Требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам. Классификация и свойства материалов

Теплоизоляционными называются материалы, позволяющие изолировать зону, где осуществляется какой-либо технологический процесс при вы­сокой температуре, от окружающей среды. Благодаря этому уменьшается тепловой поток из зоны высоких температур, т. е. сокращаются потери тепла, уменьшается расход топлива или электроэнергии, возрас­тает коэффициент полезного действия печи. В соответствии с этим к теплоизоляционным материалам предъявляют два основных требования: 1) иметь как можно более низкую теплопроводность (это должно обес­печивать минимальные потери через теплоизоляцию теплопроводностью при данной ее толщине) и 2) иметь как можно более низкую удельную теплоемкость (это должно обеспечивать минимальные потери тепла на аккумуляцию слоем теплоизоляции данной толщины при его разогреве до рабочей температуры).

Первое требование играет важную роль в тепловой работе тепло­изоляции печей непрерывного действия с установившимся во времени режимом работы, а второе — в тепловой работе печей периодического действия, когда вся футеровка печи и ее теплоизоляция подвержены циклическим колебаниям температуры.

Наряду с малой теплопроводностью и низкой удельной теплоем­костью теплоизоляция должна обладать достаточной огнеупорностью и также строительной прочностью. Естественно, стоимость теплоизоляци­онных материалов должна быть по возможности невысокой.

Однако перечисленные требования, предъявляемые к теплоизоляци­онным материалам, оказываются противоречащими друг другу: с одной стороны, огнеупорность, прочность материалов при высоких температу­рах и шлакоустойчивость тем выше, чем меньше их пористость и боль­ше плотность; с другой стороны, чем больше пористость и меньше плотность, тем ниже теплопроводность материала. Следовательно, ма­териал, к которому предъявляют высокие требования по сопротивлению воздействию высоких температур, неизбежно должен быть высокоплот­ным и малопористым, и, следовательно, он будет обладать невысокими теплоизолирующими свойствами.

Поэтому футеровка современных металлургических печей обычно выполняется двухслойной, а иногда трехслойной, причем наружные теплоизоляционные слои не подвергаются воздействию высоких темпе­ратур и значительным механическим нагрузкам. Для выполнения этих теплоизоляционных слоев используют пористые материалы, характери­зующиеся невысокой теплопроводностью.

Эти теплоизоляционные материалы подразделяют на основные типы по следующим признакам:

1. По огнеупорности теплоизоляционные материалы делят на огне­упорные, выдерживающие рабочую температуру 800 °С и выше, и неог­неупорные, которые можно использовать только при температурах ниже 700—800 °С.

2. По происхождению все теплоизоляционные материалы делят на естественные и искусственные. Последние в свою очередь различают по способу изготовления, обеспечивающему получение большого числа пор в готовом изделии: легковесные материалы, изготовленные методом вы­горающих добавок; пенокерамические материалы, изготовленные мето­дом введения в шихту пенообразующих добавок; материалы, изготов­ленные из огнеупорного волокна.

3. По форме и способу применения в футеровке печей. Теплоизо­ляционные материалы выполняют или в виде отдельных изделий (кир­пичи различной формы и размера, листы, полосы и т. д.), или в виде сыпучих сред, применяемых для засыпок.

Все теплоизоляционные материалы характеризуются теми же физи­ческими свойствами, что и огнеупорные: пористостью, газопроницаемо­стью, теплопроводностью, удельнойтеплоемкостью, электропроводностью, термическим расширением. Эти характеристики описаны в § 1 настоящей главы.

Главной рабочей характеристикой теплоизоляционных материалов служит предельная температура их применения. При конструировании футеровки печей и выборе теплоизоляционных материалов для нее сле­дует внимательно следить за тем, чтобы действительная температура службы теплоизоляционного слоя не превышала бы предельную вели­чину. В противном случае теплоизоляция может оказаться химически или механически неустойчивой и выйдет из строя.

Теплоизоляционные материалы характеризуются также прочностью на сжатие и постоянством объема при нагреве в процессе службы (усадкой), выражаемым в процентах изменения объема относительно исходного.