Производство минеральной ваты

ВВЕДЕНИЕ 
 

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 [1].

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 (рис. 1).

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 [2]. 
 
 
 

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

1. Общая характеристика и  свойства 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 сновном 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. Расстекловывание ваты может происходить уже при 500°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 стекляный 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. 2.1.

Рисунок 2.1. 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:

SiO₂ – 35…40; А1₂О₃ – 7…17; Fе₂О₃ + 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. Печи  для получения  силикатного расплава

Силикатные  расплавы для производства минеральной ваты получают путем плавления сырья в печах следующих типов: шахтных (вагранках),ванных элктродуговых.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.агрузочная 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.