流传热；另一方面是增加了气孔的面积。影响隔热耐火材料的隔热作用的因素影响隔热耐火材料的隔热作用的因素 1 1）隔热材料的显微结构）隔热材料的显微结构第八章 隔热耐火材料36多孔尖晶石陶瓷的显微结构和孔径分布多孔尖晶石陶瓷的显微结构和孔径分布第八章 隔热耐火材料37 表表 一些气体的导热系数，一些气体的导热系数，W/(mK）温度，水蒸气空气氢气二氧化碳00.017160.0245
16、20.17160.014425000.063460.033640.34760.0519210000.119710.077880.51350.0822115000.183170.090840.62740.1024 一般说来，气体的分子量越小，它的组成和结构越简单，其导热系数也就越大。2 2）气相的物理性质）气相的物理性质第八章 隔热耐火材料38 气相气相的主要作用是降低导热系数，实质上就是因为气体的导热系数比任何其它固体的导热系数都低。 绝大多数的情况下，所谓气相在隔热耐火材料中所起的作用实际上也就是空气的隔热作用。第八章 隔热耐火材料 但在有些情况下，隔热耐火材料是在真空、保护气氛或要求控制气
17、氛的各种工业窑炉中使用的，如采用氢气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物及惰性气体等气氛。39 影响固相影响固相导热系数的主要因素为材料的化学矿物组成和晶体结构。一般的规律是结构越复杂，导热系数越小。3 3）固相的物理性质）固相的物理性质第八章 隔热耐火材料40a氧化物；氧化物；b非氧化物非氧化物致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系第八章 隔热耐火材料41硅酸盐矿物硅酸盐矿物的导热系数较低1第八章 隔热耐火材料42a氧化物；氧化物；b非氧化物非氧化物致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系第八章 隔热耐火材
18、料43硅酸盐矿物硅酸盐矿物的导热系数较低大部分非氧化物非氧化物的导热系数大于氧化物氧化物的导热系数12第八章 隔热耐火材料44a氧化物；氧化物；b非氧化物非氧化物致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系第八章 隔热耐火材料45硅酸盐矿物硅酸盐矿物的导热系数较低大部分非氧化物非氧化物的导热系数大于氧化物氧化物的导热系数结晶相结晶相随着温度升高，原子或离子的热振动增大和非简谐振动性增加，导致自由程缩短，从而使导热系数下降。123第八章 隔热耐火材料46a氧化物；氧化物；b非氧化物非氧化物致密氧化物与非氧化物的导热系数与温度的关系致密氧化物与非氧化物的导热
19、系数与温度的关系第八章 隔热耐火材料47硅酸盐矿物硅酸盐矿物的导热系数较低大部分非氧化物非氧化物的导热系数大于氧化物氧化物的导热系数结晶相结晶相随着温度升高，原子或离子的热振动增大和非简谐振动性增加，导致自由程缩短，从而使导热系数下降。123玻璃态物质玻璃态物质中原子或离子为无序排列，因而玻璃相的导热系数一般比原子或离子有序排列的同组成的结晶相的导热系数低。随着温度升高，玻璃相的粘度降低，质点运动的阻力减小，玻璃相的导热系数随之增大。4第八章 隔热耐火材料48（A）MgO （B）Al2O3第八章 隔热耐火材料49具有致密晶界的晶体材料结构示意图导热系数随着温度升高，导热系数逐渐减小，但为何到一
20、定高温后，导热系数又逐渐增加呢？第八章 隔热耐火材料50具有连续玻璃相材料的结构示意图导热系数第八章 隔热耐火材料51（A）Al2O3（空心球，直径（空心球，直径100m） （B）SiO2（玻璃纤维，直径（玻璃纤维，直径15 m） （1）总导热系数，（）总导热系数，（2）固相导热，（）固相导热，（3）辐射传热，（）辐射传热，（4）对流传热）对流传热第八章 隔热耐火材料52总重量与总体积之比，（g/cm3）。 体积密度体积密度显气孔率显气孔率孔隙率孔隙率闭气孔率闭气孔率真密度真密度 孔隙包括开口气孔和闭口气孔，所有孔隙所占体积与总体积之比称为孔隙率，%。 开口气孔体积与总体积之比称为显气孔率，%
21、。 闭口气孔体积与总体积之比称为闭气孔率，%。 总重量/（总体积孔隙体积），（g/cm3）。 第八章 隔热耐火材料隔热耐火材料结构性能表征隔热耐火材料结构性能表征 1 1）孔隙率、显气孔率、闭气孔率、体积密度和真密度）孔隙率、显气孔率、闭气孔率、体积密度和真密度53 多孔陶瓷的孔径及孔径分布是其最重要的性质之一，对其它一系列性质（如导热率、渗透速率和透气度等）影响显著，对其最终应用有决定性作用，因而它的表征方法倍受关注。 较为常用的有压汞法、气泡法、气体吸附法、显微法，最近又发展了小角散射法、核磁共振法、热孔计法等。第八章 隔热耐火材料2 2）孔径分布及平均孔径）孔径分布及平均孔径54 压汞仪
22、rPcos2液体和毛细管之间的接触角（）；r半径（m）；液体的表面张力（mN/m）；P迫使汞进入毛细管的压力（MPa） 第八章 隔热耐火材料55第八章 隔热耐火材料多孔莫来石陶瓷的显微结构多孔莫来石陶瓷的显微结构56多孔莫来石陶瓷的孔径分布和孔累积分布多孔莫来石陶瓷的孔径分布和孔累积分布第八章 隔热耐火材料57 实验证明材料的断裂强度与晶粒直径材料的断裂强度与晶粒直径d d的平方根成反比的平方根成反比，材料的断裂强度与气孔率材料的断裂强度与气孔率P P的关系式f0exp()nP式中，n 为孔径特征常数，一般为47；0为气孔率为0时的强度。3 3）强度）强度第八章 隔热耐火材料 从上式可知，气孔
23、率对强度的影响时很大的。除气孔率外，气孔的形状及分布也很重要。58第八章 隔热耐火材料硅酸钙质高效隔热材料硅酸钙质高效隔热材料59 导热率与体积密度的关系导热率与体积密度的关系226426. 026496. 014412. 0体积密度轻质耐火材料导热率与体轻质耐火材料导热率与体积密度的关系积密度的关系4 4）结构性能与导热性能的关系）结构性能与导热性能的关系第八章 隔热耐火材料对于同一材质而言，导热率随着体积密度增大而增大。对于同一材质而言，导热率随着体积密度增大而增大。60例例1 1第八章 隔热耐火材料61例例2 2第八章 隔热耐火材料62 导热率与气孔率的关系导热率与气孔率的关系)1 (p
24、kvvkp轻质砖的热导率；连续相的热导率；制品气孔率。轻质高铝耐火材料的导热系数与气孔率的轻质高铝耐火材料的导热系数与气孔率的关系关系1- 1502- 2503- 3004- 4005- 500第八章 隔热耐火材料63第八章 隔热耐火材料例例1 164第八章 隔热耐火材料65导热率与气孔孔径的关系导热率与气孔孔径的关系轻质耐火材料导热率与温度及气孔大小的关系第八章 隔热耐火材料66回顾本节内容 1 隔热耐火材料的定义是什么？ 2 隔热耐火材料种类有哪些？ 3 耐火材料隔热原理是什么 ？第八章 隔热耐火材料 4 影响耐火材料隔热性能的因素有哪些？6768主要内容一、隔热耐火材料概述（1）隔热耐火
25、材料与节能（2）隔热耐火材料定义（3）隔热耐火材料分类（4）隔热耐材的隔热原理及影响因素二、隔热耐火材料的制备方法（1）多孔隔热耐火制品及其制备方法（2）纤维状隔热制品及其制备方法（3）纤维隔热材料存在的问题与发展（4）研制高效隔热耐火材料的原则（a a）通过添加可燃物或易挥发物形成气孔的制备工艺）通过添加可燃物或易挥发物形成气孔的制备工艺2、隔热耐火材料的制备方法、隔热耐火材料的制备方法2.1 多孔隔热耐火制品及其制备方法(1) (1) 多孔隔热耐火制品的制备方法多孔隔热耐火制品的制备方法 还有很多研究者采用添加淀粉、石墨等方法来制备多孔陶瓷。 在制砖的泥料中加入容易烧尽的可燃物，如炭末、锯
26、木屑等，使制品在烧成后具有一定的气孔。69烧成理想的理想的实际的实际的70采用添加可燃物法时，控制轻质耐火材料性能的因素有哪些？添加物的添加量添加物的粒度添加物的形貌添加可燃物法的优缺点： 优点：孔径尺寸、气孔率、气孔形貌可控缺点：气孔分布很难均匀，可燃物烧不尽时容易出现黑芯，环境污染71例1：一种多孔莫来石陶瓷的制备方法莫来石细粉+马铃薯淀粉淀粉的体积含量72-Al2O3微粉+-SiC+石墨例2：一种多孔莫来石陶瓷的制备方法7314501550165074烧烬物加入法制造隔热硅藻土砖流程图 例3：隔热硅藻土砖的生产工艺流程图75干燥加入泡沫剂烧成化学反应 1.泡沫法：在制砖的泥料中加入泡沫剂
27、，如松香皂等，并以机械方法使之起泡，经烧成后获得多孔的制品。 2.化学法：在泥料中加入碳酸盐和酸、苛性碱和铝或金属和酸等，借化学反应产生气体，使制品获得气孔。泡沫稳定剂（b b）发泡法）发泡法76泡沫法 优缺点 优点：可制备各种孔径大小和形状的多孔陶瓷，既可以获得开孔 材料，也可以获得闭孔材料，特别适合制备闭孔材料 缺点：工艺条件难以控制和对原料的要求较高 77泡沫法制轻质高铝砖流程图 例78在制砖的泥料中加入造孔剂，经挤压成型，烧成后获得多孔的制品。氧化铝坯泥（c c）挤压法）挤压法79例：一种单向气孔的多孔刚玉陶瓷80挤压法 优缺点 优点：可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计 缺点：不
28、能形成复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料81 凭借骨料颗粒按一定堆积方式堆积而成，颗粒靠粘结剂或自身粘合成型，颗粒间的孔隙形成相互贯通的微孔。（d d）颗粒堆积形成气孔结构）颗粒堆积形成气孔结构82例：83颗粒堆积形成气孔结构 优缺点 优点：通过控制颗粒尺寸，能控制孔径大小。 缺点：对颗粒尺寸范围要求严格，不能形成闭气孔。 84 利用原料矿物在一定温度分解出气体的特性，将此原料和其它原料混合均匀，加热到一定温度，即会在试样内部留下气孔，分解后的产物与其它原料原位反应，生成所需的多孔结构。（e e）原位分解合成技术）原位分解合成技术85 用天然的硅藻土或人造的粘土泡沫熟料、氧化铝或氧化锆空心球等多孔
29、原料制取轻质耐火砖。或者将纤维制成定形制品。 即直接将多孔、轻质骨料引入耐火材料。（f f）多孔材料法）多孔材料法86实例：成孔原理分析？实例：成孔原理分析？87以高岭土和煅烧白云石为原料制备多孔陶瓷薄膜材料以高岭土和煅烧白云石为原料制备多孔陶瓷薄膜材料88Kaolin 高岭土Doloma 煅烧白云石Wet milling 湿磨Wet mixing 湿混Ceramic paste 陶瓷坯泥Roll pressing 轧制成型Extrusion 挤出成型Plane configuration 平面结构Tubular configuration 筒形结构一种淀粉一种淀粉甲基纤维素甲基纤维素8990
30、湿磨、湿混，CaO和MgO水化，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2, 高温下 Ca(OH)2 CaO + H2O Mg(OH)2 MgO + H2O 分解后产生气孔。高岭土本身含有结构水、有机物等的烧失产生气孔。淀粉和甲基纤维素的烧失产生气孔。原料颗粒堆积产生部分气孔。成孔原理成孔原理91氧化铝隔热制品主要包括两方面：其一，是以氧化铝为主要原料用烧烬物法或发泡法所制得的多孔隔热耐火材料；另一种，是以氧化铝空心球为主要原料制得的氧化铝空心球制品。 (2) (2) 多孔隔热耐火制品的性质多孔隔热耐火制品的性质（a a）氧化铝隔热耐火制品）氧化铝隔热耐火制品92 由电熔或烧结氧化铝、工业氧化铝粉为主
31、要原料，用烧尽法、发泡法或其他方法制得的含Al2O3在90%以上的隔热制品。 根据使用要求的不同，其Al2O3含量可达99%。根据组成与结构的差异，刚玉隔热制品的使用温度可达1600以上。氧化铝隔热耐火材料氧化铝隔热耐火材料 93 通常以纯氧化物为主要原料，于电弧炉中高温熔化，待熔体流出时以高压气流喷吹，冷却凝固后形成的直径为0.25mm的人造轻质球形颗粒料。氧化铝空心球制品氧化铝空心球制品 94氧化铝空心球的吹制方法1-变压器；2-升降装置；3-电极；4-Al2O3；5-熔融Al2O3；6-空心球；7-喷吹；8-空气罐；9-空气压缩机；10-倾动装置。95空心球的断面结构类型a-薄壳中空球b
32、-多孔蜂窝球c-厚壁中空球96 它们同属于铝硅系隔热耐火材料。是目前应用最广的隔热耐火材料。根据材料的组成、结构与生产方法的差别，它们的性质与质量变化范围很大。使用温度的范围也很宽，从1000直至1600以上。（b b）高铝质、莫来石质与粘土质隔热耐火材料制品）高铝质、莫来石质与粘土质隔热耐火材料制品97序号化学成分/%体积密度耐压强度重烧线变化率导热系数*Al2O3 Fe2O3gcm-3MPa%w（mk）-114521.02.92（1350，12h）0.524520.61.52(1200，12h)0.2534821.03.92(1400，12h)0.544820.72.52(1350，12h
33、)0.555211.02.52(1350，12h)0.286550.80.82.52(1400，12h)0.287650.81.03.02(1550，12h)0.328720.81.22.52(1650，12h)0.449800.61.656.02(1700，12h)0.710850.51.756.02(1750，12h)0.72我国铝硅系隔热耐火材料的性质示例我国铝硅系隔热耐火材料的性质示例 98 硅藻土隔热制品是以硅藻土为主要原料制得的制品，是含水的非晶质氧化硅，SiO2的含量在60%以上，最高可达94%，含有大量微孔，孔隙率在7090%之间。硅藻土的堆集密度在150720kg/m3之间。
34、 它具有良好的隔热与隔音性能，是良好的隔热、隔音、吸附与过滤材料的原料。（c c）硅藻土隔热制品）硅藻土隔热制品99 硅藻土隔热制品的使用温度不超过1000。它的烧成温度一般也低于1100。通常，在9001000之间。当烧成温度超过1100时，无定型的硅藻壳会转变为方石英。后者在加热冷却过程中发生晶型转变而造成较大的体积变化导致制品的损坏。 100 粉煤灰漂珠是燃煤发电厂的粉煤中的无机物（主要成分为SiO2和Al2O3），在高温火焰中熔化和冷却凝固后形成的玻璃质珠状空心微球，可漂浮在排渣池的水面上，并由此而得名。 粉煤灰漂珠具有优良的耐热、隔热、耐蚀、绝缘等性能，是一种具有许多用途的原材料和填
35、充材料。 粉煤锅炉飞灰中，一般含有5070%空心微球，粒径为0.3200 m，壁厚15m，容重在0.30.7g/cm3之间。（d d）粉煤灰漂珠隔热制品）粉煤灰漂珠隔热制品 101漂珠的理化性质漂珠的理化性质 化学成分/%堆集密度g/cm3SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOR2OTiO2LOI158.5034.062.301.651.082.010.70.30.37254.1329.326.251.981.301.702.911.69355.026.09.93.51.64.00.3449.5-61.026.0-30.04.2-10.80.2-4.51.1-1.60.3-0.4102 钙长
36、石的分子式为CaOAl2O32SiO2。其理论组成为：CaO，20.2%；Al2O3，36.6%；SiO2，43.3%。熔点为1552。钙长石的熔点不高。但用它制作隔热材料却有良好的保温性能、抗热震性与在还原气氛下的良好稳定性。 按相组成，钙长石隔热耐火材料可以分为以钙长石为主要成分和以钙长石为基质的两类。两者都可以用烧烬物法与发泡法进行制造。通常以高岭石、黏土熟料、叶腊石与石膏为原料。（e e）钙长石轻质隔热制品）钙长石轻质隔热制品103钙长石及钙长石结合莫来石制品的性质钙长石及钙长石结合莫来石制品的性质 12345化学组成/%Al2O33938.95439.038.8SiO24444543
37、42.542.2CaO15.411.7315.115.2Fe2O30.46.70.50.750.49体积密度/gcm-30.470.500.50.800.75耐压强度/MPa0.751.13.56.04.2重烧线变化%0（1066）2（1450）-1（1300）1（1350）导热系数/W（mk）-10.12（264）0.15（350）0.18（400）最高使用温度/1100140013001350104 它们是由各种无机纤维构成的隔热材料与制品。纤维状隔热材料具有质量轻、导热系数与热容量小，抗热震性好及施工方便等优点。在纤维中，以非晶质硅酸铝质纤维与多晶质的莫来石纤维应用最广。2.2 纤维状隔
38、热制品及其制备方法105纤纤维维隔隔热热材材料料分分类类 类型使用温度天然石棉600玻璃纤维600矿渣棉600玻璃质氧化硅纤维1200非晶质硅酸铝纤维普通硅酸铝纤维1000高纯硅酸铝纤维1100高铝硅酸铝纤维 （Al2O3含量52-53%）1200含铬硅酸铝纤维 （Cr2O3含量3-5%）1200含锆硅酸铝纤维 （ZrO2含量15-17%）1350多晶质氧化铝纤维1500莫来石纤维1400氧化锆纤维 1600氮化硼纤维1500碳化硅纤维1800碳纤维2500106常把这类纤维称为耐火陶瓷纤维（Refractory ceramic fibre）简称陶瓷纤维（Ceramic fibre）或耐火纤维
39、。它们是由粘土、矾土、Al2O3及硅石等为原料，按要求配料后在电弧或电阻炉中熔化经喷吹或甩丝制成纤维。它是一种优秀的隔热材料。广泛用于各种工业炉窑上。 (1) (1) 非晶质硅酸铝质纤维非晶质硅酸铝质纤维 107硅酸铝耐火纤维的制造硅酸铝耐火纤维的制造 三根电极埋入熔料中，炉温达到2000以上。喷吹法：熔料通过流料口小股流出，经高压蒸汽或压缩空气的高速气流喷吹，成为纤维。甩丝法：也可以让熔料流到高速旋转的转盘上，通过几个转盘高速旋转所产生的离心力将熔体甩成纤维。电阻法连熔连吹成纤工艺示意图电阻法连熔连吹成纤工艺示意图离心甩丝法成纤示意图离心甩丝法成纤示意图108在喷吹法中，通常有两个喷头，一个
40、喷管吹出的空气（称为一次空气）将熔体流股吹成小球；第二个喷嘴吹出的空气（称为二次空气）再将小熔体吹成纤维。这二个过程一般在大约0.1秒内完成。如果，第二个过程完成不好，在喷出的熔料中，小球的含量高。这种小球通常称为“渣球”。除了渣球率以外，熔液的性质、成纤方法、电炉工艺参数等也对纤维直径、长度、单丝强度等性质有较大影响。109（a） 熔体的黏度与表面张力熔体的黏度与表面张力 由于成纤过程是熔体先成微径球再被拉成丝。因而熔体流股的黏度与表面张力对成纤过程及纤维性质有很大影响。 黏度大、表面张力小，则纤维变粗，渣球含量多。 若黏度小、表面张力大，则熔体易分散，所得纤维细而短，渣球量也多。 如果黏度
41、过小或表面张力过大则不能成纤。110喷吹法所制得的纤维的直径小，通常在23m之间，纤维较短（50m）；甩丝法制得纤维较粗，通常在35m之间，纤维较长。通常细而短的纤维的柔软性较好，而粗、长的纤维的强度较大。它们在制品的生产过程中各有优势。（b） 成纤方式成纤方式 111玻璃质的硅酸铝纤维通常不能长期在高于1000的温度下使用。 硅酸铝耐火纤维的性质主要有使用温度、导热系数与强度等。后者包括单纤强度与制品强度等。1. 硅酸铝耐火纤维的析晶与使用温度 硅酸铝耐火纤维的性质硅酸铝耐火纤维的性质 112莫来石在900950范围内开始结晶析出;方石英在12501300范围内开始析出；方石英在1400左右
42、逐渐熔入玻璃相中；同时，莫来石的含量几乎保持不变，但晶粒却不断长大。纤维的密度也增大，体积收缩。体积收缩与莫来石晶粒的不断长大导致纤维的结构发生变化，强度大幅度降低到不能承受纤维工作应承受的应力，纤维即“粉化”破坏。硅酸铝纤维析晶和损毁过程 为了提高硅酸铝纤维的使用温度应尽可能地阻止莫来石晶体的析出，特别是阻碍莫来石晶体的长大。 不同温度下加热24h后 113Krc-辐射传热； Kg-空气导热；Ks-纤维导热；Kk-空气对流传热纤维隔热材料中的传热机理 硅酸铝纤维的导热系数硅酸铝纤维的导热系数 II II 体积密度体积密度III 纤维直径纤维直径 IV 纤维方向纤维方向 I I 使用温度使用温
43、度 影响因素：影响因素：114 目前市场上主要供应的多晶纤维包括如下三个类型：（1）Al2O3 含量为95%的多晶氧化铝纤维。以英国帝国公司（I.C.I）最早生产的牌号为“sfaffil”为代表。其化学成分大致为Al2O3 ，95%；SiO2，5%。（2）Al2O3 含量为80%的牌号“ALCEN”的多晶纤维。其化学成分大致为Al2O3 ，80%；SiO2，5%。（3）美国金刚砂公司最早生产的牌号为“Fibermax”的多晶莫来石纤维。其化学组成为Al2O3，72%；SiO2，28%。 (2) (2) 晶质耐火纤维（多晶纤维）晶质耐火纤维（多晶纤维） 115 与熔化成纤法生产玻璃质硅酸铝纤维不
44、同，多晶纤维的生产方式是先制成浓缩的母液，再通过喷吹或甩丝法得到纤维，称为纤维坯体或前驱体纤维。再经热处理后得到多晶纤维。多晶纤维的制造方法多晶纤维的制造方法 116盐酸铝粉纯水溶铝母液浓缩胶体纤维化集棉热处理硅溶胶有机添加剂聚乙烯醇胶体法制造多晶纤维工艺流程图胶体法制造多晶纤维工艺流程图 整个流程大致分为三个部分：制胶、成纤与集棉及热处理。其他多晶纤维，与此工艺相同，仅在硅溶胶的加入量等方面有少许变动。117晶质纤维的性质晶质纤维的性质 晶质纤维由晶体构成，不存在析晶的问题。但是，其晶体多是微小晶体，同样存在晶粒长大的问题。晶质纤维的最高使用温度常被标明在14001600之间，但实际使用温度
45、常在1400左右。118 耐火纤维制品主要有以下几种：（1）毯和毡。采用干法加工工艺，不加或加微量粘结剂制成的制品称为耐火纤维毯。采用针刺工艺（一种通过带有倒钩的针在纤维表面上下勾刺的方法），可提高耐火纤维毯的抗张强度和抗气流冲刷性。以耐火纤维为原料，加入羧甲基纤维素、树脂或乳胶等有机粘结剂制成的制品称为耐火纤维毡。根据使用要求，有的还加入硫酸盐或磷酸盐等无机粘结剂。(3) (3) 隔热耐火纤维制品隔热耐火纤维制品 119（2）湿毡。将毡或毯浸渍氧化铝或氧化硅胶体溶液等，封装在塑料袋内保持湿润。通常用在难以施工的形状复杂部位，干燥后表面硬化有良好的抗气流冲刷性能。（3）纸。通过加入少量有机纤维
46、和粘结剂，用一般造纸方法制造的制品，在常温下有足够的强度和挠性。120（4）绳和带。在耐火纤维中加入1520%有机纤维，纺成线，再制成绳和带。根据用途可加入镍铬丝或不锈钢丝，以增强强度。（5）异型制品。在耐火纤维中加入结合剂，采用真空吸滤成型或机压成型，按照使用要求制成各种异型制品。 121 纤维耐火材料有良好的隔热效果、便于安装，是一优质的隔热耐火材料，广泛应用于中、低温工业窑炉上。但仍然存在一些问题。主要问题有两个。 2.3 纤维隔热材料存在的问题与发展纤维隔热材料存在的问题与发展122 1. 由于析晶及晶粒长大，限制了其使用温度。 虽然晶质纤维解决了析晶的问题但是在长期使用过程中晶粒仍然
47、会长大。同时，晶质纤维的生产过程复杂，纤维质量的稳定性也难以控制，成本高、价格贵。123 2. 纤维材料对人体的侵害仍难以避免。 铝硅系纤维一旦被吸入人体，吸附在气管或肺中，很难以除去。长期大量地吸入纤维会损害人体的肺功能。 124以SiO2CaOMgO系为主要原料制得的纤维，在人体体液中有一定的溶解度，即所谓“可溶解纤维”。 “可溶解纤维”吸入人体后可被体液慢慢溶解，减少对人体的危害。1251）纤维：高的反射或散射，热导率小，直径细，最佳排列取向 2）骨料和填料：热导率小，微孔多。避免贯通气孔； 强辐射吸 收或反射；颗粒尺寸小3）添加阻光剂。2.4 研制高效隔热耐火材料的原则研制高效隔热耐火
48、材料的原则126隔热耐火材料研究的最新动态隔热耐火材料研究的最新动态开发纳米、亚纳米绝热材料，改善现有保温材料的性能材料内气孔尺寸 气体的平均自由程50nm 70nm1270.023 W/cmK遮光剂：硅酸锆、碳化硅开发纳米、亚纳米级、加遮光剂的复合绝热材料128渣在耐火材料中渗透的显微结构示意图渣在耐火材料中渗透的显微结构示意图开发高强度、微气孔的轻质骨料，以取代致密耐火骨料129思考题：思考题：1、隔热耐火材料的定义是什么？2、耐火材料隔热原理是什么 ？3、影响耐火材料导热性能的因素有哪些？4、隔热耐火材料的制备方法及原理有哪些？（列举3种）5、纤维隔热材料存在的问题是什么？6、研制高效隔热耐火材料的原则是什么？130
