Основные положительные свойства неорганических теплоизоляционных материалов — огнестойкость и биостойкость — сочетаются с высокими теплоизоляционными качествами. Из неорганических теплоизоляционных материалов наиболее распространены минеральная вата и изделия из нее, стеклянная вата, ячеистые бетоны, пеностекло, керамзит.
Минеральная вата и изделия из нее по объему производства занимают первое место среди всех теплоизоляционных материалов благодаря хорошим эксплуатационным свойствам, неограниченной сырьевой базе и относительной простоте производства.
Минеральная вата — материал, который состоит из тонких стекловидных волокон, получаемых из расплавленных горных пород (известняки, мергели, доломиты, базальты, граниты, диориты и др.) или металлургических шлаков. В последнем случае она называется шлаковой ватой. Теплоизоляционные свойства минеральной ваты обусловлены высоким содержанием воздуха (до 95%) между волокнами.
Производство минеральной ваты состоит из двух основных технологических процессов: получения силикатного расплава и превращения этого расплава в тончайшие волокна. Силикатный расплав образуется в вагранках — шахтных плавильных печах, в которые загружают минеральное сырье и топливо (кокс). Расплав с температурой 1300–1400 оС непрерывно выпускают из нижней части печи.
Существует два способа превращения расплава в минеральное волокно: дутьевой и центробежный. Сущность дутьевого способа заключается в том, что на струю жидкого расплава, вытекающего из летки вагранки, воздействует струя водяного пара или сжатого газа. Центробежный способ основан на использовании центробежной силы для превращения струи расплава в тончайшие минеральные волокна толщиной 2–7 мкм и длиной 2–40 мм. Полученные волокна осаждаются в камере волокноосаждения на движущуюся ленту транспортера.
Выпускают ее в виде бесформенной волокнистой массы желтовато-серого или зеленовато-серого цвета, иногда гранулированной в комочки. В зависимости от плотности минеральную вату подразделяют на марки: 75; 100; 125; 150. Теплостойкость минеральной ваты достигает 700 оС. Минеральная вата трудоемка в применении и склонна к слеживанию, поэтому из нее, главным образом, выпускают готовые изделия.
Минераловатные изделия получают путем склеивания волокон различными связующими (синтетическими смолами, битумом, крахмалом) или реже прошивкой минеральной ваты, покрытой с двух сторон бумагой. Выпускают гибкие, жесткие и полужесткие минераловатные изделия. К гибким изделиям относят минеральный войлок, прошивные маты и теплоизоляционный шнур.
Минеральный войлок получают уплотнением минеральной ваты, смоченной битумной эмульсией или синтетической смолой. Выпускают минеральный войлок марок от 100 до 200 в виде рулонов или листов толщиной 30–60 мм.
Минераловатные прошивные маты — полотнища из минеральной ваты с обкладками с одной или двух сторон, прошитые проволокой или нитью, — выпускают длиной 1000–2500 мм, шириной 500–2500 мм, толщиной 40–120 мм.
Минеральную вату и изделия из нее применяют для утепления наружных конструкций зданий, а также для устройства звукоизолирующих слоев в перекрытиях и внутренних стенах зданий. В промышленном строительстве минеральную вату и изделия из нее, кроме того, применяют для изоляции холодильных камер, тепловых сетей (трубопроводы горячей воды, пара и т. п.), оборудования теплоэлектростанций, котельных и т. п.
Стеклянная вата и изделия из нее. Стеклянная вата — материал, состоящий из беспорядочно расположенных стеклянных волокон, полученных из расплавленного сырья. Сырьем для производства стекловаты служат сырьевая шихта для варки стекла (кварцевый песок, кальцинированная сода и сульфат натрия) или стекольный бой. Производство стеклянной ваты и изделий из нее состоит из следующих технологических процессов: варка стекломассы в ванных печах при 1300–1400 оС, изготовление стекловолокна и формование изделий.
В зависимости от назначения вырабатывают текстильное и теплоизоляционное (штапельное) стекловолокно. Средний диаметр текстильного волокна 3–7 мкм, а теплоизоляционного 10–30 мкм.
Стеклянное волокно значительно большей длины, чем волокна минеральной ваты, и отличается большой химической стойкостью и прочностью. Плотность стеклянной ваты 75–125 Кг/м3, теплопроводность 0,04–0,052 Вт/(м хоС), предельная температура применения стеклянной ваты 450 оС. Из стекловолокна выполняют маты, плиты, полосы и другие изделия, в том числе тканые.
Пеностекло (ячеистое стекло) — легкий и прочный материал ячеистого строения с пористостью 80–90%. Пеностекло получают из стеклянного боя с добавлением газообразователей (мела, угля). Полученную смесь нагревают до плавления, при этом газообразователь, разлагаясь, выделяет пузырьки газа, вспенивающие расплав, при охлаждении которого образуется пеностекло. Поры в пеностекле замкнутые, поэтому оно практически не поглощает влагу и, следовательно, морозостойко. Пеностекло хорошо обрабатывается: пилится, сверлится.
Плотность пеностекла 200–300 кг/м3. При такой плотности его прочность довольно высока — 0,5–3 МПа. Промышленность выпускает пеностекло в виде плит толщиной около 100 мм и размером 500x1000 мм. Применяют пеностекло для тепловой изоляции промышленных холодильников, трубопроводов, укладываемых в грунт, и металлических конструкций зданий.
Вспученный перлит и изделия из него. Вспученный перлит представляет собой теплоизоляционный материал, состоящий из пористых зерен.
Сырьем служат горные породы вулканического происхождения стекловидной структуры с наличием связной воды до 6%.
Вспучивание происходит путем обжига при температуре 850–1250 оС в результате испарения воды. Получают щебень с зернами размером от 5 до 20 мм и песок с зернами до 5 мм.
Щебень имеет среднюю плотность от 300 до 600 кг/м3, песок — от 80 до 300 кг/м3.
Вспученный перлит имеет высокую гигроскопичность. Водопоглощение составляет до 60% по объему (800–900% по массе), коэффициент теплопроводности — до 0,055 Вт/(м хоС).
На основе вспученного перлита, который выполняет роль высокопористого заполнителя, и различных связующих получают изделия безобжиговые: битумоперлит, цементоперлит, пластоперлит, стеклоперлит, силикатоперлит, гипсоперлит и обжиговые: керамоперлит, керамоперлитофосфат, перлитовый легковес на основе легкоплавких связок.
Щебень и песок применяют в качестве засыпок при температуре от –200 оС до +1200–1300 оС и в виде заполнителя для легких бетонов.
Битумоперлит применяют для утепления и гидроизоляции совмещенных покрытий, теплоизоляции промышленных холодильников и пр.; пластоперлиты — в трехслойных стеновых панелях, для утепления холодильников, покрытий из профилированного настила; цементоперлит — для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов при температуре до +600 оС;
Стеклоперлит — для изоляции горячих поверхностей с температурой до 600 оС; силикатоперлит — для изоляции панелей стен, холодильных установок, горячих поверхностей с температурой до 900 оС; керамоперлит — для изоляции оборудования и трубопроводов с температурой поверхности до 900 оС; керамоперлитофосфат — для футеровки электронагревательных печей; перлитовый обжиговый легковес — для изоляции горячих поверхностей промышленного оборудования.
Вспученный вермикулит и изделия из него. Вспученный вермикулит представляет собой теплоизоляционный материал, получаемый в результате обжига измельченного минерала вермикулита. При нагревании до температуры 850–880 оС он вспучивается в результате испарения воды, при этом расщепляется на отдельные пластинки, увеличиваясь в объеме в 15 раз и более.
Средняя плотность вермикулита составляет 80–200 кг/м3, теплопроводность — 0,056–0,07 Вт/(м хоС), температура плавления 1210–1350 оС. Из вспученного вермикулита и различных связующих получают жесткие плиты, полуцилиндры, сегменты для тепловой изоляции конструкций, оборудования, трубопроводов.
Изделия на битуме применяют при температуре до 60 оС, на жидком стекле — до 500 оС, на бентонитовой глине — до 900–1100 оС, на цементе — до 1100 оС.
Ячеистые бетоны. Представляют собой искусственный пористый материал, получаемый из минеральных вяжущих, кремнеземистых компонентов и порообразователей.
В качестве вяжущих применяются известь, цемент и гипс. Кремнеземистым компонентом служит молотый кварцевый песок. Применяют также золу-унос, кислые металлургические шлаки, отходы глиноземистого производства.
Поры создаются за счет введения газообразователей (алюминиевой пудры, перекиси водорода) или пенообразователей (клееканифольного, смолосапонинового, гидролизованной крови).
По способу твердения ячеистые бетоны разделяют на неавтоклавные и автоклавные. Названия ячеистого бетона отражают способ образования пор и вид вяжущего: газосиликаты, пеносиликаты, газобетоны, пенобетоны, газошлакобетоны, пеношлакобетоны.
Теплоизоляционный ячеистый бетон выпускается со средней плотностью до 500 кг/м3. Предел прочности при сжатии составляет не менее 0,8–1,2 МПа, теплопроводность — 0,11–0,128 Вт/(м хоС). Плиты из ячеистого бетона применяют для теплоизоляции строительных конструкций и поверхностей промышленного оборудования при температуре до 400 оС.
Асбестосодержащие материалы и изделия. К материалам и изделиям из асбестового волокна без добавок или с добавкой связующих веществ относят асбестовые бумагу, шнур, ткань, плиты и др. Асбест может быть также частью композиции, из которых изготовляют разнообразные теплоизоляционные материалы (совелит и др.). В рассматриваемых материалах и изделиях использованы ценные свойства асбеста: температуростойкость, высокая прочность, волокнистость и др.
Асбестовая бумага — огнестойкий листовой или рулонный материал. Размеры листов 1000x950, толщина 0,5; 1 и 1,5 мм. Бумагу в рулонах выпускают с шириной полотна 670, 950 и 1150, толщиной 0,3; 0,4; 0,5; 0,65 и 1 мм. Плотность асбестовой бумаги 650–1500 кг/м3, теплопроводность 0,1 Вт/(м хоС), предельная температура применения 500 оС.
Асбестовый картон — листовой материал, изготавливаемый из асбестовой бумаги или из асбестового волокна, смешанного с каолином и крахмалом. Средняя плотность картона составляет 900–1000 кг/м3, теплопроводность — 0,157 Вт/(м хоС). Применяют его для изоляции плоских поверхностей и трубопроводов при температуре до 500 оС.
Асбестокремнеземистые материалы — состоят из асбеста и кремнеземистых компонентов. Наибольшее распространение получил асбозурит, в состав которого входит 15–30% асбеста и 70–80% трепела или диатомита. Средняя плотность его составляет 650–850 кг/м3, теплопроводность 0,186–0,256 Вт/(м хоС). Температура применения до 600 оС. Предназначен для приготовления асбозуритовых растворов.
Асбестовый шнур изготовляют диаметром 0,75–55 мм из нескольких крученых нитей с оплетением или без него. Шнуры наматывают в бобины, клубки или бухты и упаковывают в бумагу или полиэтиленовую пленку. Шнуры применяют для тепловой изоляции трубопроводов малых диаметров (до 89 мм) и промышленного оборудования при температурах теплоносителя до 500 оС.
Асбестовую ткань, полученную прядением асбестовых нитей на ткацких станках, выпускают в виде полотнищ длиной до 25 м, шириной 1–1,5 м, толщиной 1,4–1,5 мм, свернутых в рулоны. Плотность асбестовой ткани около 600 кг/м3, теплопроводность около 0,1 Вт/(м хоС). Используют такую ткань для обшивки горячих трубопроводов малых диаметров в один или несколько слоев. Продольные и поперечные швы покровного слоя из асбестовой ткани сшивают тонкой проволокой. Поверхность трубопроводов, покрытых асбестовой тканью, обшивают парусиной или окрашивают красками.
Совелит — наиболее распространенный в нашей стране асбестомагнезиальный теплоизоляционный материал, сырьем для производства которого служат доломит (80%) и распушенный асбест (20%). Совелитовый порошок затворяют водой и наносят на изолируемую поверхность.
На основе совелитового порошка изготовляют плиты длиной 500 мм, шириной 170, 250, 500, толщиной 40–75 мм, сегменты и полуцилиндры длиной 500, с внутренним 057–426, толщиной 40–80 мм. Плотность совелитовых изделий в сухом состоянии не более 400 кг/м3, теплопроводность не более 0,083 Вт/(м хоС).
Совелитовые изделия применяют для тепловой изоляции энергетического и технологического оборудования, а также трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей до 500 оС. Изделия устанавливают насухо или на мастике со смещением поперечных швов и крепят бандажными кольцами (два на длину полуцилиндра). Теплоизоляционный слой должен быть защищен покровным слоем.
Асбестоизвестково-кремнеземистые материалы (вулканит) изготавливают из асбеста (3,26%), гашеной извести (7%), трепела или диатомита (68,8%) и строительного гипса (0,95%). Свое название получил из-за того, что для его изготовления ранее использовали вулканический пепел. Изделия из вулканита пропаривают в автоклаве при давлении 0,8 МПа. Средняя плотность его 350–400 кг/м3, теплопроводность — 0,087–0,093 Вт/(м хоС). Температура применения — до 600 оС.
Применяют асбестосодержащие материалы для изоляции горячих поверхностей технологического оборудования и трубопроводов.
Керамические теплоизоляционные изделия. В зависимости от применяемого сырья керамические теплоизоляционные материалы подразделяют на диатомитовые, трепельные, перлитокерамические, шамотные и др. Их получают путем формования, сушки и последующего обжига. Пористая структура образуется в результате введения выгорающих и пористых добавок. Преимущественно применяется способ изготовления изделий с выгорающими добавками, как самый технологичный.
Диатомитовые и трепельные изделия изготавливают в виде кирпича, сегментов, скорлуп способами выгорающих добавок и вспенивания. Средняя плотность их — до 735 кг/м3, теплопроводность — от 0,087 до 0,174 Вт/(м хоС), предел прочности при сжатии — 0,6–1 МПа. Предельная температура применения — 850–900 оС.
В керамических перлитовых теплоизоляционных изделиях в качестве порообразователя используют перлитовый песок. Для изделий с температурой применения 800–900 оС берут легкоплавкие глины, с температурой применения до 1300–1500 оС — огнеупорные глины и в качестве добавок вводят шамот или дистен-силиманитовый концентрат.
Шамотными называют изделия, получаемые путем формования, сушки и обжига огнеупорных глин или каолинов с отощением шамотом. Шамот — огнеупорная, обожженная измельченная глина, которую вводят как добавку, уменьшающую усадку керамической массы. Огнеупорность шамотных изделий составляет от 1580 до 1750 оС, коэффициент теплопроводности — 0,149–0,418 Вт/(м хоС), средняя плотность — от 400 до 1000 кг/м3.
Высокопористую корундовую керамику получают из технического глинозема. Поризацию осуществляют способом выгорающих добавок. Изделия имеют среднюю плотность 1100–1400 кг/м3, огнеупорность — 1330 оС, теплопроводность — 0,52 Вт/(м хоС).
Применяют керамические теплоизоляционные материалы для тепловой защиты печей, топок, трубопроводов и другого оборудования, работающего при высоких температурах.