ЛЁГКИЕ ТЕРМОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ВВЕДЕНИЕ

Термоизоляционные огнеупорные материалы применяются при строительстве огнеупоров и изоляционных покрытий, которые должны концентрировать и уменьшать потери теплоэнергии.
Для них характерно явление низкой теплопроводности и низкой теплоёмкости неподвижного воздуха, что возникает в следствие высокой пористости.
Пористость термоизоляционных материалов достигает 90% и больше. Более высокая пористость по- зволяет достигнуть более высокой теплоизоляции, но, с другой стороны, это снижает механическую устойчивость и увеличивает газопропускаемость. Полная пористость не является единственным фактором, влияющим на теплопроводность материала. Важными также являются такие параметры, как размер и расположение пор, их форма и структура, а также химический состав материала. В зависимости от температуры изменяются механизмы теплообмена.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОИЗОЛЯЦИЯ

Теплоизолятор представляет собой вещество, материал или защиту с низкой теплопроводностью на уровне 0,1 Вт/(м•К). Тем не менее, в технике высоких температур, в качестве изолятора, также классифицируется материал с проводимостью более 1 Вт/(м•К), и это связано с быстрым снижением механической прочности, а также увеличением влияния теплопроводности с увеличением температуры и потребностью в материалах с более прочной структурой и более высокой плотностью. Особую группу составляют огнеупо

рные изоляторы, называемые также изоляцией HT, представляющие собой материалы, которые могут работать при наличии огня или температуре выше 500°С. Норма ASTM C71 определяет огнеупоры и жаростойкие материалы с термоустойчивостью свыше 1000°F, что эквивалентно 538°С.

МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛООБМЕНА

В зависимости от среды и рабочей температуры изолятора, а также его структуры и химического состава, могут изменяться механизмы теплообмена.

В промышленных установках теплообмен может происходить одним из трёх способов:

• Теплопроводность

Основанная на передаче тепла путём случайного движения молекул и их столкновение, а также движение свободных электронов.

• Конвекция

Вследствие перемещения масс жидкости или газа. Конвекция мо- жет быть натуральной (свободной), генерируемой разной плотностью, возникающей в следствие разницы температур и внешних факторов (насос, вентилятор и т. д.).

• Теплоизлучение

Основано на передаче энергии через электромагнитное излуче ние (радиация), которая касается любого тела с температурой, превышающей ноль. Радиация не требует присутствия среды, также может происходить в вакууме.

На то, какой из этих механизмов будет доминирующим, влияет не только тип изолирующего материала, но прежде всего температура. При низких температурах, наиболее важным является теплопроводность через частицы изолятора и свободные электроны. Этот фактор линейно зависим от температуры. При средних температурах набирает значение конвекция, которая увеличивается с ростом температуры, что имеет особое значение в материалах с большими порами или высокой газопроводностью.

В диапазоне высоких температур, что для нас является самым важным, самым важным фактором является излучение. Согласно закону Стефана-Больцмана:

E₀ = σT⁴

Закон описывает количество энергии, унесенной через излучение, возникает фактор температуры в четвертой степени. Таким образом, уже 2-кратное увеличение температуры приводит к увеличению 16-кратного выброса энергии. Так как температура в этой формуле представлена абсолютной шкалой Кельвина, что соответствует увеличению температуры с 300°С до 1000°С. Таким образом, огнеупорные термоизоляционные материалы имеют очень нелинейные характеристики теплопроводности с сильной тенденцией к увеличению при высоких температурах.

КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗОЛЯЦИИ НТ:

Параметрами хорошего изоляционного материала, имеющего решающее влияние на его изоляционные функции и устойчивость, являются:
– Теплопроводность, обозначенная коэффициентом "k" или "λ";
– Коэффициент излучения поверхности, обозначенный буквой "ε";
– Устойчивость к тепловым ударам, связанная с прочностью и эластичностью материала;
– Ёмкость, зависимая от плотности и удельной теплоёмкости изолятора.

Определенное значение также имеет механическая прочность. Несмотря на то, что термоизоляционные материалы работают в статических условиях, их хорошая прочность влияет на снижение затрат на установку и, во многих случаях, способствует более длительному сроку службы.

Для получения лучшего изоляционного эффекта необходимо уменьшение плотности, а также увеличение пористости материалов при сохранении их высокой механической прочности. Хорошим примером идеального изолятора является аэрогель на основе кварца, который достигается пористостью на молекулярном уровне. Одним из наиболее важных параметров, рассматриваемых при выборе изоляционного материала является его устойчивость к изме- нениям температур. Естественно, устойчивость возрастает с увеличением прочности материала. На прочность также влияет уменьшение коэффициента термического расширения СТЕ и модуль Юнга Е. Такими чертами обладают волокнистые материалы, а также материалы типа муллит и алюмосиликат. Огнеупорные материалы на основе керамических волокон на практике полностью устойчивы к тепловому удару в широком диапазоне изменений температуры.

Пористость в изоляционных материалах достигается во множестве технологических процессов, например, вспенивание (расширение) и генерация пузырьков газа, испарение или сублимация жидкостей, а также при формировании волокнистых структур и использовании натуральных или синтетических добавок.
Лёгкие термоизоляционные материалы практически полностью вытеснили тяжёлые огнеупорные материалы в таких установках, как печи и промышленные установки с небольшими механическими нагрузками, где не возникает коррозия.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕРМОИЗОЛЯЦИИ

Очень важным фактором при выборе термоизоляционных материалов является экономическая оптимизация. Следует учитывать качество термоизоляционного материала, который непосредственно влияет на продолжительность его использования и экономию энергии, связанных с более низким коэффициентом теплопроводности. Затем следует определить оптимальную толщину изоляции. В этом случае необходимо учитывать стоимость изоляции и стоимость потерь энергии в течение предполагаемого срока его использования, а также определить общую стоимость. В тех случаях, когда толщина не определяется другими факторами, такими как температура, структура, минимальная общая стоимость позволяет определить оптимальную толщину, которая называется экономической толщиной изоляции, как это показано на диаграмме 2.

ПОРИСТЫЕ МУЛЛИТОВЫЕ БЛОКИ

Пористые муллитовые блоки —огнеупорный материал с пористостью >45% и рабочей температурой не ниже 1260°С. Нормы ASTM C 155-70 и DIN EN 1094 классифицируют
температуру, при ней наступает усадка материала больше чем 2%, максимальную плотность и минимальную механическую прочность, которые данный материал долженвыдержать при указанной температуре. В производстве таких материалов используют сырьё, содержащее Al2O3 и SiO2 иногда СаО. Носителем глинозёма являются глина, каолин, шамот, силлиманит, андалузит, кианит, муллита, оксид алюминия, гидратированный оксид алюминия.

Процесс спаления добавок является наиболее известным и наиболее широко используемым в производстве лёгких огнеупорных блоков и кирпичей. В качестве добавок используются тонкие древесные опилки, нефтяной кокс, полистирольные шарики и раздроблённые побочные продукты целлюлозно-бумажной промышленности. Очень важно, чтобы при сгорании оставалось как можно меньше золы в материале – твёрдого вещества, которое может оказать негативное влияние при высоких температурах.

Характерные особенности муллитовых кирпичей и блоков РМ:

Низкая теплопроводность. Обеспечивает хорошую теплоизоляцию и позволяет использовать более тонкую изоляцию.
Низкий уровень аккумуляции тепла. Учитывая высокую пористость и низкую теплопроводность, кирпичи РМ накапливают минимальный объем тепла, что позволяет экономить энергию в печах, работающих циклично.
Высокая чистота. Низкое содержание оксидов железа и других загрязняющих веществ, позволяет удерживать стабильную, восстановительную атмосферу в печи и снижать риск возникновения помех.
Точные размеры. В результате точной резки блоков, установка стен происходит быстрее, сварной шов получается тонким и равномерным, что позволяет строить более прочные и стабильные структуры.

МАТЕРИАЛЫ ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Учитывая низкую плотность, теплоёмкость и хорошую изоляцию, керамические изделия являются эффективными изоляционными материалами до 1800°С. При текущих затрат на энергию, инвестиции в такого рода изоляцию окупаются очень быстро.
Керамические волокна получают двумя способами:
Путём выдувания сжатым воздухом расплавленного потока при температуре ок. 1900°С возникают керамические волокна. Они имеют длину 50 мм и диаметр ок. 2-3 μm. Таким путём получаются, в основном, аморфические волокна, в которых содержание AI2O3 составляет более 60%. Волокна имеют стекловидную структуру и предназначены для работы при более низких температурах от 1050 до 1200°С.
Более качественное волокно возникает при наиболее распространённом – центробежном методе, при котором волокна возникают в следствие центробежной силы и быстрого охлаждения. Технически более сложным является получение высококачественных поликристаллических волокон. Вследствие чего, их цена значительно выше. Основным материалом здесь являются соли алюминия. Для получения волокон добавляют органические полимеры. Также добавляют диоксид кремния в качестве стабилизатора для роста кристаллов путём термической обработки. В итоге, кристаллическая структура и удаление пор достигаются путём термической обработки. Поликристаллические волокна содержат муллит, корунд и их смесь, а также обладают неопределённой длиной от 5 до 100 мм и диаметром около 3 μm. Такие волокна предназначены для более высоких температур от 1200 до 1450°С.

Классификационная температура керамических волокон определяется согласно норме DIN EN 1094. Усадка мат не может превысить 4% по истечении 24 часов, а в случае с плитами, допустима усадка на уровне 2%. Усадка и крухость волокон зависят от химического состава, определяя граничные условия работы керамических волокон. Существуют известные способы компенсации усадки, возникающие в процессе эксплуатации волокнистых материалов: предварительное натяжение накладки, выполненной из мат или модулей, укладка в нахлест, заполнение щелей пластичной волокнистой массой, покрытие упрочняющим покрытием.

СИЛИКАТНО-КАЛЬЦИЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ CS

Силикатно-кальцевые изделия производятся в процессе гидротермальной обработки мелко измельчённых материалов, известь (СаО) и кварцевый песок (SiO2) в виде дисперсии с низким содержанием твёрдых веществ и добавок. Производство этих материалов осуществляется с помощью различных процессов. Минералогическая трансформация в ксенолит 6CaO • 6Si02 • 2H2O проводят в автоклаве. Материалы из силиката кальция, как правило, свободны от органических связующих. Средний размер пор этих материалов находится в диапазоне микрометров, который отвечает за низкий уровень их теплопроводности.

Силикатно-кальциевые изделия имеют кристаллическую матрицу, что делает их более устойчивыми к воздействию воды и водяного пара. Такие материалы не гниют, не плесневеют и не являются средой для появления грибков и бактерий. Характерными особенностями таких изделий является низкая плотность и высокий уровень теплоизоляции. Они производятся в соответствии с процессами литья и прессования фильтрующих блоков. Такие изоляционные плиты чувствительны к высоким температурам и поэтому чаще всего используются на обратной стороне кладки. Силикатно-кальцевые плиты идеальны в печах с восстановительной атмосферой, в которых не должны быть использованы минеральная вата, вермикулитовые элементы.

МИКРОПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ SIC

Теплоизоляционные материалы производятся на основе карбида кремния, диоксида кремния и добавок, отражающих излучени ИК. В этих материалах изолирующий эффект достигается не только за счет увеличения распределенных пор и уменьшению плотности, но и путем блокирования внутреннего переноса тепла излучением, названного «матированием структуры». Микропористые материалы SiC превосходят все стандартные изолирующие огнеупоры и могут конкурировать только с изоляторами на основе аэрогеля и вакуумных панелей. Микропористые питы имеют в несколько раз лучшую изоляцию, чем керамические плиты или силикатнкальциевые плиты, и при повышении температуры эффект ещё лучше. Поэтому, несмотря на высокую стоимость производства, микропористые материалы позволяют получить гораздо лучший экономический эффект во многих приложениях. Даже в ситуациях, когда многослойная изоляционная микропористая плита SiС составляет одну треть всей толщины изоляции, достигается снижение общей толщины и веса более чем на 50%.

Микропористые материалы являются новым вариантом для высоких температур, а рынок изоляции продолжает интенсивно развиваться. Их характерной особенностью является низкая механическая прочность, что усложняет монтаж и может привести к преждевременному износу. Работы направлены на увеличение прочности самой структуры микропористых материалов, таких как, композиты и армированная волокнами керамика или кварц. Несомненно, что на сегодняшний день это самые передовые материалы в промышленной изоляции.