Характеристика и получение Естественных и искусственных теплоизоляционных материалов.

К естественным относят диатомит, перлит, асбест и др., к искусственным − диатомитовый кирпич, асбоцемент, совелит, шлаковую и стеклянную вату, известково-кремнеземистыеплиты и др.

Естесвенные

Диатомиты и трепелы – пористые осадочные горные породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема (SiO₂). В диатомитах содержится 90…95 % SiO₂, трепелы содержат больше примесей. Химический состав диатомитов и трепелов почти одинаков. Трепелы – более плотная порода. Диатомиты более пористые, чем трепелы. Диатомиты (трепелы) добывают в карьерах открытым способом.

Диатомитовую обожженные крошку получают путем обжига, дробления и сортирования исходного сырья. Крошку выпускают средней плотностью 350 кг/м³ и применяют в виде засыпки для теплоизоляции горячих поверхностей промышленных печей и технологического оборудования при температуре изолируемых поверхностей до 900 °С. В основном из диатомита (трепела) изготавливают диатомитовые и пенодиатомитовые теплоизоляционные изделия. Кроме того, его применяют как составную часть при изготовлении жестких теплоизоляционных изделий.

Перлит. Вспученный перлит представляет собой сыпучий теплоизоляционный материал в виде мелких пористых зерен белого цвета. Его получают путём измельчения, сортировки и обжига магматических горных пород. Вспученный перлит в теплоизоляционных целях можно применять в сыпучем виде и в форме различных изделий из него.

Вермикулит. Вспученный вермикулит – сыпучий зернистый материал, получаемый в результате обжига природного вермикулита. Это минерал из группы гидратированных слюд, которые содержат не только гигроскопическую, но и кристаллизационную воду. Она входит в состав кристаллической решетки минерала. При нагревании вермикулит вспучивается за счёт взрывообразного выделения воды. При этом расщепляется на отдельные слюдяные пластинки, частично соединенные между собой, и его объем увеличивается в 15…20 раз. Цвет вспученного вермикулита блестящий, золотистый. Благодаря лёгкости и высокой температуростойкости (до 1100 °С) вспученный вермикулит применяют в качестве засыпной теплоизоляции. Из вспученного вермикулита путём добавки связующих веществ и асбеста получают безобжиговые (асбестовермикулитовые) и обжиговые (керамические) изделия.

Совелит. Совелитовый порошок представляет собой смесь солей углекислого магния и углекислого кальция с асбестом. Средняя плотность порошка не превышает 350 кг/м³. Совелитовые изделия применяют для тепловой изоляции оборудования и трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей до 500 °С.

Асбест – минерал волокнистого строения, способный расщепляться на тонкие и гибкие волокна. Для тепловой изоляции обычно применяют хризотиловый асбест. Он имеет высокую термостойкость (500 °С при длительном нагреве и 700 °С при кратковременном). Хризотиловый асбест обладает слабой кислотоустойчивостью и высокой щелочеустойчивостью. Асбест применяется в виде порошка, шнура, картона, плит, ткани и ваты. Также асбест используют в качестве армирующего вещества при изготовлении теплоизоляционных асбестосодержащих изделий. Введение асбеста в эти изделия понижает их среднюю плотность и теплопроводность и повышает прочность.

Искусственные

К искусственным теплоизоляционным материалам относятся пористые легковесные огнеупоры и различные волокнистые материалы. Для средне- и высокотемпературных огнетехнических установок используют различные легковесные огнеупоры: алюмосиликатные, магнезиальные, цирконовые и др. Легковесные огнеупоры изготавливают различными способами. Наибольшее распространение получили метод выгорающих добавок, пенометод и метод вспучивания. Механическая прочность легковесных огнеупоров меньше чем плотных, а газопроницаемость в 2,5…4 раза выше. Но повышенная газопроницаемость самого огнеупора не оказывает заметного влияния на потерю тепла. Установлено, что в кладке печей основной причиной фильтрации газов через футеровку является газопроницаемость швов кладки [9]. В качестве теплоизоляционных материалов широко используют минеральную вату и стекловату. Минеральная вата – волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород и металлургических шлаков или их смесей. Её химический состав колеблется в широких пределах. Главными компонентами, входящими в состав минеральной ваты, являются SiO₂, Al₂O₃, СаO, MgO. Кроме того, в зависимости от состава исходного сырья в вате могут присутствовать окислы железа, марганца, щелочных металлов и некоторых других химических элементов.

Стекловолокно – разновидность минерального волокна. Сырьем для изготовления стекловолокна служит шихта, состоящая из кварцевого песка, известняка (доломита) и соды (сульфата натрия), смешанных в определённой пропорции. Шихта расплавляется в стекловаренной печи и затем перерабатывается в стекловолокно.

В настоящее время широкое применение получили различные виды волокнистых материалов, изготовленных из керамических волокон алюмосиликатного состава. Эти волокна изготавливаются на основе природных и искусственных материалов, содержащих Al₂O₃ и SiO₂ (95…99 %). Диаметр волокон 2…3 мкм, длина 100…250 мм. В процессе получения волокна переплетаются между собой и образуют лёгкую массу, похожую на вату. Она легко прессуется, а после пропитки связующим раствором служит сырьём для изготовления войлока, ткани, матов, плит, кирпича, фасонных изделий и т.д.

Керамическое волокно алюмосиликатного состава получают плавлением в электропечи при температуре 1900…2000 °С из природного каолина, шамота или смеси глинозема и песка. Тонкая струя расплава через течку попадает в поток перегретого пара под давлением 6…7 бар, в котором и происходит образование волокон. Вместе с паром волокна попадают в осадительную камеру на сетчатый конвейер, работающий под разрежением. В процессе осаждения волокна переплетаются и получается лёгкий рыхлый материал – вата. Если волокна имеют длину 100…120 мм, то пропуская вату через валки, можно сразу получить рулонный материал. Охлаждаясь от температуры плавления до 200…300 °С, окислы не успевают кристаллизоваться, поэтому волокна имеют аморфную структуру. При нагреве волокон до 1270…1280 °С происходит расстеклование окислов и начинается процесс образования кристаллов. Волокна теряют свою эластичность, становятся хрупкими и не выдерживают даже самой минимальной нагрузки. Поэтому температура длительного применения этих материалов не превышает 1200 °С. Одним из таких волокнистых материалов является каолиновая вата. Основное качество каолиновой ваты – высокая термостойкость и низкая теплопроводность. К недостаткам изделий на основе алюмосиликатных волокон можно отнести: сравнительно низкую стойкость в высокоскоростных газовых потоках; хрупкость ограничивающую их применение при наличии динамических нагрузок; достаточно сложный технологический процесс изготовления. Но преимущества этих материалов полностью компенсируют недостатки и они применяются во многих отраслях промышленности. В последнее время находят применение теплоизоляционные материалы, изготовленные на основе базальтовой ваты. Они имеют низкий коэффициент теплопроводности 0,038…0,046 Вт/(м·К) и выдерживают температуру до 900 °С. Изделия на основе базальтовой ваты обладают существенной вибростойкостью, экологически безопасны, огнестойки, практически не взаимодействуют с агрессивными средами. Применение для теплоизоляции и футеровки волокнистых материалов и легковесных огнеупоров позволяет уменьшить вес огнеупорного слоя в несколько раз, а, следовательно, сократить расход металлоконструкций, уменьшить расход топлива, получить значительную экономию времени и рабочей силы при монтаже и ремонтах огнетехнических установок, увеличить срок службы футеровки и т.д.