目前，我國共有各類工業(yè)爐約12萬臺，年總耗能達2.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國總能耗的1/4，占工業(yè)總能耗的60%。因此，工業(yè)爐的節(jié)能具有很大潛力。近十多年來迅速發(fā)展起來的隔熱材料節(jié)能技術(shù)，由于其節(jié)能效益顯著，發(fā)展前景誘人而引人矚目。許多國家的數(shù)據(jù)表明，在工業(yè)爐上用新型高效隔熱材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔熱耐火磚，一般可節(jié)能15%～30%。對于工業(yè)爐爐襯的蓄熱和散熱，一般占爐子總能耗的20%～45%，選用優(yōu)質(zhì)、節(jié)能的耐火材料可減少爐體的蓄熱和散熱損失，提高熱效率，從而達到節(jié)能的目的。

1復(fù)合納米隔熱板特性

復(fù)合納米隔熱板具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，這種基于氣相SiO2的很細(xì)顆粒物、金屬氧化物和強化纖維的微孔隔熱材料是不同于任何傳統(tǒng)的纖維或陶瓷隔熱材料的。這些顆粒和纖維形成一種納米級的微孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠限制空氣對流、熱傳導(dǎo)和輻射，從而使這種材料保證了在所有應(yīng)用溫度范圍內(nèi)的很低傳熱性能。

復(fù)合納米隔熱板的優(yōu)點較為明顯。首先，這種材料通過減少爐襯厚度達到增加容器體積、減少成本的目的；其次，材料可使?fàn)t壁疲勞度較小化，同時消除熱點，降低外殼操作溫度；再次，材料可降低操作成本，降低臨界操作溫度，減少熱量散失，增加客戶操作的靈活性。

隨著各行業(yè)對工藝設(shè)備隔熱要求越來越苛刻，復(fù)合納米隔熱板的應(yīng)用也越來越受到重視。在國外，這種材料的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，在重工、民用、軍工、航空航天、建筑方面的應(yīng)用水平已逐步提高。國內(nèi)微孔隔熱材料的研發(fā)起步較晚，但勢頭迅猛。

2復(fù)合納米隔熱板隔熱原理

2.1材料的組成結(jié)構(gòu)

復(fù)合納米隔熱板主要由很細(xì)SiO2顆粒、遮光劑和外圍的包裹材料組成。一般來說，微孔材料的氣孔孔隙小于100nm，這屬于納米材料的研究范圍；同時，材料的體積密度適當(dāng)，會使導(dǎo)熱系數(shù)保持較低值；構(gòu)成微孔絕熱材料的是很細(xì)SiO2顆粒，這種微小顆粒的尺寸范圍是5～25nm，具有很低導(dǎo)熱系數(shù)，其獨特的無定形結(jié)構(gòu)使其成為微孔結(jié)構(gòu)隔熱材料的核心部分。這些顆粒之間由于化學(xué)鍵作用而形成很長的顆粒鏈，這些鏈條較后經(jīng)過混合形成絕熱材料的一部分。除SiO2本身結(jié)構(gòu)的特殊性外，該隔熱材料的其他結(jié)構(gòu)也在隔熱過程中起到關(guān)鍵性作用（見圖1）。遮光劑的加入很好地降低了材料的輻射傳熱。典型的遮光顆粒包括炭黑、TiO2等，這種均勻分布在材料內(nèi)部的遮光顆?；咀柚沽思t外輻射的路徑，與很細(xì)SiO2顆粒摻混來達到阻隔輻射的目的。根據(jù)玻耳茲曼定律，紅外輻射量與材料冷熱面溫差的四次方成正比，這種由紅外輻射帶來的影響在溫差大于100°C時尤為突出，因此遮光劑對于隔熱材料來說是不可或缺的關(guān)鍵因素。

由于納米尺寸的孔隙度范圍很小，這就決定了氣體分子會失去自由流動或者相互碰撞的能力，很大程度上控制了氣體對流，使空氣分子間的對流換熱基本停止。

根據(jù)分子運動及碰撞理論，氣體熱量的傳遞主要通過高溫側(cè)的高速運動分子向低溫側(cè)的低速運動分子相互碰撞完成。由于微孔隔熱材料的孔隙度都在納米級別，這些氣孔大部分都小于氣體分子的平均自由程，這樣，氣體分子將只能與氣孔壁發(fā)生彈性碰撞而無法參與熱傳遞。同時，對于固體熱傳導(dǎo)來說，這種納米級的空隙只能允許熱流在分子接觸點方向上進行傳導(dǎo)。然而，SiO2很低的導(dǎo)熱系數(shù)和由大量氣孔造成的分子接觸點的排布程度決定了這種導(dǎo)熱方式基本被阻斷。

2.2隔熱參數(shù)與性能

復(fù)合納米隔熱板的導(dǎo)熱率見表1。

復(fù)合納米隔熱板的導(dǎo)熱系數(shù)在各類傳統(tǒng)隔熱材料中優(yōu)勢明顯。如圖2所示，這種材料的導(dǎo)熱性能在各溫度區(qū)間都有上佳表現(xiàn)。而且，使用溫度越高這種優(yōu)勢越明顯。

復(fù)合納米隔熱板的性能參數(shù)見表2。由復(fù)合納米隔熱板性能分析可知：較高承熱溫度較高，材料中心在溫度高達982°C時仍有良好表現(xiàn)；抗壓性較好，由材料密度所決定，與蛭石板類似；加熱線收縮率較小，這是衡量隔熱產(chǎn)品較高使用溫度的重要指標(biāo)。這種材料在927°C時收縮不很過1%，982°C時約為3%。

3節(jié)能效果與收益

近年來，復(fù)合納米隔熱板產(chǎn)品形式和功能不斷發(fā)展，承現(xiàn)多樣化和普及化，且在鋼鐵、建筑、軍工、民用等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。由于在化工、冶金行業(yè)中，工業(yè)爐窯和高溫管道等設(shè)備對隔熱要求的特殊性，在滿足相對穩(wěn)定和高效隔熱的前提下，隔熱材料還應(yīng)盡量做到安全和環(huán)境友好。因此，隨著行業(yè)內(nèi)部競爭的日益激烈和市場壓力的陡增，傳統(tǒng)意義上的隔熱材料已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的需求，復(fù)合納米隔熱板由此成為工業(yè)領(lǐng)域的新興力量。

復(fù)合納米隔熱板在工業(yè)上的應(yīng)用主要包括：鋼包、混鐵爐、鐵水罐、流水槽、中間包、管道外包等，其在工業(yè)爐上的應(yīng)用優(yōu)勢尤為明顯。從圖3中可看出，在應(yīng)用這種材料后，冷面溫度較應(yīng)用傳統(tǒng)蛭石板的情況減少16%，也就是說熔體能夠在此基礎(chǔ)上保留更多熱量，這也是節(jié)能降耗的另一種體現(xiàn)。復(fù)合納米隔熱板種類多樣，包括各類型號的板材、面板、柔性板和層壓板等，內(nèi)部較高承熱溫度均可達982℃。材料的密度和尺寸可視具體應(yīng)用情況而定，能夠完全滿足市場需求。表3對比了在工業(yè)爐耐火材料中應(yīng)用該材料前后的節(jié)能表現(xiàn)。復(fù)合納米隔熱板用于管道外包時較之于傳統(tǒng)材料表現(xiàn)優(yōu)異。如圖4所示，從隔熱效果看，當(dāng)環(huán)境溫度處于25℃，管道中心溫度處于650℃時，外包材料的冷面溫度可低至56℃，完全達到人員安全標(biāo)準(zhǔn)（≤60℃）。此外，如表4，在材料厚度、冷面溫度、熱損、重量及體積等方面，微孔材料較之于傳統(tǒng)礦物棉均能夠達到不錯的節(jié)省效果。

需要注意的是，由于微孔隔熱材料結(jié)構(gòu)的特殊性，氣溶膠顆粒對液體較敏感，因此，當(dāng)材料暴露在水、油等液體中時，微孔材料結(jié)構(gòu)會部分分解。因此，應(yīng)盡量在操作時保持與液體隔絕。

以某公司鋁熔煉爐為例，對應(yīng)用本產(chǎn)品后的情況進行效益分析：將原始內(nèi)襯中改換25.4mm的復(fù)合納米隔熱板，其他結(jié)構(gòu)不變。改進后效果明顯：氣體使用量減少13%，每年可節(jié)約成本5.45萬元，9個月可收得回報，總收益約為21.8萬元?？傊谄渌a(chǎn)品中適量加入本產(chǎn)品后能夠較使用之前獲得較大收益。

4結(jié)語

針對復(fù)合納米隔熱板的隔熱原理、材料性能、節(jié)能效果、應(yīng)用前景等方面進行了較為全面的分析，尤其在工業(yè)爐中的應(yīng)用功效顯著。因此，復(fù)合納米隔熱板是值得深入研究并大力推廣的隔熱材料，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。