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耐火纖維的應用技術

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耐火纖維的應用技術beastlu2018-09-22T14:48:44+00:00
1、          关于耐火纤维几个概念的介绍:
(1)、耐火纖維:耐火纖維是指耐火度大于1580℃的晶質和非晶質纖維狀材料的總稱。因此,它包括以Al2O3、SiO2爲主要成份的硅酸鋁纖維、以氧化鋁爲主要成份的氧化鋁晶質纖維以及其它耐火度大于1500℃的氧化锆晶質纖維、鎂橄榄石纖維等特殊的氧化物纖維。
注:耐火度是指材料在高溫下達到特定軟化程度的溫度,它表征耐火材料抵抗高溫作用的性能,它與耐火材料的熔點及使用溫度差別非常大。如硅酸鋁耐火纖維的耐火度大約爲1750~1770℃,其熔點要在2000~2200℃,其使用溫度卻僅在1000~1350℃之間。
(2)、硅酸鋁耐火纖維:硅酸鋁耐火纖維是指以Al2O3、SiO2爲主要成份的纖維狀材料的總稱,根據使用溫度不同,它又分爲普通型硅酸鋁耐火纖維、標型硅酸鋁耐火纖維、高純型硅酸鋁耐火纖維、高鋁型硅酸鋁耐火纖維、锆鋁型耐火纖維、含锆型硅酸鋁耐火纖維、多晶莫來石纖維等。
(3)、陶瓷纖維:陶瓷纖維是硅酸鋁耐火纖維中Al2O3含量爲45-60%的纖維狀材料的俗稱,所有的陶瓷纖維都是非晶質纖維,也可以稱作是玻璃態纖維,它是物質由溶融的流液態在冷卻中形成的一種無定型固態纖維。
2、耐火纖維産品的種類及形態
見附圖表1與圖表2。
 
 
二、耐火纖維設計參數
通過對耐火纖維受熱過程中,特別是使用中出現的一系列問題的研究和實驗。耐火纖維在使用過程中出現的變化,可以歸納如下:
1、由于再結晶,燒結過程和新相産生以及無機結合劑同纖維之間的反應,造成纖維發生收縮。達到一定溫度時,因晶粒生長加快和燒結過程加加速,纖維材料在受熱作用下而損毀。這就提出了以下問題:
(1)、在設計應用耐火纖維時,必須明確耐火纖維受熱收縮與溫度的相關關系以及預期的壽命。
(2)、在應用耐火纖維時,必須明確耐火纖維的彈性和抗熱震性能。
2、在應用耐火纖維時,必須明確纖維材料在使用中受到腐蝕作用會加速其變質,從而降低其使用溫度。因爐氣氛中某些成份如H2、CO、CH4和NH3以及堿金屬、氟、氯和SO32-都能影響再結晶過程,包括成核和晶體發育速度。它們同纖維材料發生反應,從而降低了其使用溫度與産品性能。
3、纖維材料具有較好的抗風蝕性能,其抗風蝕性能因産品的具體形態不同各有所異,而且,纖維壁襯對高速氣流的抗沖刷能力隨著使用溫度的升高而下降,這是一個必須注意的因素。
4、錨固系統的受熱和被腐蝕也是影響纖維材料使用壽命的一個重要因素。
綜上所述,耐火纖維的設計參數主要有分類溫度和長期安全使用溫度、容重、導熱系數、熱穩定性、化學穩定性、耐熱線收縮率、抗風蝕性、彈性和抗透氣性、熱容量、黑度、抗拉強度等。
 
 
一)、分類溫度和使用溫度
1、分類溫度:分類溫度即最高使用溫度,它是指纖維材料在實際使用過程中的最高使用溫度。具體定義爲耐火纖維制品在非荷載條件下加熱保持24小時,高溫線收縮率爲4%時的測試溫度。耐火纖維在該溫度下長期使用,其壽命會很短,因此,在實際中切勿輕率采用。
2、長期安全使用溫度:長期安全使用溫度是指耐火纖維在一定溫度下保持24小時,高溫線收縮率≤2.5%時的測試溫度。在此溫度下,非晶質纖維結晶,晶質纖維晶型轉變及晶粒生長速度緩慢,纖維性能穩定,纖維柔軟富有彈性。
3、使用溫度和纖維的壽命的關系:耐火纖維的使用溫度和使用壽命與其使用條件(窯爐氣氛、腐蝕物質的組成和含量等條件)密切關聯。
(1)、耐火纖維在允許使用溫度條件下使用,晶體發育是緩慢的,纖維的性質比較穩定,在氧化氣氛中不受外力碰撞的情況下,壽命可達5—10年。
(2)、還原性爐氣應采用以高純合成料爲原料的纖維作爲工業窯爐壁襯材料,並在耐火纖維壁襯表面塗抹防腐塗料,這樣不僅提高纖維爐襯的化學穩定性能,並提高纖維爐襯的抗風性能和降低纖維壁襯的加熱收縮。爲使在還原性氣氛下工作的纖維壁襯獲得與氧化性氣氛下工作相同的絕熱效果,還必須根據還原性氣氛的組成,通過計算加厚纖維壁襯厚度。
(3)應根據窯爐使用燃料的類別(煤氣、油、煤)、窯爐氣氛、窯爐氣氛中含腐蝕物質的組成確定耐火纖維的使用溫度。
A、還原氣氛下較氧化氣氛下使用溫度低100至150℃,標准型硅酸鋁纖維在還原性氣氛下使用溫度爲850~900℃。
B、燃油工業窯爐,耐火纖維壁襯使用溫度應較電加熱工業窯爐纖維壁襯使用溫度低150~200℃。
C、真空氣氛下較氧化性氣氛下的使用溫度低200~250℃。
二)、容重
耐火纖維兩個重要的特性是容重小和導熱系數小,硅酸鋁耐火纖維之所以具有良好的節能效果,其關鍵也就在于這兩個特性。
1、容重:也稱爲體積密度,是耐火纖維的重要質量指標,它是指單位體積耐火纖維的質量。耐火纖維制品的容重一般爲:氈(200~220㎏/m3)、板(280~320㎏/m3)、纖維組件(200~240㎏/m3)纖維毯(64㎏/m3、96㎏/m3、128㎏/m3、160㎏/m3)。
由于硅酸鋁耐火纖維的容重很小,而爐襯的蓄熱損失又與爐襯材料的容重成正比,所以,采用耐火纖維作爐襯,不僅可以大大減少爐牆的蓄熱損失,而且可以大大減輕爐子的重量。此外,還可以大大縮短升溫時間。
2、導熱系數 :導熱系數是物質的一種物理性質,它表征物質的導熱能力,導熱系數的數值大小就是單位時間內每單位長度溫度差爲1℃時每單位面積所通過的熱量,其單位爲w/m.k;是衡量材料絕熱保溫性能優劣的主要指標。硅酸鋁耐火纖維的另一個重要特性就是導熱系數小,因而保溫性能好。
三)、抗氣流沖刷性能
對于燃料爐以及采用風扇循環的爐子,要求耐火纖維具有一定的抗氣流沖刷能力,下表是硅酸鋁耐火纖維制品抗氣流沖刷能力的參考數據。
制品名稱 纖維針刺毯 真空成型氈 真空成型板 纖維折疊模塊
最大允許風速m/s 15-18 8 ≥25 20-25
如果氣流速度超過上表所列數值範圍,應對纖維制品表面進行硬化處理。
四)、熱化學穩定性
耐火纖維的熱穩定性是任何致密或輕質耐火材料無法比擬的,一般致密耐火磚在經過若幹次急冷急熱後便會産生龜裂、甚至剝落破損。而耐火纖維制品是由直徑2-5um的纖維相互交織在一起構成的多孔制品,即使溫度急劇變化,也不會産生結構應力,在急冷急熱條件下,不會發生剝落,還能抵禦彎折、扭曲和機械振動。因此,從理論上講它不受任何溫度急變的限制。由于耐火纖維制品本身是一種柔軟富有彈性的多孔材料,單體纖維的膨脹爲纖維本身吸收,因此在使用時可完全不考慮留膨脹縫及烘爐問題,窯爐鋼結構也因此無需考慮纖維制品的膨脹應力,使結構輕型化,節約了築爐鋼材用量。
五)、彈性及抗透氣性
耐火纖維用作高溫氣體的密封材料和墊襯材料,要求具有彈性(壓縮複原性)和抗透氣性。耐火纖維的壓縮回彈率隨纖維制品的體積密度增大而提高,其透氣阻力也相應增大,即纖維制品的透氣性減少,因此,作爲高溫氣體的密封材料和墊襯材料時,應選體積密度大(至少128kg/m3)的纖維制品,以提高其壓縮回彈率和透氣阻力。此外,含結合劑的纖維制品比無結合劑纖維制品的壓縮回彈性大。
六)、熱容量
耐火纖維的熱容量是指耐火纖維作爐襯,當爐子升溫時自身溫度升高1℃時吸收的熱量。下表列出了硅酸鋁纖維的平均熱容量,僅供參考。
 
硅酸鋁耐火纖維制品的熱容量
平均溫度(℃)
140
245
350
445
550
熱容量(J/kg.k)
850
988
1050
1088
1105
 
七)、黑度
(添加概念)英國麥凱尼公司對標准型硅酸鋁纖維和高鋁纖維的黑度檢測表明,兩種纖維的黑度均爲0.95。
八)、抗拉強度
爲滿足耐火纖維制品在施工時的強度要求,耐火纖維制品應具有一定的抗拉強度,無粘接劑的纖維針刺毯常溫下的抗拉強度值,根據纖維成纖工藝不同波動于0.03-0.08MPa。
三、評定耐火纖維質量的指標
評定耐火纖維質量的主要指標:
(1) 化學組成
從耐火纖維生産發展表明,國外已逐漸用高純合成原料取代天然原料,以提高耐火纖維制品化學組成的純度,即指:
A、保證各檔次耐火纖維制品組成中Al2O3、SiO2、ZrO2等高溫氧化物的要求含量。例如:高純型(1100℃)、高鋁型(1200℃)纖維制品中,Al2O3 +SiO2=99%,含锆型(>1300℃)制品中SiO2 +Al2O3 +ZrO2>99%。
B、嚴格控制Fe2O3、Na2O、K2O、TiO2、MgO、CaO…等有害雜質在規定含量以下。
在某種程度下嚴格控制纖維制品有害雜質含量,比保證纖維制品化學組成中高溫氧化物含量更爲重要。非晶質纖維受熱析晶、晶粒生長導致纖維性能劣化,直至失去纖維結構。高雜質含量不僅促進晶核生成和析晶,並導致液相溫度和玻璃體粘度的降低,促進晶粒生長。嚴格控制有害雜質含量,是提高纖維制品性能,尤其是耐熱性能的重要環節,雜質在結晶過程中起著自發晶核作用,不僅提高粒化速度,促進結晶。雜質在纖維接觸處的燒結和聚晶,使晶粒生長速度增大,從而造成晶粒粗化,線收縮率增大,是纖維性能劣化、使用壽命降低的重要原因。
一般天然料纖維雜質含量    3—4%
高純料纖維雜質含量       <1%
(2)加熱線收縮率,是評定耐火纖維維制品耐熱性的指標,國際統一規定采用耐火纖維制品在非荷載下加熱至一定溫度,保溫24小時的高溫線收縮率表示其耐熱性能。只有按此規定測得的線收縮率值方能真正反映制品耐熱性能,即指制品的持續使用溫度。在此溫度下,非晶體纖維結晶,晶粒沒明顯長大,性能穩定,富有彈性。日本觀點,只要晶粒尺寸小于纖維直徑,纖維性能不會産生質的變化。
上圖表明纖維受熱條件下結晶,晶粒生長導致纖維收縮,在一定溫度下保溫24小時,其75%收縮量均已體現,其余25%的收縮量將在長期使用的過程中緩慢的體現。國內某些工廠以某溫度下保溫6小時的收縮率作爲制品耐熱性能的指標,實際僅體現30%左右的線收縮率,故不能反映纖維制品的耐熱性。
(3)導熱系數,是評定耐火纖維絕熱性能的唯一指標,也是窯爐爐壁結構設計的重要參數,如何准確確定導熱系數數值,是決定爐襯結構設計合理與否的關鍵。導熱系數取決于纖維制品的結構、體積密度、溫度、環境氣氛、濕度等因素的變化。在各種物質中,以氣體導熱系數數值最小,常溫下空氣導熱系數爲0.025W/M.K。工業中,氣體被廣泛用作絕熱體。但是,只有當氣體不發生對流時,才具有優良的絕熱性能。靜止空氣是一種低導熱率、低熱容量的優良絕熱材料,耐火纖維具有接近空氣的導熱率。正是因爲耐火纖維是由固態纖維和空氣組成的混合結構,其氣孔率達到93%,大量低導熱率空氣充滿于氣孔中,並破壞了固態分子的連續網絡結構,從而獲得優良的絕熱性能。
不同耐火材料的氣孔率                        表2
品名
氣孔率%
致密耐火制品
10-16
普通耐火制品
20-30
輕質耐火制品
45-85
超輕質絕熱制品
>85
耐火纖維制品
93
導熱系數的確定:
A、測試法
有平板法和熱線法兩種,表3歸納了1998—2000年魯陽公司用平板法測試的不同産品的導熱系數數值(含送樣洛陽、北京國家耐火材料測試中心測試結果)
硅酸鋁耐火纖維的導熱系數(實測值)                         表3
品名
容重,kg/m3
平均溫度(℃)
導熱系數(w/m.k)
標准甩絲毯
128
200
0.055
400
0.076
500
0.106
700
0.150
高純甩絲毯
128
200
0.058
400
0.085
500
0.122
700
0.178
含锆甩絲毯
128
325
0.107
600
0.147
700
0.190
標准型纖維板
260
248
0.066
377
0.081
512
0.101
749
0.124
高純型纖維板
280
247
0.085
375
0.112
511
0.139
標准型纖維澆注料
600
650
0.156
800
650
0.197
1000
650
0.219
高純型纖維澆注料
600
650
0.159
800
650
0.197
1000
650
0.228
含锆型纖維澆注料
600
650
0.174
800
650
0.176
1000
650
0.301
 
B.圖表法:
C、計算法
 
 
由于耐火纖維制品導熱系數受多種因素的影響,目前尚無一個統一的計算公式,國內外爲此作了大量的研究,並提出了一些導熱系數經驗計算公式,通過對相同條件下不同導熱系數經驗計算公式的計算值與測試值比較,找出適合魯陽公司産品的導熱系數經驗計算公式。其標准,經驗公式計算值與測試值間的差值在±10%範圍內。
a、以天然料爲原料的普通型、標准型耐火纖維毯、氈可按下式計算導熱系數。
λt=0.035+0.203(t均/1000)2 W/M.K。
b、以高純合成料爲原料的高純、高鋁、锆鋁、含锆型毯、氈導熱系數,可按以下公式計算導熱系數。
λt=0.054+0.272×10-6t均2 W/M.K。
(4)體積密度—是決定爐襯選用是否合理的指標,它指耐纖的重量與材料總體之比,體積密度也是影響導熱系數的重要因素:
A、耐纖制品導熱系數隨體積密度的增大而降低,但降低的幅度逐漸減小,以致當密度超過一定範圍後,導熱系數不再降低,並有增大的趨勢。
B、不同溫度下有一最小的導熱系數和與之對應的最小體積密度,最小導熱系數對應的體積密度又隨溫度升高而增加。
正確認識和運用上述規律對耐火纖維應用有重要意義,耐火纖維的絕熱功能主要是利用制品氣孔中空氣的絕熱作用,當固態纖維比重一定時,氣孔率越大,則體積密度愈小。
在渣球含量一定時,體積密度對導熱系數的影響實質指氣孔率、氣孔大小及氣孔性質對導熱系數影響。
體積密度<96KG/M3以下時,由于混合結構裏氣體的振蕩對流、幅射傳熱增強,導熱系數隨體積密度減小,呈指數關系增加。
體積密度>96KG/M3時,隨體積密度增大,分布于纖維內氣孔呈封閉,微孔狀比例增加,氣孔中空氣氣流受到制約,纖維內熱轉移量減少(熱阻增大),同時又導致通過孔壁間的輻射傳熱量也相應減少,從而使導熱系數減少。
當體積密度增大到一定範圍240—320KG/M3固態纖維接觸點增加,使纖維本身形成一個橋,通過橋使傳熱量增大,其次,固態纖維接觸點增加,又使氣孔對傳熱的阻尼作用減弱,從而導致導熱系數不再降低,並有增大趨勢,因此,多孔纖維材料存在一個導熱系數最小的最佳體積密度,國外層鋪式耐火纖維壁襯,熱面耐火纖維體積密度規定爲130—160KG/M3。
爐壁熱面以後各層次纖維制品體積密度逐次減小,因爲高溫時,耐火纖維導熱系數隨體積密度增大而降低的程度比低溫時顯著(圖8)。采用厚度方向各層次按密度大小搭配的纖維爐襯結構可保持爐襯厚度方向熱阻均勻,在相同
熱阻條件下,可節省纖維用量,降低築爐費用。
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