LEKKIE MATERIAŁY TERMOIZOLACYJNE

Wprowadzenie

Termoizolacyjne materiały ogniotrwałe są stosowane do budowy wyłożeń ogniotrwałych i osłon izolacyjnych mających w celu koncentrację energii cieplnej i zmniejszenia strat energii. Wykorzystuje się w nich zjawisko niskiego przewodnictwa cieplnego i niskiej pojemności cieplnej nieruchome­go powietrza wynikające z wysokiej porowatości.

Porowatość materiałów termoizolacyjnych osiąga poziom 90% i więcej. Wyższa porowatość umożliwia uzyskanie wyższej izolacyjności cieplnej ale z drugiej strony prowadzi do obniżenia wytrzymałości mechanicznej i wzrostu gazo-przepuszczalności. Porowatość całkowita nie jest jedynym czynnikiem decydującym o przewodnictwie cieplnym materiału. Bardzo istotne są rów­nież takie parametry jak rozmiar i rozkład porów, ich kształt oraz struktura a także skład chemiczny tworzywa.

W zależności od temperatury zmie­niają się mechanizmy wymiany ciepła. W urządzeniach przemysłowych wymiana ciepła może zachodzić na jeden z trzech sposobów:

• Przewodzenie ciepła, które polega na przekazywaniu energii przez bezładny ruch cząsteczek i ich zderzenia oraz ruch swobodnych elektronów.
• Konwekcja (unoszenie ciepła) na skutek przemieszczania się mas cieczy lub gazu. Konwekcja może być naturalna (swobodna), generowana wskutek różni­cy gęstości wynikającej z różnicy tempe­ratur oraz wymuszona czynnikami zewnętrznymi jak pompa, wentylator itp.
• Promieniowanie cieplne polega na przenoszeniu energii przez emisję promieniowania elektromagnetycznego (radiacja), która dotyczy każdego ciała o temperatu­rze większej od zera bezwzględnego. Radiacja nie wymaga obecności ośrodka, może zachodzić także w próżni.

W celu uzyskania lepszych efektów izolacyjnych dąży się do zmniejszenia gęstości a zarazem zwiększenia porowatości materiałów przy jednoczesnym zachowaniu ich dobrej wytrzymałości mechanicznej. Na zwiększenie efektów izolacyjnych wpływa się również przez zmniejszenie i większe rozproszenie porów. Dobrym przykładem idealnego izolatora jest tu aerożel na bazie kwarcu, w którym osiąga się porowatość na poziomie molekularnym.

Jednym z bardzo istotnych parametrów rozważanych przy doborze mate­riału izolacyjnego jest jego odporność na wstrząsy (szoki) cieplne. Naturalnie, odporność to wzrasta wraz ze wzrostem wytrzymałości materiału, ale również istotnie wpływa na nią obniżenie współczynnika rozszerzalności CTE i modułu Younga E.

Materiały ogniotrwałe na bazie włókien ceramicznych są w praktyce całkowicie odporne na wstrząsy cieplne w szerokim zakresie zmian temperatur.

Wykres przedstawia zależność przewodnictwa cieplnego od temperatury dla różnych grup materiałów termoizo­lacyjnych: płyty ceramiczne HT, płyty z krzemianu wapnia CS, płyty mikroporowate SiC, aerożele na bazie kwarcu.

Porowatość w materiałach izolacyjnych otrzymywana jest w wielu procesach technologicznych, np. spieniania (ekspandowania) i generacji pęcherzyków gazu, odparowywania lub sublimacji cieczy, wypalania ciał stałych, a także przez wytworzenie struktur włóknistych i użyciem naturalnych lub syntetycznych dodatków. W piecach i instalacjach przemysłowych o niewielkich obciążeniach mechanicznych, gdzie nie występują sil­ne czynniki korozyjne, lekkie materiały termoizolacyjne prawie całkowicie wyparły ciężkie materiały ogniotrwałe.

 

Materiały z włókna ceramicznego

Ze względu na niską gęstość, pojemność cieplną i dobrą izolacyjność, wyroby z włókna ceramicznego są bardzo efektywnymi materiałami izolacyjnymi nawet do 1800 °C. Przy obecnych kosztach energii, wyższe nakłady inwestycyjne na ten rodzaj izolacji amortyzują się niezwykle szybko.

Poza kilkoma wyjątkami wysokotemperaturowe włókna ceramiczne o zastosowaniu termoizolacyjnym wywodzą się z układu AI₂O₃ – Si0₂. Pochodną tego układu są też włókna, w których tlenek glinowy (Al₂0₃) częściowo, do ok. 15%, zastąpiono tlenkiem cyrkonowym (Zr0₂). Inne rodzaje włókien należą do układu krzemianów wapnia i glinianów wapnia o zawartości CaO ok. 20 do 40%.

Włókna ceramiczne produkuje się dwoma metodami. Z rozdmuchiwanego sprężonym powietrzem strumienia roztopionego wsadu o temperaturze ok. 1900°C powstają włókna. Mają one dłu­gość do 50 mm i średnicę ok. 2-3 μm. Tą metodą otrzymuje się głównie włókna amorficzne w których zawartość AI₂O₃ nie przekracza 60%. Mają one strukturę szklistą i przeznaczone są do pracy w niższych temperaturach 1050 do 1200°C.

Lepsze jakościowo włókna powstają w metodzie wirowej, gdzie włókna powstają wskutek działania siły odśrodkowej i szybkiego schładzania. Otrzymywane tą metodą włókna mogą mieć długość 250 mm i średnicę ok. 3 – 5 μm. W obu metodach włókna zakończone są małymi kuleczkami, które pękają w trakcie schładzania. Pozostając w objętości materiału stanowią cząstki nierozwłóknione. Udział tych cząstek (tzw. śrutu) to ok. 40 do 60%. Prowadzona w trakcie procesu separacja mechaniczna obniża go do 10%. Włókno na bazie glinokrzemianu można wytwarzać do zawartości 60% AI₂O₃, powyżej tej granicy napięcie powierzchniowe jest tak duże, że włókna są bardzo krótkie lub nie powstają w ogóle.

Technicznie bardziej skomplikowana jest produkcja wysokiej jakości włókien polikrystalicznych. Zatem i ich cena jest wyższa. Bazą materiałową są tutaj sole glinu. Aby otrzymać włókna przy rozdmuchiwaniu lub przędzeniu, do odpowiedniej kompozycji dodaje się polimery organiczne. Dodaje się też kwasu krzemowego jako stabilizatora wzrostu kryształów w procesie obróbki termicznej. Ostatecznie w pełni krystaliczną strukturę i usunięcie porów uzyskuje się poprzez obróbkę termiczną. 

Temperatura klasyfikacyjna włókien ceramicznych określana jest zgodnie z normą DIN EN 1094 i dotyczy nieodwracalnych zmian liniowych (skurczli­wości). Skurcz mat nie może przekroczyć 4% po 24 godzinach a w przypadku płyt dopuszczalny jest jedynie na poziomie 2%. Skurcz i kruchość włókien, które zależą od składu chemicznego, określają graniczne warunki pracy ceramicznych wyrobów włóknistych. Znane są sposoby kompensacji skurczu występującego podczas pracy materiałów włóknistych: wstępne sprężenie wyłożeń wykonanych z mat lub modułów, układanie na zakładkę, wypełnianie szczelin plastyczną masą włóknistą, pokrywanie powłokami wzmacniającymi.

Materiały krzemianowo-wapniowe

Wyroby krzemianowo-wapniowe wytwarzane są w procesie hydrotermalnej obróbki drobno zmielonych surowców; wapna (CaO) i piasku kwarcowego (SiO₂) w zawiesinie wodnej o niskiej zawartości cząstek stałych i dodatków.
Produkcja tych materiałów prowadzona jest przy wykorzystaniu różnych procesów. Mineralogiczna przemiana w konolit 6CaO • 6 Si0₂ • H₂O prowadzona jest w autoklawie. Funkcjonująca jako skupisko (agregat) bezwodna faza wollastonitu podwyższa odporność termiczną. Materiały z krzemianu wapniowego są generalnie wolne od organicznych spoiw. Średnia wielkość pora tych materiałów mieści się w zakresie mikrmetrów, co odpowiada za ich niski stopień przewodnictwa cieplnego.

Produkty krzemianowo-wapniowe posiadają matrycę krystaliczną, co wpływa na ich odporność na wodę i parę wodną. Materiały te nie butwieją, nie pleśnieją i nie są pożywką dla grzybów i bakterii. Charakterystycznymi własnościami tych produktów jest niska gęstość pozorna i wysoki stopień izolacji cieplnej. Produkowane są zgodnie z procesami prasowania filtracyjnego i odlewania bloków. Izolacyjne płyty krzemianowo-wapniowe czułe są na wysokotemperaturowe szoki i dlatego też najczęściej stosowane są na tylne strony wyłożenia. W piecach z redukcyjną atmosferą, w których nie powinny być stosowane: wełna mineralna, kształtki diatomitowe i wermikulitowe, izolacyjne materiały krzemianowo-wapniowe są idealne.