Lekkie cegły ogniotrwałe odnoszą się do cegieł ogniotrwałych o niskiej przewodności cieplnej i małej pojemności cieplnej, zwanej również cegłami termicznymiizolacyjne cegły ogniotrwałe. Lekkie cegły ogniotrwałe mają na ogół dużą porowatość i niską gęstość nasypową i są również powszechnie nazywane cegłami ogniotrwałymi termoizolacyjnymi. Tradycyjne lekkie cegły ogniotrwałe mają słabą odporność na erozję, wytrzymałość i odporność na zużycie. Na ogół nie są one stosowane bezpośrednio jako materiały na powierzchnię roboczą, ale są umieszczane za powierzchnią roboczą jako warstwy izolacyjne. Jednak im bliżej powierzchni roboczej znajdują się lekkie izolacyjne cegły ogniotrwałe, tym lepszy jest ich efekt izolacji termicznej. Wraz ze wzrostem wymagań w zakresie oszczędzania energii i redukcji emisji, szerokie zainteresowanie wzbudził rozwój i badania nad lekkimi cegłami ogniotrwałymi o wysokiej wytrzymałości, odporności na wysoką temperaturę i erozję, które można stosować bezpośrednio na powierzchni roboczej.
1. Klasyfikacja lekkich cegieł ogniotrwałych
Lekkie cegły, kluczowy materiał termoizolacyjny w piecach przemysłowych, są klasyfikowane na różne sposoby, w oparciu o różnice w składzie chemicznym minerałów, a także różne cechy temperatury użytkowania, formy istnienia i mikrostruktury.
Z punktu widzenia składu chemicznego minerałów rodzina izolacyjnych cegieł ogniotrwałych obejmuje cegły izolacyjne z tlenku glinu, lekkie cegły o wysokiej zawartości tlenku glinu, lekkie cegły izolacyjne z mulitu, lekkie cegły z krzemionki, izolacyjne cegły ogniotrwałe z gliny, lekkie cegły z wermikulitu i lekkie cegły z diatomitu. Każdy materiał wykazuje inne właściwości ogniotrwałe i ma zastosowanie ze względu na swój unikalny skład chemiczny i skład mineralny.
Biorąc pod uwagę temperaturę użytkowania, klasyfikacja lekkich cegieł ogniotrwałych jest bardziej wyrafinowana. Zgodnie ze standardem temperaturowym współczynnika skurczu po dopalaniu nie większym niż 1% ~ 2%, możemy podzielić go na lekkie cegły ogniotrwałe w niskiej temperaturze (temperatura stosowania poniżej 600 stopni), lekkie cegły ogniotrwałe w średniej temperaturze (temperatura stosowania od 600 do 1200 stopień) i lekkie cegły ogniotrwałe o wysokiej temperaturze (temperatura użytkowania przekracza 1200 stopni). Wśród nich wysokotemperaturowe lekkie cegły ogniotrwałe stały się niezbędnym materiałem izolacyjnym w piecach przemysłowych ze względu na ich doskonałe właściwości termoizolacyjne.
Ponadto istnienie lekkich cegieł ogniotrwałych zapewnia również inny wymiar ich klasyfikacji. Lekkie cegły ogniotrwałe w proszku, kształtowane, włókniste i kompozytowe, te lekkie cegły ogniotrwałe o różnych kształtach nie tylko spełniają potrzeby różnych scenariuszy zastosowań, ale także ukazują różnorodność i innowacyjność technologii materiałów ogniotrwałych.
Wreszcie, z punktu widzenia mikrostruktury, lekkie cegły ogniotrwałe można również podzielić na typ ciągłej struktury w fazie gazowej, typ ciągłej struktury w fazie stałej oraz typ ciągłej struktury w fazie stałej i fazie gazowej. Ta metoda klasyfikacji nie tylko ujawnia właściwości mikrostrukturalne lekkich izolacyjnych cegieł ogniotrwałych, ale także zapewnia podstawę naukową dla naszego dogłębnego zrozumienia i optymalizacji ich działania.
2. Zasada izolacji cieplnej lekkich cegieł ogniotrwałych
Podstawową zasadą stosowaną przy wytwarzaniu lekkich cegieł ogniotrwałych jest zmniejszenie przewodności cieplnej materiału. Ponieważ lekkie cegły ogniotrwałe zawierają dużą liczbę pustych przestrzeni, formą przenoszenia ciepła przez lekkie cegły ogniotrwałe jest przenoszenie ciepła pomiędzy fazą stałą a fazą gazową. Forma przenoszenia ciepła w fazie stałej to głównie przewodzenie, natomiast forma przenoszenia ciepła w fazie gazowej jest bardziej skomplikowana: w procesie przenoszenia ciepła ze strefy wysokiej temperatury do wnętrza materiału izolacyjnego, przed napotkaniem porów, efekt przewodzenia ciepła występuje w fazie stałej. Po napotkaniu porów, ścieżki przenoszenia ciepła stają się dwie: kontynuowanie przez fazę stałą i przenoszenie przez pory. Dla części, która w dalszym ciągu przechodzi przez fazę stałą, w wyniku zmiany kierunku przewodzenia, odległość drogi przewodzenia ciepła znacznie wzrasta, to znaczy opór cieplny staje się większy; ciepło przenoszone przez pory obejmuje przewodzenie, konwekcję i promieniowanie ciepła przez gaz. Specyficzne warunki różnych trybów wymiany ciepła są następujące:
(1) Przewodnictwo cieplne: W normalnych warunkach przewodność cieplna gazu jest bardzo mała. Gazem w porach większości lekkich cegieł ogniotrwałych jest powietrze. Tabela 9 pokazuje przewodność cieplną powietrza w różnych temperaturach. Przewodność cieplna powietrza jest znacznie mniejsza niż materiałów stałych. Dlatego ciepło przekazywane przez pory jest bardzo małe.
(2) Konwekcyjne przenoszenie ciepła: Konwekcyjne przenoszenie ciepła odbywa się głównie poprzez przepływ gazu. Ponieważ pory w większości lekkich izolacyjnych cegieł ogniotrwałych są bardzo małe, przepływ powietrza w porach będzie znacznie ograniczony, prędkość przepływu gazu jest bardzo mała, a przenoszone ciepło jest również bardzo małe. Im mniejsza wielkość porów, tym gorsza płynność powietrza w porach i mniejsza ilość cieczy przenoszonej przez konwekcję. Kiedy średnica porów jest mniejsza niż swobodna droga cząsteczek gazu w porach, cząsteczki gazu przestają się poruszać i ciepło nie jest przenoszone przez konwekcję gazu.
(3) Radiacyjne przenoszenie ciepła: Ponieważ gazem w porach większości lekkich cegieł ogniotrwałych jest powietrze, a cząsteczkami gazu są głównie N2 i O2, wszystkie są symetrycznymi dwuatomowymi strukturami molekularnymi. Zdolność tych cząsteczek gazu do pochłaniania i emitowania promieniowania jest stosunkowo słaba. Dlatego radiacyjne przenoszenie ciepła przez pory odbywa się głównie przez wysokotemperaturową ścianę porów do ściany o niskiej temperaturze. Ale ogólnie rzecz biorąc, promieniowanie ciepła przez pory nie jest zbyt duże. Można zauważyć, że obecność porów ma ogromny wpływ na właściwości termoizolacyjne lekkich cegieł ogniotrwałych. W wielu przypadkach projektowanie materiałów termoizolacyjnych odbywa się wokół wprowadzenia porów.
