§ 2. Теплоизоляционные материалы

Требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам. Классификация и свойства материалов

Теплоизоляционными называются материалы, позволяющие изолировать зону, где осуществляется какой-либо технологический процесс при вы­сокой температуре, от окружающей среды. Благодаря этому уменьшается тепловой поток из зоны высоких температур, т. е. сокращаются потери тепла, уменьшается расход топлива или электроэнергии, возрас­тает коэффициент полезного действия печи. В соответствии с этим к теплоизоляционным материалам предъявляют два основных требования: 1) иметь как можно более низкую теплопроводность (это должно обес­печивать минимальные потери через теплоизоляцию теплопроводностью при данной ее толщине) и 2) иметь как можно более низкую удельную теплоемкость (это должно обеспечивать минимальные потери тепла на аккумуляцию слоем теплоизоляции данной толщины при его разогреве до рабочей температуры).

Первое требование играет важную роль в тепловой работе тепло­изоляции печей непрерывного действия с установившимся во времени режимом работы, а второе — в тепловой работе печей периодического действия, когда вся футеровка печи и ее теплоизоляция подвержены циклическим колебаниям температуры.

Наряду с малой теплопроводностью и низкой удельной теплоем­костью теплоизоляция должна обладать достаточной огнеупорностью и также строительной прочностью. Естественно, стоимость теплоизоляци­онных материалов должна быть по возможности невысокой.

Однако перечисленные требования, предъявляемые к теплоизоляци­онным материалам, оказываются противоречащими друг другу: с одной стороны, огнеупорность, прочность материалов при высоких температу­рах и шлакоустойчивость тем выше, чем меньше их пористость и боль­ше плотность; с другой стороны, чем больше пористость и меньше плотность, тем ниже теплопроводность материала. Следовательно, ма­териал, к которому предъявляют высокие требования по сопротивлению воздействию высоких температур, неизбежно должен быть высокоплот­ным и малопористым, и, следовательно, он будет обладать невысокими теплоизолирующими свойствами.

Поэтому футеровка современных металлургических печей обычно выполняется двухслойной, а иногда трехслойной, причем наружные теплоизоляционные слои не подвергаются воздействию высоких темпе­ратур и значительным механическим нагрузкам. Для выполнения этих теплоизоляционных слоев используют пористые материалы, характери­зующиеся невысокой теплопроводностью.

Эти теплоизоляционные материалы подразделяют на основные типы по следующим признакам:

1. По огнеупорности теплоизоляционные материалы делят на огне­упорные, выдерживающие рабочую температуру 800 °С и выше, и неог­неупорные, которые можно использовать только при температурах ниже 700—800 °С.

2. По происхождению все теплоизоляционные материалы делят на естественные и искусственные. Последние в свою очередь различают по способу изготовления, обеспечивающему получение большого числа пор в готовом изделии: легковесные материалы, изготовленные методом вы­горающих добавок; пенокерамические материалы, изготовленные мето­дом введения в шихту пенообразующих добавок; материалы, изготов­ленные из огнеупорного волокна.

3. По форме и способу применения в футеровке печей. Теплоизо­ляционные материалы выполняют или в виде отдельных изделий (кир­пичи различной формы и размера, листы, полосы и т. д.), или в виде сыпучих сред, применяемых для засыпок.

Все теплоизоляционные материалы характеризуются теми же физи­ческими свойствами, что и огнеупорные: пористостью, газопроницаемо­стью, теплопроводностью, удельнойтеплоемкостью, электропроводностью, термическим расширением. Эти характеристики описаны в § 1 настоящей главы.

Главной рабочей характеристикой теплоизоляционных материалов служит предельная температура их применения. При конструировании футеровки печей и выборе теплоизоляционных материалов для нее сле­дует внимательно следить за тем, чтобы действительная температура службы теплоизоляционного слоя не превышала бы предельную вели­чину. В противном случае теплоизоляция может оказаться химически или механически неустойчивой и выйдет из строя.

Теплоизоляционные материалы характеризуются также прочностью на сжатие и постоянством объема при нагреве в процессе службы (усадкой), выражаемым в процентах изменения объема относительно исходного.

Естественные теплоизоляционные материалы

Из естественных теплоизоляционных материалов, относящихся к группе огнеупорных, наибольшее распространение получили диатомит и трепел (последний также известен под названием кизельгур, или инфу­зорная земля). Эти материалы представляют собой пористые осадочные породы, образовавшиеся из остатков доисторических водорослей и мор­ских простейших организмов. Их состав описывается формулой SiC₂·nH₂О.

Диатомит и трепел используют в сыром и в обожженном виде для засыпок в порошкообразной форме [средний коэффициент теплопровод­ности 0,12— 0,16 Вт/(м·К)]. Из этих материалов также изготовляют кирпич на глинистой связке.

Диатомитовый кирпич выпускают двух марок: D-500 и D-600, что отвечает его плотности в кг/м³. Средний коэффициент теплопроводно­сти диатомита равен 0,25 Вт/(м·К).

Диатомитовые кирпичи очень непрочны и применяются для выпол­нения слоя наружной тепловой изоляции стен и сводов печей. Предель­ная температура службы для засыпок составляет 900 °С, а для обож­женного диатомитового кирпича 1000 С.

Помимо диатомита и трепела, к естественным материалам относит­ся вермикулит. Он представляет собой разновидность слюды, имеющей способность вспучиваться и увеличивать объем в 15—20 раз при на­греве до 800—900 °С вследствие удаления гидратной влаги. Необож­женный вермикулит используют для засыпок и изготовления плит. Мак­симальная температура применения вермикулита 700—850 °С, средний коэффициент теплопроводности засыпок и плит примерно 0,1 Вт/(м·К). В обожженном виде он известен под названием зонолит и применяется для засыпок и изготовления различных изделий. Максимальная рабочая температура зонолита — до 1100 ^СС, средний коэффициент теплопровод­ности засыпок и изделий примерно 0,1 Вт/(м·К).

Из неогнеупорных теплоизоляционных материалов широко известен асбест. Асбест — естественная горная порода, встречающаяся в природ­ных месторождениях в виде волокнистой массы, — имеет состав 3MgO·2SiО₂·2H₂О. При нагреве асбеста до температуры выше 500 С происходит удаление связанной влаги и в результате он разрушается, рассыпаясь в порошок, и теряет теплоизоляционные свойства. Поэтому асбест можно применять до температуры 450 С.

Асбест в виде крошки используют для засыпок, а из его длинново­локнистых сортов изготовляют шнур и асбестовую ткань. Изготовляют также асбестовый картон, используя 80 % асбеста и 20 % огнеупорной глины, и асбоцементные плиты, где асбестовая крошка связывается гли­ноземистым цементом.

Асбестовую крошку широко применяют в качестве важнейшей со­ставной части различных обмазок. Средний коэффициент теплопровод­ности асбестового шнура, ткани и засыпки из асбестовой крошки при­мерно 0,15 Вт/(м·К), асбестового кирпича 0,17 Вт/(м·К), асбоцемент­ных плит 0,11 Вт/(м·К).

Искусственные теплоизоляционные материалы

Искусственные теплоизоляционные материалы изготовляют тремя способами на основе различных огнеупорных материалов.

Легковесные изделия. Эти изделия на основе шамота, динаса и вы­сокоглиноземистых огнеупоров получают прессованием формовочной смеси, составленной из соответствующего огнеупорного порошка, огне­упорной глины и выгорающих добавок (древесных опилок, древесно-угольного, антрацитового порошка и т. п.), вводимых до 25—35% от общей массы смеси. Для получения динасового, высокоглиноземистого и других легковесных материалов в соответствующую смесь огнеупор­ного порошка, глины и выгорающих добавок вводят органические свя­зующие вещества.

Готовые изделия подвергают обжигу. Технология обжига легковес­ных изделий такая же, как и обычных изделий, поскольку у них оди­наковый состав. Легковесные изделия часто маркируют, указывая в их названии плотность, выраженную в т/м³. Например, марка ШЛ-1,0 озна­чает: шамотный легковес с плотностью 1000 кг/м³.

Пенокерамические изделия получают введением в огнеупорноглинистую массу специально приготовленной пены, приводящей к образова­нию пористой структуры и сохранению ее после обжига. В качестве ос­новы для пенообразователя используют канифольное мыло, дающее устойчивую пену. Массу при этом способе производства теплоизоляци­онных изделий готовят жидкой, разливают ее по формам, дают затвер­деть, после чего изделия сушат и подвергают обжигу по обычной тех­нологии. При нагреве часто происходит коробление изделий и поэтому после обжига их подвергают дополнительно механической обработке для точного обеспечения требуемых размеров. Теплоизоляционные изделия, полученные таким способом, характеризуются очень широким диапазо­ном свойств: их плотность изменяется с 300 до 1000 кг/м³ в зависимо­сти от количества пенообразующей массы в смеси и от состава огне­упорной основы.

Выпускают легковесные и пенокерамические изделия на основе ша­мота, динаса, муллитокремнеземистых материалов и корунда. Их плот­ность колеблется от 400 до 1300 кг/м³, а средний коэффициент тепло­проводности составляет 0,4—0,5 Вт/(м·К), для динаса и шамота — легковеса; 0,71 Вт/(м·К) для высокоглиноземистого легковеса и 0,9— 1,6 Вт/(м·К) для корундового легковеса. Максимальная температура применения этих изделий изменяется с 1150 (шамот—легковес ШЛ-0,4 до 1550 °С (высокоглиноземистый легковес МЛЛ-1,3) и корунд—легко­вес КЛ-1,3.

Чем меньше плотность легковесных и пенокерамических изделий, тем больше пористость и, следовательно, ниже теплопроводность. На рис. 68 эта зависимость отчетливо видна.

Вместе с тем уменьшение плотности вызывает снижение механиче­ской прочности и уменьшение предельной рабочей температуры. Пено­керамические и легковесные изделия иногда используют для выполне­ния рабочего слоя футеровки низко- и среднетемпературных нагрева­тельных печей.

Материалы из керамического волокна изготовляют на алюмосиликатной огнеупорной основе. Диаметр волокон составляет 2—5 мкм, длина 10—50 мм. Волокна изготовляют путем распиливания паром высокого давления алюмосиликатного расплава. В процессе производ­ства волокон они переплетаются между собой и образуют легкую мас­су, похожую на вату, которая легко прессуется, а после пропитки свя­зующим раствором служит исходным материалом для изготовления войлока, матов, плит и других изделий.

Волокнистые материалы обладают большими достоинствами: пре­дельная температура их применения достаточно высока (1150—1600C в зависимости от состава огнеупорной основы); их кажущаяся плот­ность очень низка, вследствие чего коэффициент теплопроводности мал; удельная теплоемкость этих материалов также очень невысока; изделия из керамического волокна имеют практически неограниченную термиче­скую стойкость и их структура позволяет использовать их для футе­ровки элементов, подвергающихся вибрации.

Эти свойства и обусловливают применение волокнистых материа­лов для футеровки промышленных печей. Их использование позволяет резко снизить массу футеровки и сократить тепловые потери на акку­муляцию кладкой и сквозь нее. Только за счет этого расход топлива на печи может быть снижен на 30—40%, особенно на печах периодиче­ского действия. Снижение массы футеровки позволяет упростить и об­легчить металлоконструкции печи, уменьшить затраты времени и ра­бочей силы при монтаже и ремонтах печи. Срок службы футеровки из волокнистых материалов больше, чем у обычной из огнеупорных кир­пичей.

К недостаткам этих материалов следует отнести сравнительно низ­кую стойкость при их обдуве высокоскоростными газовыми потоками и сравнительно высокую стоимость из-за достаточно сложной технологии производства.

Крепление рабочего слоя футеровки из керамического волокна (в виде войлока или плит) осуществляется с помощью анкеров-шпилек, привариваемых на внутренней поверхности кожуха печи. Эти анкеры выполняют из жаропрочной стали и их конструкция такова, что они либо не проходят слой материала насквозь, либо подлежат защите с помощью огнеупорных колпачков с целью предупреждения их выхода из строя при высокой температуре.

Выпускаются муллитокремнеземистые материалы в виде фетра в рулонах и листового войлока толщиной от 15 до 50 мм типа МКРВ МКРР-130, МКРРХ-150, МКРВ-200, МКРВХ-250, имеющих плотность соответственно 120, 130, 150, 200 и 250 кг/м³. В состав этого огне­упорного волокна входит не менее 51 % Аl₂O₃) а общее содержание Аl₂O₃ и SiO₂ составляет 97%. Материалы МКРРХ-150 и МКРВХ-250 содержат также 2—4 % Сr₂O₃. Предельная температура службы мате­риалов типа МКРВ, МКРР-130, МКРВ-200 составляет 1150°С а хромсодержащих МКРРХ-150 и МКРВХ-250 1300 °С.

Из керамического волокна выполняют также плиты на глинистой связке толщиной до 100 мм и размером 0,5X0,5 м. Такие плиты из муллитокремнеземистого волокна типа МКРП-340 (плотность 340 кг/м³) и шамотного волокна типа ШВП-350 (плотность 350 кг/м³) имеют пре­дельную температуру применения 1250 С.

Зависимость коэффициента теплопроводности для некоторых мате­риалов из керамического волокна показана на рис. 69.