Легковесными (теплоизоляционными) огнеупорными материалами принято называть материалы, истинная пористость которых равна или больше 45%, благодаря чему они имеют высокие теплозащитные свойства. При применении легковесных огнеупоров в промышленных печах расход топлива снижается на 20—70%, а также может быть значительно снижена толщина стен и сводов печей. Такой эффект достигается за счет сокращения теплопотерь через ограждающие конструкции печей благодаря малой теплопроводности легковесных огнеупорных материалов. Teплофизические свойства этих огнеупорных материалов определяются в основном их теплопроводностью, которая является функцией объемной массы и объемной теплоемкости. Объемная теплоемкость материала снижается с уменьшением его объемной массы, она характеризует способность кладки поглощать тепло.
В настоящее время огнеупорные легковесные материалы широко применяются в самых различных отраслях промышленности и потребность в них постоянно растет.
Известны легковесные огнеупоры самых разнообразных составов и свойств, начиная от материалов обычной огнеупорности массового потребителя и до высокоогнеупорных — из чистых окислов. Однако четкой классификации легковесных огнеупоров, отражающей их основные свойства и охватывающей все многообразие этих материалов, пока нет. Государственный стандарт распространяется только на шамотные, полукислые каолиновые, высоко — глиноземистые и динасовые легковесные огнеупоры (табл. 30). Легковесные изделия выпускают с кажущейся плотностью от 0,4 до 1,4 г/см3.
Недостатком данной классификации является то, что она не охватывает все виды пористых материлов, производимых и используемых в настоящее время для огнеупорной изоляции.
Строго говоря, не все легковесные огнеупорные материалы можно отнести к классу теплоизоляционных. По существующим нормативам (ГОСТ 16381—70) к теплоизоляционным относятся материалы, имеющие объемную
Маркировка легковесных огнеупорных и высокоогнеупорных изделии (по гост 5040-68)
| Изделия | Марка | Огнеупорность, °С, не ниже | Кажущаяся плотность, г/см, не более | Температура эксплуатации, °С, не выше |
| Шамотные и полукислые | ШЛА-1,3 | 1730 | 1,3 | 1400 |
| ШЛБ-1,3 | 1670 | 1,3 | 1300 | |
| ШЛБ-1 | 1670 | 1 | 1300 | |
| ШЛБ-0,9 | 1670 | 0,9 | 1270 | |
| ШЛБ-0,8 | 1670 | 0,8 | 1250 | |
| ШЛБ-0,6 | 1670 | 0,6 | 1200 | |
| ШЛБ-0,4 | 1670 | 0,4 | 1150 | |
| Каолиновые | КЛ-1,3 | 1,3 | 1400 | |
| КЛ-0,9 | 0,9 | 1400 | ||
| Высокоглиноземистые | ВГЛ-1,4 | 1,4 | 1600 | |
| ВГЛ-1,3 | — | 1,3 | 1550 | |
| ВГЛ-1 | — | 1 | 1400 | |
| Динасовые | ДЛ-1,4 ДЛ-1,2 | — | 1,4 1,2 | 1550 1550 |
Примечание. После буквенного обозначения марки указывается плотность изделий.
массу не выше 600 кг/м3 и теплопроводность при 25°С — до 0,174 Вт/(м-К). Таким образом, к этому классу можно отнести лишь ультралегковесные огнеупоры. Однако теплоизоляционными огнеупорами обычно считают более обширный круг материалов, подчеркивая тем самым, что основными для них в конструкции являются не только огнеупорность, но и хорошие теплофизические свойства. Необходимо также отметить, что не все материалы, входящие в группу теплоизоляционных, являются огнеупорными. Часть из них было бы правильнее назвать высокотемпературостойкими теплоизоляционными материалами. Однако если они применяются в тех же областях, в каких применяются традиционные огнеупорные материалы, то их целесообразно рассматривать совместно с группой огнеупоров. Существует много способов формирования пористой структуры огнеупоров. Они основаны на создании условий, способствующих образованию пор в материале. Основные из них следующие:
1.Введение в исходную массу пористого заполнителя.
2.Вспучивание в ходе термической обработки всей массы или отдельных ее компонентов.
ι3. Введение в исходную массу специальных добавок с последующим их удалением (испарением, возгонкой, растворением, выжиганием—способ выгорающих добавок).
4.Минералообразование при обжиге, обусловливающее увеличение пористости.
5.Вовлечение в суспензию или расплав газовой фазы (пеновый способ).
6.Образование пузырьков газа в суспензии или расплаве в результате химических реакций или разложения вводимых добавок (газовый способ).
7.Образование межзерновых пор в результате механического измельчения твердых тел, рассева продуктов измельчения и последующего спекания.
8.Создание волокнистого строения материала, полученного путем вытягивания волокон из расплавов или формирования волокон из порошков с последующим обжигом.
Каждый из перечисленных способов имеет положительные и отрицательные стороны, а также области целесообразного применения. Так, например, способ вспучивания материала в ходе его термической обработки широко применяется в производстве искусственных пористых заполнителей для легкого бетона. Однако для получения легковесных огнеупоров он мало эффективен, так как полученные материалы не обладают достаточной огнеупорностью. Их можно использовать в качестве тепловой изоляции при температурах 900—100°С.
Способы, основанные на испарении, возгонке и растворении специально вводимых добавок, многодельны и сложны, вследствие чего не получили широкого распространения.
Газовые способы в производстве легковесных огнеупоров малоэффективны из-за относительной сложности процессов, низкой прочности получаемого по этому способу сырца, кроме того, свойства изделий, получаемых этим способом, непостоянны.
В производстве огнеупорных, и особенно высокоогнеупорных пористых, материалов используют преимущественно два способа: выгорающих добавок и пеновый. В последнее время широко начинает применяться способ волокнообразования за счет совершенствования получения расплавов из тугоплавкого сырья и получения волокон из различных расплавов.
Выбор способа порообразования зависит от того, материал какой структуры и пористости мы хотим получить.
Для получения материалов с пористостью до 30-32% и равномерным распределением пор по всему объему материала используют сырьевые смеси на основе спекшегося зернистого заполнителя одной фракции, связываемого высокодисперсным компонентом того же химического состава. Пористость материала при этом, может быть повышена за счет пористости самого заполнителя.
Способ выгорающих добавок является самым старым способом получения пористой керамики. Этим способом получают материалы с пористостью до 50—60%. В качестве выгорающих добавок могут быть использованы любые твердые горючие материалы: древесные опилки, различные виды каменных углей, продукты коксования, различные смолы, сланцы и др. Наиболее широко в качестве выгорающих добавок используют древесные опилки (предпочтительнее от поперечной распиловки твердых пород древесины), содержание которых в формовочной массе не должно превышать 25—30%, иначе масса теряет связность. Недостаток опилок как выгорающей добавки — их гигроскопичность: они сильно впитывают воду и набухают. Кроме того, опилки, как правило, имеют неоднородный состав (по объемной массе, влажности, размеру частиц) даже в пределах одной и той же партии древесины, что сказывается на качестве готовых изделий.
Выбор вида выгорающей добавки зависит от способа формования получаемых изделий. Опилки целесообразнее применять при формовании изделий пластическим прессованием или литьем. При полусухом прессовании вследствие сильного упругого последействия опилок в свежеотформованном сырце появляются трещины, поэтому применять их в качестве выгорающей·добавки в данном случае не следует. В этом случае более подходящей выгорающей добавкой будут углистые материалы. Благодаря тому, что они хорошо размалываются и прессуются, можно в широких пределах регулировать размеры пор материала. Для особо ответственных изделий в качестве выгорающей добавки применяют практически беззольный нефтяной кокс, чтобы избежать загрязнения материала примесями, снижающими его огнеупорность.
На свойства материалов оказывает влияние количество вводимых выгорающих добавок и их зерновой состав. Установлено, что с увеличением размера частиц добавок увеличиваются размеры пор и проницаемость материала, а прочность снижается. Поэтому, разрабатывая технологию получения материалов на основе выгорающих добавок,
варьируют как количество, так и гранулометрический состав добавок. Максимальное содержание выгорающей добавки лимитируют исходя из заданной прочности получаемых изделий. При этом соблюдают следующий принцип: чем выше истинная плотность используемого керамического материала, тем меньше в нем должно быть содержание выгорающих добавок. Например, для получения циркониевых изделий с пористостью 50% (истинная плотность Zr O2 — 5,7 г/см3) требуется вводить кокса меньше, чем при получении легковесных динасовых или шамотных огнеупоров, истинная плотность которых меньше 3 г/см3.
Важнейшим процессом в технологии получения легковесных огнеупоров с выгорающими добавками является обжиг, который на первой стадии должен осуществляться в окислительной среде для полного выжигания добавки. Неполное выгорание добавок приводит к повышению плотности изделий, неодинаковой плотности по сечению, появлению трещин, снижению прочности, т. е. в конечном счете — к браку продукции. Поэтому вплоть до завершения выгорания добавок обжиг ведут в окислительной среде, регулируя коэффициент избытка воздуха, который влияет на время выжигания добавки.
Преимущество способа выгорающих добавок — его простота. Существенным недостатком же является то, что он не позволяет получать изделия с пористостью более 60%. Это объясняется в значительной степени неправильной формой частиц выгорающей добавки. Поры в материале, оставшиеся после выгоревших частиц добавки, повторяют конфигурацию последних. Поэтому характер пористости материалов весьма хаотичен, стенки пор имеют неодинаковую толщину, сами поры — самую разнообразную форму.
В последние годы кафедрой технологии теплоизоляционных материалов Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева разработан способ получения пористых керамических материалов, основанный на использовании в качестве выгорающей добавки низких сортов вспученного пенополистирола. Этот способ позволяет получать изделия с пористостью до 85%, т. е. с такой же, с какой получаются изделия по пеновому способу. Этому способу присущи преимущества способа выгорающих добавок. Кроме того, благодаря четкой шаровидной форме гранул полистирола поры в материале имеют правильную сферическую форму с гладкими стенками. Это при прочих равных условиях повышает механическую
прочность изделий. В процессе выгорания пенополистирола материал изделий не загрязняется, так как зольность полистирола практически равна нулю. Однако использование полистирола в качестве выгорающей добавки вследствие относительно высокой его стоимости по сравнению с коксом или опилками ограничено. Его используют только тогда, когда другими способами и с другими добавками нельзя получить высокопористый керамический материал с повышенными прочностными свойствами.
Наиболее высокая степень пористости (85—90%) достигается при использовании пенового способа. Сущность этого способа заключается в смешении суспензии огнеупорного материала с пенообразователем или с отдельно приготовленной пеной, образованной при механической обработке водных растворов некоторых поверхностно-активных веществ. Одной из коренных проблем пенокерамической технологии является получение стойкой и прочной пены, которая не разрушалась бы при смешивании с суспензией и выдерживала ее давление.
К пенам, применяемым при получении пористых изделий, предъявляются особо высокие требования в отношении устойчивости и прочности пленок. Несущая способность пены определяется тем, что твердые частицы керамического материала при смешении с пеной должны оставаться на поверхности адсорбционного слоя пены, не разрывая его. При недостаточной прочности и устойчивости пены плетки ее разрываются, происходит усадка и повышение плотности массы, нарушается ее строение.
С точки зрения получения пористых огнеупорных материалов наибольший интерес представляют свойства трехфазных пен. Пены состоят из воздушных пузырьков, заключенных в ячейки жидкости, образующей пену, и твердого диспергированного (равномерно распределенного) материала, адсорбированного на поверхности пузырьков. Трехфазная или минерализованная пена представляет собой обычную двухфазную пену (воздух — жидкость), в которую введен минерализатор — твердый минеральный компонент, равномерно распределенный по поверхности пузырьков. Устойчивость и прочность пленок обычных двухфазных пен при минерализации резко возрастают.
Процесс образования минерализованных пен заключается в том, что при смешивании керамического шликера с пеной твердые частицы шликера адсорбируются на пленках пены и удерживаются на них, Интенсивность прилипания твердых частиц к пленкам пены зависит от интенсивности взаимодействия между поверхностными силами твердой фазы и полярных групп поверхностно-активного вещества пенообразователя. С увеличением степени дисперсности твердых частиц поверхностная энергия их увеличивается и силы сцепления с поверхностью пленок возрастают.
Пеновым способом могут быть получены устойчивые ячеистые массы различной пористости из пластичных материалов без каких-либо стабилизаторов, что позволяет изготавливать материалы повышенной чистоты.
Наиболее ответственным и сложным процессом пенокерамической технологии изделий является сушка высоковлажной непрочной ячеистой массы. Процесс сушки осложняется тем, что в начальный период изделия приходится сушить в формах, так как иначе пеномасса не может сохранять приданную ей форму подобно плотным керамическим изделиям, а принимает форму сосуда, в который ее заливают. Сложный процесс сушки и очень низкая прочность сырца пенокерамических изделий в значительной степени ограничивают применение нового способа. В связи с этим необходимо искать пути совершенствования процесса сушки и повышения прочности необожженного сырца.
В последнее время очень большое внимание уделяется способу получения легковесных высокопористых огнеупорных материалов путем формирования макроструктуры материала в виде волокон.
Способ волокнообразования для получения пористых теплоизоляционных материалов известен давно. Так, начало промышленного получения минеральных волокон из доменных шлаков в нашей стране относится к 1928 г. Однако химический и минералогический состав волокнистых материалов, получаемых из доменных шлаков, не позволял применять их в условиях с температурой выше 600°С. Несмотря на это, изделия из минеральной ваты нашли весьма широкое применение для промышленной тепловой изоляции. В настоящее время получают волокно каолинового состава с температурой применения до 1125°С. Каолиновое волокно получают путем плавления в электродуговых печах смеси технического глинозема и чистого кварцевого песка с последующим раздувом расплава в волокно. Кроме того, имеются сведения о получении волокон из чистых окислов керамическим способом, т. е. когда волокна формируются из высоковязких концентрированных растворов, затем сушатся и обжигаются.