Лабораторная работа № 15 Изучение теплоизоляционных материалов

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить свойства, область применения теплоизоляционных материалов

В период бурного развития высокотемпературных технологических процессов в металлургии, химии, энергетике и других отраслях тяжелой промышленности развитие технологии силикатов ограничивалось разработкой огнеупорной и теплоизоляционной продукции. Однако новая техника передовых отраслей машиностроения, предъявляющая повышенные требования к работоспособности материалов в экстремальных рабочих условиях эксплуатации изделия, способствовала использованию силикатов для создания высокотемпературных конструкционных материалов.

Основными функциональными свойствами теплоизоляционных материалов яв.яются теплопроводность и предельная температура применения.

Теплоизоляционные материалы относятся к керамическим материалам. Основным сырьем для производства керамики яв-ляются силикаты.

Силикатами (от лат. silex— кремень) называют минералы, обязательным элементом которых является кремнезем SiO2.

1 Jo рабочей температуре эксплуатации керамика существенно превосходит материалы на органической основе. Высокотемпературная теплоизолирующая способность керамики достигается путем ее поризации — насыщения воздухом. Создание пористой структуры керамики достигается разными способами. Наибольшее применение получил способ введения в состав керамики выгорающих компонентов. К его достоинствам следует отнести высокую технологичность, а недостатком является резкое снижение прочности керамики при повышении пористости изделий: получение керамики с пористостью выше 65% затруднительно. Это ограничение снимается при использовании в качестве выгорающей добавки пенополистирола. При этом может быть получена относительно прочная керамика с пористостью до 80%.

Менее распространено введение в состав керамики пористого наполнителя, так как это незначительно снижает общую пористость изделия и удорожает производство материала.

Более перспективен пеновый способ производства пористой керамики, основанный па введении в исходную шихту для получения керамики порообразователя.

Диатомитовая керамика производится из диатомита — осадочной породы, представляющей собой кремнеземистые панцири древних морских организмов — диатомы. Диатомитовая керамика обладает равномерной высокой пористостью, доходящей до 85%. Ее изготовляют в виде кирпича, сегментов и других изделий и применяют до температур 900°С.

. Легковесные огнеупоры, низкая плотность которых получена путем использования выгорающих при обжиге добавок, также обладают теплоизолирующей способностью, сохраняя при этом присущий огнеупорам высокий уровень рабочих температур.

Легковесные огнеупоры с пористостью около 50% успешно применяют для теплоизоляции промышленных печей разного назначения и другого термического оборудования. Более половины всех выпускаемых изделий используют в металлургии, 20% — в машиностроении, остальное находит применение в промышленности строительных материалов, химии, энергетике и других отраслях промышленности.

Пенокерамика — материал, получаемый по сложной технологии, включающей в себя введение в шихту искусственных по-рообразователей. Особенностью технологии является сверхтонкий помол твердых компонентов исходной шихты. Тонкость помола компонентов определяет плотность получаемой пенокерамики.

Создание теплоизоляционных материалов на основе волокон представляет собой новый шаг в развитии теплозащитной техники.

По технико-экономическим показателям волокнистая теплоизоляция значительно превосходит традиционные легковесные огнеупоры.

Волокнистая теплоизоляция отличается от традиционных теплоизоляционных материалов более высокой термостойкостью, вследствие чего может успешно работать в условиях воздействия термических ударов.

Теплопроводность волокнистой теплоизоляции в 2 раза ниже, чем пористой керамики.

Финансовые и трудовые затраты на монтаж футеровки из волокнистой теплоизоляции в 2 раза меньше затрат на теплоизоляцию с помощью огнеупорных легковесов.

Уровень рабочих температур волокнистой теплоизоляции определяется химическим составом волокон.

Минеральная вата представ.яет собой рыхлый материал, состоящий из тонких волокон стекловидной структуры. Ее получают путем переработки силикатных расплавов. Волокна образуются в результате измельчения непрерывной струи расплава при воздействии струи сжатого газа или при контакте с высокоскоростным диском или валком.

Высокая теплоизолирующая способность минера, кьной ваты обусловлена наличием большого количества мелких воздушных пор, пористость минера.ьной ваты достигает 95%.

Для производства минеральной ваты используют горные породы, минеральные промышленные отходы и металлургические шлаки. Температура применения минеральной ваты зависит от исходного сырья п достигает 600°С.

В рыхлом виде минеральная вата практически не используется, так как при транспортировке и хранении вата уплотняется, что ухудшает ее теплоизоляционные свойства. Поэтому минеральную вату? используют преимущественно в виде изделий.

Минеральную вату выпускают в виде штучных изделий в форме плит, цилиндров и полуцилиндров, сегментов, а также в виде рулонных материалов и шнуров.

Минеральную вату? в виде изделий широко применяют для теплоизоляции, как строительных конструкций, так и промышленного оборудования. В жилищном и промышленном строительстве минераловатные изделия используют в качестве утеплителя ограждающих конструкций. Минераловатные изделия получили широкое применение для теплоизоляции трубопроводов горячей воды и пара, а также для теплоизоляции горячих поверхностей промышленного и энергетического оборудования.

Каолиновая вата устойчива в условиях вибрационных нагрузок, инертна к воздействию воды, водяного пара, масел и кислот, является хорошим диэлектриком. Высокие электроизоляционные свойства каолиновой ваты сохраняются до 800°С.

Каолиновую вату выпускают в виде рудонного материала и в виде штучных изделий в форме плит и др.

Предельная температура применения теплоизоляционных изделий из каолиновой ваты 1200°С. Получение более огнеупорных волокон основано на формировании волокна из смеси гонкодисперсного порошка огнеупоров с пластификатором, в качестве которого обычно используют органические полимеры.

Ъысокоогнеупорные волокна также можно получать в промышленных масштабах. Средн тугоплавких оксидных волокон применение получили теплоизоляционные изделия из волокон диоксида циркония. Теплоизо.мщионные плиты из волокон диоксида циркония работоспособны до 1700°С.

Волокнистая теплоизоляция с волокнами карбидов, нитридов и боридов работоспособна в инертной среде и в вакууме до 3000°С, однако ее стойкость в окислительной среде не превышает 800°С. Поэтом}7 такая эффективная теплоизоляция вследствие ее дороговизны, вызванной сложностью технологии, находит применение только в специальных конструкциях новой техники.

Углеродная волокнистая теплоизоляция получается при термической обработке полимерного сырья в бескислородной среде. В качестве волокнистой теплоизоляции используют углеродный войлок и углеродные ткани, которые получают термической обработкой тканых и нетканых текстильных материалов на основе полимеров.

Углеродный войлок выпускают в карбонизованном и графитированном состояниях. Карбонизованный войлок получают путем термической обработки полимерного войлока без доступа кислорода при температуре 1000°С, а графитированный войлок получают термической обработкой карбонпзованного войлока при 2500°С. Для высокотемпературного применения используют графитированный войлок, так как он при нагреве выделяет меньше газов, чем карбонизованный.

Графитовый войлок используют для высокотемпературной теплоизоляции вакуумных индукционных печей и печей сопротивления.

Более удобна в изготовлении и эксплуатации теплоизоляция из углеродной ткани, которую получают термической обработкой вискозной ткани. Теплоизоляция пз углеродной ткани менее громоздка и более прочна, чем войлочная конструкция, при равной с ней теплоизолирующей способности. Такая углеродная теплоизоляция надежно работает до 2200°С в вакууме и до 2800° С в среде аргона.

Основным недостатком углеродной волокнистой теплоизо-ляции яв.кяется ее низкая стойкость в окислительной среде, углеродную теплоизоляцию нельзя эксплуатировать в условиях свободного доступа воздуха в печь. Данный недостаток углеродной теплоизоляции преодолевают путем нанесения на волокна защитных покрытий.

Создание теплоизоляционных материалов па основе анизотропных монолитных материалов яв.кяется принципиально новым направлением развития технологии защиты рабочих элементов тепловых машин от воздействия экстремальных тепловых потоков. Использование анизотропных материалов в качестве теплоизоляции основано на различии их теплопроводности в разных направлениях.

Пирографит образуется в результате высокотемпературного разложения газообразных углеводородов пли паров жидких углеводородов. Пирографит имеет очень низкую теплопроводность в направлении, перпендикулярном поверхности осаждения, что обеспечивает его высокую теплоизолирующую способность. По прочности и химической стойкости пирографит значительно превосходит традиционные углеграфитовые материалы. Преимущества пирографита наиболее наглядно проявляются в высокотемпературной области. Прочностные свойства пирографита также анизотропны. При нормальных температурах пирографит, как и конструкционные графиты, хрупок, однако при высоких температурах приобретает пластичность. При температуре выше 2500°С относительное удлинение пирографита при растяжении превышает 100%. Пирографит сохраняет уникальную способность графита к повышению прочности при нафеве. В сочетании с низкой плотностью эта особенность пирографита делает его весьма привлекательным материалом для использования в транспортном машиностроении.

В высокотемпературной области по удельной прочности пирографит в 5 раз превосходит самый тугоплавкий металл — вольфрам. Поэтом}7 пирографит находит самое широкое применение в качестве высокотемпературной теплоизоляции деталей газового тракта тепловых машин современной техники.

В современных конструкциях пирографит используется в качестве теплозащитных покрытий высокотемпературных деталей, причем высокая прочность пирографита позволяет изготовлять из него и самонесущие детали высокотемпературной теплозащиты.

Теплозащитные свойства пирографита находят также применение в металлургии. Пирографитом защищают рабочие поверхности тиглей, предназначенных для плавки тугоплавких ме-таллов, так как бо.хыпинство из них не смачивает пирографит.

Пиронитрш) бора (или пиролитический нитрид бора) по свойствам во многом аналогичен пирографиту. Это объясняется тем, что нитрид бора является структурным аналогом графита.

По аналогии с пирографитом пиронитрид бора также получают путем высокотемпературного разложения газовых смесей с кристаллизацией на поверхности осаждения кристаллоориентированного продукта. При высоких температурах пиронитрид бора также сублимирует, минуя жидкое состояние.

Пиронитрид бора гоже обладает анизотропией свойств в кристаллографических направлениях. Преимуществом пиронитрида бора но сравнению с пирографитом является его химическая инертность к окислительным средам. Кроме того, пи-ронитрид бора хороший диэлектрик. Он является лучшим из высокотемпературных диэлектриков.

Контейнеры из пиронитрида бора используют в производстве сверхчистых металлов, полупроводников и монокристаллов. Он находит применение в качестве высокотемпературного тепло- и электроизолятора, а также радиопрозрачного материала в специальном машиностроении.

Исследовательский центр НАСА США (NASA Armes Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования. Свойства плит некоторых составов приведены в таблице 15.1.

Таблица 15.1 — Состав и свойства теплозащитных плит из

волокнистой керамики

Марка материала

Состав, %

Прочность прн изгибе, кПа

11лотность, г/см3

Температура поверхности теплозащиты, К

SiO2

Боросиликатное стекло

А12О

3

FRCI

78

22

-

1800

0,18-0,22

1670-1733

АЕТВ12-20

68

12

20

2800

0,02-0,03

1670-1790

НТР16-22

78

-

22

-

0,025

1730

Средний диаметр волокон 3... 11 мкм. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзвуковых самолетов. Такие плиты выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в элек-тродуговой плазме при температуре 1670 К.

Высокопористый волокнистый слой теплоизоляции па основе JFRCI, АЕТВ или НТР защищен облицовкой из слоя карбида кремния. Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от, аб.мщионного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.

Варианты системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рисунке 15.1.

  • 1 — керамика на основе карбида кремния или нитрида кремния;
  • 2 — теплоизоляция; 3 — спеченная керамика; q — тепловой поток

Рисунок 15.1 — Системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов для диапазона рабочих температур 1260... 1700°С

Последовательность выполнения работы

7. Изучить теоретическую часть и дать ответы на контрольные вопросы 1—8.

Контрольные вопросы

  • 1. Назовите основные свойства теплоизоляционных материалов.
  • 2. Укажите достоинсгва и недостатки пористой структуры.
  • 3. Укажите достоинства волокнистых теплоизо.дяционных материалов.
  • 4. Что такое минеральная вата? Укажите её область применения.
  • 5. Область применения графитизированного войлока?
  • 6. Укажите достоинства и недостатки углеродистой волокнистой теплоизо.мщии.

~1. Укажите достоинсгва пиронитрида бора.

8. Область применения пиронитрида бора.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >