Для сохранения тепловой энергии в рабочем пространстве тепловых высокотемпературных агрегатов и предотвращения ее перетекания в окружающую среду, необходимы специальные материалы, которые называются высокотемпературными теплоизоляционными материалами. Потери тепловой энергии в ходе высокотемпературных процессов, зачастую превышают ее теоретическую потребность в несколько раз.
За рубежом, в частности в Германии и Франции, для высокотемпературной теплоизоляции основное развитие получили микропористые материалы на основе алюминатов и силикатов кальция, изготовленные гидротермальным способом [1]. Наряду с неплохими теплоизолирующими свойствами, эти изделия имеют существенный недостаток - повышенная гидратация на воздухе. Кроме этого, технология получения данных материалов достаточно сложна.
Для решения проблемы по обеспечению потребителей жесткими теплоизоляционными материалами, работающими при температурах выше 1000°С, мы сделали выбор в пользу плит из керамического волокна, изготовленного по разработанной нами технологии. Состав данных керамических волокон близок к муллитовому.
Известно, что материалы на основе муллита обладают наименьшей собственной теплопроводностью по сравнению с другими огнеупорными соединениями (рис. 1).
Высокотемпературные теплоизоляционные материалы представляют собой, как правило, гетерогенную многофазную поликристаллическую высокопористую огнеупорную керамику. Доля пор по объему превышает 50%, а во многих случаях находится в пределах 70-90%. Теплоизолирующий эффект зависит не только от объема пор, но и от их структуры и от распределения по крупности.
В процессе теплопередачи поток тепла идет всегда от более нагретых поверхностей к менее нагретым. Количество переданного тепла пропорционально разности температур (tl -t2), поверхности F, которой или от которой передается тепло, и времени j, в течение которого совершается теплопередача:
Q = K(tl-t2)Ft
Где к - коэффициент теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи зависит от многих факторов и главным образом от вида или способа теплопередачи. Тепло может передаваться тремя способами - посредством теплопроводности, излучением и конвекцией.
В гетерогенных пористых теплоизоляционных материалах процессы передачи тепла протекают как в твердой, так и в газовой фазах.
Теплопроводность в газах происходит в результате процессов соударения молекул между собой. Большинство технических газов имеют примерно одинаковую теплопроводность, которая значительно меньше, чем у твердых веществ. При этом теплопроводность газов повышается с ростом температуры.
У многих высокотемпературных теплоизоляционных материалов газы находятся в порах сравнительно небольшого объема. При этом характерно, что теплопроводность газов скачкообразно снижается, если размер пор становится меньше длины свободного пробега газовых молекул (при комнатной температуре это около 50 нм, а при 1200° С - около 400 нм) [2]. На рисунке 2 виден этот важный эффект, который позволяет понять особую роль микропор в теплофизических процессах.
В твердом теле от места нагрева через кристаллическую решетку проходит волновой фронт, состоящий из множества отдельных движений. Это связано с тем, что трехмерно соединенные модули решетки колеблются в соответствии с их долей энергии, т.е. с их температурой, относительно своих мест в решетке. Квантом энергии, соответствующим теплопроводности является фонон.
Фононная проводимость является преобладающим механизмом передачи тепла в беспористых керамических материалах, из которых состоит твердый каркас высокотемпературных теплоизоляционных материалов. Перенос фононов и соответственно теплопроводность зависят от структуры твердых веществ.
Теплопроводность вещества одинакового химического состава, но находящегося в кристаллическом или аморфном состоянии различна - у кристаллического вещества теплопроводность выше, чем у аморфного.
Теплопроводность снижается при каждом нарушении систематичности кристаллической решетки, например, при более низком порядке симметрии кристаллической решетки, при дефектах строения решетки, в местах внедрения посторонних ионов, на группах молекул в кристаллической решетке, на границах зерен, в аморфных участках, в микротрещинах и порах. Теплопроводность по мере перехода от монокристалла к поликристаллу, к многофазному твердому веществу и далее к пористому твердому веществу снижается на один - два порядка [3].
Всякое тело, нагретое до температуры отличной от абсолютного нуля, посылает в пространство тепловые лучи, представляющие собой электромагнитные колебания, которые отличаются от световых только длиной волны.
Тепловые лучи имеют длину волны от 0,76 до 40 мкм. Законы, установленные для видимых световых потоков лучистой энергии, справедливы и для тепловых.
При повышенных температурах, внутренняя теплопередача излучением играет в высокотемпературных теплоизоляционных материалах решающую роль. Для передачи тепла внутри пор справедливо следующее уравнение:
Qg = 4ydoT3,
где у - коэффициент формы, d - диаметр пор.
Данное уравнение показывает существенное влияние формы и размера пор на внутреннюю теплопередачу излучением.
Передача тепла конвекцией, как одна из составляющих внутреннего переноса тепла в высокотемпературных теплоизоляционных материалах обычно исключается, так как разность температур в порах обычно слишком мала для возникновения течения. В указанных материалах, внутренняя передача тепла происходит теплопроводностью и теплоизлучением, которая может быть охарактеризована суммарной эффективной теплопроводностью - gэфф.
Особый интерес представляет зависимость эффективной теплопроводности от величины пористости. Эта зависимость имеет некоторый минимум эффективной теплопроводности. С повышением температуры этот минимум сдвигается в сторону меньших значений пористости, что позволяет сделать следующий практический вывод. Для теплоизоляционных материалов для конкретной температуры эксплуатации имеется некоторая оптимальная пористость и кажущаяся плотность, при которой достигается наибольший эффект подавления передачи тепла. Эта оптимальная пористость снижается с 98% при комнатной температуре до 80% при температуре 1000°С [4,5].
Для оценки высокотемпературных теплоизоляционных материалов решающее значение имеет зависимость их эффективной теплопроводности от температуры. Общую зависимость можно выразить следующей формулой:
^эфф. = А*1/Т+В*П Т+С Т3
Первое слагаемое описывает теплопроводность беспористой кристаллической фазы, причем величина А зависит от материала. Второе слагаемое выражает теплопроводность в газонаполненных порах и в беспористой некристаллической фазе. Коэффициент В тоже зависит от природы материала. Третье слагаемое характеризует долю передачи тепла излучением, которая при высоких температурах в порах весьма существенна. Коэффициент С описывается следующей формулой:
C~dae
Где d - диаметр пор, с - константа излучения, e - степень черноты [1,5]
Отсюда можно сделать вывод, что доля теплопередачи излучением при одинаковой температуре для пор меньшего диаметра будет наименьшей. При одной и той же исходной пористости теплоизоляционный материал с меньшей средней пористостью будет показывать меньшее повышение эффективной теплопроводности с повышением температуры.
Это подчеркивает большое значение частотного распределения пор по крупности в высокотемпературных теплоизоляционных материалах и дает ориентировку на применение пор наименьших размеров.
С целью определения эффективности теплоизоляционных материалов используемых при высоких температурах нами были проведены исследования теплоизоляционных изделий выпускаемых российскими производителями, которые пользуются повышенным спросом у потребителей.
Для испытаний были взяты три вида алюмосиликатной теплоизоляции, в том числе плиты нашего производства, выпускаемые под маркой ПКВ, примерно с одинаковой кажущейся плотностью и примерно одного химического и минералогического состава:
- ультралегковес марки ШЛ-0,5 с у - 0,48 г/см3
- картон марки МКРКЛ-450 с у - 0,45 г/см3
- плита марки ПКВ с у - 0,49 г/см3
Для комплексной материаловедческой характеристики материалов были выполнены определения минерального состава петрографическим и рентгенофазовым методами, истинной и кажущейся плотности, теплопроводности при 600, 1000 и 1200°С, размеры макро- и микропор и открытой пористости. Распределение пор по размерам (рис. 3) выполнено микроскопическим методом на образцах, в которых поры были предварительно пропитаны упрочняющим импрегнатом. (Исследования проведены доктором геолого-минералогических наук, профессором В.А. Перепелицыным)
На основании полученных результатов, при температурах выше 1000°С очевидно преимущество теплоизоляционных материалов имеющих поры размером менее 10 мкм.
Картон марки МКРКЛ-450 преимущественно состоит из муллитокремнеземистых волокон толщиной 5-7 мкм, а плита ПКВ из волокон толщиной 1-3 мкм. Преобладание более тонкого волокна соответственно влечет за собой увеличение удельной поверхности и повышение дефектности кристаллической решетки. Наличие такой структуры в плитах ПКВ обеспечивает наибольшие теплоизоляционные свойства среди имеющихся аналогов. За счет рекристаллизации, при температуре выше 900°С, происходит разрушение стекловолокна с образованием микротрещин и микропор. Наличие керамического каркаса в плитах ПКВ, в отличие от листового картона МКРКЛ-450, позволяет использовать данный вид изделий при температурах до 1400°С.
В настоящее время плиты марки ПКВ выпускаются нашим предприятием размером 500x500 мм и толщиной от 40 до 80. Кроме высоких теплоизоляционных свойств, эти изделия удобны при монтаже, легко обрабатываются. Нет необходимости использовать во время монтажных работ кладочные растворы, так как в процессе эксплуатации происходит склеивании плит между собой. Используя различные клеи и мастики можно приклеивать плиты как к вертикальной, так и горизонтальной металлической поверхности.
В конвертерном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» плиты марки ПКВ были успешно применены в качестве футеровки стенда сушки и разогрева сталеразливочных ковшей, а также для изоляции крышки промежуточного ковша. Крепление плит на стенде было выполнено при помощи болтовых соединений, а для теплоизоляции крышки промковша, плиты клеились к металлическому корпусу крышки.
Керамическое волокно и изделия на его основе оптимально сочетают в себе низкую массу незначительную аккумуляцию тепла и высокие теплоизоляционные свойства. Применение в качестве высокотемпературной теплоизоляции материалов микропористой структуры, в частности плит ПКВ, позволит значительно сократить потери тепла и сэкономить энергоресурсы.
Библиографический список:
1. Стрелов К.К.; Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. Издание 2-е - М.: Металлургия, 1996-607с.
2. Охотин А.С., Боровикова Р.П. и др. Теплопроводность твердых тел: Справочник (Под ред. Охотина А.С. - М.:Энергоатомиздат, 1984-320с.)
3. Займан Дж. Электроны и фононы. Теория является переноса в твердых телах - М.- Л., 1962-418с.
4. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.: Мир, 1974 - 486с.
5. Гладков С.О. Физика пористых структур - М.: Наука, 1997 - 175с.
