лекции Изолировщик на термоизоляции. Образовательный Центр ПетроПроф Автономная некоммерческая организация дополнительного профессионального образовании
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
Глава 3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ 3.1. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия К неорганическим теплоизоляционным материалам следовало бы отнести только те из них, в составе которых нет органических веществ. Однако как за рубежом, так и в России принято относить к этому классу материалы, в большей степени изготовленные из неорганических материалов. К ним традиционно относят минераль ную вату и изделия из нее, асбестовые изделия, утеплители на ос нове перлита и вермикулита, диатомита, трепела, пеностекло, пенобетоны и ячеистые бетоны и некоторые другие. Описание основ ных из них, имеющих промышленное производство, дано в этой главе. Ряд материалов представляют собой композиции из неорганических материалов. К ним относятся перлитоцементные изделия, в состав которых входят перлит, цемент и асбест, перлитодиатомовые изделия (перлит и диатомит), вулканитовые (диатомит, асбест, известь). Для удобства предоставления сведений о них такие мате риалы отнесены к материалам по наиболее объемному компоненту либо описаны отдельно. 3.1.1. Минеральная вата и изделия из нее Среди довольно широкой номенклатуры теплоизоляционных материалов первое место по объему производства в России и за ру бежом занимают изделия на основе минерального волокна. Они негорючи, не подвержены воздействиям грызунов и микроорганиз мов, морозостойки, для их производства не требуется дефицитное сырье. Теплоизоляционные материалы на основе минерального волокна позволяют создать различные варианты легких конструкций. Так, применение в производственных зданиях панельных ограждений с утеплителем из минераловатных плит позволяет по сравнению со зда ниями из типовых железобетонных конструкций снизить вес основ ных конструктивных элементов в 4—5 раз, трудоемкость монтажа зда ния — в 1,8—2 раза, значительно сократить сроки строительства. Использование в строительстве облегченных конструкций, утеп ленных теплоизоляционными минераловатными материалами, позво ляет улучшить качество и повысить эффективность строительства. Для производства минераловатных изделий применяют сравни тельно небольшое количество исходных сырьевых материалов. Од нако имеющиеся значительные технологические разработки позво ляют получать теплоизоляционные изделия довольно широкой но менклатуры. Свойства изделий можно регулировать, изменяя технологию обработки, состав материала и характер пористости. Это позволяет выпускать разнообразные изделия с заранее заданными свойствами применительно к различным условиям эксплуатации.
Физические, физико-химические и химические процессы, происходящ ие при промышленном производстве минеральной ваты Минеральная вата состоит из волокон, находящихся в стекловид ном состоянии, неволокнистых включений в виде капель затвердев шего расплава и микроскопических обломков волокон. Минеральную вату получают из силикатных расплавов. В шихте в процессе получения расплава (в зависимости от составляющих шихту сырьевых компонентов) при нагреве происходят следующие процессы: 1) сушка с испарением адсорбционной влаги (физический про цесс); 2) дегидратация с потерей кристаллизационной и конституци онной влаги (химическая реакция в сочетании с физическими из менениями — испарением); 3) аморфизация глинистых пород (физико-химический процесс); 4) разложение молекул доломита и диссоциация карбонатов каль ция и магния (химический процесс); 5) разложение сульфонатов (химический процесс); 6) восстановление и окисление железистых, марганцовистых и других окислов в зависимости от характера атмосферы в печи (фи зико-химический процесс); 7) образование новых по сравнению с первичными соединений в результате реакции в твердой фазе или воздействия жидкой фазы на твердую (химический процесс), а также полиморфного перехо да из одной модификации в другую (физический процесс); 8) плавление в случае применения однокомпонентной шихты (физический процесс) или плавление легкоплавких кусков с раство рением в полученном расплаве тугоплавких кусков (физико-хими ческий процесс); 9) гомогенизация полученного расплава с частичным осветлени ем (физический процесс). Особенности каждого из этих процессов детально изложены в работах В.А. Китайцева, К.Э. Горяйнова и др. В зависимости от вида применяемого сырья минеральную вату иногда называют каменной, шлаковой, базальтовой и др. Технологические особенности процесса плавления шихты заклю чаются втом, что при плавлении в вагранке шихтовый «столб», вклю чая сырьевые и коксовые «калоши», имеет достаточную газопрони цаемость и обеспечивает быстрый нагрев шихты и получение расплава необходимой вязкости: расплав должен течь как в холодной «калоше», таки из летки печи. Обычно расплавы, вытекающие из летки вагран ки, имеют рабочую вязкость 2—15 П. При подборе состава шихты мож но исходить из рабочей вязкости расплава 10 П при 1400 °С. В отличие от вагранок из ванных печей расплав вытекает при рабочей вязкости 40—100 П, а иногда и при 2,5 Па •с/м2 (25 П). При вязкости свыше 100 П расплав из фильер течет не сплошной струей, что недопустимо. В шахтно-ванной печи плавят кусковую шихту, например базальт, содержащий 57 % (5Ю2 + А120 3) и около 5 % (Иа20 + К20 ) при температуре плавления 1350—1380 °С. В дуговых электрических печах получают расплавы, имеющие высокую температуру верхнего предела кристаллизации (выше 1750 °С), в частности идущие на изготовление высокотемператур ной каолиновой и керамической ваты, содержащей 95—98 % (5Ю2+ А120 3), причем соотношение между 5Ю2 и А120 3составляет 1:1 или 1:0,8, температура применения ее — 1100—1200 °С, а тем пература верхнего предела кристаллизации — более 1680 “С. Большое значение имеет выбор таких плавильного агрегата, ре жима плавки и вида сырья, при которых получалось бы наиболь шее количество расплава при затрате 1 кг условного топлива теп лотворностью 7000 ккал/ч. По опытным данным, в вагранках получают от 3,3 до 6, в ванных печах — от 3,15 до 3,6, в электродуговой печи —до 12,7 и в газовом плавильном агрегате — от 2,29 до 2,84 кг расплава при затрате 1 кг условного топлива. Следовательно, наи более выгодными по тепловым показателям являются электричес кие дуговые печи, коксогазовые и коксовые вагранки, причем по следние должны работать на горячем (500 °С) дутье и иметь много контурную систему автоматического управления плавлением. При получении каолиновой ваты температура тугоплавкого алюмосиликатного расплава после подогрева в форкамере при начале формирования составляет 1930—2000 °С, а температура затвердева ния в стекло— 1830°С. Методы производства искусственных волокон и минеральной ваты из расплавов На процесс получения волокон и ваты, кроме химического со става расплава, определяющего вязкость и поверхностное натяжение при температурах переработки его в вату и склонность к кристаллизации, важную роль играет способ переработки. Последний значительно влияет на длину и диаметр волокон и на содержание неволокнистых включений в вате. Переработку расплава осуществляют следующими основными способами раздува: центробежным, комбинированным и способом вытяжения. За последние годы в производстве минеральной ваты получили распространение: 1) комбинированный центробежно-дутьевой (ЦЦ) способ волок нообразования, которым вырабатывается 90,4 % минеральной ваты объемной массой 96 кг/м3, со средним диаметром волокон 7,5 мкм, при количестве отходов во время волокнообразования 25—30 % и содержании корольков размером свыше 0,25 мм в среднем 19 %; 2) центробежно-валковый (ЦВ) способ, которым изготовляют 8,4 % минеральной ваты средней объемной массой до 90 кг/м3, со средним диаметром волокон до 7 мкм, количеством отходов при волокнообразовании 30—50 % и содержанием корольков размером свыше 0,25 мм в среднем 16,4 %; 3) вертикально-фильерно-дутьевой (ВФД), которым вырабатывается около 0,6 % ваты объемной массой 72 кг/м3, со средним ди аметром волокон 7,8 мкм и содержанием корольков размером свы ше 0,5 мм до 2,2 %, отходов при волокнообразовании не имеется; 4) горизонтально-пародутьевой (ГПД) способ — наиболее уста ревший из известных. Таким способом вырабатывается до 0,6 % минеральной ваты средней объемной массой 109 кг/м3, со средним диаметром волокна 7,5 мкм и 19,4 % корольков размером выше 0,25 мм. Кратко рассмотрим некоторые особенности названных выше методов производства минеральных волокон. Дутьевой горизонтальный метод заключается в том, что пар или сжатый воздух, выходя с большой скоростью из дутьевой головки, воздействует на непрерывно текущую струю расплава и перераба тывает его в вату. Избыточное давление пара не менее 6- Ю5Па (6 кг/см2), и расход его 1—1,4 т на 1 т минеральной ваты. Произво дительность по выпуску ваты — до 2000 кг/ч при выходе из 1 т расплава 850—900 кг ваты объемной массой 160—260 кг/м3, состоя щей из волокон средним диаметром 5—7 мкм, длиной 6—10 мм и содержащих до 64—73 % неволокнистых включений. Энергосмеситель более эффективно используется в эжекционных головках, чем в дутьевых, поскольку в последних большая часть расплава выходит из активной зоны действия пара или воздуха в зону с меньшими скоростями. В эжекционных головках полностью ис ключается выход какой-либо части расплава из зоны более актив ного действия потока энергоносителя. Дутьевой вертикальный метод с применением пара (ВРП) или воздуха (ВРВ) позволяет перерабатывать до 500—600 кг расплава в час. Получается вата с очень незначительным содержанием нево локнистых включений объемной массой 40—90 кг/м3, средним ди аметром волокон 7 мкм и длиной 9—27 мм. Расход пара 2,5—9 т ил и воздуха 1300—2500 нм3 на 1 т ваты. Центробежный метод с применением горизонтальных дисков за ключается в том, что струя расплава попадает на раскаленный огнеупорный или жаростойкий стальной диск. Образующиеся во локна подхватываются струей воздуха и присасываются к сетке кон вейера, корольки же падают, не достигая его. Из-за низкой произ водительности (80—400 кг/ч) широкого распространения этот ме тод не получил.
Центробежно-валковый метод заключается в том, что струя рас плава попадает на быстро вращающийся водоохлаждаемый валок, посредством которого она расщепляется и в виде пучка струек и крупных капель передается на второй валок, вращающийся навстре чу первому. Избыточная часть расплава может перебрасываться центробежными силами на следующие, третий и четвертый, валки. Получающаяся вата воздухом притягиваетсяк сетке транспортера. Производительность одного узла до 2,5 т/ч, удельный расход элек троэнергии на 1 т минеральной ваты — 10 кВт •ч, а включая и отдув ваты, — 60 кВт • ч. Центробежно-валковый способ с центральной раздаточной чашей состоит в том, что расплав, непрерывно вытекающий из вагранки, попадает в центральную чащу, вращающуюся со скоростью не ме нее 1000 об/мин, после чего центробежной силой в расщепленном состоянии сбрасывается к периферии, переливается через край, срывается с кромок чаши и встречается с быстро вращающимися рабочими валками диаметром 300—500 мм. Затем поддействием центробежной силы расплав отрывается и, охлаждаясь в паровоз душном потоке, поступающем издутьевого устройства, окончатель но превращается в минеральную вату. Производительность установ ки более 2 т/ч, выход ваты около 80 %, при 32—36 %-ном содержа нии волокна объемная масса ваты составляет 80—110кг/м3, средний диаметр волокон 4,7—6,2 мкм; ориентировочный расход пара 1,3—1,5т/ч. Центробежно-дутьевой метод (разработан французской фирмой «Стиллит Франсез») заключается в том, что расплав из вагранки по ступает в обогреваемый копильник, где из него выделяется железо, удаляемое периодически через специальное отверстие. Расплав же по лотку поступает в раздаточную сварную водоохлаждаемую чашу. По следняя в ряде случаев оборудована устройством для распыления свя зующего по опыту Киевского комбината «Стройиндустрия». Этот способ получил в настоящее время наибольшее распрост ранение на отечественных заводах. На такой установке перераба тывается за час до 2600 кг расплава, причем примерный выход ваты на 1 т расплава составляет 780 кг при содержании в минеральной вате объемной массой 80—110 кг/м3 волокон средним диаметром 6,5—9 мкм и длиной 18—23 мм. На 1 т расплава расходуется пара 1,2—1,6тили сжатого воздуха 1400 нм3. Центробежно-фильерный дутьевой метод (ЦФД) в основном при меняется при производстве штапельного стеклянного волокна. По зволяет получить вату низкой объемной массы, практически без по терь расплава и без наличия в нем неволокнистых включений. Фир ма «Сан Габен» предложила установку, состоящую из враща ющегося со скоростью 3000 об/мин полого вала, внутрь которого из очка в фидере поступает расплав. В нижней части на валу укреплена чаша, в стенке ее имеется 5000—6000 отверстий диаметром 1—2 мм, из которых вытягиваются струйки расплава в потоке нагретой до 1150 °С газовой струи, выходящей из кольцевой дутьевой головки. Сырьевые м атериалы и шихта Одним из значительных преимуществ производства минераль ной ваты является возможность получения ее из различного вида минерального сырья. В качестве сырья для производства минераловатных изделий в США применяются доменные и другие шлаки; во Франции, Шве ции и Югославии используются доменные шлаки с добавлением базальта и диабаза, а также горные породы с добавками; в ФРГ при меняется мергель; в Финляндии — горные породы и отходы асбес тоцементного производства, содержащие магнезит. Около 70 % общего выпуска минераловатной продукции в на шей стране изготовляют на металлургических шлаках, в основном доменных (огненно-жидких и ваграночных шлаков около 8 %). Химический состав некоторых других шихт (% по массе): —ваграночные шлаки: 40 и 49 % 5Ю2; 17 и 19 % А120 3; 4 и 4,3 % Ре20 3; 32 и 19 % СаО; 3,6 и 4 % М§0; 0,19 и 0,24 % 5; —сланцевые горелые породы Поволжья: 38,5 и 49,4 % 5Ю2; 11,2 и 14,9 % А120 3; 3 и 4,5 % Ре20 3; 24 и 18 % СаО; 5,5 и 3,2 % М§0 и около 5 % 5 0 3; —сланцевые коксики Прибалтики: 14,5 и 22 % 5Ю2; 11 и 6 % А1,03; 5,1 и 6,8 % Ре20 3; 55 и 58 % СаО; 4 и 2,9 % М§0; 1,9 и 1,2 % 50,; —керамический бой красного кирпича: 58—67-80,5 % 5Ю2; 13— 23-12 % А120 3; 4,5 -4,3 -3,3 % Ре20 3; 1,52-1,1-0,82 % СаО; 3,3— 2.2—1 % М§0; 0 - 0,5 - 0 % 5 0 3; 3,6 -0 % Р20 ; 2,5 -0,6 -0,1 % ппп.; —бой силикатного кирпича: 59—83 % 5Ю2; 14,6—1,3 % А120 3; 4,4-0,3 % Ре20 3; 9,8-9,2 % СаО; 3,6-0,4 % М§0; 0,2-0,03 % Р20. При получении расплавов в ванных печах в качестве сырья при меняются: мергель с известняком, доменный шлак с горным пес ком (в соотношении 1: 0,33 или 1: 0,18 мае. ч.); мергель с доломи том (фирма «Силлан», Германия), модуль кислотности расплавов 1.3-1,86. Одним из основных критериев, определяющих качество мине ральной ваты, является модуль кислотности, который учитывает содержание четырех основных окислов (5Ю2, А120 3, Ре20 3, СаО, М§0). С увеличением модуля в ряде случаев повышается химичес кая и термическая стойкость минерального волокна. В соответствии с требованиями ГОСТа модуль кислотности должен быть не менее 1,2. Основным окислом в сырье для получения минеральной ваты является 5Ю2, с увеличением содержания которого резко повыша ется вязкость расплава и химическая стойкость волокна. Повыше ние содержания А120 3также увеличивает вязкость, вызывая одно временно уменьшение температурного интервала изменения вязко сти расплава, и ведет к повышению химической стойкости волокна. Увеличение содержания СаО, наоборот, снижает вязкость распла ва и понижает стойкость минерального волокна к воздействию тем пературы и различных агрессивных сред. При увеличении содержа ния М§0 за счет снижения содержания СаО термическая стойкость волокна и его эластичность повышаются. Увеличение содержания окислов железа (РеО и Ре20 3), К20 и И а снижает температуру плавления и вязкость расплава, а в процессе формирования волокна оказывает различное действие: окислы Ре повышают поверхностное натяжение, окислы К и И а снижают его. Диаметр волокон ваты на большинстве заводов соответствует требованиям действующего стандарта — до 8 мкм. Вата хорошего качества изготавливается на Воскресенском комбинате «Красный строитель» (она имеет наименьшую объемную массу, наименьшее количество неволокнистых включений диаметром свыше 0,25 мм (до 1,4 %)). На большинстве отечественных заводов содержание корольков диаметром более 0,25 мм составляет от 14 до 25 %, а в зарубежных странах не превышает 9%. В Швеции, Германии и Че хии изготавливают волокно диаметром 5—7 мкм, масса минераль ной ваты при этом 50—75 кг/м3, а в США, Франции и Англии — 50—120 кг/м3. Вата из расплавов горных пород в основном кислая по своему химическому составу, более стойкая в эксплуатации. При близких значениях модуля кислотности минеральная вата, полученная на различных заводах, может иметь значительно отличающиеся проч ность, водостойкость и долговечность. Связующие вещества и способы их введения в минеральную вату Связующие вещества скрепляют волокна между собой, фикси руют структуру и объемную массу изделия. Причем в твердых и жестких плитах из минеральной ваты заполняющее поры связующее значительно ограничивает взаимное перемещение волокон, а в мягких и полужестких изделиях связующее скрепляет волокна преимущественно в местах их контактов, в результате чего упругость изделию сообщается за счет эластичности отвердевшего связующе го, а главное — за счет упругости самих волокон. На физико-механические свойства изделий (плотность, прочность, упругость) и их сохранность при эксплуатации (долговечность) влияет качество как минеральной ваты, так и связующего вещества после его отверждения в каркасе изделия. Все эти факто ры в совокупности отражаются не только на прочностных и упру гих свойствах изделий, но и на долговечности слоя теплоизоляции в ограждающей конструкции. Связующее вводится в минераловатный ковер как распылением (диспергирование) в момент образования ваты в камере волокноосаждения, так и пропитыванием слоя ваты протекающим через него водным раствором полимерных веществ с последующим отсо сом части раствора при вакуумировании — способ «пропитки ков ра методом пролива». Введение связующих в минераловатный ковер должно обеспе чивать равномерное распределение их в объеме изделия и исклю чать возможность преждевременного отверждения не в местах кон тактов волокон. Из-за несовершенства отечественного промышленного оборудо вания при пульверизации связующего в камере волокноосаждения в ряде случаев отмечается его преждевременное отверждение (тем пература в камере волокноосаждения достигает 60—130 °С). Связу ющее в этом случае не участвует в формировании каркаса, «изде лия» имеют низкую прочность. При пропитке ковра связующим этот недостаток можно исклю чить, но при этом возрастают энергозатраты на сушку ковра по вышенной влажности. На существующем оборудовании «мокрый» процесс (пропитка ковра связующим) позволяет получать более прочные изделия, р е ю щ и е повышенные эксплуатационные свой ства, чем аналогичные изделия, связующее в которых введено пуль веризацией в камере волокноосаждения. Технология производства изделий из минеральной ваты В настоящее время в нашей стране и за рубежом освоен выпуск изделий из минеральной ваты широкой номенклатуры: плиты раз личной прочности, маты прошивные и на специальной пароизоля ционной основе, самонесущие плиты с акустическими, отделочны ми и т. п. слоями, специальные изделия для тепловой изоляции и др. Повысилось качество и отечественных материалов, улучшился их внешний вид. Основой для получения всех этих материалов яв ляется минеральная вата. Физико-механические показатели изде лий во многом зависят от ее качества. Минеральная вата —теплоизоляционный материал, в основном состоящий из тончайших стекловидных волокон, получаемых пу тем распыления расплавов шихты из металлургических и топлив ных шлаков, горных пород или иных силикатных расплавов. В ка честве сырья могут быть использованы попутные продукты различ ных отраслей промышленности, а также отходы промышленности строительных материалов. Минеральная вата применяется для изготовления теплозвуко изоляционных изделий, а также в качестве теплоизоляционного ма териала в строительстве и промышленности при температуре изо лируемых поверхностей до +600 °С. Технология производства минеральной ваты заключается в под готовке сырьевой смеси (измельчение горной породы, шлаков, боя красного или силикатного кирпича и др.), ее расплавлении в ваг ранке, ванной печи или другом плавильном агрегате и переработке расплава в нити толщиной до 8 мкм, длиной от 5 до 40 мм. Из этих нитей и образуется минеральная вата. |