纳米微孔隔热材料在钢铁冶金生产中的应用

纳米微孔隔热材料在在钢铁冶金生产中的应用

孙广颖 赵瑞林 天津固特节能环保科技有限公司

摘要：

本文介绍一种纳米微孔隔热材料，其隔热性能是通常材料3至4倍，且耐温较高，特别适合用于钢铁设备的绝热保温，达到节能减排效果，在发达国家已得到广泛应用。

本文重点介绍了该材料在钢铁厂的应用情况，包括在钢包、中间包、鱼雷包、热风管道、步进式加热炉水冷柱、CSP连续炉等设备上的应用方法和效果。根据钢包的使用情况计算节能数量。 关键词：纳米微孔隔热材料、钢铁、节能减排 前言：

钢铁生产的能耗占到全国总能耗的10%左右，钢铁行业节能会给整个社会的节能环保事业带来根本性的利好。隔热材料是钢铁生产设备的重要组成，对设备能耗具有较大影响。纳米微孔隔热材料被认为是已知隔热效果最好的高温材料，现在已经被逐步接受并应用在炼钢设备上，极大地降低设备表面温度，明显降低设备的热损耗，改善产品品质，提高生产效率，降低钢铁的生产成本。 纳米微孔隔热材料的介绍

纳米微孔隔热材料的隔热效果是传统隔热材料的2-10倍，是一种基于微孔隔热原理研制而成的新型材料，主要成份为直径7至20nm的超细二氧化硅粉末，混合热辐射遮蔽材料、高强度超细纤维、高温抗收缩材料等，经特殊工艺压制而成。

产品表面有玻璃纤维布、铝箔、塑料膜等包覆，常用形态有平板型、毡型、卷帘型、砌块型等。平板型用于平面炉壁或弧度不太大的炉壁，毡型可用于钢包等空间有严格限制的设备，卷帘型主要用于管道系统。

纳米微孔隔热材料具有很好的机械加工性和增加材料的强度，安装使用方便，易切割成型。纳米微孔隔热材料可在较广温度的范围内保持很低的导热系数，它能够在瞬间温度1100℃的工况下使用，长期使用温度可保持在1000℃，

纳米微孔隔热材料的主要性能指标

使用温度和导热系数是纳米微孔隔热材料最重要的两个技术指标，纳米微孔隔热材料的最高使用温度是衡量产品高温性能的指标，在此温度下材料可短期使用，并且线性收缩率低于2%，在设计隔热层厚度时应避免过厚，保证隔热材料的热面温度不高于最高使用温度，一般的设计冗余量在100℃。

导热系数是衡量材料在高温时隔热性能的重要指标。由于材料内部形成的微孔直径小于空气分子的平均自由行程，分子间的碰撞传热受到抑制，再加上热辐射遮蔽成分的作用，使该材料在高温下可达到比静

纳米微孔隔热材料在炼钢行业的应用 1 纳米微孔隔热材料在钢包中的应用

使用方法：清理钢包内壁，在包壁上涂一高温胶，贴纳米微孔隔热毡，依次砌筑永久层，工作层。

使用效果：

1）减少钢包外壳热损失。 2）降低转炉出钢温度 3）减少钢包烘烤所需热量

4）降低钢包壳温度，增加钢包寿命和安全性 5）替代过厚隔热砖，增加钢水容积 6）降低耐火砖冷热面温差，延长耐火砖寿命 案例 130吨钢包

耐火层结构：（由外向内） （1）纳米微孔隔热毡 7mm （2）60%高铝砖 63mm （3）浇注料 25mm

效果：包壳温度降低80℃~100℃；酸化附着物明显减少；连铸周期内钢包不需要再烘烤；钢包外围设备寿命延长；钢水容量增加。

2 纳米微孔隔热材料在中间包上的应用

应用方法：在中间包包壁内侧，避开包壁上的爪钉，平铺一层纳米微孔隔热板，然后安装浇注料。

使用效果：减少连铸过程中的热量损失，减少钢水温度变化，提高了连铸质量。 3 鱼雷包上的应用

应用方法：在鱼雷包包壁内侧，平铺一层纳米微孔隔热板，然后安装耐火砖。

使用效果：降低了铁水运输过程中的热损失，提高铁水到达转炉时的温度（约降40℃），降低了转炉能耗，并且为鱼雷包运输途中的脱磷处理创造条件。 4 步进式加热炉水冷柱上的应用

应用方法：在水冷管上包裹2层纳米微孔隔热板，用细铁丝固定，然后安装浇注料。

使用效果：与陶瓷纤维隔热层相比，通过冷却水带走的热量减少了约24%。 纳米微孔隔热材料应用的经济效益计算 1、 钢包散热的理论公式推导

纳米微孔隔热材料的应用使210吨钢包表面温度从310℃降到220℃。把钢包看作一个表面恒温的向外散热的热源，这里只单独考察此热源在不同表面温度下散失热量的差异。也就是把钢包和钢包内承装的钢水作为一个整体对象来考察，由于盛满钢水的钢包所具有的热量远大于其表面散热量，钢包内部温度远高于环境温度，钢包外表面无强制冷却介质，因此可将钢包作为一个表面恒温的圆柱体。其散热大小与里面所盛钢水的温度无关，只与钢包表面温度和环境条件等因素有关。

根据传热学理论，钢包散热损失主要由钢包外壁的自然对流散热和辐射散热两种形式组成。厂房空间表面积远大于钢包表面积，厂房容积远大于钢包体积，由以上分析可以认为钢包的散热过程可以简化为：一个表面恒温的竖直圆柱体在无限大空间内进行辐射传热和自然对流换热。依据上述简化进行建模，来建立传热过程计算。

钢包传热损失的热功φ=φ1+φ2，其中φ1—钢包辐射传热，φ2—钢包对流传热。按照物体辐射热流量的计算公式（玻尔兹曼公式）

4

，其中： )（单位：W）φ1=εAσ(t14-t2

t1—钢包表面温度，单位：K t2—环境温度，单位：K

ε—黑度，可认为是1

σ—玻尔兹曼常量，值为5.67×10-8W/(m2·K4)

A—钢包表面积，m2

φ2可看作竖圆柱的对流传热，适用于以下对流传热公式

φ2=Ah∆t（单位：W），其中：h—表面传热系数，A—传热表面面积，∆t—圆柱表面温度和外界温度

的温差

h=Nu

λ

l

，其中：Nu—努赛尔特数，λ—导热系数， l—定性尺寸，这里采用圆柱高度

Nu=C(GrPr)n，其中：Gr—格拉晓夫数，Pr—普朗特数，C,n—常数

Gr=

gα∆tl3

，其中：g—重力加速度，α—体积膨胀系数，ν—运动粘度

ν2

2、计算结果及分析

因为钢包表面的散热与其立体构形无关，只与表面积有关，因此可以把钢包看作一个圆柱体，已知钢包平均直径：3761mm，高度l=4.46m，算得钢包的表面积A=52.65m2，

从第一部分分析可知，令钢包在贴绝热板前后的外壁温度分别t1为310℃和220℃，把这些已知条件分别代入以上的传热学公式，可算出对比包和实验包散热损失热功φ

对比

和φ

试验

，

φ对比=2.47×106W，φ试验=1.55×106W φ对比—φ试验=∆φ=0.92×106W

又散热量Q=φT，T—钢包运行时间，查钢水在1600℃—1700℃下的比热Cp为0.837kJ/kg℃，假设包钢水的总质量为m，那么在钢包外壁温度310℃和220℃下的散热差∆φ能使整包钢水升高的温度

∆t=

QφT

=，这是T和m的函数，在钢水质量一定的情况下，只与周转时间T有关。 mCpmCp

假定钢水的平均质量为210t，得出∆t=0.00523T，

3、统计分析，钢包的平均周转时间大约为100分钟，即可以得出钢水的温度损失为： ∆t=0.00523*6000=31.38℃ 应用难点

由于微孔隔热材料的主要原料是不定形二氧化硅，其耐热稳定不如耐火砖或一些高标号陶瓷纤维，NIF-1050型和NIF-1100型纳米微孔隔热毡长期使用温度为1000℃和1050℃，当超出该使用温度时材料的收缩率会增大，带来安全隐患。

所以在设计耐火层和隔热层厚度时需要根据各层材料的导热系数计算出温度分布，确保纳米微孔隔热板的温度不超过规定的长期使用温度。 总结

随着应用技术的不断成熟，纳米微孔隔热材料在国内外钢铁厂逐渐被应用，该材料在节能减排方面的实效得到进一步认可。纳米微孔隔热材料在初期成本会有一定增加，从在钢铁冶金制造过程中，能源消耗的节约远大于投资成本，同时可对钢铁生产过程中热量损失进行精确控制，可确保能量的最佳利用效率和节能，并对环境的污染最小化。