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