Обзор изоляционных огнеупорных кирпичей

Керамические огнеупорные материалы используются для следующих функций:

1. Служат в качестве теплового барьера между горячей средой и стенкой сосуда.

2. Выдерживает физические нагрузки и предотвращает эрозию стенок сосудов под действием горячей среды.

3. Защита от коррозии.

4. Обеспечение теплоизоляции.

Огнеупоры имеют множество полезных применений. В металлургии и керамической промышленности огнеупоры используются для футеровки печей, печей, реакторов и других сосудов, в которых хранятся и транспортируются горячие среды, такие как металл и шлак. Огнеупоры имеют и другие высокотемпературные применения, такие как пламенные нагреватели, установки для водородного риформинга, установки для первичного и вторичного риформинга аммиака, крекинговые печи, коммунальные котлы, установки каталитического крекинга, воздухонагреватели и серные печи.

В этой статье будет рассмотрен теплоизоляционный огнеупорный кирпич (IFB), тип теплоизоляционного кирпича, который представляет собой формованные огнеупорные изделия с температурой применения более 1000 °C и общей пористостью более 45 процентов. IFB представляет собой относительно мягкий кирпич из огнеупорного керамического материала, выдерживающего высокие температуры при низкой теплопроводности. IFB, как правило, легкие и могут быть легко разрезаны ручной ножовкой или любым другим ручным инструментом, таким как долото или дрель. Они идеально подходят для создания нестандартных форм, кривых и полостей. Однако в связи с большой кажущейся пористостью, рыхлой структурой, низкой прочностью, а также плохой стойкостью к разным видам эрозии и износостойкостью, их можно лишь больше использовать в теплоизоляционном слое печей и другого высокотемпературного термического оборудования. Как правило, IFB не подходят для рабочей футеровки и тяжелых несущих конструкций или сред с агрессивной эрозией и износом.

Большинство коммерчески доступных IFB представляют собой алюмосиликатные огнеупорные кирпичи, силикатные кирпичи или легкие корундовые (глиноземные) кирпичи. Химический состав оказывает непосредственное влияние на классификацию огнеупорных кирпичей. Как правило, чем выше содержание глинозема и температура обжига изоляционного огнеупорного кирпича, тем выше температура его классификации.

Наиболее распространенное сырье, используемое для IFB, включает глину, каолин, кианит, муллит, (легкий) шамот, силлиманит или андалузит. На теплопроводность влияют ингредиенты, а также общая пористость, форма пор и распределение пор по размерам. Пористость создается выгорающими материалами и водой. К обычным выгорающим материалам относятся опилки, солома, пузырьки стирола, кокс или целлюлоза. Кроме того, для увеличения пористости можно добавить пену или пенообразователь. Мыло или сапонины используются в качестве пенообразователей, а металлические или карбидные порошки используются в качестве пенообразователей в процессах литья. Таким способом можно производить легкие кирпичи с высокой пористостью.

Сырье и выжигаемые материалы необязательно смешивают в сухом виде и/или смешивают с водой. Количество воды зависит от процесса формования. Различные поставщики производят IFB с использованием различных технологий, включая литье, строповку, экструзию или сухое прессование. Эти различные методы могут привести к различным свойствам и качествам изоляции.

В процессе литья кирпичи отливают напрямую в большие формы, часто сделанные из гипса, с вибрационными вспомогательными средствами для облегчения течения. Водосвязывающее сырье извлекает или превращает воду в гель из навозной жижи и способствует затвердеванию зеленого тела. Процесс гелеобразования можно ускорить, добавив в смесь гипс или цемент. Из-за высокого содержания воды сушка сырых брикетов может занять соответственно много времени. Литье используется для более крупных или более специальных форм от меньшего до среднего объема.

Процесс «строповки» представляет собой непрерывный процесс, при котором массы ссыпаются в большие формы или на конвейерную ленту. Строповочный процесс представляет собой форму экструзии под низким давлением влажной глиняной смеси, содержащей высокие уровни выгорающих добавок, с дополнительным этапом обработки, при котором полуэкструдированный материал набрасывается на непрерывную ленту для создания дополнительной пористости перед сушкой и обжигом. Таким образом можно производить теплоизоляционные огнеупорные кирпичи средней плотности.

Процесс экструзии проталкивает влажную глиняную смесь, содержащую добавки для выгорания, через экструзионное сопло, где экструдат затем разрезают на кирпичи, сушат и обжигают.

Сухое прессование обычно производится одноосно. Метод прессования подходит для производства кирпича более высокой плотности, поэтому чаще применяется для кирпича высокой плотности.

Процесс формования и агенты, повышающие пористость, вызывают типичную пористую структуру изоляционных огнеупорных кирпичей. Это приводит к большому разнообразию теплопроводности в одном и том же классе продуктов, что, в свою очередь, приводит к некоторым различиям в способности различных типов IFB контролировать потери энергии из печи. (Таблица 1)

В IFB низкая плотность сочетается с низкой прочностью. Прочность на сжатие в холодном состоянии указана как нормативное значение. «Горячие» свойства материала должны быть достаточно хорошими, чтобы поддерживать стены и арки при желаемой температуре применения. Прочность на горячий изгиб или ползучесть под нагрузкой являются характерными значениями для использования при высоких температурах.

Обжиг огнеупорных кирпичей часто производится в челночных или туннельных печах непрерывного действия. Температура обжига равна указанной температуре классификации для каждой смеси IFB. Формы IFB дают усадку во время сушки, а также во время обжига. Это приводит к тому, что большинство кирпичей необходимо резать и/или шлифовать до окончательного размера и формы после обжига.

Различные методы производства IFB позволяют производить продукты с различной структурой и химическим составом, которые, в свою очередь, обладают различными эксплуатационными характеристиками. Основным параметром эффективности IFB является способность изолировать, которая с точки зрения измеримых свойств оценивается по теплопроводности продукта. Плотность иногда используется как эмпирический показатель изолирующей способности IFB, но это может ввести в заблуждение.

IFB классифицируются в США по разным группам в соответствии с рекомендациями ASTM C155 (таблица 2). Группировка является результатом температуры классификации и плотности IFB. IFB каждой группы не может превышать определенной плотности и не может превышать усадки в два процента после обжига в течение 24 часов. Температура испытания на 30°C ниже этой температуры классификации.

Как уже говорилось, свойства IFB зависят от химического состава, порообразователей/плотности и температуры обжига. Более высокое содержание глинозема (Al2O3) и более высокая температура обжига IFB приводят к более высокой температуре классификации. Возьмите номер группы и умножьте его на 100, чтобы получить номинальную классификационную температуру. Обратите внимание, что верхняя максимальная температура применения материалов обычно примерно на 100°C ниже температуры классификации.

Таблица 3 содержит список типичных свойств стандартных IFB, обычно доступных в группах с 23 по 32.

Теплопроводность конечного продукта зависит от химического состава, плотности и структуры пор. Изоляционные огнеупорные кирпичи с низкой плотностью и мелкопористой структурой обладают низкой теплопроводностью. Структура пор и плотность во многом определяются производственным процессом. Мелкие выжигаемые материалы и высокое содержание воды в процессе приводят к более тонкой структуре огнеупорного кирпича. Это может быть поддержано использованием пены/пенообразователя. Однако бесконечно уменьшать плотность нельзя. В сыром теле должна быть достаточная структура, чтобы высушить и сжечь его без трещин.

В таблице 4 показаны типичные коэффициенты теплопроводности различных групп IFB.

обычно используются при температурах выше 1000°C (1832°F), поскольку при этих температурах они обеспечивают наиболее экономичную изоляцию по сравнению с альтернативными изоляционными огнеупорами. Структурная природа продуктов также означает, что они обеспечивают лучшую стойкость к истиранию в высокотемпературных средах в сочетании с химической стойкостью (когда химический состав приспособлен для работы с определенными газами) по сравнению с изоляцией из керамического волокна.

При температурах применения выше 1000°C наиболее важным механизмом теплопередачи становится излучение, а не теплопроводность и конвекция, которые являются более важными механизмами теплопередачи при более низких температурах. Большие размеры пор в цементном IFB неэффективны для замедления передачи энергии в задействованных инфракрасных длинах волн, поэтому этот тип IFB демонстрирует более высокую теплопроводность по сравнению с гипсом. И наоборот, микропористая структура литого IFB с его небольшими размерами пор намного эффективнее препятствует передаче энергии в инфракрасном диапазоне, поэтому этот тип IFB демонстрирует низкую теплопроводность. Вот почему микроструктура литого IFB обеспечивает превосходную изоляцию по сравнению с цементным IFB и является наиболее распространенной формой IFB, доступной на рынке.

Еще одним важным следствием экономии энергии, достигнутой за счет использования IFB с более низкой теплопроводностью, является сокращение выбросов CO2. Использование литого IFB вместо цементного IFB снижает воздействие эксплуатации печи на окружающую среду.

Выбор IFB для футеровки печи также повлияет на другие практические аспекты использования печи в производственных условиях. Выбор литого IFB, а не цементного IFB, позволит увеличить скорость нагрева и охлаждения в печи, потому что литой IFB с более низкой плотностью имеет меньшую тепловую массу. Этот эффект наблюдался при тестировании и подтвержден клиентами CeraMaterials в полевых условиях.

Формы

Существуют различные стандартные формы и размеры IFB в зависимости от применения.

Прямоугольные форматы (стандартные квадраты/прямоугольники) наиболее распространены и используются для прямых стен и полов. Стандартные размеры: 9 х 4,5 х 2,5 дюйма и 9 дюймов х 4,5 х 3 дюйма, с разделением на половину толщины.

Существует также ряд стандартных кирпичей для арок, которые включают в себя различные боковые и арочные элементы, клинья, шпонки, боковые и торцевые перекосы, боковые и торцевые перья и расщепления. Эти стандартные формы используются для арок и круглых форм стен и могут быть смоделированы на компьютере, чтобы точно соответствовать любому искривленному пространству и арочным проемам. На рисунках 1 и 2 показаны эти различные стандартные формы.

В США прямые листы групп с 23 по 32 доступны на складе толщиной 2,5 и 3 дюйма от нескольких поставщиков, хранятся на складе и отправляются на поддонах (рис. 4).

Для большинства форм, угловых и арочных, эти IFB редко имеются на складе, вместо этого они вырезаются и шлифуются по размеру по заказу несколькими поставщиками с быстрым оборотом. Все еще существуют тысячи печей, печей, плавилок и печей для термообработки, изготовленных из IFB, которые нуждаются в восстановлении и восстановлении из-за износа, повреждений и чрезмерного использования. В последние годы производство новых печей IFB в большей степени ограничивалось небольшими специальными печами с изоляцией из керамического волокна, заменяющими некоторые применения IFB в более крупных печах.

Новый кирпич может устранить изоляцию

Парул Дубей 1 июня 2018 г. — в Здания, Конструктивные элементы

Большинство домовладельцев, стремящихся снизить расходы на отопление или охлаждение, знают, как это сделать. Первое, что нужно сделать, это обеспечить надлежащую изоляцию дома, обычно скатывая слой розового стекловолокна или вдувая пушистую версию в стены дома.

Но вот относительно новая идея: вместо утепления построить конструкцию из кирпичей, уже набитых материалом, известным своей теплопроводностью. Кирпичи устраняют дополнительные слои изоляции и уменьшают толщину стены.

В строительной отрасли начали использовать стены с внутренней изоляцией с использованием изолированного кирпича и панельных систем, в которых в качестве изоляторов используются такие материалы, как перлит, минеральная вата или полистирол.

Ученые из швейцарской исследовательской группы Empa утверждают, что создали лучший изоляционный кирпич из всех возможных. В нем используется изоляционный материал, отличный от остальных: аэрогель, говорит Яннис Вернери, руководитель проекта.

Группа Вернери показала, что стена, построенная из аэродинамических кирпичей, проводит тепло в восемь раз лучше, чем стена из стандартных глиняных и сланцевых кирпичей.

Кирпичи обладают высокими изоляционными и строительными свойствами. Например, обычная кирпичная стена должна иметь глубину более 6 футов, чтобы обеспечить те же изоляционные свойства, что и стена из аэрокирпича глубиной 8 дюймов. По словам Вернери, стена из перлитового кирпича должна быть примерно на 35 процентов толще, чем стена из аэрокирпича, чтобы иметь такие же изоляционные свойства.

Подробнее для вас: Прочтите о последних новостях в области производства и проектирования на ASME.org

Для достижения таких же показателей изоляции, как у стены из аэрокирпича толщиной 165 мм (слева), стена из перлита кирпич (средний) должен быть толщиной 263 мм, а стена из неизоляционного кирпича, справа, должна быть толщиной более одного метра. Предоставлено: Empa

Аэрогель — это легкий искусственный материал, изготовленный из геля, в котором газ заменяет жидкий компонент геля. По словам Вернери, крошечные пузырьки сводят к минимуму движение молекул воздуха через материал, что делает его идеальным теплоизоляционным материалом.

Исследователи Empa уже использовали аэрогель в изоляционной штукатурке, которая, среди прочего, позволяет модернизировать исторические здания с минимальными потерями энергии, не влияя на их внешний вид.

Затем они перешли к изоляционным кирпичам с аэрогелем. Как и аналогичные кирпичи на рынке, аэрокирпичи изготавливаются из полой стандартной глины, наполненной аэрогелем.

«Аэрогелем можно легко заполнить полости, а затем он соединится с глиной кирпичей», — говорит Вернери. «Аэрогель остается в кирпичах, и вы можете работать с ними как обычно».

Поскольку аэрогель стоит дорого, исследователь Empa Маттиас Кобель и его команда разработали новый метод производства, который, как они надеются, снизит затраты на производство аэрогеля.