ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Высокопористая огнеупорная керамика

В данном разделе учебника рассмотрены наиболее широко при­меняемые на практике технологические приемы получения высоко­пористых огнеупорных изделий, характерные особенности их про­изводства, перспективные возможности совершенствования произ­водственных процессов с целью снижения их энергоемкости, экономии дефицитного сырья, снижения трудозатрат и повышения качества изделий.

Из всего многообразия высокопористой огнеупорной керамики выбраны два вида: алюмосиликатные (шамотные) изделия и изде­лия из чистых высокоогнеупориых оксидов (корунда), наиболее широко применяемые в промышленности, иа примере которых можно проиллюстрировать особенности технологических процессов изготовления теплоизоляционных огнеупорных изделий.

Высокопористые огнеупорные изделия широко применяют в двух главных направлениях. Первое — тепловая изоляция и тепло - пая защита. В этом случае эффективность высокопористых огне­упоров определяется главным образом двумя показателями: тепло­проводностью и средней плотностью, т. е. показателем эффектив­ности принято считать произведение?.рср.

Второе направление связано с использованием развитой поверх­ности высокопористых огнеупоров. В этом случае решающими по­казателями являются общая пористость, ее характер, газопроницае­мость и другие показатели пористой структуры. Здесь огнеупорные высокопористые материалы применяют в виде горячих фильтров, газораснречелителей, катализаторов в высокотемпературных техно­логических процессах.

Теплоизоляционные огнеупорные материалы используют глав­ным образом для устройства тепловой изоляции промышленных печен, теплопроводов и другого іермического оборудовании. Более 50% всех выпускаемы v изделии применяют в черной металлургии,

- S.4 20%—в машиностроении, остальной объем — в промышленности строительных материалов, химической промышленности и других отраслях. Для тепловой изоляции промышленных печей наиболее широко используют шамотные изделия, а при более зь::ок;: тем­пературах (выше 1450'С)— корундовые.

Шамотные теплоизоляционные огнеупорные изделия. Их сят к группе алюмоснлнкатных огнеупоров, которые в зависим сти от содержания в них оксида алюминия подразделяют на следую­щие виділ: полукислые (содержание А1203 до 28%), шамотные (28 ... 4.г,"/и) н высокоглипо емистые (свыше 45%) •

Таким образом, основное различие материалов этой группы за­ключается в соотношении оксидов А!203 и Si02, преобладающих в их составе. Остальные оксиды — Fe203l ТЮ2, СаО, MgO, R20 —это примеси, содержание которых в огнеупорных глинах не превышает 4... 7% в пересчете на прокаленное вещество. Сырьем для произ­водства алюмосиликатных изделий служат природные огнеупорные глины или нх смеси с добавками, содержащими недостающие ок­сиды.

Глины основных месторождений СССР подразделяют на три минералогических типа: каолиновые, гидрослюдистые и монтмо - риллонитовые. В технологии теплоизоляционных огнеупорных ма­териалов используют в основном каолиновые глины. Эти глины содержат 25...37% А1203 и 45...60% Si02. Такое сырье пригодно только для производства полукислых или шамотных огнеупоров, так как содержание оксида алюминия (наиболее тугоплавкого компонента) даже в обогащенном просяновском каолине не пре­вышает 39%, т. е. меньше того предела, который необходим для получения высокоглпноземистых изделий.

Для изготовления наиболее широко применяющихся шамотных изделий, как правило, используют природное сырье без подштрп - ховки добавками с большим содержанием А1203 (бокситов, техни­ческого глинозема и т. п.).

Шамот — обожженная до спекания огнеупорная глина, подверг­нутая затем измельчению до определенной заданной дисперсности. Шамот является отощителем, снижающим сушильные и обжиговые усадки керамической массы. Содержание шамота в шихте и тон­кость его измельчения зависят от способа изготовления и заданных свойств высокопористых изделий. Таким образом, шамотными на­зывают изделия, получаемые путем обжига сырца, изготовленного из огнеупорных глин или каолинов, отощенных шамотом, получен­ным из тех же или близких по химическому составу глин.

Шамотные теплоизоляционные изделия по огнеупорности, за­висящей в основном от содержания в сырье оксида алюминия, де­лят на четыре класса:

Класс................................. О А Б В

Огнеупорность, °С. . 1750 1730 1670 1580

Содерж. нше МЛ. . -10 ...45 38 ...42 32 ... 38 30... 31

В мировой практике шамотные пысокопорш гыс нзтелня изго­товляют, применяя практически ві " известные ио 'ооы порообра­зования. В СССР эти изделия производят способами введения и выжигания выгорающих добавок, пенообразования и введения в состав шихты пористых гранул, получаемых путем дробления обожженных пеиошамотных масс (обычно брака, образующегося при производстве пеиошамотных изделии). Основные физико-тех­нические свойства шамотных теплоизоляционных изделий приведе­ны в табл. 15.2.

Производство шамотных изделий способом пенообразования. Основные принципы производства пеио­шамотных изделий практически те же, что и при производстве пе­нодиатомитовых изделий. Отличительными особенностями являют­ся процессы, связанные с подготовкой сырьевых материалов, и па­раметры тепловой обработки изделии.

Тонкость помола компонентов опре іеляется аданпон средней плотностью изделии; чем она ниже, тем тоньше должен быть по­мол шамота п глины.

Это положение можно объяснить следующим образом. При сни­жении средней плотности изделий необходимо уменьшать долю шамота и - липы в пеномассе и увеличивать количество техниче­ской пены. С другой стороны, для обеспечения устойчивости пепо - массы во времени и образования каркаса из тверлых компонентов при сушке необходимо иокрып. вею попер носы» пузырьков пены определенным слоем тертых компоненти. ІІрп снижении их рас - > л. чл iTO можно достичь только в случае соотп-.-птвующего увелн-

Чения удельной поверхности шамота и глины. Поэтому, например, при получении изделий марки ШЛБ-0,8 шамот измельчают до удельной поверхности 5Г)00... 6000 см2/г, а изделия марки ШЛБ-0,4 можно получить лишь в случае увеличения удельной поверхности шамота до 8000 ... 9000 см2/г.

Следует отметить, что увеличение доли технической пены в пе - номассе сопряжено с существенным снижением прочности готовых изделий. Для компенсации падения прочности в составе шихты за счет шамота увеличивают долю глины (табл. 15.3).

Г л б л и ц а 1Ь. З. Состапы шихты шамотных изделий

Качестве основного технологического аппарата, в котором совме­щаются процессы помола компонентов смеси, их смешивания и по­лучения иепошамотной массы за счет вибровоздухововлечеппя, позволяет исключить почти все машины помольного отделения, де­зинтегратор, смесительные бегуны, трубную и шаровую мельни­цы, а также установку для приготовления пеиомассы и все это за­менить одной технологической машиной — вибромельницей.

Введение в формовочную массу воздухововлекающих и пласти­фицирующих добавок вместе с водой затворения обеспечивает бы­стрый помол твердых компонен­тов и повышение устойчивости пе­иомассы при пониженном на 15... 17% водосодержании. Продолжи­тельность обработки массы в виб­ромельнице составляет 5 ..7 мин, при этом тонкость помола компо­нентов достигает 7500 ..8000 см2/г Наиболее интенсивно процессы протекают при степени загрузки объема вибромельницы мелющи­ми телами в пределах 33...36%, а измельчаемым материалом — 30... 35%, при следующих параметрах вибрации: амплитуда 2,5...2,8 мм, частота 1500...1800 кол/мин.

При таком способе приготовления пеиомассы обеспечивается получение изделий со средней плотностью 600 ...800 кг/м3, т. е. марок ШЛБ-0,6 и ШЛБ-0,8. Сушка сырца в этом случае идет по ускоренному режиму и может быть сокращена на 10... 15 ч.

Рассмотренный пример показывает, что не все возможности су­ществующих и широко применяющихся способов порообразования используются и что для достижения наибольшего технико-экономи­ческого эффекта необходимо проводить непрерывные и системати ческие исследования по совершенствованию известных и созданию новых технологических приемов для производства высокопористых материалов вообще и керамических, в частности.

Получение теплоизоляционных шамотных изде - л ни введением в формовочные массы пористых на­чали и тел ей. Данная технология основывается на широко изве­стных в производстве строительных материалов принципах — вве­дении в формовочные смеси с целью снижения средней плотности изделий и конструкций легких высокопористых заполнителей ис­кусственного (керамзит, шлаковая пемза, вспученные перлит и вермикулит н др.) или естественного (туфы и т. п.) происхожде­ния. В данном случае для получения огнеупорных теплоизоляцион­ных материалов применяют высокопорпстые заполнители, огне­упорность которых соответствует заданной огнеупорности готовых изделий. В связи с тем что в природе не встречается высокопори­
стых огнеупорных материалов, их изготовляют искусственным nv - тем.

Именно таким образом получают так называемые пеношамот - ные (ПШ) изделия. Формовочная масса, предназначенная для их изготовления, содержит 65 ...70% искусственно изготовленных по­ристых шамотных гранул размером 'от 0,5 до 10 мм и 30 ...35% огнеупорной глины (связующего).

Для снижения средней плотностн таких из гелий необходимо применять принцип наиболее плотной упаковки пористых гранул, который основывается на использовании гранул с прерывистой гранулометрией, когда соотношение размеров более крупных гра­нул и более мелких находится в пределах (4 ...5) : 1.

Пористые шамотные гранулы получают из неномассы, которую сушат, обжигают, дробят и рассеивают, или используют для этой цели отходы (брак, обрезки), которые образуются при производст­ве шамотного ультралегковеса (ШЛБ-0,-1).

Форммог непошамогиые изделия путем легкого уплотнении или трамбования, сушат, как правило, вне форм по ускоренному режи­му, обжиг осуществляют при температуре 1300... 1320°С.

К достоинствам этой технологии следует отнести незначитель­ную усадку изделий при сушке и обжиге, что позволяет получать изделия заданных форм и размеров без их механической обработ­ки после обжига; получение изделии с повышенной термической стойкостью, что обеспечивает большую продолжительность их службы по сравнению с изделиями марок 1ІІЛБ. Однако средняя плотность изделий, получаемых этим способом, составляет 1,0 г/см2 и выше, что объясняется необходимостью введения в формовочные смеси большого количества связующего (огнеупорной глины) для придания сырцу и готовым изделиям необходимой прочности.

Рассмотренные технологические приемы пригодны для получе­ния высокоглиноземнстых теплоизоляционных огнеупоров, напри­мер днстен-силлиманнтовых и некоторых других видов.

Высокопористые теплоизоляционные изделия из чистых огне­упорных оксидов. Огнеупорные изделия, в том числе н теплоизоля­ционные, получаемые из чистых высокоогнеупорных оксидов (Л1203, BeO, Zn02, MgO и др.), характеризуются не только высо­кой огнеупорностью (более 2000°С), но и обладают целым рядом ценных свойств (химической инертностью, низкой электропровод­ностью, высокой стойкостью к коррозии и др.). Это позволяет успешно применять их и различных условиях службы. Производст­во таких высокопористых изделий широко осуществляют лишь способом введения и выжигания органических добавок. При этом стремятся применять тобавки с малой зольностью с целыо сниже­ния негативного влияния золы на огнеупорность изделии.

Способ пенообразования для производства высоконорнстых из - ,/іелпн ні чистых нысокоопфуиорны. х оксидов ма. топр||одеп, так К.1К высокая ІІЛОІПОСП. ОКСИДОВ іребуе т сверх Тонкої о пч помола для получения устойчивых во времени неномасс. При этом резко возрастают затраты электроэнергии на помол. узеличизг^:тся у? а-

Ст опасность загр^знени* материала г. радуктгм}-: Осгтсз-Гье

Недостатки пенового способа присущи и способу газообразования, поэтому основным способом получения таких изделий является в настоящее время способ выгорающих добавок, который также, как будет показано ниже, требует существенного совершенство­вания.

Наиболее типичным и широко используемым теплоизоляцион­ным материалом, получаемым из чистых оксидов, является высоко­пористая корундовая керамика, на примере которой рассматрива­ется в данном учебнике технология высокоогнеупорных теплоизоля­ционных изделий.

Технология высокопористых корундовых изделий и пути ее со­вершенствования. Корундовая керамика содержит не менее 95% оксида алюминия в виде сг-А1203— минерала корунда, встречаю­щегося в природе и получаемого искусственным путем Основным сырьем для получения корундовых изделий служит технический глинозем, содержание оксида алюминия в котором составляет 97...99%. Технический глинозем представляет собой безводный окснд алюминия, известный в нескольких кристаллических моди­фикациях. Самая устойчивая из этих модификаций а-А1203 (ко­рунд). Известны еще две модификации: - у-А1203 и р-А1203. В при­роде встречается только а-форма; у-форма образуется при терми­ческой обработке природных водных оксидов алюминия, например бокситовых пород.

Искусственно полученная у-форма неустойчива и при нагрева­нии в интервале температур от 1100 до 1450°С переходит в устой­чивую а-форму. При этом происходит существенное уплотнение ма­териала: плотность возрастает с 3,5 до 3,99 г/см3, а объемная усадка составляет 14,3%- Величина объемной усадки весьма зна­чительна, поэтому она оказывает существенное влияние на техно­логию изготовления изделий.

Третья — p-форма, по существу, не является чистой модифнка - ционной кристаллической формой глинозема, а представляет собой условное обозначение группы алюминатов с высоким содержанием оксида алюминия. В общем виде состав соединений, входящих в эту группу, можно выразить, например, формулами Ме0-6А1203 и Ме20-12А1203, где МеО может быть представлено СаО, ВаО, SrO и др., a Me20 —Na20, К20, Li20 и др. Обычно содержание в таких алюминатах щелочных и щелочноземельных оксидов состав­ляет 8... 10%- При нагревании до 1600... 1700°С р-глинозем разла­гается, в результате чего образуется а-А1203, а сопутствующие оксиды выделяются в газообразном состоянии. Следует отметить, что р-глинозем снижает механическую прочность и электрофизиче­ские свойства обожженных корундовых изделий, поэтому его при­сутствие в корундовом материале и и составе шихты нежела­тельно.

Искусственно полученный глинозем (сырой глинозем) представ­ляет собой однородный белый порошок с насыпной плотностью 0,85 г/см3. Его зерна состоят из скопления мельчайших кристаллов у-Л1203, имеют шарообразную форму и пористое строение. Такую структуру называют сферолитной. Сферолиты практически не спе­каются, что определяет необходимость их разрушения. С этой целью технический глинозем предварительно обжигают при темпе­ратуре 1300... 1350 С При этом достигается почти полный перевод у-АІаОз в устойчивую «-форму и существенное снижение усадок при обжиге изделий

Вторым видом сырья для корундовой керамики является элек­трокорунд. Чаще всего, особенно для производства высокопори­стых изделий, используют белый электрокорунд, который получа­ют плавлением в электродуговых печах технического глинозема и последующим раздувом расплава. При этом образуются зерна корунда размером от нескольких мкм до нескольких десятков мкм. Обычно в белом электроплавленом корунде содержится 98% и более С1-АІ2О3. При получении высокопористой корундовой кера­мики электрокорунд вводят в состав шихты главным образом для снижения огневых усадок, что создает возможность исключения из технологического цикла калибровки обожженных изделий.

Промышленное производство корундовых высокопористых из­делий осуществляют способом литья, а поризацшо — способом вы­горающих добавок (см. схему на стр. 297).

Формовочную массу приготавливают в лопастных смесителях, она представляет собой шликер следующего состава: предвари­тельно обожженный технический глинозем — 95% по массе; мел — 5%) (мел вводят для снижения обжиговых усадок); древесные опилки — 25 ...30% от массы твердых компонентов; влажность массы — 45...50%). Обычно в воду затворения вводят сульфитно - спиртовую барду или другую пластифицирующую добавку.

Формуют изделия литьем в металлические формы. Сушка сыр­ца осуществляется в формах, в протпвоточных туннельных сушил­ках в течение 42...48 ч при максимальной температуре 100... 110°С. Обжиг изделий осуществляют в туннельных печах по режиму, при­веденному на рис. 15.3.

Высушенные изделия в результате усадочных деформаций и удаления влаги лишь с одной (верхней) поверхности имеют непра­вильную форму и подлежат калибровке, котор ю производят на специальных станках после обжига изделии. В результате выпол­нения этой операции образуется значительное количество отходов в виде кусков, порошка и пыли.

Изделия, получаемые по приведенной технологии, характеризу­ются следующими показателями: средняя плотность —от 1,1 до 1,4 г/см3; прочность при сжатии — от 7 до 10 ЛШа, огнеупор­ность - 1830°С, дополнительная усадка при температуре!500°С— .'і.'.'!>'">, іімілопровочнін 11, при і'речіи и темпера тре /()()"('. 0,56... 0.89 Ві/(м•'С).

К недостаткам традиционной технологии корундовых теплоизо­ляционных изделий следует отнести невозможность получения из­делий со средней плотностью ниже 1,0 г/см3; высокое содержание йоды в формовочной массе, подлежащей удалению испарением, что кроме больших затрат труда приводит к деформации изделий и необходимости их калибровки после обжига; загрязнение мате­риала СаО и снижение в связи с этим его эксплуатационных свойств.

Совершенствование способа выгорающих добавок. Примени­тельно к производству шамотных, дистен-снллимоннтовых (разно­видности нысокоглнпоземистых) и корундовых высокопористых из­делий гоиершсштионапие данного способа должно идти в направ­лении спижсппи средней плотности продукции, улучшении ее
эксплуатационных и функциональных свойств, повышения техно­логичности, снижения энергоемкости и трудоемкости производст­венного процесса, сокращения объема брака и отходов.

Наглядным примером такою подхода мидию и новые техноло­гические принципы, разработанные в MUCH им. В. В. Куйбышева Эти принципы базируются на применении нове «Ефективного вида выгорающей аобавки, позволяющей величігь общую пори­стость їм юли»! с ()5 до 80... 82п >. использовании іаібрап. пи как фак-

10 20 50 W 50 60 70 80 90^4 Рис 15.3 Режим обжига корундовых легковесных изделий:

А — вьп гщая добавка опилки: б — то же, вспенсмныЛ отсев полисти­рола

Тора, позволяющего эффективно уплотнять формовочные смеси при формовании изделии, существенно снижать водосодержание масс, а также на совмещении нескольких технологических процессов в одной производственной операции.

Этот потход можно проиллюстрировать двумя конкретными примерами.

Первый пример — технология корундовых высокопорнстых из­делий, основанная па применении беззольной выгорающей добавки шаровидной формы супсршмкоп плотности (0,Ш..0,0 1 г/см') — мелких фракций (менее 0,5 мм) пепополпетирола, являющегося отходом производства пенопластов, и вибропрессового способа формования изделий из масс с низкой влажностью.

Технологический процесс производства теплоизоляционных огнеупоров (на примере корундовых изделий) с применением рас­сматриваемого способа организуется по следующей технологиче­ской схеме па стр. 299.

Особенности технологии заключаются в следующем. Приготов­ление формовочной массы из компонентов с_резко отличающейся плотностью (вспененный полистирол и зерна огнеупорного компо­нента) требует строгого соблюдения технологических параметров. Во-первых, влажность массы должна быть невысокой (2І... 25% в і ПІІІСПМое I 11 Ol огнеупорною Гі. ірмі) и обеспечивать комкуемость ( мо п. Во вторых, для обеспечении П'іпоротиос і и формовочной смеси необходимо соблюдать следующий порядок загрузки помпо-

Нентов в смеситель: в начале, загружают вспененный полистирол, затем раствор СДБ и после 1 ... 1,5-минутного перемешивания — тонкодисперсный порошок огнеупорного компонента. В процессе перемешивания порошок огнеупорного вещества равномерно нали­пает на смоченные раствором СДБ более крупные зерна пенопо - лнстирола, в результате чего через 6... 8 мин образуется формо­вочная смесь с равномерным распределением компонентов.

Формуют изделия иа виброплощадке в специальных формах, ячейка которых показана на рис. 15.4. Форма состоит обычно из 15...20 таких ячеек. Размер ячеек определяют с учетом воздушных и обжиговых усадок материала. Форму, заполненную массой, кре­пят на виброплощадке, сверху на нее накладывают прпгруз, вы­полненный в виде пуансонов, по размерам совпадающих с ячейка­ми формы. Через 5... 10 с вибрации систему нагружают; величина нагружения не должна превышать 0,03 МПа во избежание дефор­мации зерен пенополистирола, обладающих упругим последейст­вием. По окончании вибропрессования изделия вместе с поддонами выдавливают из ячеек на специальном приспособлении. Сырец на поддонах сушат, снимают с поддонов и направляют на обжиг. В данном случае сушка осуществляется за 8... 10 ч вместо 3... 5 сут.

В зависимости от вида огнеупорного компонента этим способом можно получать изделия со средней плотностью от 0,4 (шамотные) до 0,6 ...0,8 г/см2 (высокоглиноземистые и корундовые).

Изделия не требуют механической обработки после обжига, характеризуются ровными четкими гранями и правитьпой фор­мой. По основным показателям свойств они полностью удовлетво­ряют требованиям стандартов.

1 -1

Рис. 154. Конструкция ячейки многояченковоіі фор­мы для полу-.'ния корундовых теплоизоляционных изделии с применением пенополнетирела

Второй пример — с целыо совершенствования приведенной вы­ше технологии разработан способ, предусматривающий самоуплот­нение масс за счет вспенивания зерен полистирола непосредствен­но в формовочной смесн, уложенной в замкнутую перфорированную форму, конфигурация которой соответствует форме изготовляемых изделий. Такой прием позволяет использовать давление, создавае­мое вспенивающимися гранулами полистирола (0,04 ... 0,05 ЛГ1а), для уплотнен!» смеси и вы шта vi но вы ва пня ш псе изделий, т. е. использовать пенополиетпрол ля выполнения полезной работы, а не просто выжигать с целыо образования пористости. Давление, развиваемое полистиролом при сушке изделий (температура 100... 105°С), позволяет практически полностью исключить сушильные усадки, так как при уплотнении смесн из iieg. механически отжи­мается и удаляется через перфорацию форм более 70% волы затво - рения, т. е. почти вся вот, а, вызывающая усадочные деформации при сушке. Сам но себе этот факт является большим достижением В ІЄМІОЛОІИП керамических HI.'П'Лни I слп же СІНІ учесть и то, что вода удаляется механическим пуіем, л не испарением, т. е. минуя энергоемкий переход из жидкой в газообразную фазу, то становит-
ся очевидным большое практическое значение способа самоуплот­няющихся масс.

Особенности технологии в этом случае заключаются в том, что процессы необходимого уплотнения формовочной массы, формова­ния из нее изделий заданной формы и ее обезвоживания совмеща­ются в одной технологической операции. При этом обеспечиваются нормальные условия труда — исключается любой шум, снижается объем ручного труда.

За счет хорошего и равномерного уплотнения формовочной мас­сы и практически полного отсутствия сушильных усачок изделия, получаемые этим способом, характеризуются более высокой (на 25 ...30%) механической прочностью по сравнению с требованиями стандартов. Преимуществом этого способа является также его универсальность, т. е. пригодность для любого сырья, применяю­щегося в технологии керамики и огнеупоров.

В настоящее время способ самоуплотняющихся масс реализован в новой технологии, которая освоена в системе «Союзогнеупор» Министерства черной металлургии СССР.