用碳化麦杆麦壳做金属液面保温剂的试验研究

1、用碳化麦杆麦壳做金属液面保温剂的试验研究徐广惠于欣伟赵国鹏尚世南(鞍山钢铁学院)摘要对碳化麦杆麦壳的理化性能和保温性能在实验室进行了试验研究。研究结果表明，碳化麦杆麦壳与碳化稻壳具有相同的保温性能，因此用碳化麦杆麦壳代替碳化稻壳作为金属液面保温材料是完全有可能的，这对因地制宜开发我国丰富的麦杆麦壳资源有着重要的意义。关键词麦杆麦壳碳化保温剂STUDY ON USING CARBONIZED WHEAT STRAW ANDHUSK AS INSULATION OF LIQUID METALXU GuanghuiYU XinweiZHAO GuopengSHANG Shinan(Anshan Ir

2、on and Steel Institute of Technology)ABSTRACTThis paper gives a systematic account of the physicochemical and insulation properties of carbonized wheat straw and husk.Based on the experiments in the laboratory,it is shown that carbonized wheat straw and husk possess the same insulating properties as

3、 carbonized rich husk.Therefore,it is quite possible to replace the latter with the former as insulating material for liquid metal.This practice,which suits the concrete conditions in north part of China,is of considerable practical importance in the exploitation of abundant resour-ces of wheat stra

4、w and husk.KEY WORDSwheat straw,wheat husk,carbonization,insulation1前言自1984年鞍山钢铁学院发明“自热式直接加热生产碳化稻壳”这一专利技术以来，碳化稻壳作为金属液面优质保温覆盖材料在冶金企业中得到了迅速的应用和推广1。碳化稻壳作为优质的保温材料带来了良好的应用效果和显著的综合经济效益2。由于冶金企业对碳化稻壳大量的需求，促使稻壳原料涨价，收购也日趋紧张。碳化稻壳体积质量很小，长途运输很不经济，且供货和质量都不能得到保证。我国土地辽阔，华北、西北、东北以及中南的某些地区麦杆麦壳资源极为丰富，价格也比稻壳低廉，如果碳化麦杆麦壳

5、能代替碳化稻壳做金属液面的保温剂，从扩大碳化原料的来源、降低保温剂的费用、满足某些冶金企业的需求来看，将具有重要的现实意义。为此，我院热能工程研究室对碳化麦杆麦壳的理化性能和保温性能进行了系统地试验研究，取得了预想的实验结果。2碳化麦杆麦壳及碳化稻壳的理化性质麦杆麦壳及稻壳都是由纤维素和以SiO2为主体的无机矿物质组成，并具有蜂窝状的组织结构。从表1看出，它们都具有较高的无机矿物质含量。对所含的无机物进行化学分析，可以看出无机物主要成分是SiO2，其含量高达90 %，见表2。将麦杆麦壳和稻壳在700 温度下干馏15 min得到的碳化物成分分析见表3。目前国内各厂生产的碳化稻壳固定碳含量为35

6、%50 %；灰分含量为65 %50 %。而将麦杆麦壳混合物在与生产厂相同的碳化炉中碳化，得到的碳化麦杆麦壳混合物中固定碳和灰分的含量大约各占50 %。如果调节碳化炉中的气氛，完全可生产出与碳化稻壳成分相同的碳化麦杆麦壳混合物。表 1麦壳、麦杆、稻壳的化学组成%Table 1Chemical composition of wheat husk,straw and rice husk%名称水分挥发分固定碳灰分麦壳9.054.021.515.5麦杆9.052.327.211.5稻壳9.054.218.018.8表 2麦壳、麦杆、稻壳的无机物成分分析%Table 2Inorganic composit

7、ion of wheat husk,straw and rice husk%成分麦壳麦杆稻壳SiO288.090.189.6MgO0.110.172.00P2O52.901.801.80K2O2.652.601.60Na2O1.00SO30.810.90Fe2O33.803.040.05Al2O31.272.20微量CaO0.380.071.00表 3碳化物成分分析%Table 3Composition of carbides%名称残存挥发分固定碳含量灰分碳化麦壳7.144.748.2碳化麦杆7.047.145.9碳化麦杆麦壳混合物6.658.634.8(麦壳占31.5 %)碳化稻壳5.743

8、.251.1碳化稻壳是目前公认的最佳金属液面保温材料，其保温性能好，是因为稻壳碳化后仍然保持排列整齐的蜂窝状组织结构；碳化稻壳中的固定碳在保温过程中缓慢燃烧放出热量，减小了保温层中的温度梯度，使液态金属通过保温层的散热量减少，碳化稻壳中灰分的主要成分是SiO2，其熔点超过钢水温度，因而不熔化，起到了碳骨架的作用，使保温层能保持泡沫状松散状态，无明显塌陷。麦杆麦壳碳化后也同样能保持蜂窝状的组织结构，并且有一定的碳含量，其灰分的主要成分也是SiO2，因而可以判断，用碳化麦杆麦壳取代碳化稻壳作为金属液面的保温剂是可行的。 3碳化麦杆麦壳的保温性能碳化麦杆麦壳覆盖于金属液面保温时，由于碳的缓慢燃烧，因

9、而保温层中的传热是不稳定态传热。为了能够确定碳化麦杆麦壳本身固有的导热性质，通常是在隔绝空气不使碳化物燃烧放热的条件下，测定其稳定态传导传热下的导热系数。平面保温层在稳定态传导传热时散失的热量Q按傅里叶公式计算3(1)式中t1、t2保温层高温面、低温面的温度；S保温层的厚度；F保温层的传热面积；保温材料的导热系数。导热系数代表物质导热能力的大小，与物质本身的性质、组织结构、密度、温度和湿度等因素有关。导热系数可作为确定各种材料保温性能的一项重要指标。将碳化麦杆、碳化麦壳和二者的混合物(其中麦杆占68.5 %)送至辽宁建材中心检验站，用日本快速导热仪测定了上述试样的导热系数，测定结果见表4。碳化

10、稻壳的导热系数由鞍山第五粮库碳化稻壳生产车间、江西余江保温材料厂、山东明水保温材料厂、北京丰化保温材料厂报出的测定数据均为0.0455 W/(m*K)。表 4碳化物导热系数测定值W/(m*K)Table 4Detected values of thermal conductivity of carbidesW/(m*K)名称导热系数碳化麦壳0.0457碳化麦杆0.0457碳化混合物0.0456从以上测定数据看出，碳化麦壳、碳化麦杆和碳化稻壳具有相同的导热系数，因而在我国产麦区可大量采用麦杆和麦壳的混合物制成保温剂以取代碳化稻壳。 4碳化物的塌陷度塌陷度是指覆盖在金属液面的保温材料在高温作用下随

11、着碳的缓慢燃烧其保温层塌陷的程度。对覆盖层厚度相同的各种保温材料来说，塌陷度越低，最终保温层就越厚，保温效果就越好。在实验室条件下测定了800 时碳化麦壳、碳化麦杆、二者的混合物和碳化稻壳的塌陷度，塌陷度随加热时间变化的关系如图1所示。由图1可以看出，碳化麦壳比碳化稻壳的塌陷度低，碳化麦杆比碳化稻壳的塌陷度高，而碳化混合物的塌陷度与碳化稻壳的基本相同。5产品收得率由于麦杆麦壳中有机物的含量高于稻壳中的含图 1碳化物的塌陷度随加热时间的变化关系Fig.1Collapse degree of carbide with change of heating time碳化麦壳；碳化麦杆；×碳化

12、混和物；碳化稻壳量，因此碳化麦杆麦壳产品的收得率略低于碳化稻壳的收得率。在实验条件下，碳化1 t麦杆、麦壳混合物可得到355 kg的碳化混合物，与稻壳碳化的收得率接近。在工业生产中考虑到麦杆中细屑较多，在碳化炉中不易沉降，因此每生产1 t碳化麦杆麦壳混合物，大约需要4.04.5 t。6结论(1) 麦杆麦壳和稻壳均由蜂窝状植物纤维组成，碳化后仍保持这种组织结构，因此它们的碳化物都具有良好的保温性能。实测表明，碳化麦杆、碳化麦壳和碳化稻壳的导热系数相同，因而可以大量使用麦杆麦壳制做优质保温剂。(2) 碳化麦杆、碳化麦壳的灰分与碳化稻壳的灰分其主要成分SiO2均接近90 %，因此它们具有较高的耐火度，在高温下能长时间的保持泡沫状松散状态，塌陷性能与碳化稻壳相近，具有良好的保温性能。(3) 在实验条件下，碳化1 t麦杆麦壳混合物可得到355 kg的碳化混合物，与碳化稻壳的收得率接近。在工业生产中，考虑到麦杆麦壳细屑较多，在碳化炉中不