Естественные теплоизоляционные материалы

К огнеупорным естественным теплоизоляционным материалам относятся: диато­мит, инфузорная земля, трепел и вермикулит. Первые три материала имеют со­став SiО₂· п Н₂0.

Диатомит - продукт разложения водорослей, имеет рыхлую землистую структуру. Применяют в виде порошка или изделий, изготовленных на глини­стой связке: плотность изделий 500, 600 и 700 кг/м³, коэффициент теплопровод­ности соответственно равен 0,18, 0,21, 0,27 Вт/(м·К). Коэффициент теплопровод­ности засыпки из диатомита колеблется в пределах 0,12-0,16 Вт/(м·К). Пре­дельная температура применения диатомитовых изделий 1000 °С, засыпки 900 "С.

Инфузорная земля является продуктом разложения животных организмов; применяют чаще в виде порошка.

Трепел - продукт выветривания горных пород, пористый материал с низкой теплопроводностью; применяют в виде порошка или изделий. По свой­ствам изделия из трепела близки к диатомитовым.

Вермикулит - это разновидность слюды, имеющая способность при нагреве значительно увеличивать свой объем. Используют вермикулит в виде засыпки или в виде плит. Применяется до температуры 700-900°С. В обожженном виде носит название - зонолит. Предельная температура применения зонолита 1000-1100°С. Коэффициент теплопроводности вермикулита и зонолита 0,1 Вт/(м·К).

К неогнеупорным изоляционным материалам относится асбест. Асбест яв­ляется водным силикатом магния состава ЗМgО·2SiО₂·2Н₂0, имеет волокнистое строение, пористый. Применяют в виде крошки для засыпки или в виде изделий- шнура, картона, плит, ткани и ваты. При изготовлении картона и плит в каче­стве связующего добавляют 15-20 % огнеупорной глины. Коэффициент тепло­проводности изделий из асбеста находится в пределах 0,13-0,17 Вт/(м·К). Асбестовую крошку применяют как основную составную часть теплоизоля­ционных обмазок. Предельная температура применения асбеста 500 °С. При более высокой температуре асбест теряет гидратную влагу, разрушается и, рас­сыпаясь в порошок, уплотняется, теряя свою пористость и теплоизоляционные свойства.

Искусственные теплоизоляционные материалы. К искусственным теплоизоляционным материалам относятся пористые легко­весные огнеупоры и изделия из различных волокон. Для получения легковесных огнеупоров с высоким процентом равномерно распределенной пористости при­меняют три различных способа: 1) выгорающих добавок; 2) пеноспособ; 3) хи­мический.

Легковесные изделия могут изготавливаться из шамота, динаса, диатомита, высокоглиноземистого сырья и т.д. Способ выгорающих добавок заключается, что в шихту состоящую из огнеупорных порошка (15-20%) и глины (40-50%), вводят древесные опилки, древесный уголь или антрацит (30-35 %). Массу перемешивают на бегунах, увлажняют (до 25-40%), формуют, сушат и обжигают. При изготовлении динасовых и корундовых легковесов содержание огнеупорной глины в составе шихты снижается и для связи вводят органические

Плотность легковесных изделий колеблется в зависимости от исходного сырья и от пористости изделия в пределах от 800 до 1300 кг/м³. Коэффициенттепло­проводности шамота и динаса-легковеса 0,4-0,5 Вт/(м·К), муллитокремнеземистого легковеса 0,71 Вт/(м·К). Предельная температура применения шамота-легковеса 1200^оС, муллитокремнеземистого легковеса 1400 ^оС. Предел прочности при сжатии шамота-легковеса 1-3 МПа.

При пеноспособе производства изоляционных изделий готовят шликер, со­стоящий из 90 % мелкоразмолотого огнеупора (шамота и др.) и 10 % огнеупор­ной глины, и добавляют к нему пенообразующую эмульсию из канифольного мыла и столярного клея. Массу перемешивают, добавляют квасцы для сохране­ния пены, разливают массу по формам, дают затвердеть, после чего изделия су­шат и обжигают. Изделия, полученные таким способом, называют пеноизделиями. Пористость этих изделий больше 75-85 % и равномернее распределена, чем при изготовлении изделий с применением выгорающих добавок. Плотность изменяется от 300 до 1000 кг/м³ в зависимости от огнеупорной основы и количества введенной в шликер пенообразующей эмульсии. Соответственно изменяется и коэффициент теплопроводности изделий от 0,15 до 1,6 Вт/(м·К) - для мулли-токремнеземистых пеноизделий. Предельная температура применения пеноша-мота 900 °С. Пеноизделия обладают очень низкой механической прочностью, поэтому для обеспечения прочности тонкой футеровки высоких стен печи уста­навливают в стенах металлическую арматуру или (если позволяет толщина стен ) закладывают кирпичи повышенной прочности. Обычно пеноизделия применяют в качестве второго (наружного) теплоизоляционного слоя.

При химическом методе изготовления шамотных легковесных огнеупоров в шихту вводят около 3 % доломита и 5-6 % гипса. Добавка слабой серной кис­лоты способствует выделению из доломита углекислоты, которая вспучивает массу, а добавленный гипс удерживает полученную пену от оседания. Разлитый по формам сырец сушат и обжигают. Изделия по изолирующим свойствам близки к пеноизделиям. Химический способ применяют на заводах сравнительно редко, так как использование серной кислоты требует соблюдения особых мер охраны труда.

Волокнистые изоляционные материалы получили распространение сравни­тельно недавно. Их изготавливают на основе природных или искусственных ма­териалов. Волокнистую теплоизоляцию применяют в виде ваты, плит, картона, войлока и др. Размеры волоки зависят от исходного сырья и технологии изготов­ления. Диаметр волокон около 2—20 мкм, длина 15—150 мм. Приизготовлении изделий волокна пропитывают связующим раствором.

Преимущества волокнистой изоляции по сравнению с легковесными изде­лиями следующие: низкая плотность, малая теплопроводность, хорошая эластич­ность и устойчивость против вибрации, высокая термостойкость, химическая стойкость, пониженная теплоемкость.

Волокнистую теплоизоляцию изготавливают из минерального волокна, керамического волокна и стекловолокна.

Минеральные волокна. Основным сырьем для производства минерального волокна являются отвальные шлаки рудоплавильных печей чер­ной и цветной металлургии или горные породы типа андезит и базальт. Расплав­ленные шлаки (или породу) продувают струей воздуха или пара и получают тонкое волокно (2-20 мкм) длиной 10-110 мм. Основными химическими состав­ляющими минеральных волокон являются:SiО₂ (40-45%), СаО (30-40%), А1₂О₃ (10-20%), Fе₂О₃ (2-5%) и др. Максимальная температура службы 600°С. Коэффициент теплопроводности менее 0,05 Вт/(м·К).

Керамические волокна. Необходимым условием для создания эффективной, эконо­мически выгодной и надежной футеровки из волокнистых ма­териалов в печах различного типа и термических агрегатах разных отраслей промышлен­ности является применение ке­рамического волокна, получен­ного в соответствии с высоки­ми стандартами качества. Та­кой материал в полной мере соответствует требованиям по термической стабильности, механической прочности, объ­емной плотности и теплоизо­ляционной способности. Про­мышленностью Украины выпускаются муллитокремнеземистые волокнистые изделия в виде войлока, рулонного фетра, картона, плит: МКС-80-22 (80 % А1₂О₃, 22 % По). МКРС-60-24, МКРР-130 (плотность 130 кг/м³), МКРВ-200, МКРП-340, МКРК-500. Предельная температура службы 1150°С; муллитокремнеземистые хромсодержащие МКРПХ-450 имеют предельную температуру службы 1300°С Высокая температура службы и низкая теплопроводность [λ = 0,05÷0,25 Вт/м·К)] позволяют использовать их в конструкциях, где к их стой­кости предъявляются особо повышенные требования (изоляция глиссажных труб методических печей, печных роликов и т. п.).

Принцип многослойной футеровки - это стандартная методика изго­товления огнеупорной футеровки, включающая использование кера­мического волокна для нагрева­тельных печей и печей термичес­кой обработки в машинострои­тельной, металлургической, кера­мической и огнеупорных отраслях. К технологическим и экономичес­ким достоинствам такой конструк­ции относятся следующие свой­ства.

Малый вес огнеупорной футе­ровки обусловливает замет­ную экономию на стальных кон­струкциях печи.

Волокнистая футеровка почти на 95% легче футеровки, изго­товленной из шамотных или иных высокоплотных огнеупорных материалов. Это обеспечивает: крайне низкую тепловую инерционность, существенно сокращая энергетические затраты на разогрев и охлаждение тепло­вых агрегатов. Печи с многослой­ной волокнистой футеровкой всег­да готовы к работе, так как практи­чески отсутствует необходимость длительного нагрева.

Для волок­нистых футеровок характерны сле­дующие свойства:

- практически неограниченная термическая стойкость, со­здание рабочей зоны футеровки из керамического волокна - иде­альное решение в тех случаях, ког­да легковесные огнеупорные кир­пичи или огнеупорный бетон не могут должным образом противо­стоять циклическим термическим напряжениям. Благодаря низкому уровню теплопроводности, такая футеровка обеспечивает сниже­ние;

- температуры наружной по­верхности и, как следствие, потери тепла. Это, в свою очередь ведет к значительной экономии энергии.

Принцип многослойной футе­ровки является экономически эффективным, поскольку для его реализации в общем случае нет необходимости в проведении под­готовительных производственных операций.

Стойкость к газовым потокам со скоростью до 10 м/сек

В качестве примера в таблице 6 и на рис.2,3. Приведены сведения об основных свойствах керамоволокнистых матов ALSIFLEX (фирма Promat)

 

Рис. 2 Кривая теплопроводности матов ALSIFLEX

 

 

 

Рис.3 Диаграмма теплопередачи матов ALSIFLEX

 

 

Таблица 6 Основные свойства керамоволоконистых матов ALSIFLEX

 

Маркировка ALSIFLEX	1260/	1260/	1430/	1260/	1430/	1260/	1430/	1260/	1430/	1600/
Классификация температуры, ^оС
Объемная плотность, кг/м^3
Аl2О3	45-49	45-49	33-36		33-36	45-49	33-63	45-49	33-36
SiО2	51-55	51-55	44-48	51-55	44-48	51-55	44-48	51-55	44-48
ZrО2			16-19		16-19		16-19		16-19
Теплопроводность, Вт/мК
400 ^оС	0,08	0,08	0,08	0,10	0,10	0,09	0,09	0,08	0,08	0,12
600 ^оС	0,13	0,12	0,12	0,14	0,14	0,12	0,12	0,11	0,11	0,15
800 ^оС	0,19	0,18	0,18	0,19	0,19	0,17	0,17	0,14	0,14	0,20
1000 ^оС	0,25	0,22	0,22	0,27	0,27	0,23	0,23	0,18	0,18	0,27
1200 ^оС		0,27	0,26	0,39	0,39	0,32	0,32	0,24	0,24	0,37
1400 ^оС					0,55		0,44		0,31	0,50
Удельная теплоемкость, кДж/кгК	1,13	1,13	1,03	1,13	1,03	1,13	1,03	1,13	1,03	1,13

 

 

 

Стекловолокна. Теплоизоляционные покрытия из стекловолокна изготавливают различными способами:

1) расплавленное стекло наматывают в виде лент;

2) размягчают конец стеклянного стержня и вытягивают его, наматывая в виде труб;

3) расплавленное стекло, вытекающее из тигля, продувают воздухом и по­лученную из волокон ленту сматывают в рулон.

Теплопроводность покрытий из стекловолокна 0,02-0,05 Вт/(м-К). Основ­ными составляющими стекловолокна являются кремнезем и оксид кальция. Предельная температура службы 300 ^оС.

В табл. 7 приведены некоторые данные по сравнительной характеристике теплоизоляционных изделий.

Таблица 7 Свойства теплоизоляционных изделий

Виды изделий	Предель- ная тем- пература службы, ^оС	Предел прочности на сжа­тие, кПа	Пори- стость открытая, %	Кажущаяся плотность, г/см^3	Теплопро- водность при 350^оС, Вт/(мК)
Динасовые легковесные Шамотные легковесные Диатомитовые легковесные Муллитокремнеземистые легковесные Шамотные пеноизделия Асбестовые покрытия Минеральные волокнистые покрытия Покрытия из стекловолокна Покрытия из керамического волокна		8000— 7500— —   —   —     —	75 - 80   —   —   —   —     __	1,1   0,58   0,48   1,35 - 1,6   0,3 - 1,0   0,25 - 0,35   < 0,1   0,06 - 0,12     2,56	0,42   0,2   0,15   0,5 - 0,7   0,15 - 0,2   < 0,17   < 0,05   0,02 - 0,05     0,05 - 0,25