I refrattari per isolamento termico si riferiscono a refrattari con elevata porosità, bassa densità apparente e bassa conduttività termica, noti anche come refrattari leggeri. Includono prodotti refrattari termoisolanti, fibre refrattarie e prodotti in fibra refrattaria. In base alla temperatura di utilizzo: materiali refrattari per isolamento a bassa temperatura, la temperatura di utilizzo è inferiore a 900 ℃, come mattoni isolanti in diatomite, prodotti in silice espansa, pannelli in silice calcica, prodotti in perlite espansa, ecc.; refrattari per isolamento a media temperatura, temperatura di utilizzo 900 ~1200℃, come mattoni refrattari termoisolanti in argilla, fibre refrattarie in silicato di alluminio, ecc. Materiali refrattari termoisolanti ad alta temperatura, con temperatura di utilizzo superiore a 1200℃, come mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di alluminio, mattoni refrattari termoisolanti in allumina, mattoni refrattari isolanti silicei, mattoni a sfere cave in allumina, mattoni a sfere cave in zirconia, fibre refrattarie ad alto contenuto di allumina, fibre refrattarie policristalline (fibre di allumina policristallina, fibre di zirconia policristallina, fibre di mullite policristallina), ecc.
La produzione di prodotti refrattari termoisolanti si basa principalmente su metodi di processo che consentono la formazione di una struttura porosa, come il metodo delle materie prime leggere, il metodo di combustione, il metodo della schiuma e il metodo chimico. Le fibre refrattarie amorfe, come le fibre refrattarie di silicato di alluminio, le fibre refrattarie ad alto contenuto di allumina, ecc., vengono solitamente prodotte mediante fusione. Le fibre refrattarie policristalline, come le fibre di mullite, le fibre di allumina, ecc., vengono prodotte mediante il metodo colloidale.
Le caratteristiche principali dei refrattari isolanti sono l'elevata porosità, generalmente superiore al 45%; la bassa densità apparente, generalmente non superiore a 1,5 g/cm³; e la bassa conducibilità termica, per lo più inferiore a 1,0 W/(m·K). Utilizzati principalmente come isolanti termici per forni industriali, non solo riducono la dispersione di calore del forno, ma anche l'accumulo di calore, ottenendo il massimo risparmio energetico e riducendo il peso delle apparecchiature termiche. Rispetto ai mattoni refrattari comuni, i refrattari termoisolanti presentano una scarsa resistenza alla corrosione da scorie, una minore resistenza meccanica e una minore resistenza all'usura. Pertanto, non sono adatti per le strutture portanti dei forni e per le parti a diretto contatto con scorie, materiale di carica, metallo fuso, ecc.
Metodo di classificazione dei prodotti refrattari isolanti
I prodotti refrattari termoisolanti si riferiscono a prodotti refrattari con una porosità non inferiore al 45%. Le caratteristiche principali dei prodotti refrattari termoisolanti sono l'elevata porosità e la bassa densità volumetrica. La conducibilità termica è bassa, la capacità termica è ridotta e le prestazioni di isolamento termico sono buone. Sono termoisolanti e resistenti al calore. Possono essere utilizzati come strato isolante termico per diverse apparecchiature termiche e alcuni possono essere utilizzati anche come strato di lavoro. Sono un materiale a risparmio energetico per la costruzione di vari forni. La sostituzione dei comuni prodotti refrattari densi con prodotti refrattari termoisolanti come materiali da costruzione per forni può ridurre le perdite di accumulo e dissipazione del calore dal 40% al 50%, soprattutto per le apparecchiature termiche discontinue.
Esistono molti tipi di prodotti isolanti e refrattari, che generalmente si dividono in tre categorie in base alla temperatura di utilizzo, alla densità apparente e alla forma del prodotto.
(1) Classificati in base alla densità apparente. Quelli con una densità apparente di 0,4~1,3 g/cm³ sono mattoni leggeri; quelli con una densità apparente inferiore a 0,4 g/cm³ sono mattoni ultraleggeri.
(2) Classificato in base alla temperatura di esercizio. Utilizzare temperature comprese tra 600 e 900℃ per materiali isolanti a bassa temperatura; tra 900 e 120℃ per materiali isolanti a media temperatura; superiori a 1200℃ per materiali isolanti ad alta temperatura.
(3) Classificati in base alla forma del prodotto: uno è costituito da mattoni refrattari leggeri sagomati, tra cui mattoni leggeri in argilla, ad alto contenuto di allumina, al silicio e alcuni ossidi puri; l'altro è costituito da mattoni refrattari leggeri non sagomati, come il calcestruzzo refrattario leggero.
Il metodo di produzione dei prodotti refrattari termoisolanti è diverso da quello dei materiali densi in generale. Esistono molti metodi, tra cui principalmente l'incenerimento, il metodo della schiuma, il metodo chimico e il metodo dei materiali porosi.
1) Metodo di cottura e aggiunta di materiale. Chiamato anche metodo di aggiunta di combustibili. Si aggiungono combustibili facilmente bruciabili, come carbone, segatura, ecc., all'impasto per la produzione di mattoni, in modo da conferire al prodotto una certa porosità dopo la cottura.
2) Metodo di immersione. Aggiungere agenti schiumogeni, come il sapone di colofonia, ecc., all'argilla per la produzione di mattoni e farla schiumare con un metodo meccanico. Dopo la cottura, si ottiene un prodotto poroso.
3) Metodo chimico. Utilizzando una reazione chimica in grado di generare gas, si ottiene un prodotto poroso nel processo di fabbricazione dei mattoni, solitamente a base di dolomite o periclasio, gesso e acido solforico come agente schiumogeno.
4) Metodo del materiale poroso. Utilizzare terra diatomacea naturale o clinker di schiuma di argilla artificiale, sfere cave di allumina o zirconia e altri materiali grezzi porosi per realizzare mattoni refrattari leggeri.
L'utilizzo di prodotti refrattari isolanti con bassa conduttività termica e piccola capacità termica come materiali strutturali del corpo del forno può ridurre il consumo di combustibile, migliorare l'efficienza produttiva dell'apparecchiatura, ridurre il peso del corpo del forno, semplificarne la struttura, migliorare la qualità del prodotto e ridurre la temperatura ambiente, migliorando così le condizioni di lavoro. I prodotti refrattari isolanti sono utilizzati principalmente come strato di isolamento termico, rivestimento o strato isolante del forno.
1. Mattoni refrattari isolanti in allumina
I mattoni refrattari termoisolanti in allumina utilizzano corindone fuso, allumina sinterizzata e allumina industriale come materie prime principali per realizzare prodotti refrattari termoisolanti che presentano un'elevata resistenza agli ambienti acidi e alcalini, alla riduzione e una buona resistenza agli shock termici. Possono essere utilizzati a lungo a temperature inferiori a 1700 °C. Il processo di produzione prevede due metodi: il metodo a schiuma e il metodo additivo con incenerimento. I prodotti ottenuti con il metodo a schiuma presentano una struttura uniforme, una bassa conducibilità termica e buone prestazioni di isolamento termico.
I mattoni refrattari termoisolanti in allumina sono leggeri, dotati di elevata resistenza alla compressione, bassa conducibilità termica, ridotto ritiro volumetrico dopo la ricottura e buona resistenza agli shock termici. Possono essere utilizzati come strati di isolamento termico in apparecchiature termiche ad alta temperatura o forni a diretto contatto con le fiamme, nonché come rivestimento interno di apparecchiature termiche di precisione. Non sono invece adatti per ambienti corrosivi a diretto contatto con il liquido del forno e le scorie fuse. Presentano inoltre una maggiore stabilità in atmosfera riducente. La temperatura di utilizzo dipende dalla purezza del prodotto, generalmente fino a 1650-1800 °C. Per i tipici indici fisici e chimici di tali prodotti, si veda la Tabella 3-105.
2. Mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di alluminio
I mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di alluminio sono prodotti refrattari termoisolanti con un contenuto non inferiore al 48%, realizzati a partire dalla materia prima principale. I mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di allumina sono principalmente composti da bauxite come materia prima, combinata con argilla, leganti e segatura. Per migliorare le prestazioni del prodotto, vengono aggiunti allumina industriale, corindone, sillimanite, cianite e silice. La polvere fine può essere trasformata in prodotti con diverse densità apparenti e diverse temperature massime di utilizzo. Solitamente, la temperatura di utilizzo è di 1250-1350 °C, e alcuni possono raggiungere i 1550 °C.
I mattoni isolanti ad alto contenuto di alluminio sono perlopiù prodotti con il metodo della schiuma, e la densità volumetrica del prodotto è compresa tra 0,4 e 1,0 g/cm³; possono anche essere fabbricati con il metodo dell'incenerimento con additivi. Gli indici fisici e chimici dei mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di alluminio sono riportati nella Tabella 3-106.
I mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di alluminio possono essere utilizzati per realizzare strati e parti termoisolanti che non vengono corrosi o abrasi da materiali fusi ad alta temperatura. A contatto diretto con la fiamma, la temperatura di contatto superficiale dei mattoni refrattari termoisolanti ad alto contenuto di alluminio non deve superare i 1350 °C. I mattoni refrattari termoisolanti in mullite possono essere a diretto contatto con la fiamma e presentano caratteristiche di elevata resistenza alle alte temperature, elevata robustezza e un significativo effetto di risparmio energetico. Sono adatti per il rivestimento di forni di pirolisi, forni ad aria calda, forni a rulli per ceramica, forni elettrici a cassetto per porcellana e vari forni a resistenza. Il mattone refrattario termoisolante in corindone-mullite con un contenuto di Al2O3 dell'82,4% può essere utilizzato come rivestimento per forni a 1550 °C.
3. Mattoni refrattari isolanti a base di argilla
I mattoni refrattari termoisolanti a base di argilla sono prodotti refrattari termoisolanti con un contenuto di Al2O3 compreso tra il 30% e il 48%, realizzati con argilla refrattaria come materia prima principale, utilizzando argilla refrattaria, perle galleggianti e clinker di argilla refrattaria come materie prime, con l'aggiunta di leganti e segatura. Attraverso un processo di miscelazione, formatura, essiccazione e cottura, si possono ottenere prodotti con una densità apparente di 0,3~1,5 g/cm³, e il volume di produzione rappresenta oltre la metà dei mattoni refrattari termoisolanti.
Il processo di produzione comunemente utilizzato per i mattoni refrattari termoisolanti in argilla è il metodo di addizione per incenerimento con perle galleggianti; può essere utilizzato anche il metodo a schiuma. Si veda la Tabella 3-107 per gli indici fisici dei mattoni refrattari termoisolanti a base di argilla.
I mattoni refrattari termoisolanti a base di argilla hanno un'ampia gamma di applicazioni. Sono utilizzati principalmente in apparecchiature termiche e forni industriali. Possono essere impiegati per parti non soggette a corrosione e a contatto con materiali fusi ad alta temperatura. Alcune superfici a diretto contatto con la fiamma sono rivestite con uno strato di materiale refrattario che riduce l'erosione causata da scorie e polveri di gas di forno, limitando così i danni. La temperatura di esercizio del prodotto non deve superare la temperatura di prova della linea di ritorno. I mattoni isolanti in argilla appartengono alla categoria dei materiali isolanti leggeri con pori multipli. Questo materiale ha una porosità compresa tra il 30% e il 50%, un basso isolamento termico, ma una buona resistenza meccanica e alla corrosione.
4. Mattoni refrattari con isolamento in silicone
Il mattone refrattario siliceo termoisolante è realizzato con silice come materia prima principale e presenta un contenuto di SiO2 inferiore al 91%. Oltre alle proprietà di isolamento termico, i mattoni refrattari al silicio mantengono in larga misura le caratteristiche dei mattoni al silicio tradizionali. La temperatura di inizio rammollimento del carico è elevata e il volume si espande leggermente durante il processo di riscaldamento, migliorando l'integrità del forno.
Le prestazioni dei mattoni refrattari silicei termoisolanti di grado GGR-1.20 per forni industriali specificati nello standard dell'industria metallurgica cinese YB386-1994, hanno una densità apparente non superiore a 1,2 g/cm³, una resistenza alla compressione a temperatura ambiente non inferiore a 5 MPa, una temperatura di inizio rammollimento sotto carico inferiore a 0,1 MPa non inferiore a 1520 °C e un contenuto di SiO₂ non inferiore al 91%.
Questo prodotto è adatto per il rivestimento di forni industriali o come strato isolante termico che non entra in contatto diretto con materiali fusi ad alta temperatura e non è esposto direttamente a gas corrosivi. La temperatura di esercizio della muratura non supera i 1550 °C.
I mattoni refrattari termoisolanti a base di silice sono più dannosi per il corpo umano a causa della polvere di silice, il processo di produzione è più complesso rispetto ai mattoni refrattari termoisolanti in argilla e ad alto contenuto di alluminio e rappresentano una piccola percentuale della produzione totale di materiali refrattari termoisolanti.
5. Mattoni refrattari isolanti in diatomite
Il mattone isolante termico in diatomite è un prodotto refrattario isolante termico costituito principalmente da diatomite. Presenta una struttura a pori fini e chiusi, un'elevata porosità e buone prestazioni di isolamento termico, ma una bassa resistenza meccanica, che diminuisce significativamente soprattutto se esposto all'umidità. La sua composizione chimica principale è costituita da SiO2, seguito da Al2O3, oltre a ferro, potassio, ossidi di sodio, calcio, magnesio e altre impurità.
Le caratteristiche fisiche dei mattoni isolanti in diatomite sono riportate nella Tabella 3-108. I mattoni isolanti in diatomite presentano una scarsa resistenza al calore e un indice di refrattarietà di soli 1280 °C circa, pertanto la temperatura di utilizzo è limitata. Possono essere impiegati solo in strati isolanti al di sotto dei 900 °C.
6. Prodotti a base di perlite espansa
I prodotti in perlite espansa sono materiali refrattari termoisolanti costituiti principalmente da perlite. I prodotti isolanti sono realizzati con perlite espansa come aggregato e con l'aggiunta di cemento, silicato di sodio, fosfato, ecc., dopo essere stati miscelati, formati, essiccati, tostati o stagionati. La densità della perlite espansa è relativamente bassa, generalmente solo 40-120 g/cm³; la refrattarietà non è elevata, generalmente tra 1280 e 1360 °C. La temperatura massima di utilizzo dei prodotti con diversi leganti è differente, solitamente inferiore a 1000 °C.
I prodotti in perlite espansa sono classificati nelle categorie da 200, 250, 300 e 350 kg/m³⁴ in base alla densità apparente dei prodotti, secondo la normativa nazionale. In base al tipo di cemento utilizzato, si distinguono in prodotti in perlite espansa legata con cemento, prodotti in perlite espansa legata con silicato di sodio, prodotti in perlite espansa legata con fosfati e prodotti in perlite espansa legata con asfalto.
7. Prodotti in vermiculite espansa
I prodotti in vermiculite espansa sono materiali refrattari termoisolanti che utilizzano la vermiculite espansa come materia prima principale. La produzione di questi prodotti si basa sull'utilizzo di vermiculite espansa di una determinata granulometria come aggregato, a cui si aggiungono additivi e leganti, si miscela con acqua in proporzioni specifiche e si procede alla formatura, essiccazione, cottura o stagionatura per ottenere i prodotti termoisolanti. I prodotti con diverse densità apparenti, additivi e leganti presentano diverse temperature massime di utilizzo, e solitamente si impiegano strati termoisolanti con temperature inferiori a 1000 °C. Esistono diverse tipologie di prodotti in vermiculite espansa, generalmente classificate in base al tipo di legante e di aggregato utilizzati. In base all'agente legante, si distinguono prodotti con legante organico, prodotti con legante inorganico e prodotti con legante composito organico e inorganico. In base al tipo di aggregato utilizzato, si distinguono prodotti con aggregato singolo, prodotti con aggregati multipli e prodotti con additivi.
La vermiculite espansa ha una bassa conducibilità termica, una bassa resistenza e non è impermeabile, quindi il suo utilizzo è fortemente limitato. Quando si utilizza un materiale cementizio ad alta resistenza per legare la vermiculite espansa in un prodotto finito, quest'ultimo avrà una maggiore resistenza rispetto alla vermiculite espansa e potrà sopportare carichi maggiori; quando si utilizza un materiale cementizio impermeabile per legare la vermiculite espansa, il prodotto risultante ha prestazioni impermeabili e può essere utilizzato in ambienti umidi. La conducibilità termica del legante è solitamente superiore a quella della vermiculite espansa, quindi l'aggiunta del legante consente nuovi utilizzi della vermiculite espansa, ma riduce anche l'effetto isolante termico della vermiculite espansa.
8. Pannello in silicio calcico
I pannelli in silicato di calcio sono costituiti principalmente da terra diatomacea e calce, e i prodotti refrattari termoisolanti realizzati con l'aggiunta di fibre di rinforzo sono anche chiamati pannelli in silicato di calcio e pannelli in silicato di calcio microporoso. I pannelli in silicato di calcio si dividono in due categorie in base alla loro composizione: una è il pannello in silicato di calcio ordinario, con un rapporto CaO/SiO2 di circa 0,8 e composizione minerale di tobermorite (tobermorite, 5CaO·6SiO2·5H2O); l'altra è il silicato di calcio duro, con un rapporto CaO/SiO2 di circa 1,0 e composizione minerale di silicato di calcio duro.
Il silicato di calcio possiede eccellenti proprietà quali bassa capacità, forte separazione, bassa conducibilità termica, facilità di costruzione e basso tasso di perdita. La densità dei pannelli in silicato di calcio è generalmente specificata a livello mondiale come non superiore a 220 kg/m³, e in alcuni casi è ulteriormente suddivisa in 33 tipologie: non superiore a 220 kg/m³, non superiore a 170 kg/m³ e non superiore a 130 kg/m³; in Cina è classificata come non superiore a 240 kg/cm³, non superiore a 220 kg/cm³ e non superiore a 170 kg/cm³ (33 tipologie). La resistenza alla compressione è superiore a 0,4 MPa, la resistenza alla flessione è superiore a 0,2 MPa; la conduttività termica (70℃±5℃) è 0,049～0,064W/(m·K) la temperatura operativa più alta, e la mullite torbe è 650℃, il tipo di silicato di calcio è 1000℃.
I pannelli in silicato di calcio possono essere segati o inchiodati e trasformati in tavole, blocchi o rivestimenti. Possono essere utilizzati come materiali isolanti termici per condotte termiche e forni industriali in settori quali energia elettrica, industria chimica, metallurgia, navale, ecc.; per l'isolamento termico e antincendio di edifici, strumenti e apparecchiature. Possono essere utilizzati anche come strato isolante termico per forni di essiccazione ad alta temperatura e piattaforme per forni a tunnel. Entrambi i lati dei pannelli in silicato di calcio possono essere rivestiti con impiallacciatura di plastica, compensato, pannelli in cemento-amianto, ecc., e possono essere utilizzati come materiale isolante termico. La maggior parte dei materiali di isolamento termico utilizzati in ingegneria a livello mondiale si basa sui pannelli in silicato di calcio, e in alcuni paesi la loro quota nel settore dell'isolamento termico raggiunge il 70-80%.
9. Mattone di particelle galleggianti (mattone di cielosfera)
I mattoni di cenosfere sono prodotti refrattari termoisolanti realizzati con cenosfere come materia prima principale. All'inizio degli anni '70, il mio paese ha iniziato a utilizzare cenosfere di ceneri volanti per produrre mattoni refrattari termoisolanti a base di argilla. Grazie alla semplicità del processo e all'abbondanza delle risorse, la qualità del prodotto è buona. Dagli anni '80, per la produzione di mattoni di cenosfere si è utilizzato il metodo del clinker poroso o l'aggiunta per combustione di cenosfere di ceneri volanti.
I mattoni di cenosfere sono sfere cave di vetro al silicato di alluminio ottenute per flottazione dalle ceneri volanti delle centrali termoelettriche. Presentano caratteristiche quali leggerezza, pareti sottili, struttura cava, superficie liscia, bassa conducibilità termica, buone prestazioni di isolamento, elevata refrattarietà e alta resistenza alla compressione. Sfruttando queste caratteristiche, è possibile produrre materiali refrattari termoisolanti con eccellenti proprietà di conservazione del calore. La produzione dei mattoni di cenosfere avviene tramite un metodo semi-secco, un processo semplice che non richiede finiture.
I mattoni Cenosphere sono superiori ai materiali isolanti termici a blocchi intermedi esistenti in termini di resistenza meccanica, resistenza alle alte temperature, conduttività termica e prestazioni d'uso, e sono paragonabili alle fibre di silicato. Questo materiale è ampiamente utilizzato in vari forni industriali ad alta temperatura, fino a 1200 °C, per migliorare l'efficienza termica e ridurre il consumo energetico. I mattoni Cenosphere trovano impiego in forni industriali e apparecchiature ad alta temperatura nei settori della metallurgia, della meccanica, della chimica, del petrolio, dei materiali edili, dell'industria leggera, dell'energia elettrica e altri. Generalmente, consentono un risparmio energetico dal 15% al 40%. Rappresentano un'ottima nuova tipologia di materiale isolante termico leggero.
10. Mattone a sfera cava
Un mattone sferico cavo di allumina
Il mattone a sfere cave di allumina è un prodotto refrattario termoisolante costituito principalmente da sfere cave di allumina. Le caratteristiche tecniche tipiche dei mattoni a sfere cave di allumina sono: contenuto di Al2O3 non inferiore al 98%, contenuto di SiO2 non superiore allo 0,5%, contenuto di Fe2O3 non superiore allo 0,2%, densità apparente 1,3~1,4 g/cm³, porosità apparente 60%~80%, resistenza alla compressione non inferiore a 9,8 MPa, temperatura di rammollimento sotto carico (0,2 MPa) non inferiore a 1700 °C e conducibilità termica 0,7~0,8 W/(m·K).
Rispetto ai comuni isolanti termici e ai prodotti refrattari, il mattone a sfere cave di allumina si caratterizza per l'elevato numero di pori chiusi al suo interno. Pertanto, presenta elevata resistenza e una struttura porosa stabile, bassa densità e bassa conducibilità termica. Viene utilizzato principalmente per rivestimenti di forni industriali ad alta temperatura (inferiore a 1800 °C), come ad esempio mattoni di rivestimento per forni ad alta temperatura nei settori dei materiali refrattari, dell'elettronica e della ceramica; strati di isolamento termico per apparecchiature termiche ad alta temperatura, come forni di gassificazione nell'industria petrolchimica, forni a gas, reattori industriali a carbone; mattoni isolanti per forni a induzione nell'industria metallurgica.
B mattone a sfera cava in zirconio
Il mattone a sfere cave di zirconia è un prodotto refrattario termoisolante costituito principalmente da sfere cave di zirconia. La fase cristallina principale di questo mattone è la zirconia cubica (circa il 70-80% della composizione minerale) e le sue caratteristiche tipiche sono: refrattarietà superiore a 2400 °C, porosità apparente 55-60%, densità volumetrica 2,5-3,0 g/cm³, resistenza alla compressione non inferiore a 4,9 MPa e conducibilità termica 0,23-0,35 W/(m·K).
Le sfere cave di zirconia sono prodotti refrattari termoisolanti con prestazioni eccellenti. La temperatura massima di utilizzo sicura è di 2200 °C. I mattoni di sfere cave di zirconia presentano un'elevata resistenza alle alte temperature e una struttura porosa stabile, pertanto possono essere utilizzati in sicurezza ad alte temperature fino a 2200 °C. Le sfere cave di zirconia hanno una bassa densità e una bassa conduttività termica, che non solo riducono la dispersione di calore, ma anche l'accumulo di calore. Pertanto, come materiale di rivestimento per alte temperature a diretto contatto con la fiamma in apparecchiature termiche come quelle utilizzate in metallurgia, industria petrolifera, chimica, elettronica, ecc., possono ridurre il consumo energetico e il peso del forno ad alta temperatura, garantendo un'ottima resa.
Data di pubblicazione: 26 novembre 2021