К искусственным теплоизоляционным материалам относятся пористые легковесные огнеупоры и различные волокнистые материалы. Для средне- и высокотемпературных огнетехнических установок используют различные легковесные огнеупоры: алюмосиликатные, магнезиальные, цирконовые и др.
Легковесные огнеупоры изготавливают различными способами. Наибольшее распространение получили метод выгорающих добавок, пенометод и метод вспучивания.
Механическая прочность легковесных огнеупоров меньше чем плотных, а газопроницаемость в 2,5…4 раза выше. Но повышенная газопроницаемость самого огнеупора не оказывает заметного влияния на потерю тепла. Установлено, что в кладке печей основной причиной фильтрации газов через футеровку является газопроницаемость швов кладки [9].
В качестве теплоизоляционных материалов широко используют минеральную вату и стекловату. Минеральная вата – волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород и металлургических шлаков или их смесей. Её химический состав колеблется в широких пределах. Главными компонентами, входящими в состав минеральной ваты, являются SiO2, Al2O3, СаO, MgO. Кроме того, в зависимости от состава исходного сырья в вате могут присутствовать окислы железа, марганца, щелочных металлов и некоторых других химических элементов.
Стекловолокно – разновидность минерального волокна. Сырьем для изготовления стекловолокна служит шихта, состоящая из кварцевого песка, известняка (доломита) и соды (сульфата натрия), смешанных в определённой пропорции. Шихта расплавляется в стекловаренной печи и затем перерабатывается в стекловолокно.
В настоящее время широкое применение получили различные виды волокнистых материалов, изготовленных из керамических волокон алюмосиликатного состава. Эти волокна изготавливаются на основе природных и искусственных материалов, содержащих Al2O3 и SiO2 (95…99 %). Диаметр волокон 2…3 мкм, длина 100…250 мм. В процессе получения волокна переплетаются между собой и образуют лёгкую массу, похожую на вату. Она легко прессуется, а после пропитки связующим раствором служит сырьём для изготовления войлока, ткани, матов, плит, кирпича, фасонных изделий и т.д.
Изделия из керамических волокон обладают целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных огнеупоров:
1) низкая плотность;
2) малая теплопроводность;
3) хорошая эластичность и устойчивость против вибрации;
4) высокая температура службы;
5) химическая стойкость;
6) пониженная теплоёмкость.
Керамическое волокно алюмосиликатного состава получают плавлением в электропечи при температуре 1900…2000 °С из природного каолина, шамота или смеси глинозема и песка.
Тонкая струя расплава через течку попадает в поток перегретого пара под давлением 6…7 бар, в котором и происходит образование волокон. Вместе с паром волокна попадают в осадительную камеру на сетчатый конвейер, работающий под разрежением. В процессе осаждения волокна переплетаются и получается лёгкий рыхлый материал – вата.
Если волокна имеют длину 100…120 мм, то пропуская вату через валки, можно сразу получить рулонный материал.
Охлаждаясь от температуры плавления до 200…300 °С, окислы не успевают кристаллизоваться, поэтому волокна имеют аморфную структуру. При нагреве волокон до 1270…1280 °С происходит расстеклование окислов и начинается процесс образования кристаллов. Волокна теряют свою эластичность, становятся хрупкими и не выдерживают даже самой минимальной нагрузки. Поэтому температура длительного применения этих материалов не превышает 1200 °С.
Одним из таких волокнистых материалов является каолиновая вата. Основное качество каолиновой ваты – высокая термостойкость и низкая теплопроводность.
К недостаткам изделий на основе алюмосиликатных волокон можно отнести: сравнительно низкую стойкость в высокоскоростных газовых потоках; хрупкость ограничивающую их применение при наличии динамических нагрузок; достаточно сложный технологический процесс изготовления.
Но преимущества этих материалов полностью компенсируют недостатки и они применяются во многих отраслях промышленности.
В последнее время находят применение теплоизоляционные материалы, изготовленные на основе базальтовой ваты. Они имеют низкий коэффициент теплопроводности 0,038…0,046 Вт/(м·К) и выдерживают температуру до 900 °С. Изделия на основе базальтовой ваты обладают существенной вибростойкостью, экологически безопасны, огнестойки, практически не взаимодействуют с агрессивными средами.
Применение для теплоизоляции и футеровки волокнистых материалов и легковесных огнеупоров позволяет уменьшить вес огнеупорного слоя в несколько раз, а, следовательно, сократить расход металлоконструкций, уменьшить расход топлива, получить значительную экономию времени и рабочей силы при монтаже и ремонтах огнетехнических установок, увеличить срок службы футеровки и т.д.