Производство минеральной ваты

SiO₂ — 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, температу-ростойкость;

Fе₂О₃ —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;

ZnO2 — 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;

ZnO — в небольших количествах оказывает положительное влияние на химическую устойчивость, снижает вязкость и уменьшает склонность к кристаллизации;

FеО  — снижает вязкость, но повышает поверхностное натяжение расплава, снижает начальную температуру разрушения волокон, одновременно повышая температуру спекания. 

4. Способи 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. 2.5). 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 (2.6,а) и сопло Лаваля (рис. 2.6,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.

Рис 2.5. Узел раздува при фильерном вертикально-дутьевом способе получения волокна 

Рис 2.6. 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 споссибе 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. 2.7. 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. 
 

Рис 2.7. 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. 

Рис. 3. 1 – 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. 

     Рис. 3.2 – 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.