Объемная плотность огнеупорного керамического волокна - это отношение веса волокна к общему объему материала. Этот показатель является важным критерием рационального выбора футеровки и существенно влияет на коэффициент теплопроводности:
A. Коэффициент теплопроводности изделий из керамического волокна снижается с увеличением объемной плотности, однако этот эффект постепенно уменьшается. При превышении определенного диапазона плотности теплопроводность перестает снижаться и может даже возрастать.
B. При каждой температуре существует минимальный коэффициент теплопроводности и соответствующая ему оптимальная объемная плотность. При повышении температуры минимальная теплопроводность достигается при большей плотности.
Правильное понимание и использование этих закономерностей имеет важное значение для применения керамического волокна. Основной механизм теплоизоляции керамического волокна - это использование замкнутого воздуха в порах материала. При фиксированном удельном весе волокон, чем больше пористость, тем меньше объемная плотность.
Объемная плотность < 96 кг/м³: из-за колебаний и конвекции газа внутри смешанной структуры, а также увеличения радиационной теплопередачи, коэффициент теплопроводности увеличивается при снижении плотности по экспоненциальной зависимости.
Объемная плотность > 96 кг/м³: с ростом плотности поры внутри волокон становятся более замкнутыми, увеличивается доля микропор, движение воздуха ограничено, теплопередача через волокна уменьшается (тепловое сопротивление увеличивается), а радиационная теплопередача через стенки пор также снижается, что ведет к уменьшению коэффициента теплопроводности.
Объемная плотность 240–320 кг/м³: увеличивается число контактных точек между твердыми волокнами, формируется своеобразный «мостик» для теплопередачи, что снижает теплоизоляционный эффект пор. В результате коэффициент теплопроводности перестает снижаться и может увеличиваться.
Таким образом, для пористых волоконных материалов существует оптимальная объемная плотность, при которой достигается минимальный коэффициент теплопроводности.
Для зарубежных слоистых керамических футеровок плотность керамических волокон на горячей поверхности составляет 130–160 кг/м³.
Для композитных футеровок с плоским укладочным слоем - 200–240 кг/м³.
Плотность волоконных изделий уменьшается в слоях от горячей к холодной поверхности стенки печи. При высоких температурах снижение коэффициента теплопроводности с ростом плотности более заметно, чем при низких. Использование слоистой структуры с различной плотностью по толщине позволяет сохранить равномерное тепловое сопротивление, сократить расход волокна и уменьшить затраты на строительство печи.
