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影响保温隔热耐火材料性能的3个重要因素

添加时间:2019年10月8日  浏览次数:

保温隔热耐火材料的保温机理与影响因素热量传递的方式有对流、传导和辐射以及他们之间的相互作用。因为保温隔热耐火材料由气体和固体两相组成,所以热量也就在相内及相界面来传递。热传导指的是高温、高能分子在和低温、低能分子相互碰撞时内部能量的转移,高温区的热量流向低温区,最后达到平衡。保温隔热耐火材料的保温效果关键在于它的组织结构,表1中为气孔率为70%的保温隔热材料中几种传热方式所占的比例。从中可知,即使在1500℃的温度下,固相传导依然是主要的热量传递方式。故相对于致密耐火材料而言,保温隔热材料的多孔结构可以被看做是气相隔离了固相,由固相传导变成了气相传导,从而降低了导热系数。

表1保温隔热耐火材料中各种传热机制所占比例

当热量从高温面传递时,首先进行的是固相热传导,遇到气孔后,传热路线增加一条:通过气孔内的气体对流传热,另一条仍通过固相传递,但是传热方向已经发生了变化,总热传导路线延长。此外,热量还可通过辐射进行能量传递,虽然这部分能量在低温时很小,可忽略不计,但辐射能与温度的三次方成正比,高温时辐射传热作用非常显著。

为降低高温窑炉的热损失,人们一直在进行材料隔热新理论研究和低导热系数隔热材料的开发。20世纪40年代,美国的SamuelKistler通过保留二氧化硅颗粒在其凝胶状态下的排列结构,成功制造了使用温度达1050℃的纳米孔型绝热材料,首次实现了硅质气凝胶材料的纳米孔结构,由于价格昂贵,该材料在工业领域中广泛应用受到限制。

保温隔热耐火材料的热导率既与材料的化学矿物组成、结晶状态有关,也与各相的分布、含量、排列有关。保温隔热耐火材料的气孔尺寸、材料组份以及体积密度这三个因素对保温隔热效果具有重要影响。

(1) 气孔的影响

保温隔热耐火材料的气孔率恒定时,导热系数主要取决于材料内部气孔形状、气孔尺寸及相互之间的连通情况。随着气孔尺寸变小,材料的隔热性能提高。气孔尺寸变小意味着气孔数量增多,一方面,气孔尺寸变小降低了空气对流的幅度,对流传热的效率随之降低;另一方面,气孔数量增多会使材料内孔壁总表面积变大,固体反射面增加,从而导致辐射传热的效率降低。因此,当气孔率恒定时,气孔尺寸减小会降低材料的导热系数。

根据Loeb模型:

λ=4γ·d·δ·ε·T3

导热系数与气孔形状因子(γ)、气孔尺寸(d)、辐射常数(δ)、热发射率(ε)、绝对温度(T)的三次方成正比。但是,Loeb模型仅适合气孔直径大于1μm的多孔材料,当气孔直径为纳米级时,材料的导热系数的变化不再符合该模型。实验研究和理论推导表明,当气孔的直径低于50nm时,气孔内的空气分子将不再自由运动,而是被吸附在气孔壁上,没有了气体的对流,气孔内实际上相当于真空状态。因此,保持气孔小于50nm,同时尽可能减小材料的体积密度,则可以使材料的分子振动热传导和对流热传导效率接近于0。此外,气孔的形态对轻质隔热材料的保温效果也有很大的影响,有研究表明具有球形封闭孔的轻质隔热材料拥有比具有长条形或者开口气孔的轻质隔热材料更好的隔热效果。

(2) 材料组份的影响

根据Loeb模型,热辐射导热系数与物体的热发射率ε成正比,发射率愈小,保温隔热效果就愈好。Janssen等研究发现氧化物的热发射率与颗粒粒径、温度及组成有关,提高隔热制品Al2O3、ZnO、MgO、CaO的含量有利于降低其热发射率,而添加少量的过渡元素氧化物能明显提高材料的热发射率。因此,保温隔热耐火材料中尽量不要混入Fe、Cr等过渡元素。此外,减小原料颗粒粒径也有助于减小材料热发射率。

(3) 体积密度的影响

由于固体导热系数高于静止空气,因此常温下保温隔热耐火材料的导热系数随着单位体积内固体物质含量的减少而降低,即体积密度越小,导热系数越低。在保温隔热耐火材料常见的气孔尺寸范围内(1~1000μm),随着体积密度减小,气孔数量增多,气孔平均尺寸增大,固体总界面数减少,这些都会加剧气孔内部空气的辐射传热。因此,要想使某种保温隔热耐火材料具有最低的导热系数,不是体积密度越小越好,而应该对应于某一特定的使用温度,在该温度下一个使材料导热系数最低的最佳的体积密度。

关键词:保温隔热耐火材料   
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