第6章 隔热耐火材料-1分类、隔热原理与影响...

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2）炉体的蓄热损失； 炉体的蓄热损失，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5~25%。
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膨胀珍珠岩
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由氧化铝空心球制成的新型高温隔热耐火材料
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4.按结构特点分类
隔热耐火材料按组织结构分类（举例）
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影响隔热耐火材料的隔热作用的因素 2. 气相的物理性质
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。 表 一些气体的导热系数，W/(m•K）
温度，℃ 0 500 1000 1500 水蒸气 0.01716 0.06346 0.11971 0.18317 空气 0.02452 0.03364 0.07788 0.09084 氢气 0.1716 0.3476 0.5135 0.6274 二氧化碳 0.01442 0.05192 0.08221 0.1024
0.09084
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2. 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。 分子平均自由程 分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程，叫做自由程； 分子在连续两次碰撞之间所经过的路程的平均值叫做平 均自由程。
传导
固相传导
热传递方式
气孔或空隙
辐射
二次辐射
对流
纤维或骨料 基质颗粒
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隔热耐火材料的隔热原理与影响因素

隔热的基本原理是降低导热系数。
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Q1 Q0 Q0 Q2 Q3
1 2 3
气孔
Q0
0
隔热耐火材料中的热传递
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气孔率为70%隔热耐火材料中各传热机制所占传热比例 温度/℃ 500 1000 1500 传热比例/% 固相传导 80 74 70 气相传导 12 11 11 辐射传热 8 15 19 合计 100 100 100
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。
表
产品名称
各种工业窑炉的炉体散热损失
单位产品能耗 MJ/t产品 炉体散热损失 MJ/t产品 %
窑炉设备
水泥
玻璃 耐火材料 陶瓷 钢铁
回转窑
池窑 隧道窑 隧道窑 化铁炉
5440
9500 6700 12140 24620
710
1490 2530 4590 2090
13.0
15.7 37.8 37.8 8.5
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影响隔热耐火材料的隔热作用的因素
3. 固相的物理性质
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。
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当热流方向与平板平行时
并联型
λm=V1λ1＋ V2λ2
V1和V2－各层所占体积百分数 λ1和λ2－各层的热导率
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当热流方向与平板垂直时
串联型
1/λm=V1/λ1＋ V2/λ2
V1和V2－各层所占体积百分数 λ1和λ2－各层的热导率
图 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；2－矿棉；3－轻质耐火砖；4－致密耐火砖
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由此可以清楚地看到，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。
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4.按结构特点分类
气相 固相 纤维
a
b
c
a 气相连续结构型或开放气孔结构型。这种类型的轻质隔热 耐火材料的显微结构特点是固相（固态物质）被气相（气孔） 分割，成为断断续续的非连续相。相反，气相连续。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。
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露损失的热量； 5）排烟带走的废热损失。
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1）从炉体表面各部位散失的热量；
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10~40%。
50-55% Alumina Insulation
60-65% Alumina Insulation
HOT BLAST STOVES 热风炉
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工业窑炉是工业生产中的主要能耗设备，每年消耗数量巨大 的能源。尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业中 的热加工过程中。 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30%，因而有很大的节能潜力。
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4.按结构特点分类
气相 固相 纤维
a
b
c
b 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。
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隔热耐火材料定义
隔热耐火材料的分类
隔热耐材的隔热原理及影响因素 多孔隔热耐火制品
纤维状隔热材料与制品
7 纤维隔热材料存在的问题与发展
8 研制高效隔热耐火材料的原则
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隔热耐火材料与节能 60-65% Alumina Silica Insulation Porous Silica Precast
类别 气相连续的隔 热材料 固相连续的隔 热材料 特征 固相为孤立分散相 气相为孤立分散相 举例 粉粒料填充隔热层，以可燃物 法制造的轻质耐火砖 氧化物空心球制品，粉煤灰漂 珠隔热制品，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
《第十二五规划》指出 加快建设资源节约型、环境友好型社会， 提高生态文明水平 能耗大户：钢铁工业、有色冶金工业、 建筑工业窑炉工业、其它窑炉工业
中国超过10%的能源被钢铁业“吃”掉
能源紧张，节能势在必行
轻质隔热耐火材料
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本章主要知识点
1 2 3 4 5 6 隔热耐火材料与节能
表
窑炉名称
半连续式煤气加热炉 箱式电阻炉 井式回火炉 电弧炉 远红外烘干室
一些工业窑炉的热效率
热效率，%
13.3~27.7 31.4~32.6 24 12.8~23.6 20~30
热效率（%）=工艺有效热量/供入炉子的热量*100%
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一般工业窑炉的热损失，主要包括下列几项：
第六章 隔热耐火材料
主讲人——鄢 文
yanwenref@yahoo.com.cn 电话：68862121
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主要参考资料
►耐火材料与能源,林育炼,刘盛秋编著,北京： 冶金工业出版社
►材料热工基础,张美杰主编,北京：冶金工业出 版社
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4.按结构特点分类
气相 固相 纤维
c 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。这种结构中，固 态物质以纤维状形式存在构成连续固相骨架，气相则连续存在 与纤维材料的骨架间隙之中。
a
b
c
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λe 隔热耐火材料的有效传热系数
Q e
T L
式中，Q—通过隔热耐火材料传递的热量； λe—隔热耐火材料的有效传热系数； ΔT—隔热耐火材料两边的温差； ΔL—隔热耐火材料的传热距离。
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气孔的传热主要包括如下几个方面 1. 热传导。
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影响隔热耐火材料的隔热作用的因素
1. 隔热材料的显微结构 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。
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λ（W/cm· K） 温度，℃ 0 500 1000 空气 0.02452 0.03364 0.07788
1500
粉粒散状隔热填料 膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、硅藻 粉粒散状不定形隔热 土等，氧化物空心球，氧化铝 材料 粉
定形隔热材料
纤维状隔热材 料
多孔、泡沫隔热制品
棉状和纤维隔热材料
轻质耐火混凝土、轻质浇注 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
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隔热耐火材料分类
1.按化学矿物组成分类

粘土质隔热耐火材料
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
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隔热耐火材料分类
2.按使用温度分类
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按使用方式：直接向火；非直接向火。 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：可燃物加入法、泡沫法和化学法等。
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隔热耐火材料的隔热原理与影响因素
气相传导
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含空气的气孔的导热系数与气孔孔径的关系
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3. 辐射传热。 由于在大多数隔热耐火材料中的气体为空气，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。
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隔热耐火材料的定义
低热导系数 低热容量
隔热耐火材料（保温耐火材料） 气孔率高 体积密度低
轻质耐火材料
隔热耐火材料是指低导热系数与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，体积密度低，因此也称为轻质 耐火材料。
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►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。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。

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℃）。
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各种隔热材料的使用温度
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隔热耐火材料分类
3.按存在形态分类
类别 特征 举例
粉粒状隔热材 料