Теплопроводность керамического кирпича: Теплопроводность кирпича в сравнении с другими материалами

Теплопроводность кирпича

 

Современный строительный рынок все чаще пополняют новые материалы, восхищающие потребителя качественным исполнением, улучшенными свойствами, обновленными возможностями. Их преимущества над традиционными бесспорны за счет преобладания сразу нескольких характеристик по многим значимым параметрам.

При появлении новых технологий в строительной индустрии не стоит забывать и хорошо проверенные временем стройматериалы. К примеру, кирпичные материалы во все времена относились к востребованным, и никакие факторы не могут повлиять на уровень их популярности. Из них возведено большинство построек, так как они обладают способностью к противостоянию разным климатическим условиям.

 

С давних времен до сегодняшнего дня эта строительная продукция выдерживает весомые нагрузки, проходит долгое испытание временем. Прочность, долговечность, экологические свойства, водостойкость, морозоустойчивость, звуко- и теплоизоляционные характеристики относят его к ряду лучших стройматериалов.

 

Что такое теплопроводность?

 

 

Керамические изделия используют при возведении несущих стен, перегородок между комнатами, облицовочные – дают возможность придать дому и прилегающему к нему забору аккуратный и достойный вид, презентабельность, создают неповторимый стиль, а также увеличивают тепло в доме. При выборе стройматериала для постройки перекрытий, стен и полов именно такие факторы являются самыми важными.

 

На вопрос: «Каким же образом определить величину тепловой характеристики?», отвечают эксперты с богатым и длительным опытом работы. Они авторитетно настаивают на том, что многочисленные виды кирпичной кладки детально исследовались в лабораторных условиях. В соответствии с полученными данными выставлен определенный коэффициент теплопроводности кирпича.

 

Показатели указывают на различные температуры, поскольку тепловая энергия имеет способность постепенного перехода из горячего состояния в холодное. При довольно высокой температуре этот процесс можно увидеть открыто.

Высокоинтенсивная передача тепла обусловлена градациями в температуре.

 

Закон Фурье вкратце

 

Величина степени переноса теплоты обозначается специальным коэффициентом (КТ) – λ, а тепловая энергия измеряется в Вт. Последняя уменьшает свой уровень при прохождении расстояния в 1 мм с различием температуры на 1 градус. В итоге меньшая потеря энергии выгоднее, а стройматериал с небольшим КТ относится к более теплому.

 

Теплопроводный параметр большой мерой обусловлен плотностью, при уменьшении ее уровня понижается и тепловой показатель. То есть плотные тяжелые экземпляры обладают повышенным значением Т, а более легкий вес и меньшая прочность указывает на небольшую Т. Для повышения Т влияют на состав материала, его плотность, соблюдение методики изготовления, влаговместимость.

 

Показатели теплопроводности разных видов кирпичей

 

 

Теплопроводность пустотелого кирпича — 0,3-0,4 Вт/м*К, то есть потеря тепла выше практически вдвое. Вследствие этого такие постройки требуют дополнительного утепления.

У кирпича облицовочного величина данной характеристики зависит от вида, ведь он подразделяется на керамический, силикатный, гиперпрессованный и клинкерный. Наиболее высокий уровень Т у клинкерного, а низкий – у керамического. Силикатный намного холоднее керамического, а наиболее популярный в этом плане – гиперпрессованный. Чем плотнее и прочнее стройматериал, тем выше уровень его Т.

 

 

 

Красный кирпич имеет теплопроводность, зависящую от технологии его производства. Благодаря достаточной плотности и пустотности от 40% до 50% Т составляет 0,2 – 0,3 Вт/м*К. При такой величине толщина стен может быть значительно меньшей, чем в постройке с силикатным.

 

Уровень тепловой характеристики у шамотного кирпича является очень важной их всех остальных показателей. Наиболее важно учитывать этот фактор при возведении печей, а также каминов. Свойство быстро отдавать тепло просто незаменимо при желании иметь у себя дома такие виды обогрева.

Как известно, степень передачи тепловой энергии формируют такие различные качественные свойства: вес, объем, влажность, пористость, плотность, влажность, виды добавок. Большое количество пор, содержащих воздух, создает низкий уровень проведения тепла. Для обеспечения тепла в жилище следует выбирать стройматериалы с низким значением КТ, поскольку он непосредственно влияет на выбор технологии утепления стен и отопительной системы.

Итак, каждый вид кирпича имеет свой коэффициент теплопроводности (КТ), измеряющийся в Вт/м°С или в Вт/м*К. Для силикатного, керамического, полнотелого и пустотелого данные указаны выше. Облицовочный (лицевой) керамический имеет достаточно низкий уровень – 0.3 – 0.5, а гиперпрессованный, наоборот, – 1.1. Красный пустотелый —  лишь 0.3 — 0.5,«сверхэффективный» – от 0.25 до 0.26, полнотелый – от 0.6 до 0.7, глиняный — 0.56.

Кирпичные изделия от разных производителей имеет отличия физических характеристик. Поэтому строительные работы должны вестись с учетом значений указанных коэффициентов, обозначенных в документации от завода-изготовителя. Перед началом работ следует изучить всю сопутствующую информацию, выслушать рекомендации опытных строителей-специалистов и только потом подготовлено начать задуманное строительство.

Коэффициент теплопроводности пустотелого и полнотелого керамического кирпича

Работая с кирпичом, необходимо знать характеристики материала, от которых зависит комфортабельность и надежность постройки. Оригинальные брендовые изделия отличаются высоким качеством, а их параметры полностью отвечают требованиям ГОСТ. Заказывая керамический кирпич от производителя, Вы получаете образцовый строительный материал. Он изготавливается на современном оборудовании из лучшего сырья, поэтому прослужит заявленный ресурс.

Одним из основных параметров, которые учитывают при покупке искусственного камня, является теплопроводность. Она отличается в зависимости от плотности и сырья, из которого изготовлено изделие. В этой статье мы подробно поговорим о теплопроводности и выясним, для чего нужно знать особенности этого критерия.

Что такое теплопроводность кирпича и для чего ее рассчитывают?

Теплопроводность, это способность материала проводить тепло от более нагретой зоны в более холодную. Фактически, при отоплении дома не холод проникает в помещение, а просто настывают стены, на прогрев которых тратится тепловая энергия. Усугубляет данную ситуацию сильный ветер, из-за которого также нахолаживается кирпич.

Материалы с высокой теплопроводностью быстро настывают, у них довольно высокие теплопотери. Чтобы протопить такое помещение, потребуется довольно мощное оборудование. Летом стены также будут сильнее нагреваться, из-за чего в доме будет довольно жарко. Решить этот вопрос можно утеплением, либо использованием более качественного материала.

Коэффициент теплопроводности цельного и пустотелого керамического кирпича

Этот параметр важно учитывать и он должен обязательно отвечать требованиям ГОСТ. Данными стандартами руководствуются при составлении проектной документации, в которой и учитывают при расчете характеристики конструкции зданий.

Теплопроводность нужно знать для подбора отопительного оборудования, а также для принятия решения о дополнительном утеплении здания. При необходимости возможна укладка стены в два кирпича.

Этот коэффициент согласно требованиям ГОСТ составляет:

1. У полнотелого керамического камня – 0,6-0,8 ВТ/м*К. Он более массивный, его плотность равна 1700-1900 кг/м³.
2. У керамического кирпича с пустотами – 0,34-0,47 ВТ/м*К. Этот материал более легкий, его плотность составляет 1100-1400 кг/м³.

Из обзора видно, что материал с ячейками обладает более низкой теплопроводностью, которая отличается практически вдвое. Он существенно легче, что снижает нагрузку на фундамент и упрощает его укладку. Однако керамический кирпич с пустотами уступает полнотелому по прочности, в связи с чем часто используется для многоэтажного строительства.

Чем объясняется разница?

Как известно, воздух – плохой проводник тепла, поэтому у кирпича с пустотами коэффициент ниже. Такой материал медленнее настывает, постройка из него получается довольно теплой. Воздушная подушка обеспечивает защиту от холода даже в условиях холодного климата. Перед строительством внимательно рассчитываются все особенности конструкции, а теплопроводностью руководствуются для того, чтобы определиться с толщиной стен.

Ячейки у пустотелого камня могут быть различной формы, этот критерий указывается в описании. Заказывая продукцию от производителя, Вы получаете изделие высокого качества, которое отвечает всем требованиям ГОСТ. Характеристики нашего материала, в том числе и теплопроводность – полностью соответствуют заявленным критериям.

Другие статьи

Тору Симидзуа*, Казухиро Мацуураб, Харуми Фуруэа, Кунио Мацузака

a AIST (Национальный институт передовых промышленных наук и технологий), Намики 1-2-1, Цукуба, Ибараки 305-8564, Япония b Marukoshi Engineering Corporation, Nu-67 Ishizaki, Nanao, Ishikawa, Japan

Поступила в редакцию 11 октября 2012 г. ; получено в исправленном виде 6 июня 2013 г.; принято 1 июля 2013 г. Доступно онлайн 27 июля 2013 г.

Abstract

Глинозем обладает высокой термостойкостью и коррозионной стойкостью по сравнению с другими видами керамики, такими как кремнезем или муллит. Однако для его применения в огнеупорных кирпичах необходимо снизить его высокую теплопроводность. Чтобы уменьшить эту теплопроводность за счет увеличения пористости, здесь для производства огнеупорного кирпича из глинозема был применен метод GS (желатинирование суспензии), который может производить твердую пену с высокой пористостью. Этот метод был успешно применен для получения пенооксида алюминия с высокой пористостью и оценена теплопроводность пены. При комнатной температуре теплопроводность составляла около 0,12 Вт/мК при плотности пены 0,1 г/см3. При повышенной температуре выше 783 К на теплопроводность пены сильно влияло тепловое излучение, и она увеличивалась с повышением температуры, в отличие от теплопроводности самого оксида алюминия, которая уменьшалась с повышением температуры.

Разработанные пенооксиды алюминия достигли достаточных теплоизоляционных свойств для использования в огнеупорных кирпичах. © 2013 Авторы. Опубликовано Elsevier Ltd. Все права защищены.

Ключевые слова: Пена глиноземная; Высокая пористость; Огнеупорный кирпич; гидрогель; Теплопроводность

1. Введение

Последние насущные потребности в снижении энергопотребления и эффективном использовании энергии требуют высокоэффективных теплоизоляционных материалов.1 Такие требования были выдвинуты в области огнеупорных материалов. Поскольку обычные огнеупорные кирпичи обладают хорошими показателями термостойкости и могут быть произведены с низкими затратами2, они обладают относительно низкими показателями теплоизоляции. Старые теплоизоляторы в печах в настоящее время заменяются высокоэффективными изоляторами, такими как муллитовая вата или алюмооксидная вата. Когда высокая термостойкость не требуется, в качестве такой замены можно использовать либо «микротерм», обладающий очень низкой теплопроводностью, либо недорогую плиту из силиката кальция. Однако, если пористость обычных недорогих огнеупорных кирпичей может быть увеличена, как теплоизоляционные свойства, так и производительность как при помещении 9Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works License, которая разрешает некоммерческое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

* Автор, ответственный за переписку. Тел.: +81 29 861 7183; факс: +81 29 861 7167. Адрес электронной почты: [email protected] (Т. Симидзу).

Температура и повышенная температура могут быть улучшены, и, таким образом, огнеупорный кирпич может стать жизнеспособной заменой.

В нашем настоящем исследовании был разработан огнеупорный кирпич, основными компонентами которого являются глинозем и керамическое волокно, поскольку глинозем обладает высокой теплопроводностью, хотя для повышения его теплоизоляционных характеристик требуется высокая пористость. Традиционно для придания огнеупорному кирпичу пористой структуры используется летучий материал или материал-держатель пространства, а в качестве летучих материалов используются частицы пенополистирола, опилки и крахмал4. Тем не менее, максимальная пористость, которая может быть достигнута с использованием неустойчивых или удерживающих материалов, составляет всего около 60-70%, и, следовательно, повышение эффективности изоляции ограничено. Здесь, используя метод GS (желирование суспензии), который был ранее разработан для производства высокопористой металлической пены,4-6 мы произвели огнеупорные кирпичи из глинозема. Затем мы измерили пористость, механические свойства (например, ячеистую структуру и прочность на сжатие) и теплопроводность пенопласта. Мы также оценили теплопроводность, используя модифицированную модель Кунии. Наши результаты показывают, что этим методом можно успешно производить пенокерамику с пористостью от 9от 4 до 98% и, таким образом, может производить пенокерамику с высокой пористостью и низкой теплопроводностью.

0955-2219/$ — см. вступительную часть © 2013 The Authors. Опубликовано Elsevier Ltd. Все права защищены. http://dx.doi.org/10.1016Zj.jeurceramsoc.2013.07.001

Рис. 1. Метод ГС для получения высокопористой керамической пены.

Таблица 1

Ингредиенты для производства глиноземистых огнеупорных кирпичей.

Ингредиент

Технические характеристики

Порошок оксида алюминия Керамическое волокно Поливиниловый спирт (ПВА) Связующее ПВС ПАВ Пенообразователь 9м

N-300, Nippon GouseiKagaku Co., м.в. = 80000

10 мас.% водный раствор ПВА N-300

Yashinomi Sennzai, Saraya Co. Ltd.

Нормальный пентан (н-пентан)

2. Методы получения и оценки пенооксида алюминия

2.1. Метод GS (желатинизация суспензии)

На рис. 1 схематично показан метод GS (желатинизация суспензии) для производства высокопористой керамической пены. Сначала готовили суспензию, содержащую керамический порошок, пенообразователь и поверхностно-активное вещество в водном растворе полимера. Водным раствором полимера был раствор поливинилового спирта (ПВС), поскольку он образует прочный гель после замораживания и хранится на 10-20 К ниже точки повторного плавления воды.7,8 Вспенивающим агентом был пентан, поскольку его температура кипения составляет 319К, что примерно на 30 К ниже температуры повторного плавления водного раствора ПВС. Затем эту взвесь замораживали в течение 24 ч, а затем оттаивали до образования геля. Затем гель-суспензию нагревали примерно до 333 К, т. е. до температуры, при которой пентан начинает пениться. Для достижения тонкого вспенивания гель суспензии должен поддерживаться на 10-20 К ниже температуры его повторного плавления. Этот шаг в методе GS привел к тому, что суспензия приобрела структуру с закрытыми ячейками. Затем суспензию сушат путем нагревания до заданной температуры, в результате чего получается предшественник керамической пены. Наконец, этот предшественник спекается с образованием керамической пены.

2.2. Производство высокопористого глиноземистого огнеупорного кирпича

В таблице 1 показаны компоненты пенооксида алюминия, обработанного в соответствии с фиг. 1, следующим образом. Сначала готовили суспензию путем смешивания связующего с порошком оксида алюминия и керамическим волокном. Керамическое волокно перемешивается в виде твердого каркаса для предотвращения образования трещин при спекании. В таблице 2 показаны различные концентрации пенообразователя, использованные для определения влияния на пористость пены оксида алюминия, и показаны соответствующие концентрации поверхностно-активного вещества. Затем приготовили гель-суспензию путем замораживания

суспензии при 253 К в течение 24 ч, а затем оттаивания при 293 К. Затем была приготовлена ​​пена путем сначала нагревания геля суспензии, а затем ее сушки в печи с постоянной температурой при 333 К в течение нескольких дней. Наконец, высокопористый огнеупорный кирпич из глинозема затем был сформирован путем удаления связующего вещества из этого предшественника при 773 К в течение 2 часов, а затем спекания в печи при атмосферных условиях при 1773 К в течение 2 часов с использованием протокола, показанного на рис. 2. Эти огнеупорные кирпичи из глинозема содержат 92,2 % Al2O3 и 7,8 мас.% SiO2

2.3. Оценка структуры и прочности пенооксидов алюминия

Структуру пен оксида алюминия наблюдали с помощью электронного микроскопа (Keyence VE-9800, Япония) при ускоряющем напряжении электронов 0,5 кВ. Прочность на сжатие а пен оценивали на основании испытаний на сжатие с использованием автографа (Shimadsu AGS-10kND, Япония). При испытании на сжатие

2000 1800 ~ 1600 ~ 1400

0 5 10 15 20

Время (ч)

Таблица 2

Концентрации шламов для высокопористых огнеупорных кирпичей из глинозема.

Образец пены Порошок оксида алюминия (г) Керамическое волокно (г) Связующее ПВА (мл) ПАВ (мл) Пенообразователь (мл) AF-3 240 40 260 7 7

AF-4 240 40 260 5 5

высота каждого образца 40 мм, поперечное сечение 25 мм x 25 мм, скорость траверсы 10 мм/мин, лазерный дальномер. (Keyence LK-080, Япония) использовали для измерения компрессионного расстояния.

2.4. Оценка теплопроводности пенопластов оксида алюминия

Теплопроводность Xf каждого пенооксида алюминия при комнатной температуре измеряли методом горячей проволоки с использованием QTM-500 (Kyoto Electronics Manufacturing Co. Ltd, Япония) и датчика DP-31. В этом методе (схематически показан на рис. 3) к нагревательной проволоке подавался постоянный электрический ток, а повышение температуры измерялось термопарой, прикрепленной к проволоке. Затем теплопроводность оценивалась по соотношению между нагревом порошка, который оценивался по электрическому току, и повышением температуры по уравнению. (1).9

V = Q m( Î2/1

f 4n \ A0

где Q — мощность, подводимая по длине (в единицах Вт/м) по горячему проводу, ti, t2 — время (с) измерения температуры A0 – разность температур (К) между моментами времени t1 и t2

3. Теоретическая оценка теплопроводности твердой пены

3.1 Теплопроводность твердой пены при комнатной температуре

Теплопроводность твердой пены, A. f, составляет выражается уравнением (2).10

Xf — X§ + Xg + Xç

где Xs, Xg, Xc и Xr — теплопроводность через твердое тело, теплопроводность через газ в ячейке, конвекция внутри ячеек и излучение через стенки ячеек соответственно. Однако при комнатной температуре влияние Xc, Xr достаточно мало, чтобы им можно было пренебречь. Кроме того, теплопроводность воздуха Xair при комнатной температуре невелика и оценивается примерно в 0,022 Вт/мК из таблицы 3.11. Xg воздуха выражается уравнением. (3). При высокой пористости

p1/3 = 1,0.

Xg — Xa

.p1/3=Xair — 0,022(Вт/мК)

В керамической пене Xs почти полностью зависит от теплопроводности клеточной структуры и, таким образом, зависит от относительной плотности pr пены. Это соотношение выражается формулой Лемлиха

12 или моделью Эшби-Гликсмана13,14 как сыпучего материала, f — параметр, относящийся к ячеистой структуре пенопласта и выраженный в уравнении. (5).

É —

где fs — отношение объема стойки к общему твердому объему ячейки. Если ячейка имеет открытую ячеистую структуру, состоящую только из стоек, то f = 1/3, а если ячейка имеет закрытоячеистую структуру, в которой толщина стенки ячейки и диаметр стоек равны, то f = 2/3, Суммарная теплопроводность вспененный материал A.f при комнатной температуре выражается уравнением (6).

A.f = + Xg=f(1 — p)Xb + Xair

3.2. Теплопроводность твердого пенопласта выше комнатной температуры

При повышении температуры пены необходимо учитывать теплопроводность за счет теплового излучения. Модель Кунии выражает теплопроводность пористого материала с учетом теплового излучения следующим образом15,16, таким образом, ее можно использовать для оценки теплопроводности при повышенной температуре как

Xf — Xs + Xg + Xr — (1 — p2/3) Xd C + Xair p1/3

+ I 3 I 10-6(ar Dp)p1/3

Рис. 3. Схема измерения теплопроводности методом термоанемометра. 9воздуха p

Однако, поскольку уравнение. (9) не подходит для пены, р > 80%, мы изменили уравнение. (7) с использованием модели Эшби-Гликсмана

, что дает следующее выражение для Xf при повышенной температуре:

/3.(10)

4. Результаты и обсуждение

4.1 Структура и прочность пенооксидов алюминия

Пористость p пен регулировали изменением состава пенообразователя. /см3), Dp (мкм) и коэффициента усадки Ls.На рис.4 приведены фотографии структуры ячеек пен различных p.Хотя средний диаметр ячеек Dp зависел от p, эта зависимость равна

200firïl

Рис. 4. Фотографии ячеистой структуры пенооксидов алюминия различной насыпной плотности с.

Таблица 5

Теплопроводность (Вт/мК) оксида алюминия (Al2O3 93 мас.%) при повышенной температуре. Проводимость оксида алюминия с пористостью 15,2 % Xf является измеренным значением,21 а проводимость оксида алюминия с пористостью 0 % Xb оценивается по измеренному значению с использованием модели Рассела19. Xf (Вт/мК), P = 15,2% 10,11 7,0 5,23 3,84 3,20 3,08 3,26

Теплопроводность Xb(Вт/мК), P = 0% 12,32 8,54 6,38 4,68 3,90 3,76 3,98

— 10 мкм

нечетко на этих фотографиях. Пены имеют закрытоячеистую структуру, хотя стенки ячеек местами разорваны, что делает эти пены воздухопроницаемыми. На основании изображений репрезентативных клеточных стенок (рис. 5) предполагаемая толщина клеточных стенок составляет около 0,3–1,0 мкм. В процессе изготовления частицы оксида алюминия располагались очень тонко на стенках ячейки. На рис. 6 показаны результаты испытаний на сжатие в виде кривых напряжение-деформация (а-е). На рис. 7 показано влияние р на а(МПа), где обе оси представляют собой логарифмические шкалы, а а оценивали при е = 0,05 и 0,1. На основании рис. 7, а а р2.

4.2. Теплопроводность пенооксида алюминия

На рис. 8 показано влияние p на измеренную теплопроводность Xf пенооксида алюминия, полученного методом GS при комнатной температуре, а также показана теплопроводность Xs, рассчитанная по уравнению. (2). Теплопроводность Xd плотной пены оксида алюминия (93 мас. % Al2O3) при комнатной температуре (12,32 Вт/мК) оценивается с использованием модели Рассела19 по уравнению (11) и ранее измеренная теплопроводность Xs при пористости 15,2 % 93 мас. % Al2O3 при комнатной температуре (10,11 Вт/мК):20

Xs = 1 — p2/3 Xd 1 + p — p2/3

Из рисунка видно, что при f = 1/3 оценка по формуле (3) (сплошные линии) аналогичны результатам измерений (сплошные квадраты), поскольку клеточная стенка очень тонкая и имеет небольшой объем, и в результате fs составляет почти 1,0.

На рис. 9 показаны Xf различных пенопластов оксида алюминия, измеренные при различных температурах от комнатной до 1173 K. Теплопроводность Xd оксида алюминия уменьшалась с повышением температуры, тогда как Xr увеличивалась пропорционально температуре в третьей степени. Таким образом, пены оксида алюминия показали

параболические кривые Xf, которые также наблюдаются в Xf волокон оксида алюминия. (10). В таблице 5 показано значение Xd плотного глинозема (Al2O3 93 мас.%) при температуре выше комнатной, оцененное по измеренному Xf кирпича из глинозема с пористостью 15,2%20 и уравнению. (11). Глинозем имеет высокое значение Xd, которое уменьшается с повышением температуры. 22 В таблице 3 показано значение Xair.11 В методе GS p можно регулировать концентрацией пенообразователя в суспензии, и, таким образом, соотношение между средним значением Dp и p может быть выражено как 9• // ♦ S / > •

* / /v * / / *

r >¿0,05=30,8 / ♦ Деформация сжатия=0,05, ♦ • Деформация сжатия=0,1, < J0,05 лет.и

0,1 0,2 Насыпная плотность пенопласта p(г/см3)

Рис. 7. Насыпная плотность p в зависимости от прочности на сжатие a пенооксидов алюминия, полученных методом ГФ.

273 473 673 873 1073 1273 Температура T (K)

Рис. 10. Теплопроводность Xf пенооксида алюминия, оцененная по модифицированной модели Кунии (уравнение (7)) выше комнатной температуры.

излучения на проводимость. Для более точной оценки теплопроводности необходимо подробное обсуждение лучистой теплопередачи пеноматериалов23.

Ashby-Glicksman Model/

(5=2/3) //

0,1 0,2 0,3

Объемная плотность пены p (г/см3)

комнатная температура.

5. Выводы

Высокопористые огнеупорные кирпичи из глинозема могут быть изготовлены методом GS, в котором пена с 9Пористость 0-97,5% может быть изготовлена. Эти пенопласты обладают высокой прочностью на сжатие от 0,2 до 3 МПа, что пропорционально квадрату объемной плотности. При комнатной температуре они также обладают низкой теплопроводностью (от 0,1 до 0,4 Вт/мК), которая пропорциональна объемной плотности и может быть выражена с помощью модели Эшби-Гликсмана. В пенопластах при температурах выше комнатной теплопроводность за счет твердых частиц оксида алюминия снижается, тогда как теплопроводность за счет излучения увеличивается. Следовательно, оптимальная плотность пены должна быть определена таким образом, чтобы поддерживать низкую теплопроводность от комнатной температуры до высокой температуры. Теплопроводность этих пен сравнительно хорошо оценивается по модифицированной модели Кунии.

g1 0,4

£0,3 >

\ ■ /

—•— S*

— ■ — -m» Z _ •■ » . ‘J -♦•AF-l • » -■- AF- 2

-A- AF-3 —•—AF-4

273 473 673 873 1073 1273 Температура T(K)

Рис.9. KatsubeK, HashidaM, TenraT. Разработка высокоэффективной панели с вакуумной изоляцией. Matsushita Tech J 2006;52(6):482-5.

2 Каталоги продукции Marukoshi Co.

3 ZivcovaZ, GregorovaE, Pabst W, Smith DS, Michot A, Poulier C. Теплопроводность пористой глиноземной керамики, полученной с использованием крахмала в качестве порообразователя. J Eur Ceram Soc 2009;29:347-53.

4 Симидзу Т., Мацудзаки К. Процесс производства металлической пены с использованием гидрогеля и его усовершенствование. Mater Sci Forum 2007; 539-543: 1845-50.

5 Симидзу Т., Мацудзаки К., Кикуч К., Канетаке Н. Способ производства высокопористой металлической пены с использованием гелеобразования связующего на водной основе. J Jpn Soc Powder Порошковая металлургия 2010;57:227-83.

6 Симидзу Т., Мацудзаки К., Кикути К., Канетаке Н. Способ производства высокопористой металлической пены с использованием гелеобразования и эффекта размера зерна используемого порошка. J Jpn Soc Powder Порошковая металлургия 2010;57:284-90.

7 Ватасэ М., Нишинари К. Большая деформация гидрогелей поливинилового спирта, агарозы и каппа-каррагинана. Macromol Chem Phys 1985;186:1081-6.

8 Лозинский В.И., Плиева Ф.М. Криогели поливинилового спирта, используемые в качестве матриц для иммобилизации клеток. 3. Обзор последних исследований и разработок. Фермент Микроб Технол 1998;23:227-42.

9 Coquard R, Baillis D, Quenard D. Экспериментальное и теоретическое исследование метода нагревательной проволоки применительно к теплоизоляции низкой плотности. Int J Heat Mass Transfer 2006;49:4511-24.

10 Gibson LJ’ Ashby MF. Ячеистое твердое строение и свойства. 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 1997.

11 Куний Д. Теплопроводность порошка. J Jpn Soc Chem Eng 1961; 25:892-8.

12 Лемлич Р. Теория предельной проводимости многогранной пены при малой плотности. J Коллоидный интерфейс Sci 1978;64:107-10.

13 Эвайр Д. , Хатцлер С. Физика пены. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета; 1999.

14 Glicksman LR. Теплопередача в пенах. В: Хильярд, Северная Каролина, Каннингем А., редакторы. Ячеистые пластики низкой плотности. Лондон: Чепмен и Хилл; 1994. с. 104-52.

15 Куний Д. Теплопроводность пористых сред излучением. J Jpn Soc MechEng 1962; 65-525: 1447-53.

16 Кунии Д., Смит Дж.М. Характеристики теплообмена пористых горных пород. J Am Inst ChemEng 1960; 6: 71-7.

17 Лич АГ. Теплопроводность пенопластов. I. Модели теплопроводности. J Phys D Appl Phys 1993;26:733-9.

18 Абраменко А.Н., Калиниченко А.С., Бурцер Ю.Калиниченко В.А., Танаева С.А., Василенко ИП. Определение теплопроводности пеноалюминия. J Eng Phys Thermophys 1999;72(3):369-73.

19 Рассел Х.В. Принципы теплового потока в пористых изоляторах. J Am Ceram Soc 1935;18(1):1-5.

20 Оказаки М., Имакома Х. Характеристика пористых материалов, производство и применение. Токио: Fuji Techno System; 1999.

21 Хаяси К., Фуджино Ю. Нишикава Т. Теплопроводность изоляторов из алюминиевых и циркониевых волокон при высокой температуре. Йогё Киокай Ши 1983; 91: 450-6.

22 Японское общество темофизики изд. Справочник по теплофизическим свойствам. Токио: Йокендо; 1990.

23 Kaemmerlen A, Vc C, Asllanaj F, Jeandel G, Baillis D. Радиационные свойства экструдированного пенополистирола: прогностическая модель и экспериментальные результаты. J Quant Spectrosc Radiat Transfer 2010;111: 865-77.

Тору Симидзу Он получил степень бакалавра наук. степень в 1979 из Университета Нагоя, Нагоя, Япония, и начинает исследовательскую работу в качестве исследователя в Лаборатории машиностроения Агентства промышленных наук и технологий (AIST), Министерства международной торговли и промышленности, правительства Японии. Он был старшим научным сотрудником с 1988 года. С 1990 по 1991 год он был приглашенным исследователем CEMEF, Ecole National Sperieure des Mines de Paris, Spia Antipolis, Франция. В апреле 2001 года Агентство промышленных наук и Агентство было возрождено и стало Национальным институтом передовых промышленных наук и технологий (AIST), и он был старшим научным сотрудником AIST.

Область его научных интересов: формование и ковка металлов, компьютерное моделирование процесса ковки, порошковая металлургия, процесс литья порошков под давлением, процесс их удаления связующего с использованием сверхкритической жидкости CO2, процесс аддитивного производства с использованием порошковых материалов и процесс производства металлической или керамической пены из порошка. материалы.

Членство в академических обществах: JSTP (Японское общество технологии пластичности) Член, редактор журнала, бывший член административного совета; Член JIM (Японский институт металлов); Член JSPM (Японское общество порошковой и порошковой металлургии), член административного совета; Член АОЕС (Японское общество вычислительной инженерии и науки).

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 будут рассмотрены изоляционные огнеупорные кирпичи (IFB), которые представляют собой тип теплоизоляционных кирпичей, представляющих 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)

Таблица 1: Средние физические свойства четырех коммерчески доступных IFB класса 23, представляющие основные производственные процессы, используемые производителями.

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.

Таблица 2: Пример рекомендации: плотность IFB 23 не должна превышать 769 кг/м3 (48 фунтов/фут3) и должна иметь усадку менее 2 процентов после 24 часов обжига при температуре 1230°C (2250°F), чтобы быть классифицируется в группе 23.

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.

Таблица 3: Изоляционные свойства огнеупорного кирпича от CeraMaterials. Возможны любые формы и изготовление по индивидуальному заказу.

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.

Таблица 4: Значения теплопроводности изоляционных огнеупорных кирпичей от IN-23 до IN-32 от CeraMaterials. 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 области 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.

Рисунок 1: Изоляционные огнеупорные кирпичи (IFB) представляют собой относительно мягкие кирпичи, изготовленные из огнеупорного керамического материала, который может выдерживать высокие температуры при низкой теплопроводности. (Изображения предоставлены CeraMaterials) Рисунок 2: Стандартные формы изоляционного шамотного кирпича. Доступно множество вариантов и нестандартных форм, в зависимости от применения и потребностей.

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).

Рисунок 3: Пример арок в промышленной печи. Рисунок 4: Насыпные и уложенные на поддоны изоляционные огнеупорные кирпичи. CeraMaterials всегда отправляет кирпичи аккуратно упакованными в картонные коробки и полностью безопасными, чтобы обеспечить безопасную транспортировку до конечного потребителя.

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.