工业炉用隔热材料选择(selection of insulating materials used on industrial furnace)

工业炉炉衬和热管道设计中的一个重要组成部分。要了解材料自身的特性和炉衬、热管道的使用要求，并做定量计算，以期设计成品技术上先进而且经济上合理。

材料分类   隔热材料通常按最高使用温度分为：(1)低温隔热材料(低于900℃)。如硅藻土、膨胀蛭石、石棉、岩棉、矿渣棉、膨胀珍珠岩和它们的制品等。(2)中温隔热材料(900～1200℃)。如粘土质隔热耐火砖、普通硅酸铝耐火纤维及其制品等。(3)高温隔热材料(高于1200℃)。如高铝质隔热耐火砖、轻质硅砖、高铝质耐火纤维及其制品、多晶氧化铝纤维及其制品等。中高温隔热材料也称隔热耐火材料。此外，可按制造工艺分为定型隔热材料和不定形隔热材料，后者如轻质浇注料。

材料性能   常用隔热材料的主要性能见表1～3。粘土质和高铝质隔热耐火砖的主要性能见工业炉用耐火材料选择。

石棉是一种矿物质材料，在工程中使用的绝大多数是温石棉，其制品有石棉绒、石棉绳、石棉布、石棉板和泡沫石棉等。保温工程中曾大量使用石棉与其它轻质材料组成的混合制品，如石棉硅藻土、石棉蛭石等制品。因石棉对人体健康有害，80年代起已逐步被岩棉制品等取代。

耐火纤维制品中，高纯硅酸铝耐火纤维(使用温度不高于1100℃)、含铬硅酸铝耐火纤维和高铝质耐火纤维(不高于1200℃)、莫来石质耐火纤维和氧化锆纤维(1300～1600℃)等以及它们的制品，由于重量轻、隔热性能好、施工方便，用在炉子上不仅可以减少散热损失和蓄热损失，还可以提高炉子的升温速度和冷却速度，提高炉子的热效率和生产效率。并且可以简化炉子结构、减轻炉子自重。因此，虽然造价高，但已逐步推广。

材料选用   要考虑四个方面：(1)使用条件和使用目的；(2)对使用部位和使用场所的适应性；(3)经济效果；(4)是否符合现行法规与规范，如《设备及管道保温设计导则》(GB 8175)、《钢铁企业设计节能技术规定》(YBJ 51)。

使用条件和使用目的   使用条件包括：(1)隔热材料遇到的最高温度。(2)间歇使用还是连续使用。(3)使用期间的其它因素，如振动、压缩、风雨等造成的机械损伤或物理损伤。因此要考虑材料本身的耐压强度、抗折强度和耐老化等性能。(4)使用年限。隔热材料必须是热性能和结构性能长期稳定，以硅酸钙制品和矿渣棉制品为例，后者虽然价格便宜，但在长期使用过程中性能会逐渐变坏，只宜用在初投资少、使用年限短(例如五年)的场合。如果要用20～30年，最好选择前者。(5)裸露的隔热保温结构是否需要外部保护层或装修层。如果有保护层，材料本身的强度要求可以放宽，但增添了一部分附加费用。

使用目的包括：(1)减少散热损失和蓄热损失。(2)降低外表面温度以改善劳动环境或避免被烫伤。(3)防火。如输送热燃料油的管道，工艺上必须保温，万一发生火灾保温层就会起到保护管道的作用，外部装修层和紧固件不宜用易烧毁的材料，以免保温层脱落。

使用部位和使用场所   对炉衬而言是用作工作层(与炉内气氛接触)还是中间层或外层?对热管道而言是钢管内保温还是钢管外保温?管道是装在室内、室外还是地沟内?安装和拆卸保温材料有无足够空间?需要经常还是定期检修等等。

经济效果   多数情况下，隔热的经济效果已成为采用隔热措施的主要目的。隔热满足了工艺要求，起到了良好作用；但应考虑在减少热损失上的收益和为节能而用在隔热措施上的费用之间的对比，据此确定有关材料的厚度。

管道(包括管件、阀门)保温层的厚度按经济厚度法计算，即求出管道保温工程的投资费用与热损失费用之和为最小时的厚度。其中：(1)投资费用。包括材料费、安装费和维修费等。考虑到资金的时间价值，还要计入资金的年分摊率(年利率、计息年数和保温层使用年限等)。(2)热损失费用。是热量价格、损失的热量和使用时间的乘积。其中，热空气的热量价格，不但要考虑燃料因素，还要考虑换热器因素。计算热损失量时，应选用热导率合适的材料，以免厚度过大。同时，对于可压缩的保温材料及其制品，应取安装密度下的热导率。

80年代末日本审定了一套用于–180～1000℃的保温层推荐厚度表和散热量表(见JIS A 9501)。

炉衬隔热材料及其厚度的选择比较复杂，因为绝大多数是多层复合炉衬，不同材料的组合方案很多，热量损失的计算比较困难。温度变化不大的连续作业炉，主要是散热损失，隔热材料宜用在炉衬的外侧。对于短时间升温、恒温、冷却反复操作的间歇作业炉，蓄热损失要比散热损失大得多，隔热材料宜用在炉衬的内侧(高温侧)。表4是几种典型复合炉衬的热损失情况。炉衬内表面温度都是1100℃，连续作业时年工作8400h；间歇作业时每年工作50周，每周五次，每次升温2h、恒温15h、冷却7h，停炉两天。

总之，隔热材料的允许使用温度应高于正常使用时所遇到的最高温度。相同温度范围内有几种材料可供选择时，应选用热导率小、密度小、造价低、易于施工的材料，同时要作综合比较，优先选用经济效益好的材料。有强度要求时以强度为主，兼顾隔热性能。