隔热耐火材要点课件.ppt
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1、第六章隔热耐火材料,6.1 隔热耐火材料概述6.2 隔热耐火材料定义和种类6.3 隔热耐火材料的结构和性能6.4 隔热耐火砖 6.5 耐火纤维6.6 空心球及其制品,6.1隔热耐火材料与节能1.窑炉和热工设备的热损失 冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业中热加工过程中工业窑炉的能耗可占总能耗的4070%。热效率都很低 能源利用率不到30。,工业窑炉的热损失: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严的部位泄漏损失的热量;5)排烟带走的废热损失。1)至4)项热损失与保温隔热耐火材料的合理使用与否密切相关,各种工业窑炉的炉体散热损失,炉
2、体的表面热损失,达产品单位能耗的1040 与窑炉的种类和保温隔热耐火材料的利用有关炉体的蓄热损失连续操作的窑炉不太重要。窑炉通常运行数月至数年才需停炉维修。,间歇式不连续使用的窑炉,炉衬耐火材料的蓄热损失达525。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,有水冷措施的窑炉,冷却水带走的热量损失高达25以上。窑炉不同部位上的孔眼、炉门、接缝等处漏出散失的热量高达35。,隔热耐火材料在工业窑炉节能中的作用,2.炉体表面的散热损失 建筑在厂房内的工业窑炉,在无强制通风冷却的情况下。从炉体表面向周围环境散失的热量:Q散自然对流散热Qc+辐射散热QrQ散=Qc+Qr=
3、(hc+hr)(t0-ta)式中 hc自然对流传热系数,W/(mK);hr辐射传热系数,W/(mK);t0炉墙外表面(冷面)的温度,K;ta外界环境的温度,K。,自然对流传热系数(hc)与炉墙的方位有关,垂直炉壁:,炉顶:,炉底:,辐射传热系数(hr)与炉壁外表面(冷面)的黑度,炉墙材料的黑体,,减少炉体表面散失热量的途径:选用合适的隔热保温耐火材料,降低炉体外表面的温度。炉体的外表面温度,炉膛温度一定时,取决于炉壁的厚度和炉墙材料的导热系数。,炉壁由三层不同的耐火材料构成,各层炉壁材料导热系数和厚度为1、2和3及l1、l2和l3;炉壁内表面(热面)的温度为t1,外表面(冷面)的温度为t0各层
4、间界面温度为t2和t3;炉壁材料的导热系数取炉壁平均温度时的导热系数。在稳定传热的时,通过每一层炉壁的热量相等Q1=(t1-t2)/(l1/1)=(t2-t3)/(l2/2)=(t3-t0)/(l3/3)=(t1-t0)/(l1/1)+(l2/2)+(l3/3),若炉壁由n层耐火材料构成:Qn=(t1-t2)/(l1/1)=(t2-t3)/(l2/2)=(tn-t0)/(ln/n)=(t1-t0)/(l1/1)+(l2/2)+(ln/n)式中(l1/1)、(l2/2)、(ln/n)称为材料的热阻。炉壁的热阻愈大,炉壁外表面的温度愈低,从炉壁外表面散失的热量损失也就愈少。,减少炉壁外表面散失热量
5、的方法:加大炉壁的厚度 将导致炉体的蓄热量增加,使蓄热损失增大。选用导热系数小的各种保温隔热耐火材料。合理利用各种隔热保温耐火材料是减少炉壁外表面散热损失的最佳选择。,3.炉体的蓄热损失 当炉壁传热达到稳定状态时,可计算出炉壁各层界面上的温度,可算出炉壁的蓄热量:H 炉壁的蓄热量,kJm2;1、2、3 各层炉壁材料的体积密度,kgm3;C1,C2,C3 各层炉壁材料的比热容kJ(kgK);ts 炉壁加热前的温度,K。,间歇操作的窑炉,在一个生产周期中,炉壁传热往往达不到稳定状态,炉体的蓄热损失:,式中 Q 炉体蓄热损失,KJm 2;炉壁材料的体积密度,kg/m3;Cp炉壁材料的平均比热,KJ/
6、(kgK)炉壁材料的导热系数,kJ/(mK);H 升温加热时间,h;T0、T分别为窑炉加热前后的温度;F炉衬表面积,m2。,减少炉体蓄热损失的措施有:1)降低炉壁表面温度;2)采用比热小、体积密度小和导热系数小的耐火材料;3)减薄炉壁的厚度。,采用导热系数低和容重小的隔热耐火材料,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,节约大量能源。,1-致密耐火砖,4-耐火纤维,2-轻质耐火砖,3矿棉,由不同材料建筑的炉壁散热和蓄热损失的比较,采用高效隔热耐火材料间接方面节约大量的能源:1)炉体外形保持不变,耐火纤维材料作炉衬,炉衬厚度减薄,炉膛容积或物料装载量增加1.72.0倍,窑炉的生产
7、效率提高。2)耐火纤维内衬的重量轻,热容小,蓄热少,使窑炉的升温和冷却时间显著缩短,可缩短1/3至1/2,大大提高劳动生产效率。,3)耐火纤维材料的容重小,其重量约为普通隔热耐火砖的1/5l/10,可减少窑炉钢铁支架的钢材用量。节约钢材用量达30。生产1t钢约需消耗1t标准煤,应用耐火纤维材料代替致密耐火砖制作窑炉内衬可以间接地大量节约能源。,4.窑炉的水冷热损失 工业窑炉,为了防止某些窑炉部件的过热损毁,采取水冷措施。因冷却水带走大量热量,浪费大量能源。,5.窑炉的泄漏热损失 窑炉的炉门、炉盖、窥孔,热电偶插孔,电热元件的安装孔,及窑车之间的联接处等缝隙易发生热量的泄漏损失:外界冷空气,通过
8、密封不良的孔隙侵入炉内会使炉温降低。面积10cm2的小孔,每小时侵入炉内的空气量达10m3。窑炉密封不好,或炉门、炉盖不严也会造成大量的热损失。,6.2隔热耐火材料定义和种类1.定义:隔热耐火材料:气孔率高、体积密度低、热导率低、具有绝热性能,对热可起屏蔽作用的材料,由于隔热耐火材料的重量轻,又称轻质耐火材料 保温材料:用在高于环境温度条件下防止热的流出损失保冷材料:用于低了环境温度的条件下以防止热的流入,2.隔热耐火材料分类a 按使用温度:低温隔热材料(小于600),硅藻土、石棉砖;中温隔热材料(6001200),蛭石、轻质粘土砖;高温隔热材料(大于1200),轻质刚玉砖。b 按使用方式:直
9、接向火;非直接向火,c 按体积密度:轻质(体积密度0.6-1.0g/cm3)不大于1.3g/cm3;超轻质(体积密度0.3-0.4g/cm3)d 按生产方法:可燃加入物法;泡沫法和化学法 e 按原 料:粘土,高铝,硅质,镁质,隔热耐火材料按形态分类,隔热材料按固相与气相的存在方式相分布状态分类:,6.3 隔热耐火材料的结构和性能 1.隔热耐火材料的组织结构特点,普通致密耐火材料:完全烧结的耐火制品,气孔率小于20 气孔孔径较小。粘土砖的孔径260m;硅砖为1921m;镁砖为2628m。,轻质隔热耐火材料:气孔率45以上 气孔的孔径粗大可燃物加入物法制造的轻质砖的孔径为0.11mm,用泡沫法生产
10、的轻质氧化铝制品的孔径为0.10.5 mm氧化铝空心球轻质制品的孔径为0.55mm。,隔热耐火材料的组织结构:1)气相连续结构型或开放气孔结构型。显微结构特点:固相(固态物质)被气相(气孔)分割,成为断断续续的非连续相。结构中开口气孔占优势,气孔相互连通,成为气相(气孔)连续的结构。制备的材料:轻质耐火粉粒填充的隔热耐火层,可燃物加入物法生产的大多数轻质隔热制品,2)固相连续结构型或封闭气孔结构型 显微结构特点:大部分气孔以封闭气孔的形式存在。气相(气孔)被连续的固相(固态物质)包围,形成固相连续而气相(气孔)被分割孤立存在的结构特征。连续相为固相,气相(气孔)为非连续相。制备材料:用泡沫法生
11、产的轻质耐火制品 各种氧化物空心球隔热制品,3)固相和气相都为连续相的混合结构型 显微结构特点:固相和气相都以连续相的形式存在。固态物质以纤维状形式存在构成连续固相骨架,气相(气孔)则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中 制备材料:各种矿棉 耐火纤维隔热材料 纤维复合材料。,1-固相,2-气相(气孔),3-纤维,隔热耐火材料的组织结构示意图a-气相连续结构型;b-固相连续结构型;c-固相与气相都为连续结构型,4)组织结构对传热的影响可燃物法生产的轻质砖的显微结构特点:它是松散的多孔结构,近似于气相为连续相的显微结构,固相断断续续,被气相分隔,空气可起很好的热阻作用,而它的导热系数较小。泡沫法轻质砖
12、的导热系数要比可燃物法轻质砖的导热系数大得多 泡沫轻质砖的组织结构特点为气相(气孔)被连续的固相包围,形成蜂窝状封闭气孔型结构。在这种封闭气孔型结构的传热过程中,固相的导热系数起主导作用。,6.4 隔热耐火材料 1.粉粒状保温隔热耐火材料(1)硅藻土及其制品 硅藻土:天然的多孔性隔热材料的原料,水生植物硅藻的尸骸沉积在海底或湖底形成的沉积矿物。5400m的微小藻壳构成的,含有大量的极其微细的孔隙。,硅藻土成分:非晶质含水硅酸,优质硅藻土呈白色,SiO2含量9098。含有粘土、火山灰、有机物以及非密性物质等,其颜色呈浅灰色、浅黄色或深绿色,SiO2含量在7090之间。硅酸具有良好的耐热性能,可作
13、为中高温用绝热材料的原料。,制备:硅藻土原矿中含有足量的粘土时,粉碎成细粉加水混合后即具有足够的可塑性 挤泥机挤成泥条,用钢丝切割制成砖坯,或用可塑法成型。原料较纯,须加入一定比例的结合粘土,使砖坯具有足够的强度。有时在配料中也混入石棉,纤维材料,锯末等可燃物。砖坯干燥后于9001000下烧成。,用途:生的硅藻土直接用于保温涂层,烘干后用作隔热保温填料。硅藻土有很强的吸湿性,不宜作低温用的保温保冷材料。制造硅藻土轻质隔热砖和制品。硅藻土轻质隔热砖与其它容重相同的隔热砖相比,导热系数较小,原因是硅藻土的气孔非常细小,对热有良好的屏蔽作用。硅藻土隔热砖的使用温度随纯度而变。硅藻土制造的制品的使用温
14、度一般在1000以下,因为高温时制品的收缩变形较大。,蛭石 一种复杂的含水铁、镁硅酸盐类矿物,系由云母类矿物经水热变质作用或风化作用形成的再生矿物;在一定温度下加热处理时,发生急剧膨胀成为一种性能优良的隔热材料。蛭石的熔点为13001370,化学式为(Mg,Fe2+,Fe3+)(Si,A1)4O4(OH)24H 2O 理论化学组成为SiO2,36.71;MgO,24.62;A12O3,14.15%;Fe2O3,4.43;H2O,20.9。在结构上,蛭石保留有云母的一般外貌,呈薄片层状结构,,结构式如下:(Mg3,A12,Fe)O24(Si,A1,Fe)O2H2O(xH2OyMgOzCaO)八面
15、体 四面体 结晶水 层间配置 两层层状的硅氧骨架(四面体),通过氢氧镁石层或氢氧铝石层(八面体)结合而形成双层硅氧四面体。在双层硅氧四面体之间夹着水分子层。快速加热(8001000)时,层间结合水迅速蒸发产生压力,使层间分离,迅速发生巨大的体积膨胀,体积可胀大2030倍,真比重从2.32.8降至0.9。,制备与应用:直接采用膨胀蛭石颗粒作为隔热层填充材料。将粒状膨胀蛭石加入适量的水泥或水玻璃或其它胶结材料结合剂,轻压或振动成型后,经干燥或烘烤制成膨胀蛭石隔热制品。制品的体积密度为0.40.5g/cm3,相应的常温导热系数为0.0810.14W/(mK)。膨胀蛭石制品的耐火性能较差,承受负荷时易
16、产生变形,除体积密度较高的制品外,不宜用于承重结构 最高使用温度在11001150以下。,膨胀珍珠岩及其制品 珍珠岩:地下岩浆喷出地表,遇水急剧冷却固化而形成的酸性玻璃质火山熔岩。珍珠岩:玻璃组成,含有透长石和石英的斑晶、微晶及各种形态的雏晶,隐晶质矿物。珍珠岩矿石的比重:2.22.4 硬度5.56.0,耐火度为12801360,化学组成为:SiO2:6875;A12O3:914;H2O:36;及CaO、Fe2O3、MgO等杂质,膨胀珍珠岩珍珠岩经焙烧膨化处理后获得的白色多孔性轻质颗粒料 呈蜂窝状结构,孔壁很薄,气空率很高 超轻质高效能保温隔热材料,膨胀珍珠岩隔热材料的特点 绝热性能好,有优良
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