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钢铁行业应用

背景介绍

国内钢铁行业目前处于产能过剩、节能环保要求不断提高、下游消费市场的日益下滑的大环境,因而如何提高能效利用率、降低生产成本已成为刻不容缓的现实压力。在多项技术手段中,采用性能更为优异的隔热材料,实现高效保温与长期使用稳定性兼备的综合性能要求,从而提高钢铁生产过程中的能效利用率、降低出钢温度或减少精炼过程能源消耗,这一方向成为各大钢厂节能降耗的关注重点。

应用领域

结合钢铁产业的生产过程,我们不难发现高效长久的保温需求其实是伴随几乎钢铁生产流程的全部环节。主要应用领域包括:高炉、转炉、电炉、钢包、铁水包、鱼雷罐、中间包及各种精炼设备。

现有保温材料的优劣势分析

考虑到钢铁行业的特性,保温材料的选择需从耐温度、高温导热系数、空间占用量三个角度进行对比选型,最佳的材料应同时满足耐温度高、高温导热系数低、空间占用量低三个条件。

材料名称

耐温度

高温导热系数

空间占用量

高铝轻质保温砖

莫来石纤维板

陶瓷纤维板

硅酸钙板

亚微米复合反射板

纳米隔热板

 
从上述图示可知,结合材料特性,目前市面常见的材料中没有一种能达到耐温度高、导热系数低、空间占用量小的最佳综合性能。但是纳米隔热板由于极低的导热系数和极小的空间占用量,成为最具潜力的材料发展方向,关键在于是否能够提高纳米隔热材料的耐温等级,满足长期使用的稳定性,并通过合理的结构设计达到最佳的隔热效果。

纳米隔热材料介绍

耐高温纳米隔热材料主要是指利用纳米级二氧化硅的超细粒径,经过特殊工艺复合成型,形成低于静止空气热导率的高效热阻性能的板状材料。其高温800℃下导热系数不超过0.03w/mk,是目前传统高温保温材料导热系数的1/6-1/8。该材料主要具备以下优缺点:

极低的导热系数;是目前已知高温隔热材料中导热系数最低的一种。

极低的蓄热值;可较大幅度的提高应用设备的升温速率。

极小的空间占用量。超薄的厚度即可带来极佳的保温效果,提高设备容积率;

有限的耐温度。目前市面常见的纳米隔热材料最高使用温度为1000℃左右。

除去纳米隔热材料外,国内早期还有一种亚微米级复合反射板,该材料同样号称为纳米级别的隔热材料,但实际为微米级二氧化硅粉末为主要基体,采用单面贴覆铝箔作为反射层。该材料的耐温度同样为1000℃,但隔热能力远不如真正意义上的纳米隔热材料。

上图为同样厚度(5mm)的亚微米级复合反射板与纳米隔热板在热面温度为550℃下冷面温度的对比。可以看出当热面温度为520℃时,亚微米级复合反射板的冷面温度为183℃;而当热面温度为549℃时,纳米隔热板的冷面温度仅为89℃。

钢铁行业纳米隔热板选购要求

考虑到钢铁行业高达1600℃左右的工作环境,在纳米隔热材料的选择和应用上应注意以下重要事项。

材料的耐温度。若纳米隔热材料达不到热面所接触温度的长期使用稳定性,将导致材料由于长期处于过高的工作温度,从而引发的收缩、粉化等现象。初期有一定的保温效果,但是后期将不断收缩粉化,并可能带来工作层和永久层的开裂,甚至有穿包的风险。

合理的厚度设计。由于纳米隔热材料良好的保温性能,将带来永久层的热面温度升高,一旦超过永久层的使用温度可能导致永久层发生稳定性的变化,因而纳米隔热材料并非越厚越好,而需要结合内衬材料的特性来进行结构设计。

材料的导热系数。若选用非严格意义上的纳米隔热材料,将不会有明显的隔热效果;而一旦使用多层亚微米级隔热材料,则过大的浪费了空间且有热面温度过高的风险。

材料的憎水性能。由于永久层多为浇注料,其浇筑过程中的水分将对保温材料具有较强的破坏性,因而纳米隔热材料应当在早期具备一定的憎水能力。

材料的弯折度。钢包及鱼雷罐都是非平板设备,纳米隔热材料的施工使用需满足一定的弯折度才能完整的贴覆包壁。

材料的抗压强度。考虑到诸如钢包底部等部位需承受较大的压力,因而纳米隔热材料的选用需满足良好的抗压能力,确保使用过程中不因压力而产生形变

 

钢铁行业纳米隔热板使用现状

国内钢铁行业经过进口及国产纳米隔热板的多年推广,已形成较为普遍的认知,并有不少将纳米隔热板应用在如钢包等设备保温层的使用案例,但都存在不同程度的应用缺陷。下文将着重介绍几种典型的应用方法及使用现状:

方案一:保温层贴覆2-3层亚微米级复合反射板

效果:由于亚微米级复合反射板与陶瓷纤维板等传统保温材料相比具备更好的保温性能,因而在使用初期具备一定的保温效果,但效果并不十分明显,钢包外壁温降在20℃左右。且在不同的钢厂使用过程中,基于各厂永久层和工作层的选材和厚度不一致,部分厂家结构设计较为合理,钢包并未发生保温层过烧的现象;但是仍有不少厂家由于该材料的耐温度有限(不超过1000℃),出现保温层使用寿命过短,拆除永久层后发现保温层减薄、烧蚀情况严重等现象。

简评:使用单层基本无保温效果、使用多层复合初期有效果,但是后期效果不明显。

方案二:保温层结构为65mm高铝轻质保温砖+2层5mm纳米隔热板(耐温度1000℃)

效果:国内某钢铁厂曾使用进口德国纳米隔热材料采用以上结构发表过相关专利,经使用,该结构能确保长期使用的稳定性,且具有较好的保温性能,5mm单层售价在400元/㎡左右。但是该结构是通过在纳米隔热板前面增加一层轻质隔热砖以降低纳米隔热板的热面温度,从而达到安全有效的长期使用环境。

简评:通过6倍于纳米隔热板厚度的保温砖来起到保证长期使用稳定的目的,这将影响钢包应有的容积率,未能达到纳米隔热板应有的超薄效果。

方案三:保温层采用一层7mm进口纳米隔热板(耐温度1100℃)

效果:河北某钢厂采用进口耐温度1100℃的7mm纳米隔热板应用在钢包、中间包等设备上。由于所选用的材料可耐1100℃的长期使用,因而无需附加其他保温材料降低纳米隔热板的热面温度,在各部位上均取得不错的效果,可降低出钢温度5℃左右。但是该进口材料价格非常高昂(单层市售价格800元/㎡),且仅能单层使用7mm,若多层使用将导致热面温度超过材料的耐温属性,故厚度上受到一定的限制。

简评:7mm的材料可耐1100℃高温,具备较好的使用性能,但是综合性价比仍不够突出. 综上所述,国内目前钢厂使用的纳米隔热材料无论在使用温度、使用结构、综合性价比等方面均有一定的可提升空间。

   

晖能纳米隔热板介绍

广州晖能环保材料有限公司自2010年开始研发纳米隔热材料,是国内最早的研发企业之一。主要市场在欧美等成熟应用国家,目前在海外拥有多家合作代理商,钢铁行业知名客户包括全球钢铁最大生产企业ArcelorMittal(阿赛洛米塔尔)等,并已获得国外多家客户的试用报告。

晖能钢铁行业应用的产品系列为M5600系列,该系列的纳米隔热板最高耐温度1150℃,同时还有1050、950、850等多个温度等级的型号,是国内首家开发出耐温等级超过1100℃纳米隔热材料的生产企业。晖能M5600系列采用真空铝箔包装,产品具备以下技术特点:

超高的耐温度,高达1150℃的长期使用温度可满足钢铁行业的应用需求;

超低的热导率,高温下拥有全球范围内已知材料中最低的导热系数;

超薄的厚度,达到高效隔热的前提下不影响容积率

高效的结构设计,采用1150和950双层搭配使用可达到更好的保温效果,同时能实现完美的错缝拼接,减少单层使用的热桥效应;

高抗压能力,特殊部位使用可满足受压不变形的要求;

完美的憎水性能,铝箔包装可完全隔绝施工过程中的水分影响,而高温下铝箔会烧化,不会增加热量的传导;

完美的贴覆弧度,经过真空处理的M5600可实现60°以上的弯折,更好的贴覆包壁。

 

推荐使用方案

根据应用环境的不同,我们推荐的使用方案有两种:

A方案:在了解前段工作层及永久层结构、所选材质的耐温度、所选材质的导热系数三个条件都确定的情况下,经过热工计算纳米隔热板所达热面温度不超过1150摄氏度时,我们推荐采用5毫米1150型号+5毫米950型号的结构。采用1150与950两个产品搭配,即可以更好地实现热保护,同时又能分别确保两层的使用温度在安全范围内,另外双层搭接的结构能有效阻止热桥。

B方案:在目前永久层及工作层材质相关属性不确定的前提下,我们推荐使用7mm我司1150系列的纳米隔热板,将达到安全长效的良好保温效果,同时具有对比进口产品更优秀的性能和更高的性价比。

 

施工及使用效果

晖能M5600系列采用真空铝箔的包装,施工非常简单。仅需采用高温耐火胶泥直接粘贴在钢壳内壁即可,若双层使用建议采用错缝拼接的方式,有效阻隔板缝之间的热桥。且由于材料自身可满足一定的弯折,因而施工后能比传统的板状材料更好的贴住弧面设备。

在经过双层晖能M5600系列产品的保护后,能有效降低钢壳外壁温度40-80℃(具体降温幅度因钢厂目前外壁温度而有部分差异,目前外壁温度越高则下降幅度越大),能有效降低出钢温度6-10℃(原理同上)。以上数据源于我司在欧洲知名钢铁企业的实际使用数据反馈,客户并附有完整的测试报告可供参考,下图为使用晖能M5600系列产品的效果分析及热红外成像图:

 

经济可行性分析

对比未使用纳米隔热材料的钢铁企业数据,使用晖能M5600系列双层纳米板保护后,在转炉出钢和精炼出钢两环节分别可降低6-10℃的出钢温度,以吨钢升温1℃耗能0.45元的综合能耗数据来分析,可实现吨钢节能5.4-9元。而采用我司纳米隔热材料的吨钢平均成本仅为0.2-0.4元左右(最终使用成本随各厂耐材使用寿命有所不同),节能效果十分显著。以单个环节降低出钢温度6℃,吨钢采用纳米隔热材料0.4元来计算,一个600万吨年产钢铁企业,吨钢提高经济效益为6*2*0.45-0.4=5元/吨,年提高经济效益总值3000万元。

 

小结

作为国内领先的纳米隔热材料生产企业,晖能已实现多品种、全系列的产品架构,同时拥有较为完善的国内及海外销售渠道和网络。中国是全球钢铁产能最大国,面对国内广阔的市场,晖能愿意配合贵司开展以下工作:

前期充分的技术交流;

具体热工计算及使用方案的设计协助;

施工安装指导;

小范围的材料试用;

 

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