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保溫隔熱耐火材料的保溫機(jī)理
保溫隔熱耐火材料的保溫機(jī)理與影響因素?zé)崃總鬟f的方式有對流、傳導(dǎo)和輻射以及他們之間的相互作用。因?yàn)楸馗魺崮突鸩牧嫌蓺怏w和固體兩相組成，所以熱量也就在相內(nèi)及相界面來傳遞。熱傳導(dǎo)指的是高溫、高能分子在和低溫、低能分子相互碰撞時內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)移，高溫區(qū)的熱量流向低溫區(qū)，最后達(dá)到平衡。保溫隔熱耐火材料的保溫效果關(guān)鍵在于它的組織結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(jié)構(gòu)可以被看做是氣相隔離了固相，由固相傳導(dǎo)變成了氣相傳導(dǎo)，從而降低了導(dǎo)熱系數(shù)。
當(dāng)熱量從高溫面?zhèn)鬟f時，首先進(jìn)行的是固相熱傳導(dǎo)，遇到氣孔后，傳熱路線增加一條：通過氣孔內(nèi)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(jīng)發(fā)生了變化，總熱傳導(dǎo)路線延長。此外，熱量還可通過輻射進(jìn)行能量傳遞，雖然這部分能量在低溫時很小，可忽略不計(jì)，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(jìn)行材料隔熱新理論研究和低導(dǎo)熱系數(shù)隔熱材料的開發(fā)。20世紀(jì)40年代，美國的SamuelKistler通過保留二氧化硅顆粒在其凝膠狀態(tài)下的排列結(jié)構(gòu)，成功制造了使用溫度達(dá)1050℃的納米孔型絕熱材料，首次實(shí)現(xiàn)了硅質(zhì)氣凝膠材料的納米孔結(jié)構(gòu)，由于價(jià)格昂貴，該材料在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用受到限制。
保溫隔熱耐火材料的熱導(dǎo)率既與材料的化學(xué)礦物組成、結(jié)晶狀態(tài)有關(guān)，也與各相的分布、含量、排列有關(guān)。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。
01氣孔的影響
保溫隔熱耐火材料的氣孔率恒定時，導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于材料內(nèi)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(shù)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(shù)量增多會使材料內(nèi)孔壁總表面積變大，固體反射面增加，從而導(dǎo)致輻射傳熱的效率降低。因此，當(dāng)氣孔率恒定時，氣孔尺寸減小會降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
根據(jù)Loeb模型：
λ=4γ·d·δ·ε·T3
導(dǎo)熱系數(shù)與氣孔形狀因子(γ)、氣孔尺寸(d)、輻射常數(shù)(δ)、熱發(fā)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(dāng)氣孔直徑為納米級時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)的變化不再符合該模型。實(shí)驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)表明，當(dāng)氣孔的直徑低于50nm時，氣孔內(nèi)的空氣分子將不再自由運(yùn)動，而是被吸附在氣孔壁上，沒有了氣體的對流，氣孔內(nèi)實(shí)際上相當(dāng)于真空狀態(tài)。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(dǎo)和對流熱傳導(dǎo)效率接近于0。此外，氣孔的形態(tài)對輕質(zhì)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(zhì)隔熱材料擁有比具有長條形或者開口氣孔的輕質(zhì)隔熱材料更好的隔熱效果。
02材料組份的影響
根據(jù)Loeb模型，熱輻射導(dǎo)熱系數(shù)與物體的熱發(fā)射率ε成正比，發(fā)射率愈小，保溫隔熱效果就愈好。研究發(fā)現(xiàn)氧化物的熱發(fā)射率與顆粒粒徑、溫度及組成有關(guān)，提高隔熱制品Al2O3、ZnO、MgO、CaO的含量有利于降低其熱發(fā)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(fā)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(fā)射率。
03體積密度的影響
由于固體導(dǎo)熱系數(shù)高于靜止空氣，因此常溫下保溫隔熱耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著單位體積內(nèi)固體物質(zhì)含量的減少而降低，即體積密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越低。在保溫隔熱耐火材料常見的氣孔尺寸范圍內(nèi)(1~1000μm)，隨著體積密度減小，氣孔數(shù)量增多，氣孔平均尺寸增大，固體總界面數(shù)減少，這些都會加劇氣孔內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)，不是體積密度越小越好，而應(yīng)該對應(yīng)于某一特定的使用溫度，在該溫度下一個使材料導(dǎo)熱系數(shù)最低的最佳的體積密度。
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