隔热耐火制品.pdf

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隔热耐火制品(thermalinsulatingrefractoryproducts)
气孔率不低于 45％的耐火制品。隔热耐火制品的主要特性是，气孔率高，体积
密度小，热导率低，热容小，隔热性能好。既保温又耐热，可作为各种热工设备
的隔热层，有的也可作为工作层，是构筑各种窑炉的节能材料。以隔热耐火制品
替代一般致密耐火制品做筑炉材料，能够减少蓄热和散热损失 40％～90％，特
别是对不连续性的热工设备更有效。
简史 1899 年已有用硅藻土作原料加工制造隔热砖的专利。至 1920 年以后，由
于冶金、玻璃、炼焦、陶瓷等大量消耗燃料的工业的发展，才渐渐出现能在更高
温度下使用的隔热耐火材料。1922 年，英国耐火材料研究协会对隔热耐火材料
的性能进行过较系统研究，至 1935 年，发展了与炉气直接接触的隔热耐火材料
的制造技术和使用。在美国，1928～1930 年由于隔热耐火砖的优越性引起了工
程技术方面的注意，生产得到迅速发展，不少科技人员做过一些有关性质研究试
验工作。第二次世界大战期间，进展更快，使用更广。第二次世界大战前，德国
已有用于煤气发生炉的硅质隔热耐火砖并制出高气孔率的特种镁砖，可以在炼钢
温度下使用；日本也曾试制过二三个品种隔热砖，直至 1948 年学术振兴会第
103 委员会才着手研究，1951 年完成，同年秋季生产。1930 年～1935 年期间，
苏联隔热耐火材料在工业上开始应用，大量的工作是由乌克兰耐火材料研究所和
列宁格勒耐火材料研究所研究出来的。中国于 20 世纪 50 年代已有硅藻土隔热
砖等保温材料。中国科学院金属研究所曾于 1956 年对隔热耐火材料进行过研究。
1961 年抚顺耐火材料厂研制和生产高铝质隔热耐火砖，60 年代初，北京耐火材
料厂以泡沫法生产 Al O 含量 90％～92％的氧化铝隔热耐火砖。这时中国已有
2 3 : .
粘土质和硅质隔热耐火砖。70 年代初，唐山市保温材料厂以粉煤灰漂珠为原料
生产粘土质隔热耐火砖，由于此法工艺简单，易于掌握、资源丰富、产品需求量
大，而产量剧增，1992 年，中国隔热耐火材料的产量已达到耐火材料总产量的
1．5％左右。同时品种也在不断扩大，先后研究和生产特种高铝质隔热耐火砖、
氧化铝空心球砖、氧化锆空心球砖、抗热震性隔热耐火砖，硅线石质隔热耐火砖
以及镁橄榄石质的隔热耐火砖等。世界上许多国家一直注意隔热耐火材料的应用
和发展。其产量在不断增加、英国隔热耐火制品的产量占耐火砖总产量的 4％，
日本占 3．5％～4％，前苏联约占 1．5％。70 年代以来，经济发达国家的隔热
耐火材料产品品种不断增多，生产技术水平迅速提高。
分类 隔热耐火制品的种类很多，一般按使用温度、体积密度、材质和制品形状
分为 4 类。
按使用温度分 可分为 3 类：在 600℃以上至 900℃以下使用的，如硅藻土、石
棉等；称为低温隔热制品；在 900℃至 1200℃下使用的，如粘土质隔热砖漂珠
砖等，称为中温隔热制品；使用温度高于 1200℃以上的称为高温隔热耐火制品，
如高铝质隔热耐火砖、硅质隔热耐火砖、氧化铝隔热耐火砖等。
按体积密度分 体积密度大于或等于 0．4g／cm3 的称为一般隔热耐火砖；小于
0．4g／cm3 的称为超轻质隔热耐火砖。
按制品材质分可分为硅藻土质、粘土质、硅质、高铝质、镁质、锆质、白云石质
等。 : .
按制品形状分 一种是定型的隔热耐火砖，包括粘土质、高铝质，硅质以及某些
氧化物隔热耐火砖等；另一种是不定型隔热耐火材料，如隔热耐火浇注料等。
国际标准化组织制订的国际标准 ISO2245 中以密度和重烧线变化不大于 2％的
试验温度分为 1100℃，1250℃，1400℃，1500℃，1600℃，1700℃等品种。
制造方法 隔热耐火制品的制法与一般致密耐火材料有所不同，方法甚多，主要
有烧尽加入物法、泡沫法、化学法和多孔材料法等。
烧尽加入物法 这是最古老的、但现在仍然最广泛采用的方法。常用的可燃添加
物有锯木屑、软木粉、木炭、无烟煤粉、焦炭粉、稻壳、聚苯乙烯、萘等。但有
膨胀的可燃添加物会引起坯体开裂，小于 0．147mm 的可燃添加物会引起制品
过大的收缩。锯木屑是最常用的可燃添加物，或与其他可燃物混合使用，或单独
加入。锯木屑以横锯硬木屑为最好，最高添加量约为 30％～35％(质量比)，再
多加不但对气孔率增高没有裨益，而且不易成型。加锯木屑的制品强度不大，容
易产生扭曲。锯木屑以小于 1．5～2mm 为好，必须筛去长条纤维状的，而取
粒状的锯木屑。可燃或可升华添加物应放入泥料中，均匀混合，然后用挤坯法、
半干法或泥浆浇注法成型，干燥后烧成。可燃或可升华添加物在烧成过程中烧掉，
留下空孔，成为隔热耐火制品。在烧成时应该充分注意生坯中有大量可燃添加物
的特点，控制升温速度和气氛，否则容易产生%26ldquo;黑心%26rdquo;。止
火温度和保温时间对制品强度、收缩变形、气孔封闭情况等有关。
为提高烧尽加入物法生产的产品质量，以粘土质隔热耐火砖制砖工艺为例，可采
取的措施：(1)粘土的选择应考虑结合性能、可塑性和烧成收缩，并注意有足够 : .
的耐火度。硅质或高铝粘土材料的这些性能各异，可以数种不同性质的粘土混用，
取长补短。(2)为提高粘土的结合性和坯料的塑性，可以采用各种方法处理，加
以改善。如细磨、风化、困泥、加入电解质或结合剂等。(3)添加塑化剂，如膨
润土等无机或有机物质。(4)可燃添加物颗粒不宜太细，不同类型添加物由于其
颗粒形状和性质不同，颗粒大小的选取应有不同，可以数种添加物混合使用。
泡沫法 将泡沫剂(能降低水的表面张力的表面活性物质，加水搅拌可形成泡沫，
如松香皂泡沫剂，毛发泡沫剂等)放入打泡机中加水搅拌而制得细小均匀的泡沫，
再将泡沫加入泥浆中共同搅拌成泡沫泥浆，注入模型，连同模型一同干燥，脱模，
在 1320～1380℃(对高铝隔热耐火砖而言)下烧成，经过加工整形即成制品。(见
高铝质隔热耐火砖)
化学法 在制砖工艺中利用化学反应产生气体而获得一种多孔砖坯的方法。通常
利用的化学反应如碳酸盐和酸、金属粉末加酸、苛性碱和铝粉等。可以利用的化
学反应必须是气体的发生比较缓慢而能控制，否则在倾注入模时受机械扰动气泡
即行消失。如反应太快，可加抑制剂如过氧化氢与二氧化锰。在细粉原料泥浆中
混入发生气泡的反应物获得稳定的泡沫泥浆，注入模型，干燥后烧成。此法制造
纯氧化物隔热耐火制品，其气孔率可达到 55％～75％。
多孔材料法 利用膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和硅藻土等天然轻质原料；通过人工制
造的各种空心球(如氧化铝空心球，氧化锆空心球；热电厂粉煤灰中空心微珠等
为原料，加一定的结合剂，通过混合、成型、干燥和烧成等工序而制成隔热耐火
制品。 : .
特性 随着隔热耐火制品的开发与扩大应用，人们更加需要了解其性能，进而改
善其功能。
热导率 热导率的大小，直接关系到制品的隔热节能效果，热导率与温度成直线
关系，即
%26lambda; =%26lambda; +%26alpha;T
T o
式中%26lambda; 为某温度 T 下的热导率；%26lambda; 为 0℃时的热导率；
T o
T 为温度；%26alpha;=0．1～0．14(根据 F．H．Norton 的数据)。热导率与
体积密度成直线关系，热导率与制品的气孔率成反比，可用下式表示：
%26lambda; =%26lambda; (1-p) ，W/(m．K)
V K
式中%26lambda; 为制品的热导率，W／(m%26bull;K)， %26lambda; 为连
V K
续相的热导率，W／(m%26bull;K)；p 为制品的气孔率。热导率还与砖中气孔
的多少、形状、大小和连通情况有关。气孔细小则热导率低，当温度升高时，粗
气孔材料的热导率大于细气孔材料。连通气孔比封闭气孔的热导率大。
体积密度 隔热耐火制品的主要技术指标之一。它与制品热容量的大小和热导率
的高低有直接关系，体积密度大的制品，热容量和热导率都大，反之，则小。因
此，从隔热节能的角度要求制品的体积密度低些为好。
常温耐压强度 对隔热耐火制品的耐压强度要求，如从实际使用情况出发，在砌
筑炉墙时，制品的耐压强度要求不小于 0．07MPa，砌筑炉顶时，不小于 0．35MPa；
在搬运输送过程中为保证不破裂不掉边掉角，耐压强度应不小于 1．0～1．5MPa。 : .
当制品用于窑炉的工作层时，由于直接接触火焰和受热气流的冲刷，要求制品有
较高的强度，可选用密度大、常温耐压强度高的牌号产品。由于某些特殊要求和
制造工艺的进步，已研制生产了比一般隔热耐火制品高 2～5 倍的高强度隔热耐
火制品。
重烧线变化 制品在烧成(有的不经烧成)过程中物理一化学反应不可能完全，使
用时在高温作用下会继续反应，使制品的体积发生不可逆的变化。这将破坏砌筑
体的结构而降低窑炉的使用寿命。所以重烧线变化与最高使用温度密切关系。隔
热耐火砖最高使用温度的实验室测定，是加热整块砖 2h，其线变化率等于 1％
时的温度。为了对实际使用更有意义，提出二个方法，一是延长加热时间至 24h
以至 50h，另一是用嵌镶法，即将砖样一端插入炉内加热，一端暴露于空气中，
观察收缩，其受热端高于安全使用温度 100℃进行加热试验。
抗热震性 在间歇式的热工设备中，耐火材料常在温度骤然变化的条件下使用，
在连续式操作的设备中也常有温度波动，如加料时炉温变化等。热震性(R)，与
线膨胀率(%26alpha;)，热容(c )、热导率(%26lambda;)、弹性模量(E)、机械强
p
度(%26sigma;)、体积密度%26rho;的关系如下式：

制品抗热震性还与制品形状和大小以及热流性质有关。对隔热耐火制品的抗热震
性有专门的测试方法。
此外，制品的外形及尺寸公差也很重要，应该对其加工整形。 : .
应用 隔热耐火砖与致密耐火砖相比，有如下优点：(1)蓄热小、热效率高，能加
快间歇作业窑炉的周转，提高生产效率，降低燃料消耗，节约能源。(2)热导率
低，可减薄炉墙、炉顶厚度、减轻炉体质量、简化炉窑构造。(3)炉温可以变得
均匀，有利于提高产品质量。(4)炉外四周温度低、便利操作，提高劳动效率，
改善装窑出窑的劳动条件。隔热耐火制品的缺点是组织疏松，不能直接接触熔渣
和液态金属，不能用于炉膛与炉料接触部分，也不宜用于高速炉尘的通路上，不
宜用于机械振动大的部位。机械强度小、抗热震性低、透气率大，容易损毁。由
于烧成后需要加工整形，价格较贵。
使用隔热耐火制品应注意留适当砌缝，选用气硬性缓凝耐火泥浆。制品工作温度
不超过重烧线变化的试验温度，以免砖的重烧收缩大而引起砌缝裂开和砖的损坏。
隔热耐火砖的热容量小，用这种砖砌筑的窑炉，升温或冷却速度快，但由于其抗
热震性差和强度不大，故这种快速升温和冷却也会使砖破裂。
展望 今后隔热耐火材料向高产、优质、多品种、拓宽使用范围、革新生产工艺
等方面发展。
(1)隔热耐火材料是隔热节能材料，为了节约能源，减少经济损失，使炉窑轻型
化，尽可能用隔热耐火材料替代致密的耐火产品。(2)优质隔热耐火制品应具有
组织均匀，使用时收缩小，抗热震性高，强度大，隔热性能好，热容小，透气率
低，体积密度小，气孑 L 率大而气孔小等特点，同时制品尺寸偏差要小及外形规
整。提高窑炉使用寿命。(3)品种向着使用温度高、使用环境苛刻、轻质各异，
功能独特，轻质复合等高精尖制品和不定形隔热耐火材料方向发展。(4)最初多
用于淬火炉、退火炉、箱式电炉、井式电炉等小型热处理炉，以后逐步扩大到隧 : .
道窑、辊道窑、高炉的热风炉及其它大型窑炉。并从用于隔热层扩展到工作层。
在冶金、石化、机械、电力、建材、航天、造船等工业部门的热工设备广泛应用。
隔热耐火制品与火焰直接接触的表面涂上一耐火涂层，以提高抗侵蚀性和抗冲刷、
拓宽使用范围。(5)传统配方加入空心微珠，浇注泥浆加入固化剂、不烧隔热耐
火制品、不定形隔热材料发展等诸如此类的变革，能改进生产工艺，降低生产成
本，推动行业进步。