2. Теплоизоляционные материалы

Назначение теплоизоляционных материалов — снизить тепловые потери и, та­ким образом, обеспечить экономию топлива или электроэнергии, сократить время на разогрев печи после ремонта, следовательно, повысить производительность и снизить стоимость единицы продукции.

Теплоизоляционные материалы делят по ряду признаков на следующие группы:

по огнеупорности - на огнеупорные, выдерживающие рабочую темпера­туру 800^оС, и неогнеупорные, которые могут быть ис-

пользованы только при температурах ниже 800 ^оС;

по происхождению - на естественные и искусственные;

по форме и способу применения - теплоизоляционные материалы выпол­няются в виде изделий (кирпичей, листов и т. д.) или в виде неформованных ма­териалов (засыпки, ваты, волокон и др.).

Воздух, как известно, обладает низкой теплопроводностью, поэтому мате­риалам и изделиям, имеющим большое количество пор, заполненных воздухом, свойственны высокие теплоизолирующие свойства. Для теплоизоляционных ма­териалов характерны низкие механическая прочность и шлакоустойчивость. В связи с этим теплоизолирующий слой кладки не следует подвергать нагрузке или допускать контакта его с жидкими средами (металлом или шлаком). По­этому, учитывая сравнительно низкие свойства теплоизолирующих материалов. тепловую изоляцию обычно выполняют наружным слоем футеровки. Исключением являются печи периодического действия, где с целью уменьшения потерь на аккумуляцию тепла кладкой, стены и свод печей (или съемный керамический колпак) выполняют целиком из изоляционного материала. Внутренний слой выполняют из теплоизоляционного материала, обладающего большей огне­упорностью и механической прочностью, наружный — из материала, имеющего меньшую огнеупорность, но и значительно меньшую теплопроводность. В этом случае, благодаря низкой плотности теплоизоляционного материала уменьшается масса футеровки и количество тепла, затраченное на ее нагрев, снижается.

Естественные теплоизоляционные материалы

К огнеупорным естественным теплоизоляционным материалам относятся: диато­мит, инфузорная земля, трепел и вермикулит. Первые три материала имеют со­став SiО₂·пН₂0.

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. Коэффициент тепло­проводности 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. При изготовлении 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/ 100	1260/ 130	1430/ 130	1260/ 160	1430/ 160	1260/ 200	1430/ 200	1260/ 240	1430/ 240	1600/ 100
Классификация температуры, оС	1260	1260	1430	126	1430	1260	1430	1260	1430	1600
Объемная плотность, кг/м3	100	130	130	160	160	200	200	240	240	100
Аl2О3	45-49	45-49	33-36	45349	33-36	45-49	33-63	45-49	33-36	80
SiО2	51-55	51-55	44-48	51-55	44-48	51-55	44-48	51-55	44-48	20
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/см3	Теплопро- водность при 350оС, Вт/(мК)
Динасовые легковесные Шамотные легковесные Диатомитовые легковесные Муллитокремнеземистые легковесные Шамотные пеноизделия Асбестовые покрытия Минеральные волокнистые покрытия Покрытия из стекловолокна Покрытия из керамического волокна	1500 1200 1000 1400 900 500 600 300 1260	5400 1000 700 8000— 12000 7500— 8500 — — — —	53 77 82 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