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        影響保溫隔熱耐火材料性能的3個重要因素

        添加時間:2019年10月8日  瀏覽次數:

        保溫隔熱耐火材料的保溫機理與影響因素熱量傳遞的方式有對流、傳導和輻射以及他們之間的相互作用。因為保溫隔熱耐火材料由氣體和固體兩相組成,所以熱量也就在相內及相界面來傳遞。熱傳導指的是高溫、高能分子在和低溫、低能分子相互碰撞時內部能量的轉移,高溫區的熱量流向低溫區,最后達到平衡。保溫隔熱耐火材料的保溫效果關鍵在于它的組織結構,表1中為氣孔率為70%的保溫隔熱材料中幾種傳熱方式所占的比例。從中可知,即使在1500℃的溫度下,固相傳導依然是主要的熱量傳遞方式。故相對于致密耐火材料而言,保溫隔熱材料的多孔結構可以被看做是氣相隔離了固相,由固相傳導變成了氣相傳導,從而降低了導熱系數。

        表1保溫隔熱耐火材料中各種傳熱機制所占比例

        當熱量從高溫面傳遞時,首先進行的是固相熱傳導,遇到氣孔后,傳熱路線增加一條:通過氣孔內的氣體對流傳熱,另一條仍通過固相傳遞,但是傳熱方向已經發生了變化,總熱傳導路線延長。此外,熱量還可通過輻射進行能量傳遞,雖然這部分能量在低溫時很小,可忽略不計,但輻射能與溫度的三次方成正比,高溫時輻射傳熱作用非常顯著。

        為降低高溫窯爐的熱損失,人們一直在進行材料隔熱新理論研究和低導熱系數隔熱材料的開發。20世紀40年代,美國的SamuelKistler通過保留二氧化硅顆粒在其凝膠狀態下的排列結構,成功制造了使用溫度達1050℃的納米孔型絕熱材料,首次實現了硅質氣凝膠材料的納米孔結構,由于價格昂貴,該材料在工業領域中廣泛應用受到限制。

        保溫隔熱耐火材料的熱導率既與材料的化學礦物組成、結晶狀態有關,也與各相的分布、含量、排列有關。保溫隔熱耐火材料的氣孔尺寸、材料組份以及體積密度這三個因素對保溫隔熱效果具有重要影響。

        (1) 氣孔的影響

        保溫隔熱耐火材料的氣孔率恒定時,導熱系數主要取決于材料內部氣孔形狀、氣孔尺寸及相互之間的連通情況。隨著氣孔尺寸變小,材料的隔熱性能提高。氣孔尺寸變小意味著氣孔數量增多,一方面,氣孔尺寸變小降低了空氣對流的幅度,對流傳熱的效率隨之降低;另一方面,氣孔數量增多會使材料內孔壁總表面積變大,固體反射面增加,從而導致輻射傳熱的效率降低。因此,當氣孔率恒定時,氣孔尺寸減小會降低材料的導熱系數。

        根據Loeb模型:

        λ=4γ·d·δ·ε·T3

        導熱系數與氣孔形狀因子(γ)、氣孔尺寸(d)、輻射常數(δ)、熱發射率(ε)、絕對溫度(T)的三次方成正比。但是,Loeb模型僅適合氣孔直徑大于1μm的多孔材料,當氣孔直徑為納米級時,材料的導熱系數的變化不再符合該模型。實驗研究和理論推導表明,當氣孔的直徑低于50nm時,氣孔內的空氣分子將不再自由運動,而是被吸附在氣孔壁上,沒有了氣體的對流,氣孔內實際上相當于真空狀態。因此,保持氣孔小于50nm,同時盡可能減小材料的體積密度,則可以使材料的分子振動熱傳導和對流熱傳導效率接近于0。此外,氣孔的形態對輕質隔熱材料的保溫效果也有很大的影響,有研究表明具有球形封閉孔的輕質隔熱材料擁有比具有長條形或者開口氣孔的輕質隔熱材料更好的隔熱效果。

        (2) 材料組份的影響

        根據Loeb模型,熱輻射導熱系數與物體的熱發射率ε成正比,發射率愈小,保溫隔熱效果就愈好。Janssen等研究發現氧化物的熱發射率與顆粒粒徑、溫度及組成有關,提高隔熱制品Al2O3、ZnO、MgO、CaO的含量有利于降低其熱發射率,而添加少量的過渡元素氧化物能明顯提高材料的熱發射率。因此,保溫隔熱耐火材料中盡量不要混入Fe、Cr等過渡元素。此外,減小原料顆粒粒徑也有助于減小材料熱發射率。

        (3) 體積密度的影響

        由于固體導熱系數高于靜止空氣,因此常溫下保溫隔熱耐火材料的導熱系數隨著單位體積內固體物質含量的減少而降低,即體積密度越小,導熱系數越低。在保溫隔熱耐火材料常見的氣孔尺寸范圍內(1~1000μm),隨著體積密度減小,氣孔數量增多,氣孔平均尺寸增大,固體總界面數減少,這些都會加劇氣孔內部空氣的輻射傳熱。因此,要想使某種保溫隔熱耐火材料具有最低的導熱系數,不是體積密度越小越好,而應該對應于某一特定的使用溫度,在該溫度下一個使材料導熱系數最低的最佳的體積密度。

        關鍵詞:保溫隔熱耐火材料   
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