Теплоизоляционные огнеупоры — это огнеупоры с высокой пористостью, низкой насыпной плотностью и низкой теплопроводностью, также известные как легкие огнеупоры. К ним относятся теплоизоляционные огнеупорные изделия, огнеупорные волокна и изделия из огнеупорного волокна. В зависимости от рабочей температуры: низкотемпературные изоляционные огнеупорные материалы, рабочая температура которых ниже 900 ℃, такие как диатомитовые изоляционные кирпичи, изделия из вспененного кремнезема, кремнеземно-кальциевые плиты, изделия из вспененного перлита и т. д.; среднетемпературные изоляционные огнеупоры, рабочая температура которых составляет 900–1200 ℃, такие как глиняные теплоизоляционные огнеупорные кирпичи, огнеупорное волокно из алюмосиликата и т. д.; Высокотемпературные теплоизоляционные огнеупорные материалы, рабочая температура которых превышает 1200℃, такие как высокоалюминиевые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи, глиноземные теплоизоляционные огнеупорные кирпичи, кремнеземные теплоизоляционные огнеупорные кирпичи, глиноземные пустотелые шаровидные кирпичи, циркониевые пустотелые шаровидные кирпичи, высокоалюминиевое огнеупорное волокно, поликристаллическое огнеупорное волокно (поликристаллическое глиноземное волокно, поликристаллическое циркониевое волокно, поликристаллическое муллитовое волокно) и др.
Производство теплоизоляционных огнеупорных изделий в основном осуществляется с использованием технологических методов, позволяющих формировать пористую структуру, таких как метод с использованием легкого сырья, метод выжигания, метод вспенивания и химический метод. Аморфные огнеупорные волокна, такие как алюмосиликатные огнеупорные волокна, высокоглиноземистые огнеупорные волокна и т. д., обычно получают методом плавления. Поликристаллические огнеупорные волокна, такие как муллитовые волокна, глиноземистые волокна и т. д., получают коллоидным методом.
Основные характеристики теплоизоляционных огнеупоров: высокая пористость, обычно выше 45%; низкая насыпная плотность, обычно не превышающая 1,5 г/см³; низкая теплопроводность, чаще всего менее 1,0 Вт/(м·К). В основном используются в качестве теплоизоляции промышленных печей, что позволяет не только снизить теплопотери печи, но и уменьшить теплоаккумуляцию печи, обеспечить оптимальный энергосберегающий эффект и снизить вес теплового оборудования. По сравнению с обычными огнеупорными кирпичами, теплоизоляционные огнеупоры обладают низкой стойкостью к шлаковой коррозии, низкой механической прочностью и износостойкостью. Поэтому они не подходят для несущих конструкций печи и частей, непосредственно контактирующих со шлаком, шихтой, расплавленным металлом и т. д.
Метод классификации огнеупорных изоляционных изделий
Теплоизоляционные огнеупорные изделия — это огнеупорные материалы с пористостью не менее 45%. Основные характеристики теплоизоляционных огнеупорных изделий — высокая пористость и низкая объемная плотность. Они обладают низкой теплопроводностью, малой теплоемкостью и хорошими теплоизоляционными свойствами. Они сохраняют тепло и обладают высокой термостойкостью. Их можно использовать в качестве теплоизоляционного слоя для различного теплового оборудования, а некоторые — и в качестве рабочего слоя. Это энергосберегающий материал для строительства различных печей. Замена обычных плотных огнеупорных материалов в качестве строительных материалов для печей на теплоизоляционные огнеупорные изделия позволяет снизить потери тепла на 40–50%, особенно для печного оборудования с прерывистым теплоснабжением.
Существует множество видов изоляционных и огнеупорных материалов, которые, как правило, делятся на три категории в зависимости от рабочей температуры, насыпной плотности и формы изделия.
(1) Классификация по плотности тела. Кирпичи с насыпной плотностью 0,4–1,3 г/см³ относятся к легким кирпичам; кирпичи с насыпной плотностью менее 0,4 г/см³ относятся к сверхлегким кирпичам.
(2) Классификация по рабочей температуре. Рабочая температура 600–900℃ для низкотемпературных изоляционных материалов; 900–120℃ для среднетемпературных изоляционных материалов; более 1200℃ для высокотемпературных изоляционных материалов.
(3) Классификация по форме изделия: один тип – это формованные легкие огнеупорные кирпичи, включая глиняные, высокоглиноземистые, кремниевые и некоторые легкие оксидные кирпичи; другой тип – это неформованные легкие огнеупорные кирпичи, такие как легкий огнеупорный бетон.
Способ производства теплоизоляционных огнеупорных изделий отличается от способа производства обычных плотных материалов. Существует множество методов, в основном включающих метод сжигания, метод вспенивания, химический метод и метод с использованием пористых материалов.
1) Метод обжига с добавлением материалов. Также называется методом добавления горючих материалов. В кирпичную глину добавляют легковоспламеняющиеся материалы, такие как древесный уголь, опилки и т. д., чтобы после обжига изделие приобрело определенную пористость.
2) Метод замачивания. В глину для изготовления кирпичей добавляют пенообразователи, такие как канифоль, мыло и т. д., и вспенивают ее механическим способом. После обжига получают пористый продукт.
3) Химический метод. В процессе изготовления кирпичей с помощью химической реакции, способной эффективно генерировать газ, получают пористый продукт, обычно это доломит или периклаз с добавлением гипса и серной кислоты в качестве пенообразователя.
4) Метод пористых материалов. Для изготовления легких огнеупорных кирпичей используются натуральная диатомитовая земля или искусственная глиняная пена, полые сферы из оксида алюминия или диоксида циркония и другие пористые сырьевые материалы.
Использование теплоизоляционных огнеупорных материалов с низкой теплопроводностью и малой теплоемкостью в качестве конструкционных материалов корпуса печи позволяет экономить топливо, повышать эффективность производства оборудования, а также снижать вес корпуса печи, упрощать ее конструкцию, улучшать качество продукции и снижать температуру окружающей среды, улучшая условия труда. Теплоизоляционные огнеупорные материалы в основном используются в качестве теплоизоляционного слоя, футеровки или теплоизоляционного слоя печи.
1. Огнеупорные кирпичи из оксида алюминия для теплоизоляции
Огнеупорные кирпичи из оксида алюминия изготавливаются из плавленого корунда, спеченного оксида алюминия и промышленного оксида алюминия в качестве основных сырьевых материалов. Они обладают высокой устойчивостью к воздействию кислот и щелочей, восстановительной способностью и хорошей термостойкостью. Кирпичи могут длительное время эксплуатироваться при температуре ниже 1700℃. В процессе производства используются два метода: пенообразование и сжигание с добавлением присадок. Изделия, изготовленные методом пенообразования, отличаются однородной структурой, низкой теплопроводностью и хорошими теплоизоляционными свойствами.
Огнеупорные кирпичи из оксида алюминия легкие, обладают высокой прочностью на сжатие, низкой теплопроводностью, малой усадкой после обжига и хорошей термостойкостью. Они могут использоваться в качестве теплоизоляционных слоев высокотемпературного теплового оборудования или печей, непосредственно контактирующих с пламенем, а также в качестве рабочей футеровки прецизионного теплового оборудования, но не подходят для мест коррозии, непосредственно контактирующих с печной жидкостью и расплавленным шлаком. Кроме того, они обладают большей стабильностью при использовании в восстановительной атмосфере. Температура применения зависит от чистоты продукта, обычно до 1650–1800 °C. Типичные физико-химические показатели таких изделий приведены в таблице 3-105.
2. Высокоалюминиевые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи
Высокоалюминиевые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи — это теплоизоляционные огнеупорные изделия с содержанием основного сырья не менее 48%. Высокоалюминиевые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи изготавливаются в основном из боксита в качестве сырья, в сочетании с глиной в качестве сырья, с добавлением связующих веществ и древесных опилок. Для улучшения характеристик изделия добавляют промышленный оксид алюминия, корунд, силлиманит, кианит и кремнезем. Из мелкодисперсного порошка можно изготавливать изделия с различной насыпной плотностью и различными максимальными рабочими температурами. Обычно рабочая температура составляет 1250–1350℃, а в некоторых случаях может достигать 1550℃.
Высокоалюминиевые теплоизоляционные кирпичи в основном производятся методом вспенивания, их объемная плотность составляет от 0,4 до 1,0 г/см³, также возможно их изготовление методом сжигания с добавлением присадок. Физико-химические показатели высокоалюминиевых теплоизоляционных огнеупорных кирпичей приведены в таблице 3-106.
Высокоалюминиевые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи могут использоваться для создания теплоизоляционных слоев и деталей, не подверженных коррозии и истиранию под воздействием высокотемпературных расплавленных материалов. При непосредственном контакте с пламенем температура поверхности обычных высокоалюминиевых теплоизоляционных огнеупорных кирпичей не должна превышать 1350℃. Муллитовые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи могут непосредственно контактировать с пламенем и обладают высокой термостойкостью, прочностью и значительным энергосберегающим эффектом. Они подходят для футеровки пиролизных печей, печей горячего воздуха, керамических валковых печей, электрических фарфоровых печей и различных резистивных печей. Корундово-муллитовый теплоизоляционный огнеупорный кирпич с содержанием Al2O3 82,4% может использоваться в качестве футеровки печи при температуре 1550°C.
3. Огнеупорные кирпичи на основе глины для теплоизоляции
Огнеупорные кирпичи на основе глины — это теплоизоляционные огнеупорные изделия с содержанием Al2O3 30–48%, изготовленные из огнеупорной глины в качестве основного сырья, с использованием огнеупорной глины, плавающих гранул и клинкера из огнеупорной глины в качестве сырья, а также с добавлением связующих веществ и древесных опилок. Путем смешивания, формования, сушки и обжига можно получить изделия с насыпной плотностью 0,3–1,5 г/см³, а объем их производства составляет более половины всех теплоизоляционных огнеупорных кирпичей.
Наиболее распространенный способ производства глиняных теплоизоляционных огнеупорных кирпичей — это метод обжига с добавлением плавающих гранул, также может использоваться метод вспенивания. Физические показатели глиняных теплоизоляционных огнеупорных кирпичей приведены в таблице 3-107.
Огнеупорные кирпичи на основе глины имеют широкий спектр применения. В основном они используются в тепловом оборудовании и промышленных печах. Они могут применяться для деталей, не подверженных коррозии и воздействию высокотемпературных расплавленных материалов. Некоторые поверхности, непосредственно контактирующие с пламенем, покрываются огнеупорным слоем, что снижает эрозию от шлака и пыли печных газов, а также уменьшает повреждения. Рабочая температура изделия не превышает испытательную температуру возвратной линии. Огнеупорный кирпич на основе глины относится к легким изоляционным материалам с многопористой структурой. Этот материал имеет пористость от 30% до 50%, обладает низкой теплоизоляцией, но хорошей механической прочностью и коррозионной стойкостью.
4. Огнеупорные кирпичи с силиконовой изоляцией
Кремниевый теплоизоляционный огнеупорный кирпич изготавливается из кремнезема в качестве основного сырья, а теплоизоляционный огнеупорный продукт имеет содержание SiO2 менее 91%. Помимо теплоизоляционных свойств, кремниевые огнеупорные кирпичи в значительной степени сохраняют характеристики кремниевых кирпичей. Начальная температура размягчения под нагрузкой высока, а объемное расширение в процессе нагрева незначительно повышает целостность печи.
Характеристики кремнеземных теплоизоляционных огнеупорных кирпичей марки GGR-1.20 для промышленных печей, указанные в Китайском металлургическом стандарте YB386-1994, включают насыпную плотность не более 1,2 г/см³, прочность на сжатие при комнатной температуре не менее 5 МПа, начальную температуру размягчения под нагрузкой менее 0,1 МПа не менее 1520 ℃ и содержание SiO₂ не менее 91%.
Данный продукт подходит для футеровки промышленных печей или теплоизоляционных слоев, которые не контактируют напрямую с высокотемпературными расплавленными материалами и не подвергаются прямому воздействию коррозионных газов. Рабочая температура кладки не превышает 1550°C.
Огнеупорные кирпичи на основе кремнезема более вредны для организма человека из-за содержащейся в них кремнеземной пыли, а процесс их производства сложнее, чем производство глиняных и высокоалюминиевых огнеупорных кирпичей, и составляют небольшую долю от общего объема производства теплоизоляционных огнеупорных материалов.
5. Диатомитовые теплоизоляционные огнеупорные кирпичи
Диатомитовый теплоизоляционный кирпич — это огнеупорный теплоизоляционный материал, из которого в качестве основного сырья используется диатомит. Диатомитовый теплоизоляционный кирпич обладает мелкопористой структурой, высокой пористостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, но низкой механической прочностью, особенно после увлажнения, которая значительно снижается. Его основной химический состав — SiO2, за которым следует Al2O3, а также железо, калий, натрий, кальций, магний и другие примеси.
Физические показатели диатомитовых теплоизоляционных кирпичей приведены в таблице 3-108. Диатомитовые теплоизоляционные кирпичи обладают низкой термостойкостью, их огнеупорность составляет всего около 1280 ℃, поэтому их рабочая температура невысока. Они могут использоваться только в теплоизоляционном слое при температуре ниже 900 °C.
6. Вспученный перлит
Изделия из вспененного перлита — это теплоизоляционные огнеупорные материалы, основным компонентом которых является перлит. Изоляционные материалы изготавливаются из вспененного перлита в качестве заполнителя и соответствующего цемента, жидкого стекла, фосфата и т. д. после перемешивания, смешивания, формования, сушки, обжига или твердения. Плотность вспененного перлита относительно невелика, обычно всего 40–120 г/см³; огнеупорность невысока, обычно 1280–1360 °C. Максимальная рабочая температура изделий с различными связующими веществами различна и обычно ниже 1000 °C.
В соответствии с национальным стандартом, вспученный перлит классифицируется на категории с насыпной плотностью 200, 250, 300 и 350 кг/м³⁴. По типу используемого цемента он подразделяется на вспученный перлит, связанный цементом, вспученный перлит, связанный жидкой стеклянной эмульсией, вспученный перлит, связанный фосфатами, и вспученный перлит, связанный асфальтом.
7. Вспученный вермикулит
Вспученный вермикулит — это теплоизоляционные огнеупорные изделия, основным сырьем которых является вспученный вермикулит. Производство вспученного вермикулита основано на использовании вспученного вермикулита определенного размера в качестве заполнителя, добавлении примесей и связующих веществ, смешивании с водой в определенной пропорции, а также формовании, сушке, обжиге или отверждении для получения теплоизоляционных изделий. Изделия с различной насыпной плотностью, добавками и связующими веществами имеют разные максимальные рабочие температуры, и обычно используются теплоизоляционные слои с температурой ниже 1000 °C. Существует много типов вспученного вермикулита, которые обычно классифицируются по типу используемого связующего вещества и типу используемого заполнителя. По типу связующего вещества их можно разделить на изделия с органическим связующим веществом, изделия с неорганическим связующим веществом и изделия с органическим и неорганическим композитным связующим веществом. По типу используемого заполнителя их можно разделить на изделия с одним заполнителем, изделия с несколькими заполнителями и изделия с добавками.
Вспученный вермикулит обладает низкой теплопроводностью, низкой прочностью и не является водонепроницаемым, поэтому его применение сильно ограничено. При использовании высокопрочного связующего материала для скрепления вспученного вермикулита в готовом изделии, оно будет обладать большей прочностью, чем сам вермикулит, и сможет выдерживать большую нагрузку; при использовании водонепроницаемого связующего материала для скрепления вспученного вермикулита, полученное изделие будет обладать водонепроницаемыми свойствами и может использоваться в местах, где есть вода. Теплопроводность связующего материала обычно выше, чем у вспученного вермикулита, поэтому добавление связующего материала открывает новые возможности применения вспученного вермикулита, но также снижает его теплоизоляционный эффект.
8. Плата из кальциево-кремниевого сплава
Плиты из силиката кальция изготавливаются из диатомитовой земли и извести в качестве основных сырьевых материалов, а теплоизоляционные огнеупорные изделия, изготовленные с добавлением армирующего волокна, также называются плитами из силиката кальция и микропористыми плитами из силиката кальция. Плиты из силиката кальция делятся на две категории в зависимости от состава: одна — это обычные плиты из силиката кальция, химический состав CaO/SiO2 составляет около 0,8, минеральный состав — тоберморит (тоберморит, 5CaO·6SiO2·5H2O); другая — это твердые силикаты кальция, химический состав CaO/SiO2 составляет около 1,0, минеральный состав — твердые силикаты кальция.
Силикат кальция обладает превосходными свойствами, такими как малая емкость, высокая расслояемость, низкая теплопроводность, удобство монтажа и низкий коэффициент потерь. Плотность плит из силиката кальция в мире обычно не превышает 220 кг/м³, а в некоторых странах подразделяется на 33 типа: не более 220 кг/м³, не более 170 кг/м³ и не более 130 кг/м³; в Китае классифицируется как не более 240 кг/см³, не более 220 кг/см³ и не более 170 кг/см³. Прочность на сжатие составляет более 0,4 МПа, прочность на изгиб — более 0,2 МПа. Теплопроводность (70℃±5℃) составляет 0,049–0,064 Вт/(м·К), максимальная рабочая температура — 650℃ для муллита и 1000℃ для силиката кальция.
Плиты из силиката кальция можно пилить или сбивать гвоздями, из них можно изготавливать доски, блоки или облицовочные материалы. Они могут использоваться в качестве теплоизоляционных материалов для теплопроводов и промышленных печей в электроэнергетике, химической промышленности, металлургии, судостроении и т. д.; для огне- и теплоизоляции зданий, приборов и оборудования. Также их можно использовать в качестве теплоизоляционного слоя высокотемпературных сушильных камер и платформ вагонеток туннельных камер; с обеих сторон плит из силиката кальция можно склеивать пластиковый шпон, фанеру, асбестоцементные плиты и т. д. В качестве теплоизоляционного материала используется большинство теплоизоляционных строительных материалов в мире, а в некоторых странах на долю плит из силиката кальция в качестве теплоизоляционного материала приходится от 70% до 80% промышленности.
9. Плавающий кирпичик из частиц (кирпич ценосферы)
Ценосферные кирпичи — это теплоизоляционные огнеупорные изделия, из которых в качестве основного сырья используются ценосферы. В начале 1970-х годов в нашей стране начали использовать ценосферы из золы-уноса для производства глиняных теплоизоляционных огнеупорных кирпичей. Благодаря простоте процесса и обилию ресурсов, качество продукции хорошее. С 1980-х годов для производства ценосферных кирпичей используется метод пористого клинкера или метод выжигания с добавлением ценосфер из золы-уноса.
Ценосферные кирпичи представляют собой полые сферы из алюмосиликатного стекла, получаемые путем флотации золы от тепловых электростанций. Они обладают малым весом, тонкими стенками, полой структурой, гладкой поверхностью, низкой теплопроводностью, хорошими теплоизоляционными свойствами, высокой огнеупорностью и высокой прочностью на сжатие, а также другими характеристиками. Используя эти свойства ценосфер, можно производить теплоизоляционные огнеупорные материалы с превосходными теплоизоляционными свойствами. Производство ценосферных кирпичей может осуществляться полусухим методом, который является простым процессом и не требует финишной обработки.
Ценосферные кирпичи превосходят существующие теплоизоляционные материалы среднего размера по механической прочности, термостойкости, теплопроводности и эксплуатационным характеристикам, а также сопоставимы с силикатными волокнами. Этот материал широко используется в различных высокотемпературных промышленных печах при температуре 1200 °C для повышения тепловой эффективности и снижения энергопотребления. Ценосферные кирпичи применяются в промышленных печах и высокотемпературном оборудовании в металлургической, машиностроительной, химической, нефтяной, строительной, легкой промышленности, электроэнергетике и других отраслях. Как правило, они позволяют экономить энергию на 15–40%. Это новый перспективный тип легких теплоизоляционных материалов для перегородок.
10. Полый сферический кирпич
Кирпич в форме полой сферы из оксида алюминия
Алюминиевый пустотелый кирпич — это теплоизоляционный огнеупорный материал, основным сырьем которого являются пустотелые сферы из оксида алюминия. Типичные технические показатели алюминиевого пустотелого кирпича: содержание Al2O3 не менее 98%, содержание SiO2 не более 0,5%, содержание Fe2O3 не более 0,2%, насыпная плотность 1,3–1,4 г/см³, кажущаяся пористость 60–80%, прочность на сжатие не менее 9,8 МПа, температура размягчения под нагрузкой (0,2 МПа) не менее 1700 ℃, теплопроводность 0,7–0,8 Вт/(м·К).
По сравнению с обычными теплоизоляционными и огнеупорными изделиями, пустотелый кирпич из оксида алюминия характеризуется большим количеством закрытых пор. Поэтому он обладает высокой прочностью и стабильной пористой структурой, низкой плотностью и низкой теплопроводностью. В основном он используется для футеровки промышленных печей при высоких температурах ниже 1800℃, например, в качестве высокотемпературного футеровочного кирпича в огнеупорной, электронной и керамической промышленности; в качестве теплоизоляционного слоя для высокотемпературного теплового оборудования, такого как печи газификации в нефтехимической промышленности, газовые печи, угольные реакторы, а также в качестве изоляционного кирпича для индукционных печей в металлургической промышленности.
B. Полый сферический кирпич из диоксида циркония
Кирпич из полых сфер диоксида циркония — это теплоизоляционный огнеупорный материал, изготовленный из полых сфер диоксида циркония в качестве основного сырья. Основной кристаллической фазой этого кирпича является кубический диоксид циркония (около 70–80% минерального состава), и его типичные характеристики: огнеупорность более 2400 ℃, кажущаяся пористость 55–60%, объемная плотность 2,5–3,0 г/см³, прочность на сжатие не менее 4,9 МПа, теплопроводность 0,23–0,35 Вт/(м·К).
Полые шаровидные кристаллы из диоксида циркония — это теплоизоляционные огнеупорные изделия с превосходными характеристиками. Максимальная безопасная температура использования составляет 2200℃. Кирпичи из полых шаровидных кристаллов из диоксида циркония обладают относительно высокой высокотемпературной прочностью и стабильной пористой структурой, поэтому их можно безопасно использовать при высоких температурах до 2200℃. Низкая плотность и низкая теплопроводность позволяют не только снизить теплопотери, но и уменьшить теплоаккумуляцию. Поэтому в качестве высокотемпературного футеровочного материала, непосредственно контактирующего с пламенем в тепловом оборудовании, например, в металлургической, нефтехимической, электронной промышленности и т.д., он позволяет снизить энергопотребление и уменьшить вес высокотемпературной печи, обеспечивая хороший эффект использования.
Дата публикации: 26 ноября 2021 г.