Энергоэффективная скоростная технология получения высокотемпературных теплоизоляционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ

Москва 2017

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СКОРОСТНАЯ 
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ 
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ 
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.Н. Соков

2-е издание (электронное)

УДК 666.762.16-127-186
ББК 38.3
С59

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ
Рецензенты:
профессор, доктор технических наук В. Ф. Степанова, заведующая 
лабораторией коррозии и долговечности бетонных и железобетонных изделий 
ОАО «НИИЦ Строительство» НИИЖБ; профессор, доктор технических наук 
В. Ф. Коровяков, заместитель директора ГУП «НИИМосстрой»

Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ

С59
Соков, Виктор Николаевич.

Энергоэффективная скоростная технология получения высокотемпературных теплоизоляционных материалов [Электронный ресурс] : ìонография / В. Н. Соков ; М-во образования и науки Рос. 
Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. 
(эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 329 с.). — М. : Изд-во 
МÈÑÈ—ÌÃÑÓ, 2017. — (Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ). — Систем. требования: Adobe Reader XI 
либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1552-9
Рассмотрена скоростная энергоэффективная технология по созданию 
высокотемпературной теплоизоляции, позволяющая получать менее материалоемкиеизделия повышенного качества с одновременной интенсификацией (в разы) производства, снижением топливно-энергетических расходов 
и ликвидацией некоторых технологических переделов. Представлены результаты исследований по созданию безобжиговой теплоизоляции методом активного синтеза новообразований в процессе их электрогидротеплосиловой 
обработки и эксплуатации в тепловых агрегатах. Раскрыты теоретические 
представления по созданию теплоизоляции с программированной структурой и закономерности планирования изделий с внутренним перераспределением свойств без изменения их размеров и массы. Изучена и использована возможность изменения физико-химических свойств поверхностного слоя 
глиняных частиц.
Для научных и инженерно-технических работников, научно-исследовательских организаций, предприятий строительной индустрии и огнеупорной 
промышленности, а также для преподавателей вузов, докторантов, аспирантов, магистров и бакалавров.

УДК 666.762.16-127-186 
ББК 38.3

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Энергоэффективная скоростная технология получения высокотемпературных теплоизоляционных материалов : ìонография / В. Н. Соков ; М-во образования 
и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — М. : 
Изд-во ÌÈÑÈ—ÌÃÑÓ, 2015. — (Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ). — 328 с. — ISBN 978-5-7264-0869-9.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-7264-1552-9
© Национальный исследовательский Московский 

государственный строительный университет, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Особое место в производстве теплоизоляционных материалов занимают изделия для устройства тепловой изоляции энергетического 
оборудования с температурой изолируемой поверхности более 1000 °С. 
Эффективность применения жаростойких теплоизоляционных материалов основывается на двух основных факторах: повышении эксплуатационных показателей работы тепловых агрегатов и сроке службы самих 
теплоизоляционных материалов. При обеспечении хорошей теплоизоляции степень экономической эффективности промышленного оборудования достигает 95...97 %.
В монографии рассматриваются вопросы создания теплоизоляционных жаростойких материалов, наиболее широко применяемых в Европе 
(и в России особенно) при строительстве тепловых и энергетических 
установок, перехода на единую базовую технологию при производстве 
кварцевых, алюмосиликатных изделий (шамотных и бесшамотных легковесов) и высокоглиноземистых (дистенсиллиманитовых) легковесов. 
Из многообразия высокотемпературостойкой керамики выбраны наиболее типичные виды, на примере которых можно проиллюстрировать 
особенности технологических процессов теплоизоляционных жаростойких изделий.
Целью проведенных исследований являлась разработка научно 
обоснованных принципов энергосберегающей технологии высокотемпературной теплоизоляции с повышенными физико-техническими 
свойствами. Для достижения поставленной цели исследованы и использованы возможности метода самоуплотняющихся масс, в основе 
которого лежит целый комплекс явлений.
Производство жаростойких поризованных материалов характеризуется чрезвычайным разнообразием технологических схем и приемов. 
Только для получения пористой структуры используется более полутора десятков способов. Ряд принятых схем, реализуемых, как правило, 
на небольших заводах и в цехах, далек от совершенства, а получаемый 
материал имеет низкие технико-экономические показатели. По мере 
роста объемов производства и расширения номенклатуры изделий в 
последние 10...15 лет усовершенствованы отдельные технологические 
элементы и переделы. Однако лишь немногие из них заметно улучшили структуру материала и его свойства, повысили экономические пока

затели производства. Кроме того, темп реализации таких разработок в 
промышленности невысок. Промышленность выпускает легковесы по 
литьевой технологии в индивидуальных металлических формах. Производство крупных блоков и фасонных изделий практически не осуществляется из-за большого брака уже в процессе сушки.
Сопоставление технологического цикла производства, качества 
изделий, производительности труда отдельных предприятий страны 
между собой и средних данных по стране с зарубежными показывает 
значительные резервы, которыми располагает промышленность поризованных жаростойких материалов. На отдельных заводах длительность 
цикла сушки составляет 3...10 суток, расход дорогостоящего огнеупорного сырья на 70 % превосходит технически допустимые пределы.
Исследования, проведенные в МГСУ, показали, что переход от традиционных технологий к методу самоуплотняющихся масс позволяет резко сократить сроки сушки сырца с нескольких суток до нескольких часов, повысить прочность изделий, упразднить посты обрезки и шлифовки изделий. 
К тому же, повышая технико-экономические показатели до передового 
уровня, метод самоуплотнения решает еще одну важнейшую задачу — 
создание высокотемпературной безобжиговой изоляции. В сложившейся 
рыночной ситуации исключение процессов длительной сушки сырца и 
высокотемпературного обжига до начала эксплуатации изделий дает возможность сократить технико-энергетические затраты на их производство. 
Необходимо перейти к дифференцированному технологическому подходу 
при изготовлении изделий в зависимости от области его применения.
В монографии также рассматриваются теоретические и технологические аспекты создания легковесной жаростойкой теплоизоляции нового поколения.
Научно-технической концепцией монографии являются теоретическое 
обоснование и практическая реализация высокотемпературной теплоизоляции нового поколения малоэнергоемкими методами, обеспечивающими 
высокое качество изделий с одновременной интенсификацией процессов и 
снижением энергетических затрат. Для решения поставленной научно-технической концепции выдвинута следующая научная гипотеза: создание 
высокотемпературной теплоизоляции нового поколения возможно путем 
применения энергии самоуплотняющихся масс, позволяющей синтезировать новый класс материалов в электротермосиловом поле.

Способ, предложенный МГСУ, заключается в комплексном использовании способности гранул полистирола вспениваться в формовочной 
массе в условиях тепловой обработки. Этот способ получил название 
«способ самоуплотняющихся масс». Он направлен на удаление из масс 
избыточной формовочной влаги, повышение плотности минеральной 
матрицы, модификацию ее микроструктуры. Метод позволяет регулировать свойства изделий в процессе изготовления и при значительном 
сокращении времени сушки получать материал с повышенными физико-техническими свойствами.
В результате анализа различных способов тепловой обработки масс 
предпочтение было отдано электропрогреву, который позволяет обеспечить равномерный прогрев литой системы по объему и создает благоприятные условия для отжатия влаги, уплотнения минеральной матрицы, создания оптимальной структуры.
Имеющийся опыт дает возможность предположить, что распространение данного способа на создание новых модификаций легковесов позволит получить изделия с высокими техническими свойствами. Но для 
успешной разработки параметров технологий новых материалов необходимо решить комплекс вопросов, связанных с процессами формирования структуры, тепло- и массообмена при тепловой обработке масс, а 
также изучить особенности электропрогрева самоуплотняющейся массы в условиях постоянно изменяющейся ее влажности. 

Раздел 1. СОЗДАНИЕ БЕЗОБЖИГОВОЙ 
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ 
НАПРАВЛЕННЫМ СИНТЕЗОМ НОВООБРАЗОВАНИЙ 
В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОГИДРОТЕРМОСИЛОВОЙ 
ОБРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ В ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТАХ

Глава 1. Безобжиговые шамотные легковесы; 
предпосылки для их получения

1.1. Анализ современного состояния производства 
и применения шамотных легковесов

В связи с изменением общей энергетической политики в России — 
переходом от энергозатратного принципа развития экономики к энергосберегающему, заключающемуся в учете и управлении топливоэнергоемкостью общественного производства,  — первостепенное значение 
приобретает проблема энергосбережения.
Применительно к производству изделий с высокотемпературной теплоизоляцией одной из важнейших задач становится разработка технологий безобжиговых материалов. В сложившейся рыночной ситуации 
исключение предварительного высокотемпературного обжига и длительной сушки до начала эксплуатации сырца дает возможность значительно сократить топливно-энергетические затраты производства.
В качестве объекта проводимых автором исследований был выбран 
шамотный легковес — самый массовый и универсальный материал, 
широко применяемый в печестроении и других строительных областях.
Было выявлено, что при производстве шамотного легковеса используются трудоемкие, энергоемкие технологии, в большинстве случаев далекие от оптимальных. Эти технологии в значительной мере связаны с 
применением пенометода в качестве преобладающего технологического 
процесса. Разработок по совершенствованию производства и получению 
наиболее простого и перспективного способа выгорающих добавок до 
сих пор недостаточно, что связано со сложившимся мнением о невозможности получения таким способом изделий пористостью выше 65 %. 
Традиционное теоретическое воззрение на сушку высокопористых масс 
как на процесс удаления воды затворения только испарением привело к 
применению весьма продолжительного цикла сушки (2...5 суток).

В МГСУ разработан иной подход к решению этой проблемы, основанный на гипотезе интенсивного удаления избыточной влаги не испарением, а принудительным отжатием путем теплосилового воздействия 
на подвижные системы, заключенные в жесткий перфорированный 
объем [1].
При комплексном воздействии жидкостекольного вяжущего и гидротеплосилового поля на алюмосиликатные стекла шамота формуемых 
масс образуются тонкие слои клеевых контактов и осуществляется направленный активный синтез кристаллогидратов, которые при нагревании переходят в безводные образования без существенного изменения 
объема твердой фазы и потери прочности. Опыт использования жидкостекольного вяжущего и анализ особенностей процесса гидратации 
на начальной стадии структурообразования системы в условиях теплосилового воздействия и повышенного водосодержания позволяет предположить, что процесс начального самоуплотнения масс совпадает с 
процессом образования различных гидросиликатов и гидроалюмосиликатов натрия, а также геля кремниевой кислоты. При этом растворение 
дисперсной фазы и образование микроскопических зародышей кристаллизации преобладает над процессом образования коагуляционных 
структур, протекание которого осложнено активным массопереносом. 
По мере уплотнения структуры отжатие влаги постепенно прекращается и во время дальнейшей досушки сырца в нем начинается интенсивный рост кристаллических новообразований по всему объему: как на 
поверхности шамотных частиц, так и внутри. Таким образом, теплосиловое воздействие на твердеющую материальную матрицу направлено 
как на механическое удаление через жидкую фазу формовочной влаги, 
так и на модифицирование механизма гидратации и получение прочной 
межпоровой перегородки.
Но создать безобжиговый шамотный легковес лишь посредством самоуплотнения невозможно; для этого необходимо ввести в шамотные 
массы химически активный компонент, который будет катализатором и 
электролитом, обеспечивающим в теле легковеса в периоды сушки и эксплуатации активный синтез высокотемпературных новообразований.
В этом случае к вяжущим композициям предъявляются следующие 
основные требования: во-первых, они должны обеспечить достаточно 
высокую прочность сырца до воздействия на него высоких (рабочих) 

температур, т.е. после сушки сырца, и, во вторых, после первого обжига без существенных усадочных деформаций — еще больше повысить 
прочность легковеса за счет возникновения высокоогнеупорных образований. Вышеизложенное свидетельствует о том, что разработка рациональной технологии безобжигового шамотного легковеса, обладающего высокими термомеханическими свойствами, является актуальной 
задачей промышленности теплоизоляционных материалов.
В настоящее время наиболее массовым и универсальным высокотемпературным теплоизоляционным материалом, широко применяемым в 
печестроении и других строительных производствах, является шамотный легковес. Шамотные легковесы разных марок сейчас производятся 
на пяти отечественных заводах огнеупорных изделий.
Шамотные легковесы пригодны для теплоизоляции любых горячих 
поверхностей. Они успешно применяются в футеровке электропечей, 
в сводах и стенах, в топках паровых котлов, в печах всех конструкций 
(периодических, газокамерных, кольцевых, туннельных), предназначенных для обжига керамической и огнеупорной продукции [2; 3].
Средняя плотность шамотных огнеупорных легковесов, выпускаемых отечественной промышленностью, составляет 1,3...0,4 г/см3, свойства и предельная температура их эксплуатации регламентируются 
ГОСТ 5040-78 (табл. 1.1).
Свойства шамотных легковесов обусловливаются в основном их высокопористой структурой.
Существуют разные способы придания материалу пористости, из 
них наиболее часто применяются следующие [4...9]:
• Способ выгорающих добавок.
• «Газовые» способы, при которых в формовочной суспензии образуются многочисленные мелкие газовые пузырьки путем:
– вспенивания шликера, введением в него пенообразователя или отдельно подготовленной пены (изделия называют пеношамотными);
– вспучивания шликера в результате химических реакций между 
вводимыми в него добавками.
Однако эти способы не являются равноценными. Каждый из них 
имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода порообразования зависит, в основном, от требуемой пористости и заданной структуры изделий.

Таблица 1.1 
Показатели шамотных легковесов

Свойства легковесов
Марка легковеса

ША
ШБ
ШБ
ШБ
ШБ
ШБ
ШБ

Средняя плотность,
г/см3, не более
1,3
1,3
1,0
0,9
0,8
0,6
0,4

Огнеупорность, °С, 
не менее
1730
1670
1670
1670
1670
1670
1670

Дополнительная усадка (знаменатель), %, 
при температуре (числитель),  °С, не более

1400
1

1350
1

1350
1

1300
1

1250
1

1200
1

1150
1

Предел прочности при 
сжатии, МПа, не менее
4,5
3,5
3,0
2,5
2,5
2,0
1,0

Коэффициент 
теплопроводности 
при 600 °С на горячей 
стороне,
Вт/(м·°С), не более

0,7
0,7
0,6
0,46
0,46
0,3
0,23

Температура эксплуатации, °С, не выше
1400
1300
1300
1270
1250
1200
1150

Примечание. ША — шамот класса А; ШБ — шамот класса Б.

Химический способ был впервые применен в СССР в 1936...1940 гг. 
при получении шамотного легковеса из многошамотных масс [9]. Сущность химического способа состоит в следующем: газ, выделяющийся в 
результате химических реакций между шликером и специально введенными добавками, распределяется в массе и вспучивает ее. Для укрепления 
полученной по этому способу ячеистой структуры в керамическую массу 
обязательно добавляют стабилизаторы (гипс, быстросхватывающийся цемент и другие), в противном случае масса снова осаждается вследствие 
разрушения слабых стенок пор. В качестве вспучивающихся добавок применяют алюминиевую пудру в сочетании с кислотами или щелочами, карбонаты с кислотами. В массу вводят также добавки, разлагающиеся при 
нагревании с выделением газа, например, перекись водорода [4; 8; 10...18]. 

Достоинствами этого метода являются возможность получения изделий с равномерной пористой структурой, а также применение относительно грубозернистых материалов.
Но химический способ получения шамотных легковесов до настоящего времени не имеет промышленного применения из-за ряда присущих ему недостатков:
• высокая скорость (спонтанность) химической реакции между газообразователями, сокращающая время приготовления массы и заливки 
ее в формы;
• применение в технологических операциях кислот, при работе с которыми требуются особые меры предосторожности, а также использование устойчивой к коррозии аппаратуры;
• необходимость для стабилизации структуры вспученной массы 
добавки гипса, каждый процент которого снижает огнеупорность на 
10...15 %;
• высокое содержание газомассы, замедляющей сушку, что отражается на продолжительности производственного цикла. Снижение формовочной влажности газомассы невозможно, так как жесткие малоподвижные смеси не вспучиваются из-за их слишком высокой вязкости.
Для совершенствования технологии легковесных шамотов химическим способом был применен качественно новый в этой области технологический прием — виброформование [18].
Шамотно-глиняные смеси относятся по своим реологическим свойствам к пластично-вязким системам. Применяя вибрационную обработку, 
можно временно разрушить их структуру. При этом происходит высвобождение воды, связанной ранее с твердыми частицами, т.е.  тиксотропное 
разжижение системы. Жесткие, малоподвижные шамотно-глиняные смеси при этом приобретают текучесть и легко вспучиваются под воздействием выделяющегося внутри них газа, увеличиваясь в объеме в соответствии с заданной величиной средней плотности изделий.
После прекращения вибрационной обработки вспученная ячеистая 
масса быстро (в течение 2...3 минут) восстанавливает свою первоначальную структурную прочность, т.е. наблюдается быстрое тиксотропное упрочнение системы, что позволяет производить распалубку отформованных изделий сразу же после окончания газовыделения. При 
этом изделия сохраняют заданную им форму.