Теплоизоляционные материалы: легковесные огнеупорные изделия, волокнистые материалы

Использование надежной тепловой изоляции обеспечивает экономию топлива, способствует повышению коррозионной устойчивости огнеупоров.

К материалам для тепловой изоляции печи предъявляются следующие требования:

– низкое значение коэффициента теплопроводности;

– способность противостоять высоким температурам, до которых прогревается внутренний огнеупорный слой;

– строительная прочность должна быть достаточной, чтобы не разрушаться под действием собственного веса теплоизоляционного слоя;

– небольшая удельная теплоемкость, чтобы потери теплоты на аккумуляцию кладкой были минимальными;

– стоимость этих материалов должна быть по возможности невысокой.

Главной рабочей характеристикой теплоизоляционных материалов служит предельная температура их применения. Если действительная температура службы превышает предельно допустимую величину, то теплоизоляция может оказаться химически или механически неустойчивой и выйдет из строя.

По температуре применения теплоизоляционные материалы делят на три группы: низкотемпературные (до 900ºС), среднетемпературные (900–1200°С) и высокотемпературные (свыше 1200°С). Поэтому не все материалы, входящие в группу теплоизоляционных, являются огнеупорными.

В качестве естественных теплоизоляционных материалов используются диатомит, трепел, вермикулит и асбест. Диатомит и трепел используют для засыпок в порошкообразном виде. Кроме того, из них изготовляют кирпич на глинистой связке. Диатомитовые кирпичи обладают очень малой прочностью, и их применяют для выполнения слоя наружной тепловой изоляции стен и сводов печей. Их пористость составляет от 55 до 75%, а предельная температура применения достигает 1000°С.

Вермикулит при нагревании до 800–900°С вспучивается и увеличивает свой объем в 15–20 раз. Необожженный вермикулит используют для засыпок и изготовления плит. Средний коэффициент теплопроводности этих материалов равен 0,1 Вт/м·К. Вермикулитовые плиты имеют низкую плотность (до 0,25 г/см³) и соответственно малый вес, однако предельная температура их применения не превышает 600°С. В обожженном виде вермикулит используют для засыпок и изготовления различных изделий. В этом случае он применяется при рабочей температуре до 1100°С.

Асбест или горный лен представляет собой волокнистый материал, соответствующий формуле. При нагреве до температур выше 500°С он теряет связанную влагу и в результате разрушается, рассыпаясь в порошок. Поэтому асбест можно использовать до температуры 450°С. Из асбеста изготавливают шнуры, ткани, картон. Асбестовые изделия при пористости 65–75% имеют коэффициент теплопроводности порядка 0,17 Вт/м·К.

Легковесные огнеупорные изделия на основе шамота, динаса, высокоглиноземистых материалов и карборунда широко используются в практике стеклоделия. Легковесные изделия изготовляют тремя способами: выгорающих добавок, пенообразования и химическим. Выбор метода зависит от величины требуемой пористости и структуры огнеупора.

При способе выгорающих добавок в керамическую массу добавляются твердые горючие материалы – древесные опилки, каменный уголь, кокс и др. В процессе обжига добавки сгорают, и в изделии образуется большое количество крупных пор произвольной формы.

Пеновым способом можно получать изделия с пористостью до 80–85%. Сущность пенового способа заключается в смешении суспензии тонкомолотого огнеупорного материала с пеной, которая должна быть стойкой и прочной. Пенообразователями являются поверхностно-активные вещества; в качестве крепителя пены используют клей. Пеномассу с влажностью 40–45% заливают в формы. После сушки и обжига получают изделия с большим количеством мелких равномерно распределенных пор. Пеноизделия в отличии от изделий, получаемых методом выгорающих добавок, характеризуются более высокой пористостью и соответственно лучшими теплоизоляционными свойствами. Однако механическая прочность таких материалов ниже.

Химическим способом поры получают при выделении газообразных продуктов в результате взаимодействия доломита и гипса с серной кислотой. При этом образуется большое количество равномерно расположенных пор.

Механическая прочность легковесного огнеупора значительно меньше, чем плотного. Минимально допустимым является предел прочности 0,5 МПа. Температура применения изменяется от 1150 до 1550°С. Теплопроводность при 600°С изменяется от 0,25 до 0,7 Вт/м·К, закономерно снижаясь с уменьшением кажущейся плотности материалов.

Выпускаемые промышленностью легковесные материалы по температуре применения, химико-минералогическому составу и плотности классифицируются на диносовые, шамотные, муллитокремнезёмистые, муллитовые, корундовые.

Волокнистые огнеупорные материалы находят все большее применение для тепловой изоляции стекловаренных печей. Их достоинством является легкость, низкий коэффициент теплопроводности, высокая термостойкость, хорошая химическая стойкость.

Наибольшее распространение получили алюмосиликатные стекловолокнистые материалы каолинового состава (50% Al₂O₃, 50% SiO₂). Их применяют в виде каолиновой ваты и изделий на ее основе.

Каолиновая вата относится к огнеупорным материалам муллитокремнеземистой группы. Она производится из натуральных огнеупорных глин и каолинов или синтетических смесей каолинового и высокоглиноземистого составов. Из каолиновой ваты получают различные изделия: рулонный материал, плотный войлок, плиты, маты, бумагу, картон и т.д.

Каолиновые волокна представляет собой высокотемпературное стекло. При температурах свыше 1150°С стеклофаза волокон кристаллизуется, при этом теряется прочность, упругость волокон, они становятся хрупкими и менее термостойкими.

В зависимости от группы, температуры применения и плотности огнеупорные теплоизоляционные стекловолокнистые материалы и изделия делятся на марки: МКРВ (муллитокремнезёмистая вата), МКРР-130 (муллитокремнезёмистый рулонный материал), МКРЗХ-150 (муллитокремнезёмистый хромсодержащий рулонный материал) и т.д.Температура применения муллитокремнеземистых изделий изменяется от 1150–1300°С в зависимости от вида изделия и марки. Теплопроводность изделий при температуре 600°С находится в пределах 0,23–0,16 Вт/м·К.

К искусственным теплоизоляционным материалам относится шлаковая вата, изготовленная из различных минеральных расплавов, чаще всего из шлаков рудоплавильных металлургических печей. Струю шлака раздувают паром, в результате чего образуются тончайшие нити, из которых и получают шлаковую вату. Шлаковая вата обладает хорошими теплоизоляционными свойствами и огнеупорностью. Ее применяют до температуры 600°С.

Температура применения муллитокремнеземистых материалов не превышает 1300°С. Создание волокнистых теплоизоляционных материалов с температурой службы 1600°С и выше возможно при использовании поликристаллических тугоплавких оксидов. Глиноземистые поликристаллические волокна состоят из кристаллов Al₂O₃, распределенных в аморфной матрице. Получены также поликристаллические волокна из ZrO₂. Волокна получают вытягиванием через фильеры, газодутьевым способом, центробежнодутьевым и др. Особенностью получения поликристаллических волокон является последующий быстрый обжиг.

Теплоизоляционные изделия, изготовленные из волокон ZrO₂, имеют низкую теплопроводность – она составляет 0,14, 0,20 и 0,27 Вт/м·К при 500, 1000 и 1500°С соответственно.