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微硅粉在隔热保温方面的应用

作者: 发布时间:2018-01-15 浏览次数:903
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微硅粉在隔热保温方面的应用

保温隔热材料距今已有几千的历史,早在原始社会时期,人类就已经开始通过使用土石、草木等建筑洞穴和房屋来阻隔寒冷。


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18世纪60年代工业革命的开始,传统的手工业逐渐转入机器大生产,工业时代的到来也带动了现代意义的保温隔热材料的发展。
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20世纪70年代初,世界性能源危机的出现,使得保温隔热材料得以迅速发展,相继涌现出了大量的新品种,与此同时,传统的保温隔热材料正逐渐退出历史舞台。高效节能的保温隔热材料已成为当今世界的发展主流。
定义:保温隔热材料通常是一种质轻、疏松、多孔、导热系数小的材料,通常使用的保温隔热材料在平均温度不大于623K(350℃)时,导热系数应小于0.14W/(m·K)。保温隔热材料通过减缓由传导、对流、辐射产生的热流速率起到防止高温向低温传热,隔离太阳辐射和高温影响的作用。


保温隔热材料有许多种分类方法:


1、根据状态和结构的不同,可分为泡沫状保温隔热材料(即固体基质连续而气孔不连续),粉末状保温隔热材料(即固体基质不连续而气孔连续),纤维状或多层状保温隔热材料(即固体基质和气孔都连续);


2、根据形态的不同,可分为板块状保温隔热材料和浆体状保温隔热材料等;


3、根据材质的不同,可分为有机保温隔热材料和无机保温隔热材料。

3.1、有机保温隔热材料主要以泡沫型保温隔热材料为主,聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫及其酚醛树脂泡沫是目前应用广泛的有机保温隔热材料。这些材料具有导热系数小、强度高、吸水率低、不透水等特点。

3.2、无机保温隔热材料由于其具有不燃的特点,而越来越受到人们的重视与研究,其年增长速率多于5%,有机保温隔热材料为2.5%。在众多的无机保温隔热材料中,因膨胀珍珠岩制品吸水率高;矿物棉中含有的短纤维会对人体呼吸系统产生威胁,且矿物棉材料强度低,易于坍塌;而以添加微硅粉的复合硅酸盐保温材料为代表的无机隔热保温材料,因其特有的高承重性能和高效隔热保温性能正目益引起人们的关注。


微硅粉又名硅灰、硅粉,是从金属硅或硅铁等合金冶炼的烟气中回收的粉尘,外观为灰色或灰白色,主要成分是二氧化硅,含量80%~94%,颜色从深褐色到灰白色,质量越好颜色越浅,物理性质见表1,微硅粉的主要化学成份见表2。


表1 微硅粉的物理性质

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表2微硅粉的主要化学成份

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铁合金行业在冶炼硅铁或工业硅时在矿热炉内产生大量高挥发性的SiO2和Si气体,气体经烟道排放接触空气而氧化冷凝沉淀,然后经分离器通过专用除尘环保设备回收得到微硅粉。由于微硅粉是从烟气中收集的,导致颗粒细小、状态疏松、质轻密度低,这可能导致运输和处理困难,因此常利用各种方法对硅粉进行致密化或压缩处理:如增密、悬浮液化或颗粒团化,有效地解决了微硅粉包装、存储、运输等过程的成本及二次污染的问题。



一、微硅粉在国内研究现状



我国对微硅粉的回收利用和研究起步较晚,早期仅仅将微硅粉闲置堆放或作填料处理,硅铁合金冶炼厂商并未意识到微硅粉的潜在价值,对其回收也不够重视,加上冶金工艺和回收装备不先进导致其产量和质量都欠佳。“十五”以来我国冶金工业一直保持着快速发展,钢铁工业既是国民经济的基础工业,又是资源、能源密集型产业,因此“三废"排放量很大。


发展是国家的第一要务,如何以科学发展观和循环经济理念为统领,正确处理好发展与环境的关系,使现代工业逐步做到“三废”减量化、再利用、资源化的清洁生产,防治污染、保护环境是促进冶金工业,国民经济和社会和谐发展所面临的重要而紧迫的任务,因此冶金企业对微硅粉的回收和利用重视起来,许多铁合金厂都配备了先进的回收除尘设备,投入了大量研发资金加大对其价值的发掘力度,并引进了加密技术。为了规范微硅粉的生产,国家还制定了行业标准,各地政府也相应出台了规程,如上海目前已经编制了《高强混凝土结构设计规程》。目前,我国微硅粉主要应用于水泥混凝土和耐火工业两个领域



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水泥混凝土工业应用



微硅粉,是现代混凝土的一种常用矿物掺合料,通常应用于高强混凝土中,不仅节约水泥,而且改善环境,有力促进了混凝土和建筑工程健康发展,并且掺入微硅粉可有效抑制碱骨料反应,提高混凝土的抗渗、抗钢筋锈蚀等耐久性能。



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耐火材料的应用



八十年代末期,我国开始较大规模地在陶瓷和耐火材料中使用微硅粉,我国冶金部建筑研究总院自1985年就开始进行低水泥浇注料研究,1988年通过部级鉴定,已在宝钢、首钢项目上使用。研究发现,将浇注料中加入微硅粉可以大幅提高浇注料的强度和密度,同时发现微硅粉可以降低特种耐火材料制品的烧结温度。



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其他用途



在我国微硅粉不仅仅被用于水泥混凝土、耐火材料工业,其他领域也有一定研究进展。上海火星化工厂成功将微硅粉用于水玻璃生产,并在上海宝钢项目得到应用;微硅粉也可被用于工程板材,如微硅粉.玻璃隔热材料,化工业开发涂料等。



二、含微硅粉保温隔热材料



应用微硅粉作为主要原料制备复合硅酸盐保温隔热材料逐渐成为了目前微硅粉的应用热点。复合硅酸盐保温涂料是当前应用广泛的保温涂料之一,属于阻隔型保温隔热涂料,它是一种呈微孔网状结构的新型高效节能保温涂料(湿态呈灰白色粘稠膏状)。这类保温涂料以松解过的海泡石作为主要原料,以水玻璃为主要粘结剂。后来除海泡石外,还加入大量的膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、漂珠、粉煤灰、微硅粉、硅藻土、石棉、玻璃棉、矿棉、硅酸铝纤维等,所用粘结剂也由单一的水玻璃发展为石膏(常温)、水泥(常温)、高铝水泥(中温)、硅溶胶(高温)等复合使用。其中微硅粉为重要的硅化合物的来源。此外,还通过加入各种外加剂来改善涂料各种性能,如流动性、硬化性、憎水性、耐高温性、反射性等。经过机械打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状保温涂料。其特点是生产过程简便、可以涂抹、施工方便、保温层整体性好。特别使用于异型设备如阀门、法兰、三通、球体、锥体、旋转体等管道附件和设备的保温。


含微硅粉硅酸盐保温涂料与其他保温涂料相比,具有以下方面的优势:


1、具有良好的稳定性。硅酸盐保温隔热涂料继承了硅酸盐稳定性的性质,无尘、无毒、对人体无刺激且使用后不变形、不腐蚀、稳定可靠,可适用于不同工作环境;


2、装饰性好,含微硅粉复合硅酸盐保温隔热涂料具有很好的装饰性。它不但适用于新建筑,也可以对老房、旧墙进行重新包装;


3、施工方便,微硅粉复合硅酸盐保温涂料其干燥后有一定的抗压强度和粘接强度,非承重部位无须造壳,在施工上变的非常简单,省去了支撑件,可现场涂抹,不需要保护层,不受保温表面形状限制,从而也节省了施工费用。特别在异型设备上具有其它保温涂料无法比拟的优势。异型设备保温一直是保温界的一大难题。因异型设备外观特殊,形状复杂,表面变化大,而硬制保温材料一般为板、瓦等型材,很不好安装。但微硅粉复合硅酸盐保温隔热涂料是膏状,可塑性强,可涂抹成任何形状,不浪费材料,不用造壳而且密封好。


4、可用于热态修补,复合硅酸盐保温涂料可十分方便的用于热态修补而不影响设备的正常运行。


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图1为洛阳裕民微硅粉有限公司生产的微硅粉SEM照片。由图可见该微硅粉为规则的纳米级二氧化硅球体。由于纳米球体具有较高的比表面积,当纳米二氧化硅球体发生团聚时,球体间存在大量的微气孔,使微硅粉中发生的导热是由固相和气相完成的。这种微观气孔内的气体分子热运动产生的热传导的气相传热具有低导热系数的特点,因此这种微观结构可以有效的阻隔热量的传导,可以获得良好的隔热效果,由此可见微硅粉是一种理想的隔热保温材料。


微硅粉作为填料用于制备轧钢加热炉炉衬隔热喷涂料,该涂料采用氧化铝空心球作为骨料,微硅粉等为复合结合剂。研制的炉衬隔热喷涂料施工性能良好,喷涂附着率高,在炉衬表面能够形成厚度均匀,覆盖完整的隔热喷涂层,能够满足喷涂施工技术要求。在实际生产应用中使炉墙表面温度降低30℃以上,降低了加热炉煤气能耗。


用微硅粉的复合隔热保温涂料,该涂料以微硅粉,空心玻璃微珠作为主要填料添加硅藻土云母粉等,该涂料的导热系数低于0.1W/(m·K),最低可达0.05 W/(m·K)。


沈阳理工大学魏莉教授带领的课题组,以微硅粉为主要填料,加入真空球形纳米颗粒,以陶瓷纤维作为增强材料,制备出了一种可耐600度的耐高温隔热保温涂料,导热系数达到0.03-0.04W/m.K,且防水性能良好。这种涂料可广泛用于高温热流传输管道、窑炉等需要保温的场合,尤其适合于高温阀门,弯曲管道等。克服了传统的保温棉、保温毡等由于空隙而造成的热量缺失。这种涂料中由于加入了微硅粉,使得涂料的涂抹性能大大改善,涂料的导热系数降低。


由此可见将微硅粉应用在隔热保温材料方面是可行的。



三、微硅粉保温隔热材料在各行业的应用



在我国,含微硅粉复合硅酸盐保温隔热涂料主要用作工业保温涂料,如高温管道保温,或者锅炉、窑炉等的外壳保温,集中在电力、化工等行业。随着人民生活水平的提高和我国对于建筑物保温节能工作的政策性指导,含微硅粉复合硅酸盐保温隔热涂料用于建筑内外保温得到了逐步的认可和较大面积的使用。



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在电力行业的应用



保温在电力行业尤其是热力发电厂如火力发电厂、核能电站、地热电站等占有重要的地位。它具有节约能源、降低热损失、满足电厂生产工艺要求、确保设备、生产、人身安全、改善环境、提高经济效益等作用,是电厂建设的重要组成部分。含微硅粉硅酸盐复合隔热涂料的出现对一些异型的设备如阀门、弯头、汽缸、水箱、容器等的保温起过很好的作用。硅酸盐复合隔热涂料保温层无缝隙,因而提高了保温效果,但也存在密度变化大、体积收缩大、冷态施工固化时间长等问题。针对上述问题各科研单位和工厂作了大量改进研究,并取得了成效。



2
在水泥厂中的应用



将微硅粉复合硅酸盐保温涂料涂抹在烘干机筒体表面,使热散失减少80%以上,同时使筒内壁不会产生水分,保持干燥状况,这样就不会形成堵塞和酸性腐蚀筒体,使筒体延长寿命。另外,还提高烘干产量约15%~20%左右,节能效果更加明显,还可用于露天管道等。该种保温涂料在很多水泥厂应用都给予很高的评价,一致认为在保温节能工作中发挥了很大作用,为企业和社会获得了良好的经济效益。



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在建筑行业的应用



在建筑中,微硅粉硅酸盐保温隔热涂料主要用于内外墙体保温。保温涂料通常呈纤维稠状膏体,涂敷在墙体表面,干燥后形成有一定强度及弹性的保温层,其具有导热系数低、施工方便、造价低廉、保温效果显著的特点。由于微硅粉硅酸盐复合保温隔热墙体涂料,具有较小的导热系数、较好的隔热性及优异的保温性能,并具有很高的粘结强度、抗拉强度和剪切强度,得到了广泛的应用。


洛阳裕民微硅粉有限公司科技顾问

沈阳理工大学教授 博士生导师:魏莉

洛阳裕民微硅粉有限公司 总经理:张会涛


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