Керамические теплоизоляционные материалы

Введение 

Общая технология  производства керамических изделий

Керамзит

Керамическая  вата

Шамотные теплоизоляционные  огнеупорные изделия

Легковесные перлитокерамические  изделия

Высокопористая  корундовая керамика

Керамоперлитофосфатные  и керамоперлитовые изделия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

     Теплоизоляционными  называют строительные материалы, которые  обладают малой теплопроводностью  и предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций  жилых, производственных и сельскохозяйственных зданий, поверхностей производственного  оборудования и агрегатов (промышленных печей, турбин, трубопроводов, камер  холодильников и пр.). Эти материалы  имеют небольшую среднюю плотность  — не выше 600 кг/м3, что достигается  повышением пористости.

В строительстве  тепловая изоляция позволяет уменьшить  толщину ограждающих конструкций (стен, кровли), снизить расход основных материалов (кирпича, бетона, древесины), облегчить конструкции и понизить их стоимость, уменьшить расход топлива  в эксплуатационный период. В технологическом  и энергетическом оборудовании тепловая изоляция снижает потери теплоты, обеспечивает необходимый температурный режим, снижает удельный расход топлива  на единицу продукции, оздоровляет  условия труда. Чтобы получить достаточный  эффект от применения тепловой изоляции, в инженерных проектах производятся соответствующие тепловые расчеты, в которых принимаются конкретные разновидности теплоизоляционных  материалов и учитываются их теплофизические  характеристики. Эти мероприятия  позволяют успешно решать проблему экономии топливно-энергетических ресурсов. По основной теплофизической характеристике — теплопроводности — теплоизоляционные материалы делят на три класса: А — малотеплопроводные, Б — среднетеплопроводные и В — повышенной теплопроводности. Классы отличаются величиной теплопроводности материала, а именно: при средней температуре 25°С материалы класса А имеют теплопроводность до 0,06 Вт/(м-К), класса Б — от 0,06 до 0,115 Вт/(м-К), класса В — от 0,115 до 0,175 Вт/(м-К). Самым характерным признаком теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, поскольку воздух в порах имеет меньшую теплопроводность, чем окружающее его вещество в конденсированном состоянии (твердом или жидком). При величине пор 0,1—2,0 мм воздух имеет в них теплопроводность, равную 0,023—0,030 Вт/(м-К). Пористость теплоизоляционных материалов может составлять до 90 и даже до 98%

     Теплопроводность  резке возрастает при увлажнении теплоизоляционных материалов, так  как теплопроводность воды равна 0,58 Вт/(м-К), т.е. примерно в 25 раз выше, чем  у воздуха. 

Керамические  теплоизоляционные материалы, обладающие сочетанием легкости и малотеплопроводности, био- и коррозионной стойкости, негигроскопичности и несгораемости, являются наиболее перспективными для современного строительства. Керамические материалы представляют интерес с точки зрения технологической  возможности их изготовления. При  их производстве применимы все известные  в технологии керамики методы подготовки сырья, формования, сушки и обжига. Поэтому их изготовление может быть организовано на базе действующих предприятий по производству керамических материалов, либо на вновь построенных с применением типового оборудования.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Общая схема производства керамических изделий

При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, назначению, виду сырья и  технологии изготовления основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и обжиг.

Добыча глины  осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка поверхности от растений за год-два до начала разработки, удаление пород, непригодных для производства.

Подготовка  глин и формование изделий

Карьерная глина  в естественном состоянии обычно непригодна для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы. Подготовку глин целесообразно вести сочетанием естественной и механической обработки. Естественная обработка подразумевает собой вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодическом увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специализированных машин (глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграторов, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глиномешалок, пропеллерных мешалок и др.).

В зависимости  от вида изготовляемой продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способами. Способ приготовления массы определяет и способ формования и название в целом способа производства.

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста с влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее простым, наименее металлоемким и потому наиболее распространенным. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу.

Жесткий способ формования является разновидностью современного развития пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. Вакуум-пресс итальянской фирмы "Бонджени", например, создает давление прессования до 20 МПа. В связи с тем, что "жесткое" формование осуществляется при относительно высоких 10-20 МПа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку, а получение изделия сырца с повышенной прочностью позволяет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе. Формование при пластическом и жестком способах завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах. Эти способы формования наиболее распро-странены при выпуске: сплошных и пустотелых кирпичей, камней, блоков и панелей; черепицы и т.п.

Полусухой способ производства строительных керамических изделий распространен меньше, чем способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты с влажностью 8-12% при давлениях 15-40 МПа. Недостаток способа в том, что его металлоемкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но вместе с тем он имеет и преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и более точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства - золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1-3 мм.

Прессование изделий  производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий  на гидравлических или механических прессах. По этому способу делаются все виды изделий, которые изготовляются и пластическим способом.

Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%. При этом устраняется полностью необходимость операции сушки. Таким способом изготовляют плотные керамические изделия-плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подготовить массу для изготовления керамических изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Этим способом изготовляются сани- тарно-технические изделия, облицовочные плитки.

Сушка изделий

Перед обжигом  изделия должны быть высушены до содержания влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге.

Прежде сырец  сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в течение 2-3 недель в зависимости от климатических условий.

В настоящее  время сушка производится преимущественно  искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение от нескольких до 72- х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя - отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха - 120-150°С. 

Обжиг изделий

Обжиг - важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение. При нагреве сырца до 120°С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В температурном интервале ог 450°С до 600°С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. При 800°С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твердой фазе на границах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева  до 1000°С возможно образование новых  кристаллических силикатов, например силлиманита А,*Siа при нагреве до 1200°С и муллита З А,*2Si. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. Эта усадка называется огневой усадкой. В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин.

В зависимости  от назначения обжиг изделий ведется  до различной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водопоглощением менее 5%. Большинство строительных изделий обжигается до получения черепка с неполным спеканием в определенном температурном интервале от температуры огнеупорности до начала спекания, называемым интервалом спекания. Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50- 100°С, а огнеупорных до 400°С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания изделий при обжиге.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900°С до 1100°С для кирпича, камня, керамзита; от 1100°С до 1300°С для клинкерного  кирпича, плиток для полов, гончарных  изделий, фаянса; от 1300°С до 1450°С для  фарфоровых изделий; от 1300°С до 1800°С для  огнеупорной керамики. 
 
 

Керамзит

Керамзит представляет собой легкий пористый материал ячеистого  строения с закрытыми порами. Основное применение он находит как заполнитель для легких бетонов . Для получения керамзита применяют легкоплавкие глины, содержащие 6—12% окислов железа, 2—3% щелочных окислов и до 3% органических примесей. Если в глине недостаточно органических примесей, то в нее вводят угольную пыль, торфяную крошку и другие материалы. При обжиге глины происходит размягчение материала и выделение газов и паров воды. Последние вспучивают частично расплавленную массу, образуя в ней поры. Спекание материала с образованием закрытых пор заканчивается в момент интенсивного газо выделения.

Производство  керамзита осуществляют по трем технологическим  схемам. При наличии плотных камнеподобных глин, хорошо вспучивающихся, обжиг ведут по сухому способу без формования, сразу после дробления сырья. При полусухом способе можно применять слабовспучивающиеся глины. В этом случае глину подвергают дроблению, сушке, помолу и вводят органические добавки, затем смесь тщательно перемешивают