Главная > ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ > СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ВОЛОКОН

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ВОЛОКОН

, Свойства огнеупорных волокон в значительной степе­ни определяются их структурой, которая зависит от ви­да применяемого сырья и технологии получения волокна. В настоящее время известны волокна с монокристалли­ческой, поликристаллической и стеклообразной микро­структурой. ^

Поликристалличеокие и монокристалличеокие волок­на можно получить следующими способами.

- Испарение коллоидных суспензий. Волокна получа­ются путем быстрого испарения с нагретой плоской по­верхности тонкой пленки коллоидной суспензии, содер­жащей оксид или оксиды, которые должны принять воло­книстую форму. По мере испарения коллоидной суспен­зии пленка растрескивается вдоль цепочек наполнителя и образуются волокна, Получаемые волокна имеют не­правильное поперечное сечение с размерами: ширина — до 0,3 см, отношение ширины к толщине — от 3:1 до 10:1 при длине 0,5—5 см.

Экструзионная технология заключается в продавли - вании вязкой смеси тонкомолотого "огнеупорного оксида с органическим связующим через платиновые фильеры и последующем обжиге. Получаются жесткие, умеренно прочные волокна диаметрам 0,1—0,2 мм. Во время об­жига необходим точный контроль температур для пре­дотвращения нежелательного роста кристаллов.

Прядильная технология получения волокон аналогич­на технологии получения текстильных органических во­локон. Отличие заключается в том, что вытягиваемые из вязкой массы волокна содержат наполнитель — тонко­дисперсный порошок оксида, который становитеся един­ственным компонентом волокна после термической об­работки. В промышленных масштабах освоен выпуск только волокон у-А1203 и Zr02. Волокна обжигаются при температуре 1550°С. Получается волокно диаметром около 25 - мкм.

Поликристаллические волокна, полученные как по экструзионной, так и по прядильной технологии, харак­теризуются в 2—5 раз большей жесткостью и несколько большей прочностью, чем стеклянные волокна. Сопротив­ление длительному термическому воздействию у них не­высокое (область применения при длительном термиче­ском воздействии от 540 до 1260°С). Однако сопротивле­ние термическому удару гораздо выше, чем у любых су­ществующих огнеупорных волокон. Использование поли­кристаллических волокон в виде ваты или изделий неце­лесообразно из-за-очень высокой стоимости их производ­ства. В настоящее время поликристаллические волокна применяют в качестве армирующего элемента в керами­ческих и металлических матрицах.

Получение волокна стекловидной структуры осущест­вляется следующими способами: вытягиванием нити из штабика (штабиковый способ); переработкой расплава в волокно с последующей химической и термической об­работкой волокон; переработкой расплава с получением готового к использованию продукта. Штабиковый способ применяется в основном для получения текстильных кварцевых волокон. Этим методом получают таїкже в не­больших количествах кварцевые волокна в виде ваш! Этот способ производства непригоден для получения теп­
лоизоляционного волокна в широких масштабах из-за низкой производительности (не более 2—6 «г волокна віч).

Технология производства волокна путем 'переработ­ки расплава с последующей химической и термической обработкой предусматривает получение расплава Si02 с добавкой до 25% щелочных оксидов (в основном Na20). Расплав такого состава легко перерабатывается в вату способами раздува. Полученную вату подвергают кис­лотной (для выщелачивания), а затем термической (для дегидратирования) обработке. В результате волокна соь ращаются по диаметру и длине, значительно теряют прочность и эластичность, но "приобретают повышенную огнеупорность. В промышленном масштабе эту техноло­гию используют для получения изделий, волокна которых содержат 98—99-% SiCV

Переработка расплава в готовое волокно наиболее широко применяется в технике. Технология огнеупорных волокон по этому способу принципиально не отличается от технологии минеральной ваты. Для получения рас­плава в производстве огнеупорного волокна в настоя­щее врейя используют только электродуговые печи, по­зволяющие плавйть любое силикатное сырье и поддер­живать в расплаве заданную температуру. Подбор со­ставов для получения огнеупорной ваты основывается на следующих положениях. Поскольку волокна, получаемые из расплава, находятся в стеклообразном состоянии, их

Устойчивость при воздейст­вии высоких температур оп­ределяется двумя фактора­ми: устойчивостью против рекристаллизации, которая приводит к полному разру­шению волокна или к ча­стичной потере прочности, и термической устойчивостью или температурой спекания, соответствующей температу­ре появления жидкой фазы.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ВОЛОКОН

Рис. 2,1.1. Положение ха­рактерных зон отвердева­ния стеклообразующих рас­плавов в зависимости от скорости охлаждения 1—5 — зоны

Устойчивость волокна против рекристаллизации связана с наличием в стек­ле оксидов-стеклообразова - телей. Эта зависимость под­
чиняется общестатической закономерности — чем выше содержание стеклообразователя в двухкомпонентной и более системе, тем выше склонность к стеклообразова - нию. Кристаллизационная способность каждой отдель­ной системы должна рассматриваться с учетом ее диаг­раммы состояния. Для общего случая зависимость склон­ности разных составов к кристаллизации от скорости'ох- лаждения представлена на рис. 21.1. Как видно из гра­фика, нижняя граница зон 1 и 2 (стабильные стекла) со­ответствует 20-*-30%-ному содержанию стеклообразова­теля. Следовательно, первое ограничение по составам для производства высокотемпературостойкого волокна можно сформулировать следующим образом: содержа­ние стеклообразователя в шихте должно быть не менее 20—30%.

Математический критерий склонности' оксидов к стеклообразованию был выведен Гарино-Каниным и име­ет следующий вид:

Где г — валентность; Vc и Vv — соответственно суммарный объем пустот и катионов в единице массы или объема.

Оксиды, имеющце критерий А выше 1000, являются типичными стеклообразователями. Во. всех случаях, ко­гда стеклообразователь имеет критерий А - от 100 до 1000, для ^получения стекла требуется специальная тех­ника скоростного охлаждения расплава, а на основе ок­сидов с критерием А ниже 100 вообще нельзя получить стекла из-за их высокой кристаллизационной способно­сти. Из шести известны^ оксидов с критерием А выше 1000 в качестве стеклообразователей практически мож­но использовать только два: В203 и Si02, поскольку ос­тальные диссоциируют до образования расплава. В203 имеет очень низкую температуру плавления (450°С). Сле­довательно, для производства івьісокотемпературостой- ких волокон оксидом-стеклообразователем должен быть - только Si02.

При выборе составов для получения высокотемпера- туростойкой ваты с точки зрения термической устойчи­вости предпочтение следует отдать системам с возможно меньшим числом компонентов, поскольку по правилу Рауля-Вант-Гоффа при приближении к любому веществу другого, не образующего с ним твердого раствора, во всех случаях наблюдается понижение температуры плав­ления. ' і

Однако использовать для получения огнеупорного волокна только Si02 затруднительно из-за высокой тем­пературы его плавления и высокой вязкости. Повыше­ние температуры расплава с целью понижения вязкости приводит к интенсивному выгоранию Si02 при взаимо­действии с угольными электродами:

2 Si02 + 3 С SiO І 3 СО t + Si.

Для уменьшения температуры плавления без значи­тельного снижения температуростойкости волокон при­меняют, как правило, двухкомпонентную систему, содер­жащую в качестве стеклообразователя SL02 и один из огнеупорных оксидов A1203s CaO, MgO, Sr02. Решение о пригодности. каждой отдельной двухкомпонентной си­стемы для получения огнеупорного волокна может быть принято на основе анализа соответствующей диаграммы состояния. При этом следует оговорить, что диаграммы состояния соответствуют кристаллическому состоянию вещества, и связь кривых, представленных на диаграм­мах состояния, со стекловидным состоянием вещества не является однозначной, а зависит от скорости охлаж­дения или нагревания. Следовательно, по диаграмме со­стояния можно судить только об области температур стеклования и трансформации, а не конкретной цифре, зафиксированной линией солидуса. Температура солиду - са — это температура появления жидкой фазы^в то вре­мя как при температуре ликвидуса количество жидкой фазы достигает 100%- Если массивный образец при тем­пературе солидуса всего лишь теряет несколько процен­тов своей прочности из-за появления жидкой фазы, то волокно толщиной от одного до нескольких микрон уже в начале появления жидкой фазы спекается с другими волокнами. Таким образом, из-за различия в толщине температура солидуса является определяющей по терми­ческой устойчивости волокна. Кроме того, по диаграмме состояния можно определить составы, соответствующие минимуму кристаллизационной способности, поскольку минимум кристаллизационной способности характерен для тех составов, при которых в качестве первых фаз выделяются одновременно два и более видов кристалли­ческих соединений (эвтектические точки, границы по­лей на диаграммах состояния). Эвтектические составы должны обладать преимуществами прті выборе состава для получения волокна и потому, что имеют минималь­ную температуру плавления при равной (для области данной эвтектики) температуростойкости волокна.

Потеря прочности при рекристаллизации зависит при равных составах от диаметра волокна. В толстом волок­не (более.10 мкм) внутренние напряжения, приводящие к разрушению волокна в процессе кристаллизации, го­раздо больше аналогичных напряжений в тонком волок­не (1—б мкм). В частности, установлено, что если тол­стое волокно в процессе кристаллизации теряет 90— 100% своей прочности, т. е. рассыпается самопроизволь­но или при^ совершенно незначительном механическом воздействии, то тонкое волокно того же состава теряет в процессе кристаллизации не более 70—75% прочности, причем начальная прочность такого волокна значитель­но выше,(из-за меньшего количества микродёфектов). Отсюда следует, что огнеупорное волокно должно иметь средний диаметр не (более 5 мкм.

Наиболее широко применяются в промышленной те­пловой изоляции алюмосиликатные волокна, /получае­мые методом раздува расплава. К таким волокнам отно­сятся «Каовул», «Файберфракс» (США), «Тритон као­вул» (Англия), каолиновая вата (СССР). Основные'по­казатели свойств и химические составы этих волокон приведены в табл. 21.1.

Таблица-21.1. Основные свойства и химический состав высокотемпературных волокон

Показатели свойств

Вид волокон

«Каовул» (США)

«Файбер­фракс» (США)

І

«Тритон каовул» (Англия)

Каолино­вая вата (СССР)

«Рефразил» (Англия)

І

«Сэффил» (Англия)

Химический

Состав,

АЬОз

45,5

51,2

45

45—55

95

Si02

50,5

47,4

52

55-45

5

Zr02

3,4

92

J20

8

Ti02

2,1

1,7

Температура

Плавле-

1750

1750

1750

1750

2000

2500

Иия, °С

Температура

Приме-

1260 кр*

1260

1260

1260 кр*

1400

1600

Нения,°С

1100 дл**

1100 дл**

* Прн кратковременном применении. ** При длительном применении.

Температура длительного применения ограничивает­ся . 1100°С. Диаметр волокон равен 2—3 мкм, длина рав­на 125—250 мм. Известны высокоглиноземистые и цир­кониевые волокна «Сэффил» (Англия) с температурой применения соответственно 1400°С и 1600°С. В США ос­воено изготовление волокна на основе циркония с добав­кой оксида иттрия, повышающего стабильность волокна при высокой температуре. Температура применения тако­го волокна достигает 2700°С.

Огнеупорные волокна используют в виде комовой ва­ты и изделий. Изделия из огнеупорных волокон широко применяются в различных отраслях промышленности: для теплоизоляции миксеров, конверторов и воздухона­гревателей металлургических производств, отжигатель­ных печей и т. д.; для футеровки желобов и труб при разливе и транспортировании жидких металлов;, для на­бивки термокомпенсационных швов в печах ич других тепловых агрегатах; для тепловой изоляции газовых тур­бин, современных энергетических установок с высокими тепловыми параметрами, трубопроводов перегретого па­ра, высокотемпературных печей, топок, паровых котлов, камер сжигания и теплообменников и т. п.

ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

  1. Пока что нет комментариев.