Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие сведения

1.1 Общая характеристика и свойств минеральной ваты

2. Технология минеральной ваты

2.1 Сырьевые материалы

2.2 Печи для получения силикатного расплава

2.3 Свойства силикатного расплава

2.4 Способы переработки расплава в волокно

2.5 Связующие вещества и способы их смешивания с минеральной ватой

2.6 Формование минераловатного ковра

3. Расчет состава шихты для производства минеральной ваты

3.1 Метод составления и решения алгебраических уравнений

3.2 Метод последовательного приближения

3.3 Расчет шихты

4. Расчет минерального баланса

5. Назначение минеральной ваты и изделия на ее основе

5.1 Виды теплоизоляционных изделий из минеральной ваты

6. Контроль производства минеральной ваты и изделий

7. Технологическая схема конвейерной технологии производства минероловатных плит

Список использованных источников

Введение

минеральный вата силикатный

Сейчас во всём мире прослеживается тенденция к увеличению производства теплоизоляционных материалов из базальтового волокна, обусловленная ростом капитального строительства тепло-энергосберегающих объектов и их лучшими технико-экономическими характеристиками по сравнению с другими теплоизоляционными материалами.

Минеральная вата - это волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород, металлургических шлаков и их смесей.

Мягкие и полужесткие минераловатные плиты, а также плиты повышенной жесткости, имеют высокие показатели по экологической чистоте, теплопроводности, плотности и несгораемости, соответствующие современным требованиям к теплоизоляционным материалам. Этим обусловлено их широкое применение при строительстве, реконструкции или ремонте жилых домов и промышленных зданий, а также теплоизоляции трубопроводов различного назначения. Только одна плита из минеральной ваты площадью 1 кв.м толщиной всего 50 мм, утепляя внешнюю стену, позволяет экономить в год 108 MДж энергии. Изоляция из минваты позволяет экономить энергоресурсы и за счёт этого сокращать выбросы СО2 и других загрязнений. В недостаточно изолированных внешних перегородках конденсируется водяной пар. Вата характеризуется очень низким диффузионным сопротивлением, то есть высоким коэффициентом паропроницаемости. При утеплении минеральной ватой, пар свободно уходит, и, тем самым, устраняется источник отсырения перегородки. Стены "дышат", создавая здоровый микроклимат помещений.

Минвата не горит и препятствует распространению пламени. Минвата не выделяет токсических газов, дыма при воздействии огня, увеличивая время для эвакуации при пожаре. Минеральная вата - это волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород, металлургических шлаков и их смесей. Ведущие мировые производители минераловатной продукции в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно такой материал рекомендуется применять для ответственных конструкций - в случае, когда требуется многолетняя надёжная работа строений.

Основным свойством минеральной ваты, отличающим её от других теплоизоляционных материалов, является негорючесть в сочетании с высокой тепло- и звукоизолирующей способностью, устойчивостью к температурным деформациям, негигроскопичностью, химической и биологической стойкостью, экологичностью и лёгкостью выполнения монтажа.

По требованиям пожарной безопасности изделия из минеральной ваты относятся к классу негорючих материалов. Более того, они эффективно препятствуют распространению пламени и применяются в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты. Также изделия из минеральной ваты могут быть использованы в условиях очень высоких температур, но при условии, что они не будут подвергаться механическим воздействиям, способным изменить их форму, после того как связующий компонент (присутствующий в них) разрушится. Дело в том, что минеральные волокна способны выдерживать температуру выше 1000°С, в то время, как связующий компонент начинает разрушаться уже при температуре 250°С. При более высоких температурах даже после разрушения связующего волокна остаются неповрежденными и связанными между собой, сохраняя свою прочность и создавая защиту от огня.

Изоляционные материалы из минераловатного утеплителя отличаются высокой химической стойкостью. Более того, минераловатный утеплитель является химически пассивной средой и не вызывает коррозию контактирующих с ней металлов. Теплоизоляционные и механические свойства изделий из минеральной ваты сохраняются на первоначальном уровне в течение десятков лет. Применение минеральной ваты позволяет обеспечить не только тепло-, но и звукоизоляцию стен. Минеральная вата значительно снижает риск возникновения стоячих звуковых волн внутри ограждающей конструкции, тем самым, увеличивается изоляция от воздушного шума. Звукопоглощающие свойства материала увеличивают затухание акустических волн и значительно снижают звуковой уровень помещения. Достоинства минераловатных утеплителей дополняет лёгкость выполнения монтажа и конструкций. Все минераловатные изделия на основе базальтовых горных пород экологически безопасны. Мягкие изделия легко режутся ножом, а более плотные - ножовкой. В зависимости от области применения и технических характеристик, производители выпускают теплоизоляционные материалы из минеральной ваты различных марок. Изоляция ограждающих конструкций включает в себя, как мягкие плиты и маты для применения в каркасных конструкциях, так и жёсткие и полужёсткие плиты, используемые, например, в фасадных конструкциях, где изоляция находится под воздействием нагрузок.

1. Общие сведения

1.1 Общая характеристика и свойств минеральной ваты

Технические требования к минеральной вате приведены в ДСТУ Б В.2.7-94-2000 (ГОСТ 4640-93). Минеральная вата (минвата, минераловатный утеплитель, каменная вата) - волокнистый теплоизоляционный материал на синтетическом связующем, получаемый исключительно из минерального сырья - силикатных расплавов горных пород (часто используются силикатные расплавы из доменных шлаков, смесей осадочных и изверженных горных пород).Минеральная вата, т.е. вырабатываемое промышленным методом минеральное волокно, по своим свойствам очень напоминает асбестовое волокно. Она характеризуется значительной устойчивостью к высоким температурам и действию химических веществ[3]. Минеральная вата обладает также отличными тепло и звукоизоляционными свойствами. В строительстве она может почти полностью заменить асбестовое волокно. В настоящее время вырабатывается значительное количество минеральной ваты, находящей широкое применение в строительстве. Цвет минеральной ваты белый, светло-серый, зеленоватый, коричневый, темно-бурый. Высокие теплоизоляционные свойства минеральной ваты обусловлены наличием большого количества воздушных пор: пористость достигает 95-96% . Диаметр волокон ваты колеблется от 1 до 10 мкм. С увеличением диаметра волокна увеличивается теплопроводность, поэтому стандартом ограничен диаметр волокна - не более 8 мкм. Длина волокна колеблется от 2-3 мм до 20- 30 см. Средний диаметр волокон и их длина зависят как от химического состава расплава, так и от ряда технологических факторов. Чем длиннее волокно, тем более упругими и прочными получаются изделия. Помимо волокон вата содержит частицы расплава, не вытянувшиеся в волокно. Эти включения получили название «корольки». Форма этих частиц в основном сферическая. Корольки повышают теплопроводность минеральной ваты, являясь «мостиками» передачи тепла. Объемная масса минеральной ваты зависит от среднего диаметра волокна, содержания корольков и степени уплотнения. Стандартом предусмотрено определение объемной массы при удельной нагрузке 0,002 МПа, что соответствует нагрузке, которую испытывает вата в процессе эксплуатации. При одинаковой удельной нагрузке объемная масса возрастает с увеличением диаметра и содержания корольков. Стандартом предусмотрен выпуск ваты марок 75, 100, 125. Содержание корольков размером свыше 0,25 мм ограничивается стандартом: для марок 75-12%; 100-20%, 125-25%.Водопоглощение минеральной ваты при погружении в воду очень велико -до 600%).. Гигроскопичность колеблется от 0,2 до 2%. Грибоустойчивость минеральной ваты зависит от условий эксплуатации. Минеральная вата не является благоприятной средой для развития грибов. Однако под действием органических кислот, выделяемых грибами, минеральная вата может разрушаться. Повысить грибоустойчивость можно путем повышения кислотности волокон. Температура спекания ваты 700-800°С, соответственно температура применения 600-700°С.

Кислая вата меньше подвержена расстекловыванию. Минеральная вата обладает огнезадерживающими свойствами благодаря негорючести и малой теплопроводности. Теплопроводность зависит от диаметра волокна, объемной массы и содержания неволокнистых включений в вате. Увеличение диаметра волокна влечет за собой повышение теплопроводности. При увеличении диаметра волокна с 3 до 12 мкм теплопроводность растет на 10%. Сырьем для производства минеральной ваты чаще всего являются отходы промышленности - металлургические, и топливные шлаки, золы, керамический стеклянный бой, бой силикатного кирпича и пр., а также горные породы. Измельчение сырьевых компонентов способствует ускорению реакций силикатообразования и гомогенизации расплава, которая необходима для получения стабильных свойств волокна.

2. Технология минеральной ваты

Производство минеральной ваты включает следующие процессы: подготовку сырья; плавление сырья и получение силикатного расплава; переработку расплава в волокно; формирование минераловатного ковра; рулонирование минераловатного ковра. Общая технологическая схема производства минеральной ваты приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Общая технологическая схема производства минеральной ваты

2.1 Сырьевые материалы

Требования к сырью, согласно ДСТУ Б В.2.7-94-2000 (ТОСТ 4640-93).

Металлургические доменные шлаки - один из основных видов сырья для производства минеральной ваты. Химический состав их представлен следующими наиболее важными оксидами, % по массе:₂ - 35…40;

А1₂О₃ - 7…17; е₂О₃ + FеО - 0,5…3;

СаО - 31…47;

Мg0 - 5…11;

МnО - 0,4…2,2.

Подшихтовку шлаков производят кислыми добавками с высоким содержанием SiO₂ и Al₂O₃ с целью понижения модуля основности шихты М_о до значения не более 0,8 (или модуля кислотности М_к до значения не менее 1,25), определяемых по формулам:

Ваграночные шлаки характеризуются повышенным содержанием кислых оксидов и пониженным - основных, % по массе: SiO₂ - 40…46; А1₂О₃ - 10…18; Fе₂О₃+FеО - 5…15; СаО - 20…34; МgО - 1,5…8. Модуль основности M_о=0,35...0,72 (М_к=1,37...2,82). Их можно использовать как однокомпонентное сырье, а также в качестве подкисляющей добавки к более основным шлакам. Имеют невысокую температуру плавления.

Мартеновские шлаки относятся к основным шлакам с содержанием СаО+МgО - 42…54%, SiO₂+А1₂О₃ - не более 40%; М_о=1,3...2 (M_к=0,49...0,76). Характеризуются повышенным содержанием Fе₂О₃+FеО - 8…24%. Их можно использовать как добавку к очень кислому сырью с целью повышения подвижности силикатного расплава и производительности плавильного агрегата за счет высокого содержания основных оксидов и как плавень, понижающий температуру плавления за счет повышенного содержания оксидов железа.

Шлаки цветной металлургии, как правило, в большинстве своем пригодны для производства минеральной ваты. Имеют разнообразный химический состав, но в основном относятся к кислым и ультракислым шлакам, имеют М_о=1,1...0,3 (M_к=0,9...3). Вязкость расплавов шлаков никелевого, оловянного, цинкового, свинцового производств при температуре 1250…1350°С вполне приемлема и составляет 0,13…0,8 Па•с. Гораздо более вязки шлаки медеплавильного производства - 20 Па•с при температуре 1350°С, в связи с чем необходима их дошихтовка.

Золы электростанций по химическому составу весьма разнообразны. Золы горючих сланцев и бурых углей менее кислые, чем золы от сжигания каменных углей.

Горные породы наиболее пригодны в виде изверженных пород габбро-базальтовой группы и метаморфических пород и мергелей со сходным химическим составом. Следует отметить, что запасы такого сырья в нашей стране практически неограниченны. Химический состав горных пород, применяемых для производства минерального волокна, колеблется в следующих пределах, % по массе: SiO₂ - 45…65; А1₂О₃ - 10…20; Fе₂О₃ +FеО - 10…15; СаО - 5…15; МgО - 5…15; N₂О+К₂О - 1…3.

Отходы силикатного и керамического производств широко используют при получении минеральной ваты в процессе дошихтовки основного сырья в качестве подкисляющей добавки с содержанием SiO₂+А1₂О₃ - 70…85%.

В противном случае полученное силикатное волокно обладает низкой механической прочностью и является неустойчивым по отношению к воздействию воды в силу высокого содержания в нем СаО.

Электротермофосфорные шлаки содержат примерно одинаковое количество СаО и SiO₂ (около 41…44%), М_о=1,09...1,21 (М_к=0,82...0,91), обязательно подшихтовываются кислыми добавками (песком, золой, ваграночными ультракислыми шлаками и пр.).

Запасы сырья, позволяющего изготавливать минеральную вату из однокомпонентной шихты без добавок, весьма ограничены, поэтому большинство заводов работает на двухкомпонентной шихте. Шихта должна обеспечивать необходимую вязкость расплава и долговечность волокна.

По существующему стандарту модуль кислотности минеральной ваты должен быть не менее 1,5 для высшей и не менее 1,2% для первой категории качества.С повышением модуля кислотности увеличивается долговечность минеральной ваты, так как становится больше ее химическая стойкость и, в частности, водостойкость. Водостойкость минеральной ваты характеризуется показателем рН; минеральная вата относится к высшей категории водостойкости при рН<5, 1-й категорий при рН <7.

Показатель рН гидролитической стойкости минepaльной ваты повышается при увеличении содержания в ней кислых окислов SiO₂ и А1₂О₃. Однако рост количества кислых компонентов шихты приводит к возрастанию вязкости, что влечет за собой снижение производительности и ухудшение условий волокнообразования. В связи с этим при выборе состава шихты приходится искать оптимальное решение. С одной стороны, не допускать слишком большой вязкости во избежание нарушения технологического процесса; с другой стороны, не допускать низкого содержания в шихте кислых окислов в ущерб долговечности минеральной ваты.

2.2 Печи для получения силикатного расплава

Силикатные расплавы для производства минеральной ваты получают путем плавления сырья в печах следующих типов: шахтных (вагранках), ванных электродуговых. В стадии освоения находятся циклонные и конверторные печи.

Вагранки - наиболее распространенный тип шахтной плавильной печи непрерывного действия, в которых разогрев и плавление шихты происходят по принципу противотока разгрузочная секция оснащена двумя окнами: загрузочным и смотровым. Загружают сырье в вагранку через загрузочное окно, оснащенное механизмом загрузки, который представляет собой водоохлаждаемый лоток, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси. В нерабочем положении лоток закрывает загрузочное окно.

Загружаемые в вагранку шихта и кокс поочередно попадают на распределитель шихты, а с него в зону подогрева, где происходит удаление адсорбционной и химически связанной воды, а по мере опускания шихты - декарбонация МgСО₃ (при температуре более 600°С) и СаСО₃ (при температуре выше 900°С) с выделением СО₂.

В процессе плавления шихта постепенно опускается и попадает в зону плавления, где при температуре 1500…1800°С переходит в жидкое состояние и поступает в нижнюю часть вагранки - горн. Здесь расплав накапливается и гомогенизируется по составу и температуре. Оптимальная высота горна 600…750 мм. Из горна минеральный расплав выпускают через летку на сливной лоток. Летка выполнена в виде отверстия диаметром 55…65 мм в водоохлаждаемом корпусе, вставляемом в специальный проем ватержакета. Ватержакет - это металлический цилиндр с двумя стенками, между которыми постоянно циркулирует охлаждающая вагранку вода, предохраняющая ее корпус от перегрева рис. 2.

Рисунок 2. Вагранка ватержакетная: 1-фурмы; 2- ватержакет; 3 - труба для отвода воды; 4 -загрузочное окно; 5 - искрогаситель; 6-патрубок для удаления уноса; 7- шахта; 8- люк для осмотра и выполнения ремонтных работ; 9- компенсаторы; 10-труба для подвода воды; 11-воздушный коллектор; 12-летка; 13 - днище.

Ванные печи - для получения расплавов при производстве минеральной ваты можно использовать небольшие ванные печи, по своему устройству похожие на ванные стеклоплавильные печи. Могут применяться все типы ванных печей: с подковообразным, продольным и поперечным направлением пламени. По способу использования тепла отходящих газов такие печи могут быть регенеративными и рекуперативными. Рекуперативные ванные печи более экономичны, но требуют применения высокожароупорных элементов. Наибольшее распространение получили регенеративные печи с подковообразным направлением пламени. Для отапливания печей используют газообразное или жидкое топливо.

Ванная регенеративная печь (рис. 3) для плавления сырья при производстве минеральной ваты состоит из плавильного бассейна (ванны), горелок, вертикальных воздушных регенераторов и выработочной части-фидера. С целью подачи на переработку наиболее горячих слоев расплава дно фидера располагают выше дна бассейна. Для поддержания необходимой для переработки расплава в волокно температуры в фидере устанавливают горелку.

В зависимости от способа волокнообразования расплав из фидера выпускают через водоохлаждашую летку (при наличии центрифуги) или через фильерные пластины (при фильерном способе получения волокна). Шихту в печь загружают плунжерными загрузчиками, устанавливаемыми с баковых сторон бассейна печи.

Рисунок 3. Ванная печь: 1- регенераторы; 2 -горелка; 3 -загрузочное окно; 4 - бассейн; 5 - фидер

Плавление шихты и ее последующая тепловая обработка производятся в бассейне. Температура плавления достигает 1600°С. Интенсивность работы печи в основном зависит от температуры газов, их лучеиспускательной способности, от направления и формы факела. Конструкция ванных печей для получения расплавов из горных пород должна быть иной, чем обычных стекловаренных печей. Расплавы для получения минеральной ваты имеют более темный цвет, нелучепрозрачны, кроме того, характеризуются коротким интервалом вязкости, поэтому провар их происходит в небольшом поверхностном слое. Вследствие этого нет смысла делать бассейн глубиной более 400 мм. К минеральным расплавам, перерабатываемым в волокно, не предъявляются столь строгие требования гомогенности и осветлению (дегазации), как при варке стекла. Получаемый расплав вследствие малой вязкости осветляется быстро и устраивать заклиночный ряд из свободно извлекаемых кирпичей для взятия проб по всему периметру бассейна не требуется.

Ванные печи в теплотехническом и технологическом отношении более совершенны, чем вагранки. В этих печах тепло передается в основном лучеиспусканием (около 95%), что обеспечивает удовлетворительную управляемость процессам плавления и получения гомогенного расплава с необходимыми свойствами. Достоинством ванных печей является также возможность применять дешевые виды топлива (природный газ, мазут) и отсутствие требований к прочности сырья, так как сырье загружают в печь в измельченном состоянии (с размером кусков 1-2 мм).

К недостаткам ванных печей следует отнести то, что они занимают в 4-5 раз больше производственной площади, чем вагранки, при одинаковой производительности; требуют энергоемких шихтоприготовительных отделений для помола и перемешивания сырья; удельные расходы тепла в них в 2 раза превышают удельный расход тепла в вагранках. Однако на себестоимости минеральной ваты перерасход тепла по сравнению с получаемой в вагранках не отражается, так как применяется дешевое топливо. Кроме того, возможность применения фильерного способа волокнообразования позволяет значительно уменьшить потерн расплава и повысить качество волокна.

Есть некоторый опыт применения газоэлектрических печей (цех минеральной ваты Норильского горно-металлургического комбината). Такая печь имеет ряд преимуществ перед обычной пламенной. Дополнительный электрический обогрев, осуществляемый погруженными в расплав, электродами, создает особенно благоприятные условия для регулирования движения массы и выравнивания ее состава за счет усиленных конвекционных- токов. При этом повышается и удельный съем расплава.

Таким образом, применять ванные печи несмотря на высокие капиталовложения, рационально, так как позволяет повышать качество выпускаемой продукции.

Электродуговые печи - электродуговая печь (рис. 4) для получения силикатного расплава представляет собой металлическую водоохлаждаемую ванну в виде котла диаметром 2,5- 3 м. Печь работает на гарнисаже, так как футеровка может расплавляться и изменять химический состав получаемого расплава. Гарнисажем называют слой застывшего расплава, образующегося на внутренней поверхности водоохлаждаемого котла. Толщина этого слоя может меняться в зависимости от теплового режима печи. Плавление сырья осуществляется при помощи трех графитированных электродов. Электроды крепятся к пружинно-пневматическим держателям, которые позволяют регулировать положение электродов во время плавления. Загружают шихту сверху при помощи шнекового или иного питателя. Расплав для переработки в волокно выпускают через небольшой фидер, монтируемый сбоку печи, несколько выше ее пода.

Изменяя электрический режим печи, можно регулировать теплотехнические параметры плавки в соответствии с технологическими требованиями. Кроме того, преимущество электродуговой печи перед другими плавильными агрегатами - возможность плавления шихт для получения минеральной ваты, которую можно использовать при высокой температуре.

Рисунок 4 Электродуговая печь. 1- кожух; 2- обод печи; 3- кольцо оводовое; 4- окно рабочее; 5- футеровка свода; 6-система водоохлаждеиия; 7- экономайзер; 8- электрод графитизироваиный; 9- электрододержатель; 10-токоподвод гибкий; 11 - привод механизма перемещения электрода; 12-механизм подъема и поворота свода; 13- фидер.

Циклонные печи - целесообразно применять при использовании мелкокускового сырья, в частности отходов минераловатного производства. В циклонной печи благодаря особой аэродинамической структуре потока газов складываются благоприятные условия для тепло- и массообмена между газом и обрабатываемым сырьем. Установка с циклонной камерой (рис.5) состоит из водоохлаждаемой вертикальной печи 2, камеры для приема расплава 1, металлического рекуператора 6, подогревателя шихты 5, дымососа для эвакуации отходящих, в атмосферу газов 2, бункера с питателем для подачи шихты 4 и систем подачи топлива, воздуха и воды. Из приемной камеры расплав через летку или фильеры поступает к узлу волокнообразования. Установка имеет небольшие габариты и может быть смонтирована вместо вагранки.

Рисунок 5. Установка с циклонной камерой

2.3 Свойства силикатного расплава

При производстве волокнистых теплоизоляционных материалов из неорганического сырья следующим после подготовки сырья является общий для всех видов, волокна технологический передел - получение расплава. Поскольку в расплавах для получения минерального волокна обязательно присутствует SiO₂ , речь пойдет о силикатных расплавах.

При получении силикатных расплавов протекают сложные и разнообразные физико-химические процессы, характер которых определяется составом шихты и температурой. Во всех случаях происходят процессы силикато- и стеклообразования. Силикатообразование начинает протекать между материалами в твердом состоянии при относительно низких температурах (400-600С), однако скорость реакции при этом невелика. Интенсификация этих процессов наступает при появлении жидкой фазы, которая образуется в объеме шихты вследствие плавления легкоплавких компонентов и возникновения эвтектических соединений.

Возможность химических взаимодействий определяется законами химической термодинамики, а при наличии благоприятных термодинамических условий-действием кинетических факторов, обеспечивающих протекание реакций. Одним из таких факторов является поверхность контакта. Чем больше площадь непосредственного контакта зерен компонентов, тем быстрее протекают реакции этого типа. Площадь поверхности контактов для шихты одного и того же объема растет с увеличением дисперсности зерен. Таким образом, измельчение компонентов шихты способствует ускорению реакций силикато-образования и гомогенизации расплава, которая необходима для получения стабильных свойств волокна.

Для перевода твердой фазы в жидкое состояние нужно затратить энергию на преодоление сил, действующих между элементами его решетки: плавление наступает тогда, когда средняя энергия колебаний элементов решетки достаточно велика для нарушения связи между ними. До недавнего времени считалось, что структура жидкостей даже при температурах, близких к температуре кристаллизации, лишена какой-либо упорядоченности. В действительности в отличие от кристаллов так называемый «дальний порядок» в расположении молекул или атомов в жидкости отсутствует. Однако есть «ближний порядок», т.е. правильность расположения частиц в непосредственной близости от любого данного атома (или) молекулы, затухающая с расстоянием. В настоящее время наиболее распространен взгляд на силикатные расплавы как на ионные жидкости. Стеклообразователем является кремневая кислота.

Основными свойствами силикатных расплавов, влияющими на свойства минеральных волокон, получаемых из них, являются вязкость, поверхностное натяжение и кристаллизационная способность.

Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой, обусловленное внутримолекулярным трением.

Силикатные расплавы, если они не содержат кристаллических взвешенных частиц, ведут себя как нормальные ньютоновские жидкости. При температурах ниже верхнего предела кристаллизации в них наблюдаются признаки структурирования, что приводит к ухудшению качества получаемого волокна.

Температурная зависимость вязкости. С повышением температуры вязкость силикатных расплавов понижается вследствие усиления броуновского движения, ослабления и разрыва связей между структурными группами и распада ассоциаций. Охлаждение вызывает обратные изменения. Кристаллизационная способность силикатных расплавов подчиняется универсальной закономерности: минимум кристаллизационной способности соответствует составам, в которых в качестве первых фаз выделяются из расплава одновременно два и более видов кристаллических соединений разного состава. Им соответствуют эвтектические точки, границы полей на диаграммах состояния; другими словами, чем ниже температура ликвидуса, тем более стабильно стекло. Для предотвращения или ослабления кристаллизации необходимо ввести в состав расплава любой оксид, не входящий в состав первой кристаллической фазы и не способный оказаться затравкой, либо уменьшить содержание оксидов, входящих в состав первой фазы.

Структура и свойства силикатного расплава зависят от его химического состава. В соответствии с ионной теорией влияние различных оксидов на вязкость и температуру кристаллизации силикатных расплавов объясняется следующим. Если катион оксида является комплексообразующим, то рост его содержания в расплаве будет повышать вязкость расплава вследствие увеличения размеров комплексных ионов или повышения их концентрации в расплавах. К таким оксидам относятся, например, SiO₂ , А1₂О₃ , Fе₂О₃ + FеО , СаО,Мg0. Вязкость и поверхностное натяжение силикатных расплавов являются основными свойствами расплава, определяющими его способность к волокнообразованию. Переработка силикатных расплавов в волокно происходит в основном в интервале температур 1300-1400С, вязкость при этом должна находиться в пределах 0,5-5 Па-с.₂ - повышает вязкость силикатных расплавов и химическую стойкость волокон в любых средах; удлиняет интервал вязкости;

В2О3 - оказывает сильное флюсующее действие, уменьшает поверхностное натяжение расплава и температуру верхнего предела кристаллизации, значительно улучшает выработочные свойства, увеличивает длину волокна, повышает устойчивость волокон к воде, но понижает устойчивость «кислотам и щелочам;

А1₂О₃ - повышает вязкость и поверхностное натяжение расплавов, прочность и модуль упругости волокон, а также устойчивость к воде, кислотостойкость, температуростойкость; е₂О₃ -снижает вязкость расплава, повышает поверхностное натяжение и химическую устойчивость;

СаО, Мg0 - при высоких температурах понижают вязкость расплава, повышают склонность к кристаллизации. При содержании СаО, равном 45%, вязкость возрастает, так как образуется СаЗ. Влияние МдО на снижение вязкости особенно заметно при повышении содержания до 9% и более. Повышение содержания Мg0 за счет СаО приводит к значительному повышению химической стойкости волокон.

ТiO2 - улучшает химическую устойчивость ко всем средам, является хорошим плавнем и значительно снижает вязкость расплава, но повышает склонность к кристаллизации; - очень сильно повышает устойчивость ко всем средам и является единственным окислом, который делает многокомпонентные стекла устойчивыми к щелочам; , увеличивает тугоплавкость расплава и повышает склонность к кристаллизации. Введение ZnO2 осуществляется, как правило, за счет SiO₂;- в небольших количествах оказывает положительное влияние на химическую устойчивость, снижает вязкость и уменьшает склонность к кристаллизации;еО - снижает вязкость, но повышает поверхностное натяжение расплава, снижает начальную температуру разрушения волокон, одновременно повышая температуру спекания.

2.4 Способы переработки расплава в волокно

В настоящее время в промышленности применяются три основных способа переработки силикатного расплава в волокно: дутьевой, центробежный и комбинированный.

Дутьевой способ. Сущность этого способа заключается в том, что на струю жидкого расплава, вытекающего из плавильного агрегата, воздействует струя энергоносителя, движущаяся с большой скоростью (400-800 м/с). Она расщепляет струю расплава « вытягивает образовавшиеся элементы в волокно. В качестве энергоносителя можно использовать перегретый и сухой насыщенный пар, сжатый воздух и горячие продукты сгорания топлива. По направлению струи энергоносителя дутьевой способ подразделяется на горизонтальный и вертикальный.

При горизонтальном способе струя энергоносителя направлена на струю расплава под углом 15-20° к горизонтали. Причем раздувается лишь одна, сравнительно толстая (7-10 мм) струя расплава. При этом получается волокно низкого качества с большим содержанием неволокнистых включений, поэтому этот способ в настоящее время больше в промышленности не применяется. При вертикальном способе струя энергоносителя направляется сверху вниз под углом 10-11° к вертикали, с двух сторон струи расплава (рис.6). При этом расплав подается на раздув через пластины с отверстиями-фильерами диаметром не более 3 мм, поэтому способ называется фильерно-дутьевой. при этом способе получается волокно высокого качества с низким содержанием неволокннстых включений. Дутьевой способ основан на термодинамических закономерностях процесса истечения водяного пара и газов из сопел. При истечении пара или газа из сопел увеличивается кинетическая энергия за счет уменьшения потенциальной или тепловой энергии тіара или газа.

Сопло представляет собой узкий канал в дутьевой головке. Входное отверстие во всяком сопле должно иметь плавно округленные кромки для превращения большей части потенциальной энергии в кинетическую и получения необходимой для раздува расплава скорости пара или газа.

Применяют сопла двух типов; простое суживающееся (7,а) и сопло Лаваля (рис. 7,б). Профиль сопла Лаваля имеет входную короткую суживающуюся часть, после которой начинается длинная расширяющаяся. В сопле Лаваля потенциальная энергия пара или газа более полно преобразуется в кинетическую.

Рисунок 6. Узел раздува при фильерном вертикально-дутьевом способе получения волокна

Рисунок 7. Виды сопл а) простое сопло; б) сопло Лаваля

Эжекционные сопла позволяют получать вату высокого качества, но они малопроизводительны и создают высокий уровень шума. В настоящее время в промышленности эжекционные дутьевые головки конструкции ВНИИСПВ применяют при производстве каолинового волокна.

Центробежный способ. Этот способ основан на использовании центробежной силы вращающихся элементов, на которые подается расплав. Центробежные установки в производстве минеральной ваты могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. В одноступенчатой установке расплав обрабатывается на одной центрифуге, в многоступенчатой - последовательно на нескольких центрифугах. По форме рабочего органа центрифуги могут быть дисковыми, чашечными и валковыми; по расположению плоскости вращения - горизонтальными или вертикальными.

В одноступенчатой установке используют диск из жаростойкой стали или огнеупора. Этот диск вращается в горизонтальной плоскости со скоростью до 4000 об/мин. Расплав, попадая на диск, распределяется в виде пленки по его поверхности. За счет центробежной силы пленка перемещается к краю диска, сходит с него и под действием поверхностного натяжения расчленяется на струйки, из которых образуются волокна. При этом способе получается низкая производительность. Наиболее широкое применение в мировой практике получили центрифуги со ступенчатым расположением валков.

Комбинированные способы. При комбинированных способах используют как центробежную силу, так и силу дутья. В настоящее время в промышленности применяют следующие комбинированные способы: центробежно-дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой.

Центробежно-дутьевой способ (ЦДС). Этот способ основан на превращении струи расплава в пленку и струйки центробежной силой вращающейся чаши и последующем вытягивании в волокно при помощи энергоносителя. Расплав из вагранки с температурой 1300-1350°С по лотку стекает на внутреннюю часть боковой стенки чаши центрифуги. При вращении чаши с частотой 1000- 4000 об/мин расплав распределяется по ее периметру и срывается с кромок чаши в виде пленок, струек и капель. Последние подхватывает поток энергоносителя, и под совместным действием центробежных и аэродинамических сил из струек образуются волокна.

Центробежно-фильерно-дутьевой способ (ЦФД). При этом способе формируются тонкие струи за счет центробежной силы вращающейся чащи с Отверстиями и последующей их обработки горячими газами. Применение вращающейся чаши с множеством фильер (n= 2000 шт.) диаметром менее 1 мм позволяет получить стабильные микроструйки расплава и создать устойчивые и регулируемые условия воздействия аэродинамических сил. Схема установки приведена на (рис. 8). Струя расплава через полый шпиндель- поступает в чашу 1. Под действием центробежных сил расплав выходит через отверстия в виде тонких струек и вытягивается как за счет центробежных сил, так и аэродинамических сил горячих газов, выходящих из кольцевого сопла 2. Поток газов направлен вниз и увлекает образовавшиеся волокна в камеру волокнообразования 3.

Этот способ позволяет получать даже ультратонкое волокно (1-2 мкм), причем неволокнистые включения полностью отсутствуют.

Рисунок 8. Схема центробежно- фильерно-дутьевой установки

2.5 Связующие вещества и способы их смешивания с минеральной ватой

Основное назначение связующего - создать контакты между отдельными минеральными волокнами для фиксирования волокнистой макроструктуры дисперсной системы при получении изделий с заданными эксплуатационными характеристиками. В производстве минераловатных изделий наиболее широко используют органические связующие вещества. Минеральные связующие, несмотря на меньшую стоимость, недефицитность, нетоксичность, не пользуются популярностью в силу их низкой адгезии к минеральному волокну, малой прочности и высокой средней плотности изделий. Их можно применять в отдельных случаях, когда требуется получить жесткую, неэластичную макроструктуру без особо строгих ограничений по средней плотности. Группу минеральных связующих представляют цементы, глины, трепел, диатомит, растворимое стекло и пр.

Основные требования к связующим веществам: высокая адгезия и способность равномерно распределяться по волокну материала; достаточно высокая когезия связующего после его отверждения; водорастворимость при приготовлении растворов или способность к образованию устойчивых эмульсий; водо- и термостойкость в отвержденном состоянии: долговечность; нетоксичность; недефицитность компонентов связующего; низкая усадка, исключающая появление в отвержденном связующем трещин; сроки отверждения должны находиться в рамках требований принятой технологии.

Рисунок 9 - Схема получения минераловатных изделий с нанесением связующего способом пульверизации: 1 - плавильный агрегат; 2 - волокнообразующий узел; 3 - впрыскивание связующего; 4 - камера волокноосаждения; 5 - камера отверждения; 6 - резак; 7 - изделие.

Существует несколько способов введения связующих веществ при производстве минераловатных изделий: пульверизацией; проливом с последующим отжимом и вакуумированием; получением гидромасс (мокрый способ). По способу пульверизации раствор или эмульсию связующего в виде аэрозоля наносят на минеральную вату в камере волокноосаждения.

При получении гидромасс различают два способа формования минераловатных изделий: подпрессовки и отливки. В обоих случаях непропитанный минераловатный ковер из камеры волокноосаждения попадает в смеситель, куда подают раствор связующего. Перемешанную минеральную вату с раствором связующего и другими компонентами раскладывают слоем на непрерывно движущийся конвейер, после чего подвергают вакуумированию и термообработке.

Главная отличительная черта методов - разница в соотношении твердая фаза: жидкость. Способ подпрессовки позволяет использовать гидромассы с соотношением минеральной ваты к раствору от 1:3 до 1:10, литьевая технология требует несколько большего расхода связующего.

Рисунок 10 - Схема получения минераловатных изделий с подпрессовкой

Способ подпрессовки позволяет получать минераловатные изделия с более высокими технико-экономическими показателями, чем способ отливки. Плиты, полученные из гидромасс, характеризуются повышенной жесткостью и прочностью при сжатии.

Недостатки способа: повышенная влажность ковра, необходимость вакуумирования, повышенная энерго- и металлоемкость, измельчение ваты в процессе ее перемешивания, сравнительно невысокая прочность на изгиб.

2.6 Формование минераловатного ковра

Минераловатный ковер формируется в камере волокноосаждепия, которая состоит из металлического каркаса, обшитого листовой сталью, с тепловой изоляцией. Дном камеры является сетчатый или пластинчатый конвейер с шириной, равной ширине камеры. Отсос отработанного воздуха из камеры происходит под конвейером, что способствует осаждению на него волокон ваты.

В зависимости от направления энергоносителя при переработке расплава камера может быть, горизонтальной и вертикальной. Длина камеры зависит от способа получения волокна. При дутьевых способах камера должна быть длинной во избежание завихрений от удара потока энергоносителя о торцовую стенку.

в камеру волокноосаждения для обеспыливания и повышения эластичности волокна вводят замасливатель, главным образом эмульсол, в количестве до 1 % массы волокна. В ряде случаев при изготовлении изделий в камеру волокноосаждения методом распыления вводят связующее. Для уплотнения выходящего из камеры слоя ваты служит подпрессовочный валик на выходе из камеры. По выходе из камеры волокноосаждения ковер закатывается в рулон в случае выпуска сырой (комовой) ваты или передачи ее на внепоточную установку для переработки в изделия. В рыхлом виде минеральную вату применять нецелесообразно по следующим причинам:

1) при транспортировании и хранении вата уплотняется и ее теплоизоляционные свойства ухудшаются;

2) укладка рыхлой ваты в конструкции требует большой затраты ручного труда, причем создаются тяжелые антигигиенические условия вследствие пыления и колючести ваты;

3) теплоизоляционные свойства конструкции с рыхлой минеральной ватой могут ухудшаться в результате уплотнения, от сотрясений, особенно при вибрации.

Перечисленные недостатки рыхлой минеральной ваты в значительной степени устраняются при изготовлении из нее изделий.

3. Расчет состава шихты для производства минеральной ваты

Исходными данными для расчета шихты служат химические составы сырьевых материалов и заданный модуль кислотности минеральной ваты, который обусловливается назначением минеральной ваты, условиями ее службы в конструкции и способом переработки расплава в минеральное волокно.

Состав шихты рассчитывают двумя методами:

· методом составления и решения системы алгебраических уравнений;

· методом последовательного приближения.

3.1 Метод составления и решения алгебраических уравнений

Обычно шихта для производства минеральной ваты состоит из двух видов сырья. Поэтому при расчете шихты составляют и решают систему двух уравнений с двумя неизвестными X и У, выражающими количество составных частей шихты.

Одно из уравнений имеет вид:

Х·У=1, а другое уравнение представляет собой выражение модуля кислотности:

где Si0₂, Al₂O₃, CaO и МgO - содержание соответствующих оксидов в первом (основном) компоненте шихты, %;₂, Al₂O₃, СaО" и МgО" - содержание тех же оксидов во втором компоненте шихты, %;

М_k - величина заданного модуля кислотности.

Решая уравнения относительного X или У, получают содержание сырьевых материалов в шихте в долях единицы, а затем выражают состав шихты в процентах по массе. Расхождение величины модуля кислотности заданного и подученного в результате расчета не должно превышать 5 %.

3.2 Метод последовательного приближения

Этот метод состоит в том, что, задаваясь содержанием какого-либо одного оксида в получаемой минеральной вате и зная содержание этого оксида в составе сырьевых материалов, в порядке определенной очередности находят количество отдельных частей шихты. Таким составляющим обычно является один из оксидов, определяющий величину модуля кислотности, чаще всего SiO₂. Из двух видов сырьевых материалов, составляющих шихту, один считают основным, а другой - дополнительным корректирующим, количество которого выражают через X. Далее задаются оптимальным содержанием SiO₂ в расплаве (а). Зная процентное содержание SiO₂ в основном (б) и дополнительном сырье (в), составляют уравнение:

а = в +X (b-б)

откуда определяют= (a-б) / (в-б)

Вычислив количество дополнительного сырья (в долях единицы), находят путем вычитания его из единицы количество основного сырья (1-Х). Затем определяют процентное содержание отдельных химических оксидов в составе шихты, как показано на следующем примере. Пусть содержание SiO₂ в основном и дополнительном видах сырья будет n и m (%), тогда содержание можно выразить равенством, %: в составе шихты

SiO₂=n(1-X)+mX

Так же находят содержание и других оксидов, определяющих модуль кислотности, т.е. Al₂O₃, CaO, MgO.

Подставляя найденные значения в этих четырех оксидов в формулу для определения модуля кислотности, находят его величину. Если модуль кислотности оказался в заданных пределах, то расчет состава шихты на этом заканчивают, пересчитывая только содержание обоих видов сырья с долей единицы в проценты по массе, и вносят поправку на влажность материалов.

Если же полученный модуль кислотности выходит за пределы заданных значений, то задаются другой величиной содержания SiO₂ в составе шихты и повторяют расчет. При излишне высоком значении М_k для расчета принимают меньшее содержание SiO₂, а при недостаточной величине М_k берут меньшее содержание СаО в составе шихты.

3.3 Расчет шихты

Требуется определить расход сырьевых материалов для получения 1 т минеральной ваты при следующих исходных данных для расчета:

заданный модуль кислотности расплава M_k=1,45;

основное сырье - доменный шлак;

дополнительное сырье - ваграночный шлак;

влажность доменого шлака - 8 %;

влажность вагр. шлака - 2 %;

Таблица 3.1 - Химический состав сырья

Сырье	содержание оксидов, массовая доля
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
Доменный шлак	29,6	15,9	34,9	9,2
Ваграночный шлак	76,4	8,4	2,1	1,1

Метод составления и решения уравнений

Подставляя значение X, выраженное через У , во второе уравнение, имеем одно уравнение с другим неизвестным:

Решая это уравнение относительно У, получаем его значение. В данном случае У=0.178, тогда X=1-0.178=0,822. Округляя полученные величины до сотых долей получаем X=0,0.82, а У=0,178, т.е. шихта состоит из 17,8 % ваграночным шлака и 82% доменного шлака (по массе). После этого уточняем величину модуля кислотности, которым будет характеризоваться расплав, полученный из шихты рассчитанного состава. Для этого умножаем количество оксидов исходных компонентов шихты на значение X и У, определяя таким образом количества соответствующих оксидов, вносимых в расплав доменным шлаком и ваграночным шлаком. По результатам расчета составляем табл. 4.2 содержания оксидов в расплаве. Подставляя значения SiO₂, Al₂O₃, СаО и МgО, содержащихся по расчету в шихте, в формулу для определения модуля кислотности, уточняем значение его величины: Следовательно, рассчитанный состав шихты удовлетворяет условию получения расплава с M_к=1,45.

Таблица 4.2 - Содержание оксидов в расплаве

Сырье	Сoдержание оксидов, вносимых в расплав
	SiO2	Al3O3	CaO	MgO
Доменный шлак	24,27	13,04	28,62	7,55
Ваграночный шлак	13,75	1,51	0,38	0,198
Шихта	38,02	14,55	29,0	7,75

Метод последовательного приближения

Для определения количества дополнительного сырья, в данном случае - ваграночного шлака, принимаем количество основного сырья (шлака) за единицу и задаемся содержанием в шихте оксида SiO₂ равным 50 %. Тогда, исходя из данных табл. 4.1, имеем:



у = (а-б) / (в-б) = (50-29,6)/(76,4-29,6) = 0,436

где у - количество вагр шлака, добавляемого в шихту в долях единицы;

а - заданное содержание принятого оксида (SiO₂)в составе шихты, %;

б - содержание принятого оксида в шлаке, %;

в - содержание принятого оксида в вагр, %.

Следовательно, 1 весовая часть шихты будет состоять из 0,564 весовых частей доменного шлака и 0,436 весовых частей ваграночного шлака.

В такой шихте будет содержаться, масс, доля:₂ = (0,564·29,6+0,436·76,4) = 50,01₂O₃ = (0,564·15,9+0,436·8,4) = 12,63= (0,564·34,9+0,436·2,1) = 20,60= (0,564·9,2 +0,436·1,1) = 5,67

При таком процентном соотношении оксидов модуль кислотности шихты

Полученное значение модуля кислотности шихты несколько превышает заданное. С целью некоторого уменьшения значения этого модуля необходимо провести дополнительный расчет. Увеличим содержание в составе шихты оксида кремния на некоторую величину и примем его равным 67,98%. Такое содержание керамической глины в шихте в долях единицы:

х = (а-б) / (в-б) = (67,98-29,60)/(76,4-29,60) = 0.82,

то есть шихта состоит из 82% доменного шлака и 18% ваграночного шлака.

В такой шихте будет содержаться, масс, доля:₂ = (0,82·29,60+0,18·76,4) = 38,02₂O₃ = (0,82·15,9+0,18·8,4) = 14.55= (0,82·34,9+0,18·2,1) = 28,99= (0,82·9,2 +0,18·1,1) = 7,75

При таком процентном соотношении оксидов модуль кислотности шихты

Сравнивая метод последовательного приближения (=1.45) и метод составления и решения уравнения (=1,44), можно сделать вывод, что с помощью обоих методов можно достаточно точно определить модуль кислотности шихты и содержание необходимых оксидов в расплаве при довольно незначительных погрешностях в вычислении.

4. Расчет минерального баланса

Таким образом, расчет шихты, произведенный обоими методами, позволил установить, что шихта должна состоять из 82% доменного шлака данного химического состава и 18% ваграночного шлака.

Следовательно, для получения 1 т минеральной ваты без учета влажности сырьевых материалов и производственных потерь расход компонентов шихты составляет, кг:

· доменного шлака - 820

· ваграночного шлака- 180;

Введя поправку на влажность, получим:

· расход доменного шлака - 820 · 1,08 = 885,6 кг

· расход ваграночного шлака- 180 · 1,02 = 183,6 кг

Предположим, что общие производственные потери (при транспортировании и складировании материалов, при их дроблении) и отходы при переработке расплава в волокно составляют для доменного шлака 28%, а для ваграночного - 20%. Тогда практический расход материалов в естественном состоянии на 1 т минеральной ваты составляет:

· доменного шлака -885,6 · 1,28 = 1133,6 кг;

· ваграночного шлака- 183,6 · 1,2 = 220,32 кг.

Результаты проведенной работы рекомендуется записывать по следующей форме (табл. 4.1)

Таблица 4.1 - Расход сырья для производства минеральной ваты заданного модуля кислотности

Наименование сырьевых материалов	Расход сырья на 15 т без учета влажности и произведенных потерь	Влажность сырья, %	Производств. потери %	Практический расход на 15 т
Доменный шлак	820	8	28	1133,6
Ваграночный шлак	180	2	20	220,32



5. Назначение минеральной ваты и изделия на ее основе

В индустриальном строительстве изделия из минеральной ваты применяют главным образом в качестве тепло- и звукоизолирующих материалов. Для теплоизоляции ограждающих конструкций используют полужесткие и жесткие плиты на синтетическом связующем. Теплоизоляцию покрытий в промышленных зданиях организуют с применением твердых плит и плит повышенной жесткости, позволяющих обходиться при производстве кровельных работ без цементной стяжки. Изделия типа шнуров и жгутов из минеральной ваты.

Область применения декоративно-акустических плит типа «Акмигран» - звукоизоляция и эстетическое оформление интерьеров в общественных и промышленных зданиях с относительной влажностью не более 70%. Для тепло- и звукоизоляции промышленного и энергетического оборудования в широких масштабах применяют минераловатный войлок и маты, цилиндры, полуцилиндры, сегменты, обкладочные бруски и пр.

...