隔热不定形耐火材料的开发与应用.pdf

隔热不定形耐火材料的开发与应用杜景云王国海张久梅（抚顺市抚大耐火材料有限公司）摘要介绍了隔热不定形耐火材料的原料、特点、结构设计要求、施工时注意事项及其应用领域和使用效果，指出了隔热不定形耐火材料在工业炉领域将得到日益广泛的应用。关键词不定形耐火材料隔热材料轻质耐火砖开发与应用!#$#%#&()#*!+*$+(&,-+!,*./*0+(#$#+!,*0/&+!,*1#.1+-!12!#$%&%()%&*+,)$-,)%&#$./$（01,%02)3/45)67+5 8+9，:729）+3456785;,/)/5$%75+26/2.)7/5$)=，6,)5)67/5$17$61，2/1$&%2/.)%2，%+7$6/$%+/5)7$+%，)=$/2 4$/=2)%2 1$%&/44/671+4%1,)/2,/)7$%1=)7$+%5/45)67+5，+=2?/&5)2)=)$2/=$%7,/4$/=2+4$%2175$)=45%)6/9:;4%1,)/2 5/45)67+5,/)7$%1=)7$+%.)7/5$)=$&,7 5/45)67+5?5$6A2/B/=+./%7)%2)=$6)7$+%C前言节能要求对现代工业窑炉的重要性是不言而喻的。传统工业炉窑为达到保温节能的目的，通常在重质耐火砖砌筑体或重质不定形耐火材料施工体外增加保温层，由于采用的保温材料使用温度较低，所以在中、高温工业炉窑上的使用受到很大的限制。重质层很厚，窑炉体积庞大、笨重，对间歇式炉来说，蓄热损失大。为解决这一问题，人们开发生产出使用温度高、体积密度小、隔热性能好的系列轻质耐火砖，特别是能直接接触火焰的高档轻质砖。正是这些高档轻质砖的开发与应用，国内陶瓷、电磁等行业中出现了全部用高档轻质砖砌筑的抽屉窑，窑墙厚度减薄，升温速度快，节能效果好。但高档轻质砖的生产成本高，材质品种少，不能满足更多工业窑炉的使用要求。隔热不定形耐火材料是由一定级配的轻骨料、粉料、结合剂及外加剂组成的，形状不定，不需高温烧成即可直接使用并具有隔热作用的耐火材料。因为其外形呈松散状，塑性泥团状、泥膏状或浆状，因此也称为隔热散状耐火材料。根据施工方式的不同，分为隔热浇注料、隔热可塑料、隔热喷涂料和隔热耐火涂料等。用隔热耐火材料替代隔热耐火砖，可以大大减薄炉衬厚度，缩小窑炉体积，减少材料用量和窑炉重量，降低钢结构费用和基建费用，使窑炉造价大幅度降低。D隔热不定形耐火材料的原料D9C轻质骨料轻质骨料在隔热不定形耐火材料中起骨架作用，用量也最大，它最终决定隔热不定形耐火材料的各项理化性能及使用性能。EF冶金能源DG 卷 C 期 DGGC9C万方数据生产轻质骨料可借助隔热耐火砖的生产工艺，通过在耐火原料坯体中加入可燃物或气体，经成型、烧成、粉碎、筛分后得到各种粒径的轻质骨料。用可燃物加入法生产轻质骨料是一个行之有效的方法。将木屑，聚苯乙烯等可燃物质或可升华的添加物与耐火原料混合均匀，在烧成过程中形成气孔，其优点是：气孔的大小和形状可以控制，成坯方法有多种可供选择，生产厂不需过多投入设备就能生产。!结合剂应根据耐火材料的材质，施工方法以及使用环境对材料的要求等来选择结合剂。隔热不定形耐火材料用结合剂种类繁多、性能各异，通常分为无机结合剂与有机结合剂。不同种类结合剂在不同条件下表现的性能不一，为使隔热不定形耐火材料满足使用要求，通常使用两种或两种以上的结合剂。无机结合剂分为六大类：（#）硅酸盐类，如水玻璃、结合粘土等；（!）铝酸盐类，如普通铝酸钙水泥，纯铝酸钙水泥等；（$）磷酸盐类，如磷酸氢二铝等；（%）硫酸盐类，如硫酸铝等；（&）氯化物类，如聚合氯化铝等；（）溶胶类，如硅溶胶，铝溶胶等。有机结合剂分为两类：（#）天然有机物，如糊精、树胶、纸浆废液等；（!）合成有机物，如硅酸乙脂等。!$外加剂加外加剂是为了改善隔热不定形耐火材料的物理性能、施工性能和使用性能，按功能分为五类。（#）改变流变、塑变性能类，如减水剂、分散剂、增塑剂、胶凝剂、解胶剂；（!）调节凝结、硬化速度类，如促凝剂、缓凝剂、保水剂；（$）调节内部组织类，如发泡剂，消泡剂；（%）保持施工性能类，如保存剂，防冻剂；（&）改善使用性能类，如快干剂、膨胀剂。!%其它常用外加材料为了提高隔热不定形耐火材料的抗折、耐压强度，增强耐磨、耐冲刷和抗热震稳定性能等，常加入耐火材料的微粉、耐火纤维和钢纤维等。（#）耐火微粉。是指用物理或化学方法得到的粒径小于#(微米的耐火材料微粉，常用的有)*+!、,-!+$、./!+$等微粉。在隔热不定形耐火材料中加入微粉与致密浇注料中加入微粉一样，也能显著地提高热态抗折、耐压强度，增强耐磨、耐冲刷、耐侵蚀和抗热震性能。（!）耐火纤维。掺入少量的经过特殊处理的耐火纤维，使之能均匀地（以单丝纤维，而不是以球团状）分散到材料中。常用的有硅酸铝纤维、高铝纤维和莫来石纤维，特殊情况下用含铬硅酸铝纤维、氧化铝纤维和氧化锆纤维。加入耐火纤维能大幅度地提高隔热不定形耐火材料的冷热态抗折强度，而且体积密度越小提高越明显，耐压强度提高越小。此外，还能增加施工体的韧性，提高热震稳定性能。加入耐火材料量不能太多，否则不容易混均匀并影响材料的施工性能。一般耐火纤维的加入量为$0 1&0。（$）钢纤维。加入钢纤维能提高隔热不定形耐火材料的低、中温的抗折、耐压强度，增强施工体抗冲击、耐磨损和热震稳定性能，常用的是普通碳钢纤维和各种不锈钢纤维，一般加入量为$0 1 0。$隔热不定形耐火材料的设计与施工中注意的事项与砖相比，隔热不定形耐火材料的设计、使用和施工对其使用寿命的影响更严重。只有合理设计、科学使用和精心施工才能最大限度地发挥隔热不定形耐火材料的性能潜力，取得满意的使用效果。$#合理设计科学合理地设计炉窑结构，在满足炉窑工&$!(卷#期!(#冶金能源万方数据艺操作要求的前提下，最大限度地消除使用过程中对炉体材料、钢结构等的损坏隐患。合理预留膨胀缝，使之吸收掉使用过程中的结构膨胀应力，以及炉体内部的热应力，减轻损害。又如，拱顶改吊顶的设计，能够消除拱顶结构中巨大的结构应力，解除炉顶对炉墙的压力。刚性吊挂改成弹性吊挂结构，能减小炉顶局部受力不均匀的问题，可以避免个别吊挂砖因承受过多的重量而被拉断。在轧钢加热炉炉顶，轻质不定形耐火材料代替重质耐火砖、重质浇注料，而使用寿命大大延长，不是因为它的耐火性能得到了相应程度的提高，而是因为它的容重轻，结构重量减轻了!#$%#，使炉顶吊挂砖负荷大幅度降低，断裂情况减少，炉顶寿命自然得到巨大提高。&(储存与施工中的注意事项科学使用、精心施工是保证和发挥隔热不定形耐火材料性能的关键。否则，性能再好的材料也难以满足使用要求，甚至造成事故。（)）隔热不定形耐火材料的不同品种、牌号对储存条件要求不一样，应根据生产厂家要求进行分类保管。如隔热浇注料一般放在避湿的库房里，而隔热可塑料要求放在潮湿、避风、低温防冻的地方。（(）使用前应检查产品是否在有效期内，熟悉各种产品的使用情况。如隔热浇注料是用水浇注或其它液体，外加剂加入量、加入方式。要使用的工具是否备齐，锚固砖、件，吊挂砖、件是否安装好等。（&）按材料性能要求进行施工操作。隔热浇注料流动性要严格掌握，太干难以成型、太稀会影响材料的使用性能。振动设备操作合理，既将气泡完全排除，又不能造成轻骨料偏析。可塑料可用人工或借助风镐等设备，用力均匀，既要捣密实，又不能将轻骨料碰碎。（!）隔热不定形耐火材料施工完后，一般都要进行养护处理，使施工体获得足够的强度。不同材料的养护制度不同。（*）隔热不定形耐火材料施工后的炉体通常含有大量的水、挥发物等。通过合理控制温升速度将这些水分与挥发分缓慢排出。不同的材料、结合剂，不同的炉体厚度、结构方式，排出面的多少、大小等与烘炉密切相关。科学烘炉将延长炉衬使用寿命，反之则不利于甚至可能发生炉衬爆裂或爆炸。!隔热不定形耐火材料的应用通用或常用隔热不定形耐火材料，适用各种工业炉窑在一般使用条件（不含金属溶液或熔渣接触，不受剧烈的机械冲撞、磨损，温度不急剧波动，不与环境发生化学反应，不受侵蚀等）下，作直接接触火焰的炉衬或保温层，能完全替代各种隔热耐火砖。例如冶金行业的带式烧结机、球团焙烧炉、加热炉、热处理炉、铝电解槽、铝熔炼炉、炼锌电热蒸馏炉及精馏设备；炭素焙烧窑，陶瓷、耐火、建材制品烧成窑；石化工业各种加热炉、催化裂化装置、合成氨装置的一段、二段转化炉、废热锅炉、变换炉；废物焚烧炉及各种用途的电阻炉等等。以下重点介绍特殊场合使用的隔热不定形耐火材料。!)耐碱隔热浇注料以堆积容重为%$+,-./&的粘土质轻骨料、铝酸钙水泥，辅助结合剂及外加剂配制而成的耐碱隔热浇注料，与传统的耐碱隔热浇注料012+324（4%）相比，隔热效果更好，耐碱耐磨性能更高，适用范围更广。例如，可适用于水泥窑顶分解系统的预热器，分解炉管道系统及普通干法旋窑预分解带。以硅质轻骨料、耐碱化学结合剂、无机结合剂以及其他外加剂配制出的耐碱隔热浇注料可代替硅质耐火砖，适用于以玻璃行业熔池窑顶大碹保温层为代表的部位。在高温时，耐粉尘冲刷，耐碱金属氧化物、硼化物等碱性侵蚀有很强的抵抗力，能有效地密封炉顶、隔热并减轻窑顶重量。%&冶金能源(卷)期()万方数据!#耐酸隔热浇注料、可塑料以粘土质或硅质轻骨料与水玻璃或其它耐酸结合剂和外加剂等配制的隔热浇注料、可塑料能承受各种酸性气体侵蚀剂酸液浸泡，并有较强的耐冲刷、耐磨和保温作用，适用于电厂工业，烧煤排烟通道内衬或其它相似部位。!$高强浇注料催化裂化装置一般温度为%&(&)，最高时可达*&)。石油气体内含有+#,和固体颗粒，对衬里有化学及强烈的磨损。采用不锈钢纤维高强耐火浇注料，代替原有的隔热层（普通轻质浇注料）和耐热耐磨层（不锈钢龟甲网内填充重质浇注料），取得了良好的使用效果。!高热震稳定性隔热耐火浇注料、可塑料以炭素炉窑为代表的间歇窑炉，其最高使用温度为-$&)，它的炉盖曾用体积密度-$./01$的高铝质隔热耐火砖砌筑，寿命为#$年。后改用以高铝质轻骨料，采用优质粘土作结合剂，加入辅助结合剂提高常温强度，还有促凝剂、膨胀剂等外加剂和分散的高铝耐火纤维，配制成的隔热耐火浇注料，使用寿命在(年以上。!%高温窑炉（-2&-*&)）有许多-2&-*&)的工业窑炉，如耐火行业耐火砖烧成窑，特种陶瓷行业烧成窑，高温电阻炉等。这些窑炉的内衬过去通常用氧化铝空心球砖或浇注料，但其成本太高，隔热效果也不是很好。采用刚玉质轻骨料、使用不带入杂质的无机结合剂、能烧失的有机低温结合剂，氧化铝微粉等外加剂配制而成的隔热浇注料，其成本为氧化铝空心球砖的一半，隔热效果要好得多。使用一段时间后，氧化铝空心球砖由于收缩作用而使空心球砖发生网状裂纹，而隔热浇注料却无任何变化。!(耐火涂料耐火涂料是由耐火原料细粉（小于-*&目）与多种结合剂、外加剂等配制成的泥浆状材料，用机械喷涂或人工刷在耐火纤维、轻质砖、隔热浇注料等炉衬的表面，能形成一层光滑的硬壳，起到保护膜的作用，提高炉衬使用寿命。辐射型涂料能提高炉衬表面黑度，降低炉衬表面温度，有利于节能。%结束语正确设计炉体结构，合理选择隔热不定形耐火材料，正确施工与烘炉，采用隔热不定形耐火材料将收到良好的节能效果和经济效益。隔热不定形耐火材料发展较快，相信在工业炉窑领域将有更广泛的应用。（收稿日期：#&年 3 月）罗文泉编辑（上接第#3 页）%武立云等 新型低污染燃气受控脉动燃烧技术的应用研究4 工业加热，#&，（-）：*-&(武立云等 陶瓷烧成窑高效、节能、低污染燃烧技术的研究 高温预热空气互补型受控脉动燃烧技术4 工业加热，#&，（#）：-!25678917:;67?;?ABC9D?66B1?C;8?9C EF9GB08 9H IC768F?;JKBL;1MB+5O=高温空气燃烧新技术讲座论文集，-333，P08-*-3*祁海鹰，徐旭常 中国开发应用高温空气燃烧技术的前景 高温空气燃烧新技术论文集，-333，P08-*-3（收稿日期：#&年 3 月）罗文泉编辑2$#&卷-期#&-冶金能源万方数据