Минеральная вата

В операциях по плавлению шихты, переработке расплава в волокно  и введению связующего имеются варианты, которые будут рассмотрены далее.

 

3.1.Способы плавления шихты.

Для получения силикатных расплавов  в минеральном производстве применяют  различные типы плавильных печей:

• шахтные (вагранки)
• ванные
• шахтно-ванные
• электродуговые
• шлакоприёмники.

 

Выбор типа печи зависит в основном от вида сырья и наличия в данном регионе видов топлива или электроэнергии.

Таблица 3.1.1.

Тепловая эффективность  печей.

 

Тип печи	Удельные затраты теплоты на 1 кг расплава, кДж	КПД, %
Ванная	2603...4993	15...35
Электродуговая	599...700	60...70
Шлакоприемная	298...700	2...5
Коксовая вагранка	1500...З000	20...30

Сравнительные данные показывают, что  электродуговая печь — наиболее эффективный  плавильный агрегат. Однако ее применение связано с большим расходом электроэнергии.

3.1.1. Вагранки - один из первых и наиболее распространенных плавильных агрегатов. Вагранки представляют собой шахтные печи непрерывного действия, теплообмен в которых осуществляется по принципу противотока. Сырье, загружаемое в верхнюю часть вагранки, опускается вниз, превращаясь в расплав в нижней ее части, а образовавшиеся продукты горения поднимаются снизу вверх, отдавая теплоту расплавляемому материалу.

Широкое применение вагранок объясняется  их высокой производительностью, простотой обслуживания, малыми габаритами по сравнению с другими плавильными агрегатами.

К недостаткам вагранок относят: низкий коэффициент полезного использования теплоты, высокий удельный расход дефицитного и дорогостоящего топлива, плохое качество расплава, выражающееся в изменчивости его химического состава и вязкости, в результате чего нарушается стабильность истечения расплава, а получаемая минеральная вата характеризуется непостоянством свойств; неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия эксплуатации, обусловленные применением кокса.

С целью экономии кокса осуществляют и более радикальные мероприятия  —заменяют часть кокса или  весь кокс газообразным топливом. Для  этого применяют вагранки соответствующих  конструкций.

Коксогазовая вагранка позволяет экономить 20...40% дефицитного кокса за счет замены его газообразным топливом. Для этого вагранку оборудуют газовыми горелками, расположенными несколько выше фурменного пояса. Однако в этом виде вагранок сохраняются все недостатки ваграночного процесса и существенно усложняется обслуживание печи.

Газовая вагранка позволяет полностью заменить кокс газообразным топливом, устранить все основные недостатки, связанные с его сжиганием, упростить процесс плавления и повысить культуру производства.

3.1.2. Ванные печи широко применяют при стекловарении. Для получения силикатных расплавов в минераловатном производстве печи этого типа меньших размеров применяют достаточно широко. Для этой цели пригодны все типы ванных печей: с подковообразным, продольным и поперечным направлениями пламени. По способу использования теплоты отходящих газов эти печи могут быть регенеративными и рекуперативными. Рекуперативные печи наиболее экономичны, но требуют дорогостоящих высокоогнеупорных материалов. Наибольшее распространение получили регенеративные печи с подковообразным направлением пламени. Плавление шихты осуществляется в бассейне. Выработочная часть - фидер - для поддержания необходимой температуры расплава оборудована дополнительной горелкой.

В ванной печи температура в зависимости  от вида сырья может изменяться от 1100 до 1600 °С

К достоинствам ванных печей следует  отнести получение гомогенных расплавов  заданного химического состава, использование дешевых видов  топлива, отсутствие требований к прочности  сырья, существенное снижение потерь расплава.

Основными недостатками этих печей  являются: относительно низкий удельный съем расплава от 25 до 50 кг/(м²ч), что для достижения сравнимой с вагранкой производительностью требует 4...5-кратного увеличения производственной площади; повышенный удельный расход топлива.

3.1.3. Электродуговые печи наиболее широко используют при производстве высокотемпературостойкой и огнеупорной ваты. Однако возможно их применение и для производства рядовой минеральной ваты.

Электродуговая печь представляет собой металлическую водоохлаждаемую  ванну, выполненную в виде котла  диаметром 2,5...3,0 м. Металл защищается от расплава слоем гарнисажа, который  образуется на внутренней поверхности  котла. Плавление сырья осуществляется с помощью трех графитированных  электродов. Шихту загружают сверху с помощью шнекового или иного питателя. Образовавшийся расплав выпускают через небольшой фидер, монтируемый сбоку печи несколько выше ее пода.

Изменяя электрический режим, можно  регулировать теплотехнические параметры  плавления в соответствии с технологическими требованиями. [1]

 

На проектируемом предприятии в качестве плавильного агрегата используем вагранку, поскольку она получила широкое применение в связи с высокой производительностью, простотой обслуживания, малыми габаритами по сравнению с другими плавильными агрегатами.

 

3.2. Способы переработки минерального  расплава в волокно.

 

Способы переработки расплава в  волокно основаны на расщеплении  струи расплава, вытекающей из печи, на тончайшие струи и их вытягивании в волокна.

Существуют различные способы  переработки силикатных расплавов  в волокно. По принципу воздействия  энергоносителя на струю расплава, истекающего из плавильного агрегата, их можно разделить на три основных способа:

• дутьевой,
• центробежный
• комбинированный.

3.2.1. Дутьевой способ основан на воздействии энергоносителя (пара, горячих газов), движущегося с большой скоростью (400...800 м/с), на струю (струи) расплава. Энергоноситель расщепляет струю расплава и вытягивает образовавшиеся элементы в волокна.

По направлению струи энергоносителя дутьевой способ подразделяют на горизонтальный и вертикальный. При горизонтальном способе струя энергоносителя направлена на струю расплава под углом 15...20° к горизонту, а при вертикальном — под углом 10... 11° к вертикали, с двух сторон струи расплава.

Дутьевой способ основан на термодинамических  закономерностях процесса истечения водяного пара и газов из сопл, когда их кинетическая энергия увеличивается за счет уменьшения потенциальной или тепловой энергии.

Сопло представляет собой узкий  канал в дутьевой головке. Входное  сужающееся отверстие во всяком сопле  должно иметь плавно округленные  кромки для превращения большей части потенциальной энергии в кинетическую и получения вследствие этого как можно большей скорости истечения энергоносителя. Существует два типа сопл: простое суживающееся и сопло Н. Лаваля.

По принципу воздействия на струю  расплава дутьевые головки можно  разделить на два типа — ударного и эжекционного действия. Эжекционные  дутьевые головки работают по принципу всасывания струи расплава и расчленения  ее на волокна внутри головки. Вакуум в головке образуется за счет очень высокой скорости движения энергоносителя. Такие головки позволяют получать волокна очень высокого качества толщиной 1...3 мкм. Однако их производительность мала для узлов переработки расплава в минеральную вату (180...200 кг/ч). Поэтому эжекционные сопла применяют главным образом при получении огнеупорных волокон.

Необходимо отметить, что горизонтальный дутьевой способ не обеспечивает получения высококачественной минеральной ваты, так как при его применении образуется много корольков, а волокна имеют большой разброс по диаметру. Это объясняется двумя основными причинами: во-первых, раздувается одна довольно толстая (7...10 мм) струя расплава; во-вторых, под действием гравитации часть элементов струи расплава попадает в периферийную зону струи энергоносителя, где скорость его движения меньше и энергии на вытягивание волокна из элементов струи не хватает. В настоящее время этот способ в чистом виде не применяют.

При вертикальном раздуве с помощью  фильер расплав разделяют на более  тонкие струи (не более 2 мм), что существенно облегчает процесс волокнообразования. Этот способ широко применяют на практике, особенно при получении стеклянной ваты.

3.2.2. Центробежный способ основан на использовании центробежной силы вращающихся элементов центрифуг, на которые подается расплав. При производстве минеральной ваты используют центробежные установки различных конструкций, отличающиеся между собой количеством вращающихся органов, их формой и расположением в пространстве. Центробежные установки могут быть одноступенчатыми, когда расплав обрабатывается на одной центрифуге, и многоступенчатыми, если переработку расплава в волокно осуществляют последовательно на нескольких центрифугах. По форме рабочего органа центрифуги могут быть дисковыми, чашечными и валковыми, а по расположению плоскости вращения - горизонтальными и вертикальными. В одноступенчатой установке используют диск из жаростойкой стали или огнеупора, который вращается   вокруг   вертикальной оси с частотой вращения 10 000 мин^-1. Расплав, попадая на диск с бортом, распределяется по его поверхности в виде пленки, которая благодаря центробежной силе перемещается к краю диска, сходит с него и под действием поверхностного натяжения распадается на струйки, из которых образуется волокно.

Наибольшее распространение в  мировой практике получил центробежно-валковый способ. В этом случае рабочим органом являются последовательно расположенные валки, вращающиеся вокруг горизонтальных осей. Рабочей частью валков является боковая поверхность. Расплав с температурой около 1400°С стекает через лоток на верхний распределительный валок, попадая в строго определенную точку его поверхности, находящуюся под углом 30...40° к горизонтальной плоскости, проходящей через ось валка. Затем расплав последовательно обрабатывается всеми валками, окружная скорость которых увеличивается по мере удаления валков от места поступления расплава. Увеличение окружной скорости валков необходимо в связи с тем, что по мере прохождения через них расплав остывает, его вязкость возрастает и для вытягивания отдельных струек в волокна требуется больше энергии. Повышение окружной скорости осуществляют увеличением диаметра валков. Процесс волокнообразования может идти только в случае прилипания расплава к поверхности валков, которое обеспечивается при нагревании валков до 500,..600°С и увеличивается с повышением их температуры. Важным параметром, влияющим на качество минеральной ваты (на диаметр волокон), является окружная скорость валков.

Нормальная работа отечественных  многовалковых центрифуг обеспечивается при подаче расплава с температурой 1360...1380°С в количестве 1700...3500 кг/ч. Промышленные центрифуги имеют следующие параметры: частота вращения — 3000... 6000 мин-1, диаметры валков — 150... 380 мм, окружные скорости — 24... 120 м/с.

3.2.3. Комбинированные способы основаны на использовании как центробежной ^силы, так и кинетической энергии пара или газа. В промышленности наиболее широкое применение получили центробежно-дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой способы.

Центробежно-дутьевой способ (ЦДС) предусматривает превращение струи расплава в пленку и струйки с помощью вращающейся чаши и последующее вытягивание струек в волокна под воздействием энергоносителя.

Центробежно-фильерно-дутьевой способ (ЦФД) основан на диспергировании струи расплава в тонкие струйки, на которые затем воздействует энергоноситель.

Этот способ позволяет получать практически бескорольковую вату с  диаметром волокон до 1...2 мкм. Однако производительность установки не превышает 250 кг/ч. [1]

 

Руководствуясь технико-экономическими показателями, включающими в себя средний диаметр волокна, содержание корольков, затраты на получение  волокна, на проектируемом предприятии  устанавливается центробежно-валковый способ переработки расплава в волокно. К тому же, он получил наибольшее распространение в мировой практике.

 

3.3. Способы введение  связующего.

Применяют три способа введения связующего в волокно: распыление или  пульверизация, полив с вакуумированием, приготовление гидромассы или пульпы.

3.3.1. Способ распыления.

Введение связующего в минераловатный ковер способом распыления используют на большинстве предприятий. Водный раствор или эмульсию подают в  камеру волокноосаждения, где связующее распыляется паровыми соплами, воздушными или механическими форсунками.

Связующее поступает через коллектор  или полый вал центробежно-дутьевой установки волокнообразования или при центробежно-валковом способе волокнообразования - через полый вал второго, третьего, иногда и четвертого валка центрифуги. Однако введение связующего через полый вал центрифуги недостаточно эффективно из-за его значительных потерь.

При введении связующего в волокно  способом распыления раствор смолы  разбавляют водой в соотношении 1:(2-3,5), т.е. применяют рабочие растворы связующего 10-17%-ной концентрации. При введении обеспыливающей добавки из эмульсола концентрация рабочей эмульсии - 4-7%. В производственной практике концентрацию рабочего раствора чаще определяют по его плотности ареометром.

Недостаток способа пульверизации - большие потери связующего при  распылении (до 30%) и неравномерное  распределение смолы в минераловатном ковре.

Применение пульверизации технологически и экономически оправдано при  изготовлении рулонного материала, а также мягких, полужестких и жёстких плит с низкой и средней плотностью.