Производство минеральной ваты

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 2.1).

Рис. 2.1. 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 выполне ния 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 элем£нтов. Наибольшее распространение получили регенеративные дечи с подковообразным направлением пламени. Для отапливания печей используют газообразное или жидкое топливо.Ванная регенеративная печь (рис. 2.2) 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.

Рис. 2.2. 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 лучеиапускательной 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. 2.3) 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 шне-кового 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.

Рис. 2.3. 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. 2.4) 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.

Рис. 2.4. Установка с циклонной камерой 
 

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 ікоіміпонентов, тем быстрее протекают реакции этого типа. Площадь поверхности контактов для шихты одного и того же объема растет с увеличением дисперсности зерен. Таким образок, 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 ре-шет1ки 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 или сеткообразователем 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.