绝热板高温结构与保温性能

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1979.01.006 绝热板高温结构与保温性能 炼钢教研室 金山同韩郁文吳元增”李金亭 摘 要 本文是在研究了大量的绝热板配方〔1)，及其使用效果的基础上，为进一步提高其经济 效果，从研究绝热板高温结构的组织出发，进行模型化，通过传热计算推导，获得了绝热板 的保温性能与其材质物理特性之间的数学表达式，並加以实验验证，为设计绝热板配方提供 理论根据。 一、高温下絶热板的结构及模型化 为了模拟浇注过程中绝热板的工作条件，获得高温下(1350C°)绝热板的结构，加以 观察研究，我们设计制造了单方向加热炉（见照片1）。曾对150种不同配方的试样，在单方 向加热炉上进行测试。 照片1单方向加热炉测试设备 这些配方的耐火骨料有：石英砂、刚玉粉、泡沫氧化铝粉、铝质粘土、焦炭粉、菱苦土 等，含量在60~35%之间。纤维使用纸渣纤维，含量在520%之间，矿棉含量在3~10%之 间。粘结剂有：粉醛树脂、松香树脂、粗酚树脂、纸浆废液等，含量控制在5%左右（以上 均为重量百分比)。这些配方试验结果所得到的不同的高温结构，归纳起来，有四种典型结 构，其图例与特性见（表1）。 显而易见，不同结构，产生不同的保温性能，这是什么原因呢？首先让我们分析一下， 这些结构有什么特点。 ◆参加本试验工作的有张克强、李系东、吴知琪等同志。 54

绝热板 高温结构与保温性能 炼 钢教研 室 金 山同 韩 郁文 吴 元 增 李金 事 摘 要 本 文 是 在研 究 了大 量 的绝热 板 配方 〕 ， 及其使 用 效果 的基 础上 ， 为进 一步 提高其经 济 效 果 ， 从研究 绝热板高温结 构 的组织 出发 ， 进行模型 化 ， 通过 传热计算推 导 ， 获得 了绝热板 的保 温性能 与其材质 物理 特 性之 间的数学 表达 式 ， 业 加 以实验 验证 ， 为设计绝 热板配方提供 理 论根 据 。 一 、 高温 下 艳 热板 的结 构及 模型 化 为了模 拟 浇注过 程 中绝热 板 的工 作 条件 ， 获得高 温 下 。 绝热板 的结 构 ， 加 以 观 察研究 ， 我们 设计制造了单方 向加 热 沪 见照 片 。 曾对 种不 同配方 的试样 ， 在单 方 向加热 炉上 进 行测试 。 照 片 单方 向加 热炉测试 投备 这 些 配方 的 耐 火骨 料有 石英 砂 、 刚 玉 粉 、 泡沫氧 化 铝 粉 、 铝质 粘 土 、 焦炭 粉 、 菱 苦 土 等 ， 含量 在 之 间 。 纤 维使 用 纸 查纤 维 ， 含量 在 、 之 间 ， 矿棉 含量 在 、 之 间 。 粘结 剂有 份 醛树 脂 、 松 香树 脂 、 粗 酚树 脂 、 纸 浆废 液 等 ， 含量控 制 在 左右 以 上 均 为重 量 百 分 比 。 这 些 配方 试验 结 果所得 到 的不 同的高 温 结 构 ， 归 纳起来 ， 有 四种 典型 结 构 ， 其 图例 与特 性见 表 。 显而 易 见 ， 不 同结 构 ， 产 生不 同的保 温 性能 ， 这 是 什 么原 因呢 首先让 我们 分析一下 ， 这 些 结构 有 什 么特 点 。 今 参加 本试 验 工 作 的有 张 克强 、 李永 东 、 吴 知琪 等同志 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1979．01．006

表1 绝热板高温(1350℃)下的结构类型及特性 名称 图例（底为热面，顶为冷面） 特 性 保温性能 材质特点：骨料粒度较粗（一 般 般为0.1~0.2毫米)，纤维量大 (一般大于15%)，经受高温后 呈三层结构：底部为烧结层，中 间为疏松层，顶部为绒状层。其 特性：线收缩大，气孔形状大， 组织疏松，稍受外力作用，即呈 粉状散开。 材质特点：骨料粒度细（一般 好 为0.08毫米左右)，纤维量少（一 般少于10%)，经受高温后呈单 层烧结结构。其特性：强度大， 气孔形状小。 〔注)：照片上下颜色不同，是 由于受热时断面上下温度不同造 成，结构是一样的。 材质特点：骨料粒度细，热面 好 骨料量比较多，冷面纤维量比例 大，经受高温后呈双层结构。其 特性：下层烧结度大，气孔形状 小。 材料特点：骨料本身耐火度低 差 并与纤维或粘结剂作用，降低了 耐火度，使得经受高温后，出现 熔融层，而上部呈严重烧结现象。 D 其特性：气孔形状显著变大。 55

表 绝热板 高温 ℃ 下 的结构类型 及特性 图例 底 为热 面 ， 名称 顶 为冷面 保温性能 材质 特点 骨料 粒 度较粗 一 般 为。 毫 米 ， 纤维 量大 一般大 于‘ “ ‘ ， 经 邹温后 呈三层 结构 底 部为烧结层 ， 中 间为疏 松层 ， 顶部为绒状层 。 一 其 特性 线 收缩大 ， 气孔 形状大 ， 组织疏松 ， 稍受外力作用 ， 即呈 粉状散开 。 好一好一 ， 般 … 一 … 彝缴黝 材质特点 ， 骨料粒度细 一般 为 毫米左右 卜 纤维 量 少 一 般 少 于 穷 ， 经受高温后 呈单 层 烧结结构 。 其特性 ， 强 度大 ， 气孔形 状小 。 〔注〕 照片上 下颜 色不 同 ， 是 由于受 热时断面 上下温 度不 同造 成 ， 结 构是一 样的 。 材质 特点 骨料 粒 度细 ， 热面 骨料 量 比较 多 ， 冷面纤 维 量 比例 大 ， 经 受高 温后呈 双层 结构 。 其 特性 下层 烧结 度大 ， 气孔 形状 刁、 。 材料特点 骨料本身耐火度低 差 并与纤 维 或 粘 结剂 作用 ， 降低了 耐 火度 ， 使得经 受高温后 ， 出现 熔融层 ， 而 上 部呈严 重 烧 结现 象 。 其特性 气孔 形状显著 变大 。 口 侧 曰 一 一 口 ，，，户， ， ， ，阳

除出现熔融层这一特殊情况外，绝热板的高温结构是由空隙（气孔）和固体颗粒（骨料） 组成，是具有多孔结构的整体。气孔的空间分布（指数量、形状及大小）在一定制作工艺尔 件下，随骨料、纤维的数量及物理形态的不同而变化。 从试样的岩相观察可知，当绝热板的气孔率在60~70%的情况下，虽然骨料占绝热板配 方中的重量比为70~85%，但在平面分布上还是疏散状的，即颗粒被气孔所隔开，大部分是 不连续的（见照片2）。在骨料重量比基本相同的情况下，骨料颗粒愈细，气孔形状就愈小。 A B 配方：石英砂75% 配方：石英砂85% 纸渣纤维10% 纸渣纤维 5% 矿 棉 5% 矿 棉5% 树 脂 5% 树脂 5% 粘土 5% 石英砂粒度：180网目（平均） 石英砂粒度：120网目（平均） 照片2绝热板高温结构一骨料及气孔的分布（白点为骨料颗粒 ×30) 在三维空间中，绝热钣骨料的分布如何呢？首先，如果骨料是相同大小球体的话，其各 种排列方式下的气孔率及物质与相邻质点的接触点数，见表2。 表2 相同球体质点的排列方式，气孔率与接触点数 序号 排列方式 气孔率% 接触点数 1 立方体 47.64 4 2 六方体 39.55 6 3 复合六方体 30.22 8 稜锥体 25.95 12 四面体 25.95 12 56

除出现熔融 层这一特殊情况外 ， 绝热 板 的高 温 结 构是 由空 隙 气孔 和固体颗 粒 骨料 组成 ， 是具有多孔结构的整 体 。 气孔 的空 间分布 指数量 、 形 状 及大 小 在一 定制 作工 艺 条 件下 ， 随 骨料 、 纤 维 的数量 及物理形态 的不同而变 化 。 从试样的岩相 观察可 知 ， 当绝热板的气孔 率 在 、 的情 况下 ， 虽然骨 料 占绝热板 配 方 中的重量 比为 、 ， 但 在平面 分布上 还是疏散状 的 ， 即 领粒 被气孔所隔开 ， 大 部分是 不连续 的 见 照片 。 在骨料重量 比基 本相 同的情 况下 ， 骨 料颗 粒愈 细 ， 气孔形 状 就愈小 。 二卜工 配方 石 英 砂 纸渣纤 维 矿树 棉脂 配方 石 英 砂 纸渣 纤维 矿 棉 树 脂 粘 土 石英 砂粒 度 网 目 平均 石英 砂粒度 网 目 平均 双片 绝热 板高 温 结构 －骨料 及 气孔 的分布 白点 为骨料颗 粒 在三 维 空 间 中 ， 绝热板 骨料 的 分布如 何呢 首 先 ， 如 果 骨料 是相 同大小球 体 的话 ， 其 各 种 排 列方式下 的气孔 率及物质 与相邻质 点 的接触 点 数 ， 见 表 。 表 相 同球 体质 点的排 列 方式 ， 气 孔 率 与接 触 点数 序 号 玲 匕比乙丹几 住口仗， … ︺八五 」口一︻‘ 排 列 方 式 立 方 体 六 方 体 复 合六 方 体 棱 锥 休 四 面 体 一 气 孔 率 接触 点数

由表2可知，立方体为最疏的排列方式，其气孔率为47.64%，但也远比绝热板的气孔 率为低。故绝热板中每一质点与相邻质点的接触点数要少于立方体排列的接触点数一4。实 际上绝热板的骨料颗粒並非球体，故目前定量说明骨料颗粒排列情况与气孔率之间的关系还 有一定困难。但根据Ridgway-Tarbuck公式： e=1.072-0.1193k,+0.00431k,2 (1) 式中：一气孔率，% k。一一个质点与邻近质点的接触点数。 可近似求出气孔率与接触点数的关系。当气孔率为70%时，·由式(1)计算得出k,= 3.5。即一个质点与相邻质点平均有近3.5个接触点。 以上分析告诉我们，虽然从岩相观察结果，平面上骨料颗粒的排列大部分是不连续的， 但在三维空间里，它们之间是有接触点的。这种既有气隙又有接触点的多孔结构，如细分至 最小基本单元，不外三种情况，即：骨料颗粒间相接触的，骨料颗粒间被气隙隔开的，联通 学 气隙。这三种基本单元组合成的结构，以及它们各自所 占比例的变化，即可代表绝热板的普遍结构。也就是 说，绝热板的正体结构是由这基本单元组合体向各方向 重迭的结果。至此，我们可以得出如下的绝热板单元体 的结构模型，见图1。图中a代表骨料颗粒相接触部分， 因料横粒口老咪 b代表骨料被气隙隔开部分，c代表联通气隙。 图1絶热板单元体的结构模型 二、絶热板的传热计算推导 根据绝热板单元体的结构模型，並假定传热过程热流是单方向的，气隙中的气体为不流 动的。因此在经受高温加热过程中，绝热板有下列传热 方式： ①骨料颗粒内的传导传热 ②骨料颗粒接触点间的传导传热： ③骨料颗粒彼此之间的辐射传热； ④空隙与空隙间的辐射传热： 图2艳热板单元体传热棋型图 ⑤空隙内气体的传导传热。 由于通过绝热板厚度方向上的热流是通过各单元体热流之总合。从单元体结构模型出 发，可推出如下的传热模型。见图2。 q=qa+qb+qc (2) 式中：9一一通过绝热板的热流量， q。一通过骨料颗粒接触部分的热流量， 9。一一通过骨料颗粒及气隙间的热流量， qc一通过联通气隙的热流量。 而 q。=a入s(At”+△t") (d'+d) (3) 57

由表 可 知 ， 立方体为最 疏的排列方 式 ， 其气孔率为 ， 但也远比绝热板的气孔 率为低 。 故绝热板 中每 一质 点与相邻质点的接触点数要少于立方体排列的接触点数一 。 实 际上绝热板 的骨料颗粒亚非球体 ， 故 目前定量说 明骨料颗粒排列情况与气孔率之 间的关系还 有一定困难 。 但根据 一 公式 。 一 之 式 中 ， － 气孔率 ， ， 。 － 一 个质点 与邻近质点的接触 点数 。 可 近似求 出气孔 率与接触点数的关系 。 当气孔率 为 时 ， 由式 计算得 出 二 。 即 一 个质点 与相邻质点平均有近 个接触点 。 以上 分析 告诉我们 ， 虽然从岩 相 观察结 果 ， 平面上骨 料颗 粒 的排列大部分是不连续的 ， 但 在三维 空 间里 ， 它们之 间是有接触 点的 。 这种 既有气隙又有接触点的 多孔结构 ， 如细分至 最小 基本单元 ， 不外三 种 情况 ， 即 骨 料颗 粒 间相接触 的 ， 骨 料颗粒 间被气隙隔开 的 ， 联通 气 隙 。 这三 种基本单元 组合成 的结构 ， 以及它们 各自所 占比例 的变化 ， 即可代表绝热 板 的普遍 结构 。 也 就 是 说 ， 绝热板 的正 体结构是 由这基本单元 组 合体 向各方向 重迭的结果 。 至 此 ， 我们可 以得 出如下 的绝热板单元 体 的结构模型 ， 见 图 。 图中 代表骨 料颗 粒相接触部分， 代表骨料被气隙隔开 部分， 。 代表联通 气隙 。 馨 口 骨件报 馨 粗 口 艺 赚 图 绝 热板单元体的 结构模型 二 、 艳 热板 的传 热计 算推导 根 据绝热板单元 体的结 沟模型 ， 动 的 。 、 因此 在经受高温加热过 程 中 ， 方 式 业 假定传热过程 热 流是单方 向的 ， 气隙 中的气体为不 流 绝热板有下列传热 ① 骨 料颗 粒 内的传导传热 ② 骨 料颗 粒接触点 间的传导 传热 ③ 骨料题粒彼此之 间的辐射传热 ④ 空 隙与空 隙间的辐射传 热， ⑤ 空 隙 内气体的传 导传热 。 团睦绘娜讹终莹锐彭 飞 上 盯 降 、 自 口 肠 碑召 二， 图 绝 热板 单元 体传热模型 图 由 于通过 绝热 板厚度方向上的热 流是通过 各单元体热流 之 总合 。 从单元体结构模型 出 发 ， 可 推 出如下 的传热模型 。 见 图 。 。 式 中 － 通过 绝热板 的热流量， 。 － 通过骨料颗 粒接触部分的热流量 。 － 通过骨 料颗粒及气隙间的热 流量 ， 。 通过 联通气 隙 的热 流量 。 二 丝卫鲤立些逻互 产

Q=b-b28+b,Aw‘ (4) d q。=c入，A'+A)+ch,(at'+At") (5) (d'+d") 9A() (6) 式中：a,b,c一，在热流方向上，三种基本单元的面积比，a+b+c=1, 入s一骨料颗粒的导热系数， 入1一一气隙中气体的导热系数 △t,△t"一→温差影·· d',d"一厚度影 hy一辐射导热系数， 入·一绝热版的导热系数。 而 ：h,=0.1952p(t+273)3 (7) 100. 式中：p为固体的黑度，通常为0,9。 在厚度方向上，绝热板如果是由N层的单元组成，则有： N=d'+d"=d 1 (8) 式中的d可近似认为是骨料颗粒粒度的大小。 把(3)、，(4)、(5)、(8)式代入(2)式，整理可得下式： b 4as()+(+h:-) +C(a,+) (9) )十- 而 Nd"=e或Nd'=1-e (10) 式中e即气孔率，%。 把(10)式代入(9)式，可得 b 入=a入s+(1-e) +Ca+) (11) (+) 若把}=d即粒度大小，代入(11)式，可得： b λ=a入s+(①-e) 1-+C(i,+h,d) (12) 入s (A1+h,d) 公式(11)、(12)就是我们要获得的绝热板的绝热保温性能与其材质物理特性之间的数学 58

入 。 △ 尹 任 一一一 寸 一 ‘ ‘ 入 △ 护 刃 ， 么 即 。 入 △ 尹 △ ， ， ， △ 尹 △ ， 、 ， △ 产 △ ， 、 二 人 气 丁丁 ’ 一 币石 一 夕 十 ’ 式 中 ， ， ， 。 －在热流方 向上 ， 三 种 基 本单元 的面 积 比 ， 十 二 ， 入 － 骨料颗粒 的导热 系数 ， 枯 － 气隙 中气体的 导热系如 △， ， △ “ 一一温差 ， · 、 ， ’ 『 ’ ， ， 一厚度 「 ， 一 － 辐射 导热系数 ， 入－ 绝热 扳的导 热 系数 。 而 ， 。 。 ， 、 二 ” · ， ” 乙 一 面 下 少 式 中 长 为固 体钓黑度 ， 通 常 为。 。 在厚度方 向上 ， 绝热板如 果是 由 层 的单 元 组 成 ， 则 有 二 尸 一 十 ” 到 式 中的 可 近 似 认 为是 骨 料颗粒粒度 的大小 。 把 、 、 、 式代入 式 ， 整理 可得 下式 。 ， ， ， 、 一 一不 一－ 一 一 七 八 一 十 一 犷 二 少 、 ， 一 、 一 少 八、一﹄ ，一 入 入 。 下下了厂一 一 ， 上、 一 、 又 十 一 而 式 中 。 即 气 孔率 ， 。 把 式 代入 ， 。 或 产 一 式 ， 可得 入 二 入 一 ’ 二 一一 一一 一 一一 入 入 、 －一 宁 。 、 ， 、 七 戈八 ，二井一 少 剑 若 把 一 二 即 粒度 大 小 ， 代入 式 ， 可得 入 入 一 入 入 公 式 、 就是我们要 获得 的绝热板的绝热保 温性能 与其材质物理 特性之 间的数学

表达式。公式(2)表明，绝热板的导热系数入的大小，即绝热保温性能的好坏是与绝热板 的结构（即a,b,c的比例）、骨料粒度(d)、气孔率(e)、骨料颗粒和气隙中气体的导 热系数（入s,入，）以及温度、骨料黑度(h,是温度、黑度的函数)有关。因此，这些材质 的物理参数指高温状态及它们影响的大小，为我们选择配方，提供了必要的根据。 三、验证与討論 前面我们根据对150种配方的绝热板试样，进行单方向炉的测试及高温结构的岩相观察， 设计了结构模型和传热模型。参考有关资料的数据及做了某些允许的近似计算，推导出数学 表达式。但是，公式（12)对我们设计绝热板配方起指导作用，其可靠性及准确性如何呢？ 下面进行验证和讨论。 1.骨料粒度大小 从公式(12)可知，骨料粒度d的大小，对绝热板导热系数入有明显影响。这方面影响， 在试验工作中，很长一段时间是不明确的。只有当我们在单方向加热炉上，对只变化骨料粒 度的不同绝热板试样进行测试以后，才发现把骨料粒度变小（磨细），可大幅度的提高绝热 板的保温性能。其影响可用图3表示： 上图中温差（△t)是将30毫米厚的试样放在 1350℃的热平面上，达到稳定态传热后的冷面与热 面温度的差值。粒度变化分三个阶段，第一阶段采用 平均为120网目石英砂作骨料，温差为950930℃， 第二阶段是在原石英砂基础上，加入10~15% 的细耐火粉料（如菱苦土平均140网目，熟钻土平 不红肯及子玉内及直两及： 大+一一粒瘦一+小 均为170网目等)，温差值增到990~1005℃。第三 阶段是将石英砂磨细到平均为180网目或超过180网 图3绝热板的保温性能变化 目，温差值又增到1005~1075℃，影响十分明显。 同样情况，两种不同配方绝热板（见图4)随骨料粒度变细，冷热面的温差值也是增加的。 差 950 90 差o 12014116018020 骨料粒爽（目） 骨料柱瘦（⑧） (一) (二) 配方：石英砂80% 方配：石英砂85% 纸渣纤维10% 纸渣纤維 5% 矿渣棉5% 矿渣棉5% 树脂 …5% 树脂 5% 图4骨料粒度大小对絶热板保温性能的影响 59

表达式 。 公式 表 明 ， 绝热板 的导热 系数 入 的大小 ， 即绝热保温性能 的好坏是与绝热板 的结构 即， ， 的比例 、 骨料粒度 、 气孔 率 。 、 骨 料颗粒和 气隙 中气体的导 热系数 入 ， 入 ， 以及温度 、 骨料黑度 是温度 、 黑度的 函数 有关 。 因此 ， 这 些 材质 的物理 参数 指高温状态及 它们影 响的大 小 ， 为我们选 择 配方 ， 提供 了必要 的根据 。 三 、 验 证 与针箫 前面我们根据对 种 配方 的绝热 板 试 样 ， 进行单方 向炉 的测试及高温 结构 的岩相 观 察 ， 设计了结构模型 和传热模型 。 参考有关 资料的数据及做了某些允许 的近似计算 ， 推 导 出数学 表达 式 。 但 是 ， 公式 对我们 设计 绝 热板 配方起指导作用 ， 其可靠性及 准确性如何 呢 下面进行验证 和讨 沦 。 ， 料粒度大 小 从公式 可 知 ，骨料粒 变 的大小 ， 对绝热板 导热系数 入有 明显影响 。 这方面影响 ， 在试验工作 中 ， 很长一段 时 间是不 明确的 、 。 只有当我们 在单方 向加热炉上 ， 对只 变化骨料粒 度的不 同绝热 板试 样进行测 试以后 ， 才 发现把骨 料粒 度变小 磨细 ， 可大幅度的提高 绝热 对蕊盖乞 板 的保温性能 。 其影响可用 图 表示 上 图中温差 人 是将 毫 米厚 的试样放 在 ℃ 的热 平面 上 ， 达 到稳 定态传热后 的冷面 与热 面温 度的差值 。 粒度变化分三个 阶段 ， 第一阶段采用 平均为 冈 目石英砂 作骨料 ， 温差 为 、 ℃ 。 第二 阶段 是 在原石英砂 纂 础 上 ， 加 入 、 的细耐火粉料 如菱 苦土 平均 网 目 ， 熟 粘土 平 均 为 网 目等 ， 温差 值增 到 。 、 ℃ 。 第三 阶段 是将 石英砂磨细到平均 为 网 目或超过 网 目 ， 温差 值 又增到 、 ℃ ， 影响 十 分明显 。 大 一 料 友 一 小 瞥 艳 热板的 保 温 性 能变化 同样情 况 ， 两种不 同配方绝热板 见图 随骨料粒 度变细 ， 冷热 面 的温差 值 也是增加的 。 遨差乞脚卿 声 口 口 口 骨料粒友 旧 〕 骨料杜 皮 何 一 配 方 石 英 砂 纸 渣纤 锥 矿 渣 棉 树 脂 图 二 方 配 石 英 砂稚棉脂 纸 渣纤 矿 渣 树 骨料 粒度 大小对 艳 热板保 温 性 能的 影响

分析其原因，骨料粒度大小不仅改变了气孔率（ε），更主要的是改变了气隙的形状，即 在200网目内，粒度愈细，气隙愈小，则在相同厚度的条件下，增加了单元体的数目，也就， 是增加了层数N值。这种情况对辐射传热的影响是很大的。因为绝热板在高温工作的条件 下，辐射传势将占主要地位。从绝热板的高温结构可知，它如同多层隔板的辐射热交换，·随 着隔板数目（即层数N)增加，其通过热量可由下式算。 q=N+(60广-(106）门 (13) 式中：h,一导来辐射系数 N一隔板层数（即单元体数目）。 随着“N”的增加，传出热量q将减少。 2.气孔事 根据公式(12)，我们可以计算出，.随气孔率ε增加，入值降低，即增加气孔率可以提高 绝热保温性能。从试验中得知，除骨料粒度的大小能影响气孔率外，控制气孔率的主要办法 是改变纸渣纤维加入数量和在相同配方条件下调节容重。图5表明，随着纸纤维量的增加， 常温下气孔率是稳步提高的。但绝热板的保温性能並不一直是随着气孔率的增加而提高。在 纸渣纤维含量超过10%以后，反而有明显下降的趋势（见图6）。这种现象，在同一配方不同 容重的绝热板中也存在：即保温性能也並不一直是随着容重的减小（即气孔案茶增高）而提高。， 经试验有一个最佳值，对所试验的配方，容重0.8~0.9为好（图7）。 温 950 孔 美 64 ℃ % 62 85 /520 1015.20 纸渣量% 纸凌量() 图5纸渣含量对气孔率的影响 图6纸渣含能与保温性能的关系 以上情况表明，改变纸渣纤维量或容重控制气 元家重x提丝 孔率，在一定范围内，才符合公式(12)的关系， ·老凡车兴提麦 公式(12)的推导前提是高温结构。当纸渣纤维量 超过一定范围，或容重小到一定范围，虽然常温气 孔率还在增加，但由于高温下，纤维燃烧，体积收 5s73·90更% 缩较大（见表3），高温气孔率反而会显著下降。 e的&187565和3本 同时纸渣纤维量过大，高温下往往会出现大开裂情 图7在同一配方下，容重（气孔率） 况（见照片3），热流可沿裂缝直接辐射出去，因 对保温性能的影响 此保温性能反而变坏。 60

分析其原因 ， 骨料粒度大小不仅改变了气孔率 。 ， 更主要的是改变了气隙的形状 ， 即 在 网目内 ， 粒度愈细 ， 气隙愈小 ， 则在相 同厚度 的条件下 ， 增加了 单元 体的数 目， 也就 是增加了层数 值 。 这 种情 况 对辐 射传热的影响是很大的 。 因 为绝热 板 在高温 工作 的条件 下 ， 辐射传势将占主要地位 。 从绝热板 的高温结 构可 知 ， ‘ 它如 同多层 隔板 的辐 射热交 换 ， 随 着 隔板数 目 即层数 增加 ， 其通 过 热量可 由下式 计算 。 击〔箭 ‘ 一 侃 ‘ 〕 式 中 － 导来辐射系数 － 隔板层 数 即单元体数 目 随着 “ ” 的 增加 ， 传出热量 将 减少 。 气孔 率 根据公式 ， 我们可 以 计算 当 ， · 随气 孔率 “ 增加 ， 入 值 降 低 ， 即增加气孔率可 以 提高 绝热保温性能 。 从试 验中得知 ， 除骨料粒度的大小能影响 气孔 率外 ， 控制气 孔 率 的主 要办法 是改变纸渣纤维加入数量 和 在相 同 配方条件下调节容重 。 图 表明今 随 着纸 纤维量 的增帜 ， 常 温下气孔率是稳 步提高的 。 但绝 热板的保温 性能亚 不一直是 随着气孔率 的增加 而提高 。 在 纸渣纤维 含量超过 以 后 ， 反而有 明显下 降的趋势 见 图 。 这 种现象 ， 在 同一 配方不同 容重 的绝 热板中也存在 即保 温 性能 也业 不一直是 随 着容重 的减小 牌口气孔 率增高 而提高 。 多 试 聆有 一个 最住 值 。 对所试验的配 方 ， 容 重 ， 为好 图 。 助 孔率乞砍禅“ 蔗摄乞 加如脚 了 夕 夕 口 日 ‘ 口 山 左 口 岁 尸 抵渣 量 术 图 纸渣 含量对 气孔 率的影 响 手氏乡童 量 瑞 图 纸渣含能 与保温 性能的关系 沮 脚 立 。 冬卜腿 乞醉‘ 以 著 卿 ‘ 尸 气 一 、 口 誉更祝护 艺孔车儿 改 众 讨劣 白 · 朋助 劣姑 叨 ，影 对在保同一温性配 能方的下 以 上情 况表 明 ， 改 变纸渣纤维 量 或容重控 制气 孔率 ， 在一定范围 内 ， 才符合公式 的关系 ， 公 式 白洲建导前提是高温结构 。 当纸渣纤 维量 超过一定范围 ， 或容重小到一 定范 围 ， 虽然常温气 孔率 还在增加 ， 但 由于高温下 ， 纤维燃 烧 ， 体积 收 缩 较大 见表 ， 高温气孔率反而 会显著下 降 。 同时纸渣纤维 量过 大 ， 高温下往往 会出现大开裂情 况 见照片 ， 热流可沿裂缝直 接辐射出去 ， 因 此保 温 性能反 而变坏 。 图 容重 气孔 率 响

表3 纸織维含量对绝热板在130℃下线收缩的形响 纸纤维量% 10 15 20 线收缩% 1.6 8.3 9.6 13.4 (A) (B) 照片3高温下含纸渣15%的绝热板收开裂情况 经试验表明，容重在0.8~0.9左，纸纤维今量在56（矿棉含量也是5%）的绝热 板，高温下能保持住常温气孔率。见表4。 表4 含5%纸渣織维的绝热板，常温与高温下的气孔率% 序 号 名 称 1 2 3 7 8 9 10 常温气孔率% 63 67 65 70 63 67 66 69 59.6 71 在1350℃加热后 64 621 74 的气孔率% 68 66 6266.6,71 59 59 3.骨料的导热系数入s: 从公式(12)推算，入s对入即绝热板保温性能应该有影响的，但试验结果（见表5）却 不然。石英砂中加入其它耐火骨料，如菱苦土（主要含量为MgO)，熟料粘土，或高铝质粘 土，虽然骨料的导热系数已发生变化〔2〕(MgO比SiO,导热系数大4~5倍，A1zO,比 SO:导热系数要大3~4倍)，但与石英砂为骨料的保温性能相比无甚差异。另外采用导热 系数比石英砂大的刚玉粉作骨料时，绝热保温性能反而提高。这就说明在绝热板多孔结构 中，与骨料导热系数直接有关的传导传热部分所占的比例並不大。这显然与绝热板结构比较 疏松，骨料之间接触面积占的比例不大有关，即公式(12)第一项中a值很小之故。此外， 刚玉粉作骨料的绝热板保温性能好是与其粒度变细也有关系。' 以上情况表明，选择骨料时，只要保证一定的耐火度即可，不必在导热系数的大小上过 分苛求。 61

表 纸擞维含盆对绝热拔在件的 七下线收 缩的形响 纸纤维 量 线 收 缩 薰馨霉菠慈毅卷麒姗麟报黝鬓翌 户 霆 湘经鉴眼穿奥公鬓夔猫蒸奢麟蒸馨瀚黝蓦黝蘸曝 熬羹摹羹黝瓣羹翼 擎 照 片 高温 下 含 纸渣 的艳 热板 收 绷 开裂 情 况 经试验表 明 ， 容重在 、 左右 ， 纸纤 堆 份履 在 矿 洁 你 含量也是 的绝热 高温下能保 持住 常温 气 孔 丰 。 见 丧 。 表 含 纸 渣徽 维 的 绝 热板 ， 常温 与 高温 下 的 气孔 率 一石一万于东 一 一 几 一 书一万 氯革 一 针兹 一 阵 · 一 命 赢〔 一 在 ℃加 热后 。 月 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ’ 。 ， 。 ‘ ， 二 的气孔率 一 。 ” 。 一澡 一 川二 、 嚣 一 。 ‘ ‘ 七 ‘ ’ 户 。 ” 骨料 的导热系教 久 从公式 推算 ， 入 对 入即绝热板保温性能应 该有 影响 的 ， 但 试验结 果 见表 却 不然 。 石英砂中加入 其它 耐火骨 料 ， 如 菱苦土 主要 含量为 ， 熟料粘土 ， 或高铝质粘 土 ， 虽然骨 料的导 热系数已发生变化 〔 〕 。 比 导 热系数大 、 一 倍 ， 比 导热系数要大 、 倍 ， 但 与石英砂为骨料的保温 性能相 比无甚差 异 。 另外采 用导热 系数比石英砂大的刚玉 粉作骨 料时 ， 绝热 保温 性能反而提高 。 这 就 说 明在绝热板 多孔结构 中 ， 与骨料导 热系数直接有关的传导 传热 部分所 占的比例业不大 。 这 显然 与绝热 板结构比较 疏松 骨料之 间接触面积 占的比例 不大有关 ， 即公式 第一项 中 值 很 小之故 。 此外 ， 刚玉 杯作骨 料的绝热板保温 性能 好是 与其粒 度变细也有关系 。 以 上情 况表明 ， 选择骨料 时 ， 只要 保证一 定的耐火度即可 ， 不 必在导热系数的大小上过 分苛求

表5 不同骨料绝热板的保温性能 序号 骨料名称及重量比% 纤维及粘结剂% 保温性能△t℃ 1 石英砂80% 1005 2 石英砂65%，熟粘土15% 1000 % 同 上 纸液纤维 10% 1005 4 石英砂65%，菱苦土15% 5% 树 脂 5% 1000 5 同 上 1005 6 湯道砖粉80% 1005 刚玉粉85% 纸渣纤维 1075 % 同上 矿 路 5 1050 0 泡沫A1z03粉85% 脂 % 1070 4.绝热板中出现熔融相的影响 试验中，曾以碱性纸浆废液代替树脂做粘结剂，高温时与骨料石英砂发生成盐反应，熔 点降低很多。绝热板的热面出现熔融相，使骨料颗粒及气孔粗大化（见照片4），增大值比 照片4絶热板在高温下出现熔融相的情光(×30) 例，因而明显降低了绝热保温性能（表6）。此外，为了改善脱模厂的劳动尔件，希望绝热 板使用后能很好烧结成块，实现块状脱落，在配方中加入一些易熔相（如珍珠岩），如果加 入量过多，也会使绝热板在使用时出现熔融 相。图8表明，保温性能是随珍珠岩加入量增 加而下降，故在配方中要严格限制加入量。 综合以上分析，保温性能良好的绝热板， 在合理配方的条件下，应该由细骨料、细纤维、 高气孔率组成的结构。对照前面（表1）所归 5 2 纳的四种类型的结构，它们在高温(1350℃) 珍失岩量(%) 下，单方向加热后，其热面与冷面的温度变化 图8珍珠岩加入量与絶热板保温性能关系 62

表 不 同骨料 绝 热板 的 保温 性能 序 号 骨 料 名称 及重量 比 纤 维 及 粘结剂 石英 砂 石英砂 ， 同 上 石英 砂 ， 同 上 汤道砖 粉 熟 粘土 菱苦 土 纸渣纤 维 矿 棉 树 脂 保 温 性能 △ ℃ 刚 玉 粉 同 上 泡沫 粉 纸渣纤维 矿 棉 树 脂 八 绝热板 中出现熔融相 的 影 响 试 验 中 ， 曾以 碱 性纸 浆废 液代替 树 脂做粘结剂 ， 高 温 时 与骨 料石英砂 发生成盐反 应 ， 熔 点 降低很 多 。 绝热 板 的热面 出现熔融 相 ， 使骨 料颗 粒 及 气孔 粗 大 化 见 照片 ， 增大 。 值 比 照 片 艳 热板在 高温 下 出现 熔融 相 的 情 况 例 ， 因而明显 降低 了绝热 保 温 性能 表 。 此 外 ， 为 了改 善脱 模 厂 的劳 动条件 ， 希望 绝热 板 使 用后 能很 好烧结 成块 ， 实现 块状 脱落 ， 在 配 方 中加 入 一 些 易熔 相 如 珍珠岩 ， 如 果 加 入 量过 多 ， 也 会使 绝 热 、 板 在 使用 时 出现熔 融 ‘ 焦试七 烟如 相 。 图 表 明 ， 保 温 性能 是 随珍珠 岩 加入 量 增 加 而下降 ， 故 在配方 中要 严 格限制加 入 量 。 综合 以 上分析 ， 保 温 性能 良好 的绝热 板 ， 在合理 配方的条件 下 ， 应 该 由细骨料 、 细纤 维 、 高 气孔率 组 成 的结 构 。 对照 前面 表 所归 纳 的 四 种类 型 的 结 构 ， 它们 在高温 ℃ 下 ， 单方 向加热 后 ， 其热面 与冷面 的温度 变 化 书 ‘ 珍球劣 童 〔必 图 珍 珠告加 入 量 与葩 热板 保 温 性 能关 系

表6 高温下绝热板出现熔融相对保温性能影响 序 号 配 方 保温性能 (温差℃) 备 注 75%石英砂，10%纸纤维， 960 未出现熔融相 5%矿棉，5%粘土，5%树脂 2 75%石英砂，10%纸纤维， 810 出现熔融相 5%矿棉，5%析土，5%纸 浆废液 如图9中A、B、C、D。其中以B、C型结构保温性能最好，A型其次，D型最坏。这与前 面讨论的情况是完全一致的。 14 温 茂 C600 4 4co 和o 0 02本古日心2000600 0之寸方8020知布300→ (A) 0寸阁（分） 1B)时间（牙） 4 温 1209 温 80n 崖 U 600 6侧 2 200 0246800市布3拓布* 02468102030405060 c)时前（分） (D) 时间（分） 1,热面温度 2.冷面温度 图9在高温单方向加热下，四种代表性结构的 絶热板的艴热保温性能 3 四、结 論 经过对绝热板高温结构的显微观察，设计出结构模型及传热模型，进行了传热计算，推 导出绝热保温性能与材质物理参数之间关系的数学表达式，並经试验验证，可以看出： 1,高温下(1350℃)绝热板呈疏散的多孔结构，它是由固体骨料颗粒互相接触、体 63

表 高温 卞绝热板 出现熔融 相对 保沮 性能形 响 序 号 方 保 温 性能 温差 ℃ 备 注 了 石英 砂 ， 纸纤维 ， 矿棉 ， 粘土 ， 树 脂 未 出现熔 融 相 石英砂 ， 矿棉 ， 浆废 液 纸纤维 粘土 ， 纸 出现熔融 相 如图 中 、 、 、 。 其 中以 、 型 结 构保温性能最好 ， 型其次 ， 型 最 坏 。 这 与前 福了才 右吞 配 李 乡 鱿戴考士二名卜 茹 如 台 涉 ， 别口 龙乞 枷 赫 ，‘ 尸阳川卜一 司琳才 一 护钾尸 ’ 州一畔咔 了 珠 吧 皮 枷 乞 夕口 才 与研、 一 枷 ‘ 扮矽 铡朔 嘴寸寸留 劣丈节镇蕊， 时 ，荀 夯 ，月， ， 一间 一司以 矛 子 ‘ 占 净 誉刀 叉， 尹夕加 汐 夕 口才‘句〔办 ， 。 朴 洲一 ， ‘ 一 倒性 皮 乞 卜加踌洲卿扣卿 尸 卜一’叫沁 一， ， ， 咖枷 之 ‘ ， ‘ 分岁户贪古户 口如句 分 口 子 ‘ 匆 勿 孑口 介 向 叨 ， 口由旬 办 热 面 温 度 冷 面 温 度 图 在 高温 单方 向加 热下 ， 四 种 代 表性结构的 艳 热板 的艳 热保 温 性 能 四 、 结 镰 经过 对 绝热板高温 结 构 的显微 观察 ， 设计 出结 构模型 及 传热模型 ， 进 行 了传热 计算 ， 推 导出绝热保温 性能 与材质 物理 参数之 间关系 的数学表 达式 ， 亚 经 试验验 证 ， 可以 看 出 高温下 ℃ 绝热板呈 疏散 的多孔结 构 ， 它是 由固体骨料颗 粒 互相 接触 、 固体