Свойства пористых огнеупорных материалов

Для определения рациональной области применения пористых материалов и понимания явлений, происходящих при их эксплуатации, необходимо знать закономерности изменения их свойств при изменении значения и характера пористости материалов со структурой различных типов.

Пористость и газопроницаемость. Истинная (общая) пористость Пи является основным и определяющим свойством всех пористых материалов. Ее значение связано с истинной ри и кажущейся рк плотностью следующей зависимостью

Методика определения физико-технических свойств материалов, в том числе и пористых, приведена в гл. I.

Непосредственной математической зависимости газопроницаемости материала от его пористости пока не установлено, поскольку газопроницаемость материала зависит не только от его пористости, но и от геометрии пор. Так что рассчитать проницаемость с достаточной степенью точности практически не удается. Поэтому пользуются либо эмпирическими уравнениями, выведенными применительно к конкретной структуре пористого материала, либо определяют проницаемость экспериментально в каждом конкретном случае. Тем не менее установлены некоторые закономерности, качественно характеризующие газопроницаемость пористых тел. Например, известно, что при прочих равных условиях проницаемость материала увеличивается с увеличением его пористости и размера пор. Причем эта закономерность характерна для всех типов структур, но отчетливо она проявляется в керамике зернистого и тем.бол ее волокнистого строения.

Механические свойства

С увеличением пористости и размера пор материала прочность его резко снижается, причем не пропорционально снижению кажущейся плотности, а в значительно большей степени. Лишь в достаточно узком интервале значений зависимость прочности от пористости близка к линейной. Снижение прочности с увеличением пористости объясняется эффектом уменьшения «рабочего» сечения пористого тела и поверхности контактов зерен и концентрацией напряжений в ослабленных сечениях. Поэтому при оценке прочности пористых материалов необходимо наряду с пористостью учитывать их строение. Обычно прочностные свойства пористых огнеупорных материалов оценивают по значению предела прочности при сжатии, значительно реже — предела прочности при изгибе.

Для пористых материалов характерны близкие значения прочности на сжатие и изгиб. У некоторых пеноке — рамических легковесных огнеупорных материалов эти значения почти совпадают. Это можно объяснить тем, что при сжимающих нагрузках перемычки ячеистого каркаса испытывают как сжимающие, так и растягивающие усилия. У пористых материалов, полученных прессованием, структура иная. Поэтому значения пределов прочности при сжатии и изгибе у них сильно отличаются.

Характер разрушения пористых огнеупорных материалов при нагревании под нагрузкой зависит не только от природы исходного материала, но и от способа образования пористой структуры. Материалы ячеистого строения обычно разрушаются при более высокой температуре, чем материалы с выгорающими добавками (рис. 25).

Теплофизические свойства

Теплоемкость пористого материала зависит от природы материала и его объемной массы. Теплоемкость, отнесенная к единице объема материала, зависит от его пористости и уменьшается при уменьшении кажущейся плотности. Это соотношение для пористых материалов выражается следующей зависимостью:

где Cn — теплоемкость абсолютно плотного материала, Дж/(кг-К); Π — пористость, доли единицы.

Следовательно, количество тепла, которое необходимо сообщить тепловой установке, выполненной из легковесных огнеупоров, для повышения ее температуры до определенного значения значительно ниже количества тепла,

Рис. 25. Зависимость температуры начала размягчения под нагрузкой 0,2 МПа легковесного огнеупора от метода порообразования — метод выгорающих добавок; пеновых метод необходимого при тех же условиях для тепловой установки, выполненной из плотных огнеупоров. В этом заключается одно из ценных свойств легковесных огнеупоров, особенно при использовании их в периодически работающих тепловых агрегатах.

Теплопроводность — наиболее важная характеристика пористых огнеупорных материалов. Она представляет собой суммарный эффект переноса тепла в пористом теле за счет проводимости твердой фазы, проводимости газа в порах, конвекции газа в порах и излучения через поры.

Теплопроводность твердой фазы пористого материала составляет значительную долю его суммарной теплопроводности. Для большинства твердых плотных тел характерно увеличение теплопроводности с повышением температуры. Однако теплопроводность материалов на основе Al2O3, BeO, MgO и некоторых других окислов с увеличением температуры понижается. Поэтому теплопроводность материала λ при определенной температуре t выражается в общем виде уравнением:

где А(, λο — теплопроводность материала, Вт/(м-К), соответственно при температуре t и 0°С; α — угол наклона кривой h=f(t) к оси абсцисс, … зависящий от природы материала.

Пористость материала в сильной степени влияет на его теплопроводность, поскольку воздушные прослойки являются эффективным барьером на пути теплового потока.

При низких температурах наблюдается почти прямо пропорциональная зависимость теплопроводности от кажущейся плотности материала. Поэтому повышение пористости является наиболее радикальным средством снижения теплопроводности. При высоких температурах на теплопроводность оказывает влияние и размер пор. Это связано с увеличением значения теплопередачи конвекционными токами и радиацией. В связи с этим при высоких температурах лучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с мелкими порами.

Кроме пористости и размера пор на теплопроводность влияет характер структуры материала (табл. 31). Так, при прочих равных условиях теплопроводность выше у материалов, имеющих каркас с непрерывной твердой фазой, что характерно для пенокерамики. Материалы, полученные способом выгорающих добавок вследствие рыхлого строения, наличия микротрещин, отсутствия спекшегося каркаса, обладают значительно меньшей теплопроводностью.

Изменение теплопроводности материала в зависимости от его строения

Материал

Способ порообразования

Истинная

пористость, %

Теплопроводность, Вт/(м К) при средних температурах,

 с

300

500

700

1000

Al2O3

Пеновый

70

2,32

1,86

1,57

1,33

Выгорающих добавок

72

0,75

0,6

0,52

0,51

Zr O2

Пеновый

60

0,51

0,53

0,56

0,65

Выгорающих добавок

62

0,116

0,16

0,21

0,28

Большое влияние на теплопроводность пористых материалов оказывает газовая фаза, заполняющая поры. Это имеет важное практическое значение, поскольку в высокотемпературных печах используют различные защитные среды (азот, водород, аргон, гелии).

Установлено, что влияние азота на теплопроводность равноценно влиянию воздуха, аргон несколько снижает теплопроводность, водород и гелий увеличивают ее и ухудшают теплоизоляционные свойства пористой керамики. С увеличением степени разрежения в порах теплопроводность материала снижается вследствие уменьшения проводимости газа и составляющей, характеризующей теплопередачу через газовую прослойку.

Температурный коэффициент линейного расширения пористых огнеупорных материалов зависит от природы материалов и не зависит от их пористости.

Огнеупорность пористых огнеупорных материалов, как уже указывалось, не зависит от пористости, а определяется природой самого материала, характером и количеством примесей в исходном сырье.

Термическая стойкость пористых огнеупорных материалов находится в довольно сложной записимости от многих свойств материала—температурного коэффициента линейного расширения, теплопроводности, характера структуры, механической прочности, модуля упругости, размера и формы испытуемого образца материала, а также от температуры нагревания, метода охлаждения и дру_ — гих условий испытания. Так как взаимосвязь термической

стойкости пористых огнеупорных материалов с вышеуказанными факторами довольно сложна, до настоящего времени нет единой стандартной методики определения их термической стойкости.

Чем выше температурный коэффициент линейного расширения и чем ниже теплопроводность, тем больших значений достигают внутренние напряжения при нагревании или охлаждении материала и, следовательно, тем ниже термическая стойкость материала. При прочих равных условиях увеличение пористости материала неизменно приводит к снижению его термической стойкости, так как при одинаковом значении коэффициента линейного расширения с увеличением пористости снижаются теплопроводность и прочность материала.

Одним из важнейших критериев качества пористых огнеупорных материалов является постоянство свойств в службе, т. е. возможность практического долговременного многоразового использования пористых материалов. По существующим стандартам критерием является лишь постоянство объема, о котором судят по дополнительной усадке или росту материала при повторном нагревании. При этом определяется предельная температура применения пористого материала (дополнительная усадка при заданной температуре не должна превышать 1%).

Adblock detector