新型玻璃熔窑用保温耐火材料应如何选择

通过对各类浮法玻璃熔窑保温材料的了解，依据保温材料的选取原则，明确玻璃熔窑传热机理后，再利用计算机软件辅助，得到材料的传热系数、冷面温度和热面温度的曲线图。将目前涌现的几种新型保温材料与传统保温材料进行比较，对比分析证明，采用新型保温材料在节能效果和经济性方面取得效果。

0前言

国内浮法玻璃市场竞争激烈，国家对节能环保要求不断提高。熔窑作为浮法玻璃生产的三大热工设备之一，进入玻璃熔窑的热量约有30%左右消耗在窑体散热上，这不仅造成能源的浪费，而且恶化了生产操作环境，因此，熔窑保温已成为玻璃行业行之有效的节能手段之一。熔窑保温不仅可以大大减少窑体向外界的散热，而且可以增加窑体的热容量，提高火焰温度，提高熔化率和改善玻璃质量;同时也降低能耗，节约燃料，从而可以降低生产成本，节约资金，最终提高企业的市场竞争力。

目前熔窑的保温技术主要是从熔窑的结构设计及保温材料的选择等方面着手，其中，保温材料的选择对熔窑保温具有举足轻重的作用。近几十年来关于熔窑隔热保温材料的研发有很大的进展，本文重点对几类玻璃熔窑隔热保温材料与传统保温材料进行对比分析。

1、熔窑保温材料选取的原则

由于熔窑保温材料所处的环境较恶劣，所以选取保温材料应遵循以下几点原则：

(1)具有良好的保温性能，即导热系数入矣λ≤0.14W/(m·K)(K);

(2)具有一定的耐火度，特别是在复合保温下，各保温层应能满足界面温度的要求，否则会极大影响保温性能，甚至失效;

(3)具有高温稳定性，能够保证在使用温度条件下不粉化、不脱落;

(4)具有较好的化学稳定性，使用过程中不得被侵蚀或腐蚀本体结构，且可固定贴合耐火材料;

(5)具有一定抗冲击强度和较轻的自重;

(6)材料配置方案应具有经济性。

熔窑的大碹顶、池底、池壁等是散热最多的部位，总计占整个熔窑窑体散热的85%左右，而窑体表面传热方式为对流换热与辐射传热，这跟窑体的表面温度和环境温度有关，窑体的表面温度与外界环境的温差越小，散热损失就越低。因此，为了实现保温节能的目的，必须降低窑体表面的温度。而保温后的窑体表面温度的降低与保温材料物性有很大关系，尤其是保温材料的导热系数，两者呈正相关的关系。

2、熔窑保温材料的分类及新型保温材料的介绍

根据熔窑保温材料的发展历程，可以分为很早已开发出的传统保温材料和近年来研发出来的新型熔窑保温材料。传统的熔窑保温材料主要包括：轻质黏土砖、硅酸铝纤维板、轻质硅酸钙板、轻质硅砖、耐高温涂料等新型的纳米熔窑保温材料主要包括高性能纤维喷涂材料、纳米级微孔隔热板、钛纳硅纳米保温毯、高发射率节能材料等。传统保温材料都比较熟悉，这里不再赘述，而着重来介绍新型的保温材料。

主要用于熔窑散热面外层，产品保温和密封性能出色，节能环保效果显著，其性能参数如表1所示。

▲表1高性能纤维喷涂材料性能参数

纳米级为空隔热板是最新高科技技术制作的新材料，是用特殊的无机耐火粉末，形成了微笑的超级气孔，其导热系数比静止空气还要小，性能参数如表2所示。该产品为板状，可以组合PE塑料薄膜、铝箔、纤维布等形式的外保护层材料。该产品的工作原理：

(1)传导传热:纳米级微细粉，固体颗粒很微小的纳米级点接触热阻很大，使得传导传热作用很小;

(2)对流传热:纳米级气孔平均20nm.静止空气常温热运动平均自由程60nm，空气分子被锁住而不能做对流传热,使得对流传热作用非常小;

(3)辐射传热:隔热材料加入了纳米级的反红外辐射物质，使得高温下以辐射为主的辐射传热被降到最低点。

▲表2纳米级微孔隔热板性能参数

利用含钛的二氧化硅连续材料内部的特殊纳米孔穴结构,如图1所示，材料的组成特点:三维立体骨架、小于空气自由程的纳米级孔穴、高孔隙率使得导热系数极低，其传热机理如图2所示，该类产品主要为硅酸铝纤维毯层、高效保温气凝胶层多次复合构成，其性能参数如下:

(1)导热系数低，0.~0.W/(m?K);

(2)A1级不燃，且高温下不分解;

(3)使用温度范围广(0~℃);

(4)极强的耐压、防震、抗伸缩等性能;

(5)不吸潮、不老化，长期使用保温性能不下降;

(6)热膨胀系数极小,避免热胀冷缩出现断裂断层;

(7)安装体积小,节省空间,显著降低安装和运输成本;

(8)极轻型柔性材料,施工极其简便,任意裁剪、拼贴。

▲图1内部孔穴结构图

▲图2传热机理示意图

传统保温材料的保温机理是通过隔热减少热量传递，一般用于耐火材料的冷面，而高发射率节能材料在熔窑上应用是喷涂于熔窑散热面内壁，能够在增加窑内热辐射量的同时，减少玻璃液对外传递的热量。这样不但减少玻璃液面以上的耐火材料中流失的热量，更大大减少了烟气中带走的热量。其性能参数如下：

(1)适用于耐火材料表面，喷涂、固化后的厚度只有0.1~0.2mm。

(2)抗热震性能强，延展性极佳，可随着喷涂基体的膨胀而延展，以抵消热震产生的剥离力。

(3)耐酸碱腐蚀能力高，适用于玻璃溶窑内复杂的燃烧气氛。

(4)高发射率材料区别于上述几种保温材料，它本身并不是一种保温材料。而是在高温条件下吸收辐射和对流的热量，并将其中95%再辐射出去，使得热量可以在熔窑内部循环。

(5)发射系数在高温下保持在0.85~0.95之间不变，而一般耐火材料在高温条件下的发射系数只有0.2~0.3之间。

3、保温材料的选择

(1)由于熔窑的碹顶部位都是曲面，因而在选择这些部位保温材料的时候，应该使用可喷涂或者毯状的保温材料，不使用板状的保温材料，避免材料因折弯被破坏。

(2)熔窑各个部位的内表面温度相差较大，所以，在选择保温材料的时候(特别是复合保温)，必须考虑各层材料之间的界面温度是否在适合的工作温度范围内，以防止保温性能失效。

在确定了保温材料的使用种类以后，还需要通过计算才能确定使用的保温材料的规格以及用量。

熔窑传热的机理可简化为:熔窑内壁向熔窑外壁传热的过程和熔窑外壁向周围环境的传热过程，忽略熔窑孔口辐射、换向等等对熔窑传热的影响，建立一个理想的熔窑散热模型。该模型利用传热系数与冷曲温度、热面温度作为变量，通过热力学方程建立热平衡公式，然后用软件编程计算程序获得数据组，最后得到这3个变量的曲线图如图3所示，根据熔窑需要做保温的部位热而温度和想要达到的冷面温度.从曲线图中即可得到该部位各层材料的总传热系数，以这个传热系数为标准，在原有耐火材料上配置保温材料规格和用量即可。

▲图3熔窑传热系数和冷面温度、热面温度曲线图

4、不同保温材料的经济性与实用性对比

根据以上的保温材料性能和传热系数与温度曲线图，为国内某条t/d浮法玻璃生产线提出的保温材料使用方案，如表3所示。

表3t/d浮法玻璃生产线保温材料使用方案

以上是采取新型保温材料的使用方案，将表3中的方案3与传统保温材料使用方案对比，可以明显看出来优劣差异，如表4所示。

表4新型保温材料与传统保温材料使用方案对比

5、结论

(1)通过建立理想的玻璃熔窑模型，分析其传热机理及热平衡公式，提出传热系数与温度曲线图，方便计算熔窑保温的热工参数。

(2)新型保温材料的选择应由熔窑的保温部位外表面形貌以及使用温度来确定，本文提到的多种新型保温材料具有低导热、耐高温、高发射率等特点，因此，灵活设计复合新型保温材料应用方案，可以达到更好的节能保温效果。

(3)通过对比分析熔窑新型保温材料和传统保温材料的设计方案，使用新型保温材料的熔窑散热量较之传统保温材料有明显降低，节能率更高，整体保温性能持续性更好。

参考资料：

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本文作者：王海林;潘国治;贺建雄;张振华;黄小叶;谢东恒

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