保温材料的选用分析.docx

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保温材料的选用分析

鞍钢保温项目保温材料选用

分

析

报

告

2018年12月29日

王东生

大连华泰臣科技服务有限公司

1、石棉的危害

1.1石棉的概述

石棉亦称“石棉纤维”，为可分裂成富有弹性纤维丝的某些硅酸盐矿物的总称。

化学式：

3MgO·2SiO2·2H2O，呈纤维状，绿黄色或白色，分裂成絮时呈白色，丝绢光泽，纤维富有弹性，石棉具耐酸、耐碱和耐热性能，又是热和电的不良导体。

纤维较长的用于制造防火纺织物，如石棉绳、石棉带、石棉布等;纤维较短的则用于制造石棉水泥制品、石棉隔音材料、石棉保温材料（石棉碳酸镁保温粉）和低电压电器的绝缘材料等。

石棉很早就用于织布，石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料。

石棉制品或含有石棉的制品有近3000种。

主要用于机械传动、制动以及保温、防火、隔热、防腐、隔音、绝缘等方面，其中较为重要的是汽车、化工、电器设备、建筑业等制造部门。

[1]

1.2石棉的分类

1.2.1蛇纹石类石棉

蛇纹石类石棉，也称纤维蛇纹石棉或温石棉。

在自然界分布较广，一般所称的石棉，多指蛇纹石类石棉。

它是蛇纹石的纤维状结晶类，占石棉总产量的95%。

化学式为3MgO·2SiO2·2H2O，理论含量MgO43.46%，SiO243.50%、H2O13.04%。

在未分解前，为绿、黄、灰、白等颜色，有丝绢或珍珠光泽，分解后为灰白色，纤维长度一般为1～20cm，最长可达200cm以上。

[10]

1.2.2角闪石类石棉

角闪石类石棉，包括青石棉、铁石棉、直闪石石棉、透闪石石棉、阳起石石棉等多种种属。

其铁、钠含量大大高于蛇纹石类石棉，具有良好的耐酸性和防腐蚀性，有许多特殊用途。

[10]

1.2.3叶蜡石石棉

叶蜡石石棉，为铁、钙的硅铝酸盐，纤维长度较短，多为0.5～1cm，纤维分裂性好，抗折性则较差。

[10]

1.2.4水镁石石棉

水镁石石棉，水镁石矿物的纤维状变种，化学组成为Mg（OH）2，耐碱性好，但耐酸性差。

[10]

1.3石棉的危害

石棉的危害主要是长期吸人石棉尘可导致石棉沉着病。

石棉沉着病患者的临床改变特征是支气管内膜炎和肺气肿，导致石棉肺。

据统计，我国在死于石棉沉着病人中，患各种癌症而死者占37．8％，其中女性接触石棉粉尘的平均工龄为l6年，男性为20年，从确诊为石棉沉着病到死亡的时间为l5～30年。

虽然石棉的用途广泛、价格低廉，但因其危害严重，存在着致癌问题，致使部分发达国家对石棉的使用进行了严格限制。

当前大力提倡使用石棉替代品，我国也早已开始石棉替代品的生产使用、危害及防护措施研究。

[3]

石棉替代品的生产和应用发展很快．目前l已知有150多种。

但最常用的如：

玻璃棉、岩棉渣棉及漂白土纤维、绿坡石、海泡石等，由于其仍具有生物活性和致病力，而日渐引起注意。

[3]

1.3我国温石棉使用的相关规定

2002年6月2日，原国家经贸委公布的《淘汰落后生产能力、工艺和产品目录（第三批）》”规定禁用角闪石石棉（青石棉）。

我国在2002年7月宣布，禁止角闪石类石棉的生产、进口和使用，可安全生产和使用温石棉，并严格了温石棉产业准人政策，加强温石棉开选、制品制造、使用过程的安全、环保、职业健康等方面监管，确保温石棉的安全开采和使用。

[9]

2013年，国家发展和改革委员会发布了《产业结构调整指导目录》（2011年本）（2013修正），提出鼓励使用合成矿物纤维、芳纶纤维等作为增强材料的无石棉摩擦、密封材料新工艺、新产品开发与生产，鼓励使用高性能无石棉密封材料；禁止使用角闪石石棉，淘汰石棉绒质离合器面片、合成火车闸瓦，淘汰石棉软木湿式离合器面片以及用于机动车制动用含石棉材料的摩擦片。

[9]

2014年，工信部发布了《温石棉行业准人标准》，严格限制温石棉的准入条件，引导温石棉行业健康协调可持续发展。

[9]

与环境保护相关的法律为《大气污染防治法》，对污染物的排放及污染治理做出了规定。

环保部也出台了GB16297-1996（大气污染综合排放标准》，规定石棉尘的最高排放标准为2根（纤维）／cm或20mg／m。

虽然温石棉废物在《国家危险废物名录》（2016年国家环保部令第39号）被列为毒性废物，但环境保护部门未针对温石棉废物的特性制定相应的管理措施，特别是对于含有温石棉建筑物的拆除、清理、包装、运输、处置等方面未出台具体的操作程序。

我国道路交通运输部门关于温石棉及其制品的运输方式、运输车辆等方面也未制订相关标准和要求。

[9]

2、保温材料

2.1保温材料概述

保温隔热材料是一般均系轻质、疏松、多孔、纤维材料。

按其成分可分为有机材料和无机材料两种。

前者的保温隔热性能较后者为好，但后者较前者耐久性好。

导热系数是衡量保温隔热材料性能优劣的主要指标。

导热系数越小，则通过材料传送的热量越小，保温隔热性能就越好，材料的导热系数决定于材料的成分、内部结构、容重等，也决定传热时的平均温度和材料的含水率。

一般说容重越轻，导热系数越小。

工业用保温隔热材料的导热系数往往更低一些，具体指标要求与行业领域和具体应用密切相关。

为此，人们一直在寻求与研究一种能大大提高隔热保温材料反射隔热保温新型材料。

[1]

近年来，建筑工业的迅猛发展，新型建筑材料不断上市，促进了保温材料的发展，使我国的保温技术及生产能力显著提高。

目前国内使用的保温材料主要包括以下几种：

无机纤维类保温材料、机泡沫型保温材料、合硅酸盐保温材料、硅酸钙绝热制品保温材料。

2.2常用保温材料

2.2.1机纤维类保温材料

它主要有石棉、玻璃棉、硅酸铝纤维及其制品。

石棉制品具有质轻、耐久、不燃、不腐等特点，是优良的隔热保温材料。

但是石棉是一种对人体健康非常有害的物质，在·些发达国家已经停止使用该材料。

玻璃棉具有导热系数低、耐酸、抗腐蚀、价格低廉等优点，广泛应用于建筑物、车船交通工具和工业管道的保温。

硅酸铝纤维虽然具有很好的耐热性能，但是散热损失较大，并且价格较贵，所以限制了它的推广使用口。

[6]

2.2.2有机泡沫型保温材料

它是新型的保温材料，具有吸湿率小，保温效果稳定，导热系数小，易于施工等优点，但是它易燃、耐热性比较差，所以只能应用在低温管道的保温或保冷。

[6]

2.2.3复合硅酸盐保温材料

它是一种固体基质联系的封闭微孔网状结构材料，主要采用火山灰玻璃、白玉石、玄武石、海泡石、膨润土、珍珠岩、玻缕高石等矿物材料和多种轻质非金属材料，运用静电原理和温法工艺复合制成的憎水性复合硅酸盐保温材料。

它具有导热系数低，耐高温，耐酸、碱、盐、油的特性。

[6]

2.2.4硅酸钙绝热制品保温材料

它在80年代曾被公认为是最好的块状硬质保温材料。

其特点是密度小，耐热度高，导热系数小，抗压强度较高，收缩率小。

但进人90年代以来，其推广应用出现了低潮，主要原因是厂家采用纸浆纤维。

由于纸浆纤维不耐高温，所以影响了保温材料的耐高温性和增加了破碎率。

[6]

2.3常用保温材料的性能

表2-1一些耐火材料与保温材料的性能[8]

表2-2常用保温材料的参数[2]

表2-3常用保温材料的参数[2]

表2-4常用保温材料的参数[2]

3、隔热保温材料的使用[4]

3.1保温材料选取的标准

3.1.1导热系数

是保温材料传遵热量能力大小的参数。

单位为w/m·k，和温度关系较大

3.1.2密度

密度：

kg/m影响设备管道及建筑寿命且关系投资成本

3.1.3吸球率

材料在水饱和壮志下与干燥状态下的质量比，保温材料属多孔隙材料．当含水．导热系数会骤升，密度也会增加，所以是一项重要指标。

单位为g/100cm3。

3.1.4透湿系数

是指25ram厚材料当两侧的水蒸汽压力为1Pa时．单位面积、时何透过的水蒸汽量。

单位为g/cm3·δ·Pa。

3.1.5防火性能

可用燃烧性能，蛔密度、毒性指标等表示目前的材料都具有一定的防止性能，属不燃物，高温时不会产生有毒气体。

3.1.6吸声系数

材料吸收的声能与^射声能的比值这个指标耐设备、建筑的噪声有相当髟响如建筑物的空调系统，通过设备、管道的复合保温，选用吸声系数高的材料，由于消声将大太降低噪声酌危害。

另一方面因空调设备的外板一般为钢板．其内部牯贴一层多孔的保温材料，因阻尼作用，将增强外板隔声效果，但要注意：

不同的复合板厢声性能还需计算及实验确定。

3.1.7机械强度

在外力作用下的抗破坏能力。

丹为抗拉、抗压强度两种。

性能好者在外力作用下不易损坏，可减少运输、施工过程中的损失。

3.1.8抗化学性能

车身具有的抗化学性能，以便采用了不同的有化胶牯贴都不会变形。

也称之为本身的防腐性能与寿命相关。

3.1.9耐老化性能

帮要不易因老化、臆化而失去发泡之机能。

一般为紫外线照射试验。

紫外线照射200tt为自然暴露一年。

3.1.10环境影响

指原材料对环境和人类的长期影响，包括对大气臭氧层的破坏显温室效应等。

3.1.11工艺性

便于旌工，对^体无害．同时应该考虑采用这种保温材料有可能改进或提高被保温设备的工艺性

3.1.12使用温度范围

适用的温度范日越大，用途越广。

3.1.13尺寸的稳定性

一般都在常温下施工．如果线膨胀系数过大，在遏持、热时易收缩或嘭胀产生缝隙，所以要求该参数。

3.1.14价格

关系到投资的经济性。

3.2鞍钢保温材料的选择

鞍钢现场保温区域的工作温度在400℃以上，根据前面的选用标准和表2-2，2-3，2-4中的材料分析可以的出，使用温度高于400℃的除了泡沫玻璃外，岩棉、硅酸钙、硅酸铝、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、石棉材料都可以使用。

膨胀类保温材料，一般为颗粒状，需要专门密封的壳体进行填充，所以膨胀珍珠岩和膨胀蛭石不适现场的保温，如果有硬性要求，必须用这种材料，则需要专门定制特定的壳体，将壳体固定在设备上，还要做好相应的密封，防止填充材料漏出，才能够使用，其成本将会大大的升高。

硅酸钙这种材质中含有氯离子，会对金属有一定的腐蚀性，所以也不适合现做金属表面的保温材料。

石棉材料由于其对环境污染严重，并且对身体有一定的毒害，甚至致癌，所以不建议使用，如果有特定要求，必须使用石棉，则需要给出书面的文件，并且注明一旦有卫生和环保问题与我方无关。

排除以上四种材料后，仅剩下岩棉和硅酸铝的材质，从经济性上来讲岩棉相较硅酸铝更加的经济一些，所以在要求不高的地方，会优先使用岩棉这种保温材料，所以现场保温材料的建议是：

使用温度在600℃一下的地方优先使用岩棉；使用温度600℃以上的可以采用硅酸铝材质。

4、岩棉材质密度与导热系数之间的关系[7]

4.1密度和服役温度对岩棉导热系数的影响

导热系数是决定保温材料性能的最重要的参数之一，保温材料的材质、密度以及使用温度等条件对导热系数都有重要影响。

为研究岩棉密度对导热系数的影响，采用摆锤法分别生产了不同密度的岩棉块，在150℃的温度条件下进行测试，试验结果见图4-1。

由ASTM标准可以看出定义某种材料的保温性能需要各种温度条件下的导热系数值，因此本文取密度为105kg/m3的岩棉测试了不同使用温度下岩棉的导热系数，以研究温度与导热系数之间的关系，试验结果见图4-2。

岩棉的导热系数按照ASTMC335中的方法进行测试。

图4-1不同密度岩棉制品在150℃温度条件下的导热系数

从图4-1中可以看出，岩棉的导热系数随着密度的增加先减小，而后在80kg/m3的条件下达到谷值后又逐渐增加。

保温材料的散热主要通过固体导热、气体导热和辐射以及对流传热。

空气的导热系数通常小于0．03W／（m·K），而岩棉的导热系数则通常大于0．04W／（m·K）。

因此仅考虑岩棉保温材料固体与气体比例，则保温材料密度越高其导热系数也越大。

但气体的空间越大则岩棉材料内空间的热辐射和对流热损失就越多，导致密度小到一定程度后岩棉的导热系数也开始变大。

综合各种因素的影响。

岩棉保温材料的密度需要控制在一定范围内才能起到理想的保护效果。

图4-2密度为105kg/m3的岩棉制品在不同温度下的导热系数

图4-2中岩棉的导热系数与温度近似呈线性关系。

对所测数据的线性拟合结果为Y=0.026+1.56X，相关性系数为0.9812，所测温度范围内的导热系数值与线性拟合结果均在10％的误差之内。

导热系数与温度呈近似直线关系可能有两方面的原因，一方面材料本身的性质随温度的升高发生了改变，另一方面则主要归因于热辐射对实测导热系数的影响。

因为辐射散热量与材料温度的四次方相关，所以温度越高保温层外侧热损失量就越大，试验中根据内外侧温差计算的导热系数就越大。

因此实际应用中可以将温度近似看作导热系数的线性函数，由已知数据推出其他温度条件下的导热系数，或用保温层内外壁的平均温度来计算保温厚度。

4.2密度对岩棉制品其他性能的影晌

表4-1密度为75kg／m3和85kg／m的岩棉材料性能参数比较

4.3结论

岩棉的密度对导热系数有显著影响，密度为80kg／m3左右的岩棉，其导热系数最小，在此基础上降低或增加密度都会使岩棉的导热系数增大。

在密度一定的条件下，岩棉的导热系数与使用温度近似呈线性关系，导热系数随温度的提高而增加。

岩棉密度对抗压强度和线性收缩率等机械性能有一定影响，当岩棉的密度从75kg／m3，提高到85kg／m3，岩棉块的抗压强度明显提高，线性收缩率略微降低。

5、参考文献

[1]黄汉江．建筑经济大辞典：

上海社会科学院出版社，1990－08：

532

[2]闻邦椿,鄂中凯.机械设计手册[M].机械工业出版社,2010.

[3]刘铁民,王银生.我国石棉替代品生产、使用、危害及防护措施状况[J].中国安全科学学报,2002,12

（2）:

1.

[4]王Chong.保温材料的选择[J].宁夏科技,2001（5）:

46-46.

[5]甘四洋,董发勤,曾娅莉,etal.温石棉、纳米SiO2、硅灰石及人造纤维粉尘的细胞毒性研究[J].安全与环境学报,2009,9（4）:

13-16.

[6]黄一东.高温管道保温材料的选择及应用[J].冶金能源,2013,32（4）:

57-60.

[7]韩长军,郭超,谭传强,etal.岩棉密度对导热系数及机械性能的影响[J].石油工程建设,2010,36（6）:

54-56.

[8]一些耐火材料与保温材料的性能[J].热处理,2014（5）:

59-59.

[9]陈刚,张忠彬,刘宝龙,etal.我国与主要国家温石棉安全使用政策和法规对比研究[J].中国安全生产科学技术,2018.

[10]秦定慧．中国非金属矿工业手册：

冶金出版社，1992