Анализ теплопроводности теплоизоляционных материалов на основе металлургических шлаков и глин

Многие технологические процессы осуществляются при высоких температурах, в связи с чем возникает необходимость использования эффективных теплоизоляционных материалов. В качестве теплоизоляционного материала, предназначенного для футеровки промышленных печей, могут использоваться композиционные материалы на основе молотых металлургических шлаков и глин [1…3].

Необходимость определения значений теплопроводности различных материалов необходимо для правильного их использования при различных условиях эксплуатации, а также для проведения ряда теплотехнических расчетов, например, потерь теплоты через футеровку печей.

Как правило, теплопроводность керамики и изделий на ее основе зависит от состава кристаллической и стекловидной фаз, а также от пористости.

Прямой зависимости между кажущейся плотностью и теплопроводностью нет. Теплопроводность значительно влияет на термическую стойкость изделий. В керамических материалах передача тепловой энергии зависит от свойств материала (химический и минералогический состав, структура, влажность, кажущаяся плотность), но и от температуры и пористости. Следовательно, при формировании структуры композита следует учитывать пригодность глин и используемых металлургических шлаков [4…8].

С повышением температуры проводимость тепла сначала снижается, а затем возрастает за счет конвекции и увеличения доли лучистого переноса тепла внутри этих материалов.

Пористость материала снижает его теплопроводность почти в линейной зависимости. В пористом материале тепло передается через каркас и воздушные прослойки — поры (если материал сухой).

Снижение теплопроводности пористого материала можно объяснить ростом контактного теплового сопротивления ввиду того, что теплопроводность пор значительно меньше, чем теплопроводность любой из твердых фаз при низких температурах, а коэффициент теплопроводности воздуха наименьший из всех коэффициентов теплопроводности природных и искусственных материалов: ?=0,023 Вт/(м?°С).

Форма и размер не оказывают значительного влияния на коэффициент теплопроводности, однако ориентация пор при определенной пористости существенно изменяет коэффициент теплопроводности. Закрытая пористость способствует снижению теплопроводности.

Теплопроводность пористых материалов значительно повышается с ростом температуры. Она пропорциональна температуре в кубе и линейно пропорциональна величине пор. Повышение влажности пористых материалов увеличивает теплопроводность, так как коэффициент теплопроводности воды (?=0,58 Вт/(м?°С)) почти в 25 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха.

Особое значение имеет показатель теплопроводности для специальных теплоизоляционных материалов, например, футеровки промышленных печей.

Для определения теплопроводности жаростойких глиношлаковых материалов была отформована серия образцов различных составов (табл. 1). Образцы представляли собой пластинки материала размером 10?10?1,9 см и изготавливались методами прессования и виброуплотнения. После твердения в нормальных условиях образцы были высушены при t=105−107°С до постоянной массы и испытаны. После испытаний образцы были помещены в печь, где прокаливались при температуре t=800−850°С в течение 4 часов, после чего были снова испытаны на теплопроводность.

теплопроводность футеровка пористый жаростойкий Таблица 1. Составы исследуемых жаростойких глиношлаковых образцов.

Как показали проведенные испытания, значительное влияние на теплопроводность оказывают плотность изделий и вид наполнителя (табл. 2).

Таблица 2. Плотность и теплопроводность жаростойких глиношлаковых образцов.

Плотность готовых изделий в свою очередь обусловлена видом формования (прессование или виброуплотнение) и количеством заполнителя. Так как в наполненных составах количество вводимого заполнителя было одинаковым (100% от массы ГШВ), то здесь особую роль играет вид заполнителя и его фракционный состав. Максимальные значения теплопроводности получены на образцах, содержащих бой шамотного кирпича фр. 1,25−2,5 мм, что может быть объяснено высоким показателем теплопроводности самого заполнителя, приготовленного дроблением шамотного кирпича.

Виброуплотнение, как вид формования, позволяет получить эффективные жаростойкие изделия с более низкой плотностью, чем у прессованных, что, в свою очередь, значительно снижает показатели теплопроводности. Если у необожженных ненаполненных прессованных ГШ образцов теплопроводность составляет 0,565 Вт/м?°С, то у виброуплотненных 0,373 Вт/м?°С, что ниже на 44%. У наполненных необожженных виброуплотненных образцов теплопроводность в среднем ниже на 25−35% по сравнению с прессованными.

После однократного обжига теплопроводность глиношлаковых композитов понизилась, что объясняется ростом показателей пористости за счет структурных изменений материала при воздействии высоких температур. Для ненаполненных обожженных глиношлаковых образцов теплопроводность снижается на 4,2% для виброуплотненного состава и на 10,2% для прессованного. В наполненных составах теплопроводность образцов после обжига снижается в среднем на 2,8% для прессованных на 17,2% для виброуплотненных.

Таким образом, исследования на теплопроводность указывают на достаточно высокую эффективность использования жаростойких ГШ материалов с учетом подбора оптимального вида формования, вида заполнителя и степени наполнения им.

Библиографический список.

• 1. Тарасов, Р. В. Эффективный жаростойкий материал на основе модифицированного глиношлакового вяжущего [Текст] / Р. В. Тарасов: канд. диссертация. — ПГАСА, 2002.-150 с.
• 2. Калашников, В. И. Новый жаростойкий материал для футеровки промышленных печей [Текст] / В. И. Калашников, В. Л. Хвастунов, Р. В. Тарасов, Д. В. Калашников // Строительные материалы. — 2003. — № 11. — С.40−42.