Вязкость минерального расплава
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Я ЧАСТЬ ЛЕКЦИИ
(УСТНО)
Минеральная вата - распространенный теплоизоляционный материал, получаемый путем специальной переработки силикатного расплава. Благодаря аморфной структуре минеральная вата приобретает высокие звуко и -теплоизоляционные свойства. Из минваты изготавливаются изделия, используемые в теплоизоляционных/акустических конструкциях. Вату применяют также в производстве кровельных и стеновых теплоизоляционных материалов.
Базальтовая теплоизоляция выпускается в виде:
- продукция по ГОСТу - мягкие (40-50 кг/м3), полужесткие (60-70-80 кг/м3), жесткие плиты (100-120-140 кг/м3), повышенной жесткости (160-180-200 кг/м3), плита твердая (220-250-300 кг/м3);
- рулонная теплоизоляция (прошивная, кэшированная и т.д.);
- жесткая трубная теплоизоляция («скорлупки»).
Производится базальтовая теплоизоляция специального назначения БСТВ (базальтовое супертонкое волокно), базальтовая арматура для дорожного строительства, противопожарная теплоизоляция. Базальтовое волокно нашло применение в военной области – при строительстве аэроплана истребителей, при производстве гранатометов и т.д.
Существует несколько методов производства минеральной ваты, каждый из них применяется, исходя из необходимого количества и качества конечного продукта. Мы будем изучать самый распространенный. (УСТНО)
Главные производственные процессы
- Поставка сырья и энергоресурсов
- Плавление шихты
- Волокнообразование с введением раствора связующего
- Формирование первичного слоя
- Завершение процесса (формирование вторичного слоя, термообработка, резка, упаковка)
Поставка сырья и энергоресурсов
Наиболее часто используемые сырьевые материалы для производства минеральной ваты –базальт, диабаз, габбро, порфирит, при необходимости добавляется группа раскислителей - доломит, известняк. Энергоисточник для вагранок – кокс. Сырье и кокс загружаются в бункеры-дозаторы, откуда после взвешивания на весовых дозаторах, они подаются на ленточном конвейере в вагранку.
Источник сырья и энергии:
1 – вагранка
Формирование первичного слоя:
2 – центрифуга
3 – камера волокноосаждения;
4 – передающие конвейеры (3 единицы).
Формирование вторичного слоя минеральной ваты:
5 – маятниковая система;
6 – весы вторичного слоя;
7 – гофрировщик-подпрессовщик;
8 – камера термообработки.
Окончание процесса производства:
9 – зона охлаждения;
10 – обрезка кромок;
11 – раскрой согласно требований ГОСТ, ТУ;
12 – формирование штабелей;
13 – упаковка.
Минеральную вату получают в результате двух неразрывно следующих один за другим технологических процессов:
1. получение силикатного расплава в вагранке;
2. переработка расплава в минвату радиально-тангенциальным способом на валках четырехвалковой машины (далее центрифуга).
При осуществлении второго процесса вату равномерно по объему насыщают раствором связующего методом распыления через тарелки валков (№№ 2, 3, 4) и систему форсунок досыщения, смонтированных на лобовине центрифуги.
Физико-химическое состояние минерального расплава
Волокна минеральной ваты состоят из вещества в стекловидном состоянии. Все вещества в стекловидном состоянии – это аморфные тела, получаемые при переохлаждении минерального расплава. Данные тела приобретают, по мере увеличения вязкости, механические свойства твердых тел. Процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное всегда обратимый.
Вязкость минерального расплава
При вязкости расплава 21…26 см производительность вагранки зависит от крупности кокса, интенсивности горения кокса, температуры его горения, объема и температуры дутьевого воздуха, минералогического и вещественного состава шихты, газопроницаемости слоя шихты.
Вязкость расплава определяют измерением пути, пройденного расплавом в капиллярной трубке вискозиметра до застывания расплава. Не путать взаимно противоположные понятия текучести и вязкости. При определении вязкости необходимо учитывать температуру расплава, которая должна быть на первом лотке после сифона - 1450…1480°С и выше.
Все современные вагранки для получения минерального расплава механизированы и автоматизированы, управление процессом плавления осуществляется с компьютера через программное обеспечение, что требует от персонала ваграночного отделения определенных компьютерных навыков.
Плавление
В вагранке сжигается кокс, при его сжигании выделяется тепло, которое нагревает и плавит сырье. Большинство горных пород плавятся при температуре 1300…1600°С. Вагранка – это система, предназначенная для плавления горных пород базальтовой группы и подшихтовочных материалов. В вагранке происходят химические и термодинамические процессы, плавление горных пород, достигается однородность плавки (гомогенизация расплава). В результате процесса получается расплав, имеющий нормированную вязкость, температуру и поверхностное натяжение.
Исходно вагранки предназначались для выработки чугуна из железной руды. Затем они были усовершенствованы для получения силикатных расплавов. Изменилась сама концепция, основным требованием к процессу стала стабильность выработки расплава в единицу времени. Требование определяется непрерывностью процесса производства теплоизоляционных материалов, четкими требованиями к плотности получаемого продукта и экономической целесообразностью.
Сущность автоматизации управления процессом плавления минеральной шихты в вагранке заключается в поддержании па заданном технологическом уровне нескольких основных параметров плавильного процесса:
1. производительность вагранки,
2. температура вытекающего раствора с учетом минимального расхода кокса.
3. вязкость и интенсивность образования раствора, которые являются функциями от:
а. химического состава раствора;
б. минералогического состава шихты.
Удельный расход кокса определяют, как частное от деления его часового расхода на объем вытекающего раствора.
Температура входящей воды в водяной рубашке должна быть 86…93°С, при более низкой температуре могут создаваться условия для:
- «замораживания» пограничного со стенкой ватержакета слоя шихты;
- дополнительных затрат теплоты кокса;
- образования гарнисажа по периметру вагранки.
Температура отходящей воды может быть в пределах 96…103°С и выше.
Замеры температуры расплава производят на расстоянии 500 мм и более. Температура измеряется на выходе из сифона, с «раздеванием» струи расплава и получением поля для измерения не менее 30 мм по диаметру. Измерение дает точные значения только при отсутствии корки на струе раствора и частиц золы кокса на нем.
Температуру расплава измеряют с помощью пирометров излучения. Сущность метода основана на увеличении интенсивности излучения абсолютно черного тела при повышении температуры.
Производительность вагранки устанавливают периодическим определением дебита расплава по времени наполнения расплавом калиброванного ковша. О производительности вагранки косвенно судят по частоте загрузки дозированных по массе рабочих колош путем пересчета нормированных потерь при волокнообразовании и П.П.П.
Волокнообразование – центрифуга
Рис. 1. Волокнообразование.
Наиболее часто используемый процесс производства минваты – процесс переработки (рис. 1) расплавленной горной породы на многовалковой установке волокнообразования (рис. 2), где расплав превращается в волокно.
Рис. 2. Установка волокнообразования.
Расплавленная горная порода в виде капель/ручейков стекает сквозь холостую колошу кокса, одновременно происходит перемешивание/гомогенизация. Через колено сифона раствор выдается на первый лоток. По каналу второго лотка расплав под действием гравитационной силы падает на 1-е вращающееся колесо центрифуги. Далее передается на следующие три колеса центрифуги. Центрифуга имеет 4 цилиндрических валка, о которым перемещается струя расплава, поступающая из вагранки. С помощью сильного потока воздуха (до 150 км/час), направленного соосно с вращающимися валками центрифуги, капли расплава преобразуются в волокно, которое переносится на паллеты КВО. Образующееся на центрифуге волокно обрабатывается водным раствором органического связующего на основе фенолформальдегидной смолы.
Механизм формирования волокон был описан Айзенкламом. Волокна образуются из пленки расплава на поверхности валков центрифуги. Формирование волокна зависит от инерционных, вязкостных сил и сил поверхностного натяжения, процесс твердения зависит от термодинамических условий и свойств массы расплава.
Качество конечного продукта зависит от структуры волокна и количества неволокнистых включений. Структура волокна характеризуется диаметром волокна, длиной. Материал, не превращенный в минеральное волокно, остается в виде неволокнистых включений («королька»).
Формирование первичного слоя – камера волокноосаждения
Волокно, образовавшееся на валках, транспортируется потоком воздуха внутрь камеры волокноосаждения (рис. 3), где формируется первичный слой минваты на перфорированном конвейерном транспортере.
Рис. 3. Камера волокноосаждения.
Однородное силовое поле, созданное силой воздушного разрежения, формирует тонкий слой сплетенного между собой волокна (рис. 4), смоченного раствором ФФС.
Рис 4. Волокно
Геометрическая структура сплетенного волокна и однородность обработки его связующим значительно влияет на качество конечного продукта.
Конвейерная лента и весы
Первичный слой покидает камеру волокноосаждения и проходит через переходную зону конвейеров в зону механизма качания маятникового раскладчика.
Рис 5. Маятниковый раскладчик.
Функция маятника - сворачивание и загрузка первичного слоя в штабели. Частота колебания маятника, скорость подачи первичного слоя минеральной ваты и скорость работы конвейерной ленты формируют многослойную структуру минеральной ваты, которая затем попадает в зону взвешивания на четырех тензодатчиках, где измеряется масса минеральной ваты в соответствии с плотностью конечного продукта. Данные весы позволяют путем пересчета комбинации четырех одновременных измерений выявить отклонения в плотности первичного слоя.
Гофрировщик-подпрессовщик
Гофрировщик-подпрессовщик выполняет несколько функций. Первая функция: поперечное сжатие слоя минеральной ваты после маятника для получения необходимой толщины готовых изделий, вторая функция: придание слою минеральных волокон частичной вертикальной ориентации в виде синусоиды, которая достигается за счет разницы в скорости вращения групп валков.
Рис. 6. Гофрировщик
Гофрирование минеральной ваты позволяет получить продукцию с лучшими физико-механическими характеристиками, чем без гофрирования, при меньшей плотности. Это позволяет сэкономить сырь и материалы. Увеличение степени гофрирования ведет к повышению коэффициента теплопроводности.
Камера поликонденсации
В камере поликонденсации происходит отверждение связующего на основе фенолформальдегидной смолы, содержащей вспомогательные вещества. Процесс поликонденсации можно описать, как упрочнение структуры минеральной ваты. Он происходит при температуре 240…250°С. Процесс прогревания слоя минваты протекает при помощи принудительной многократной конвекции горячего газа сквозь слой при одновременном равномерном движении ковра ваты. Время выдержки ваты в данной зоне при данной температуре поликонденсации должно быть достаточно долгим, для полного завершения химического процесса.
При неполной обработке всех волокон ваты связующим в камере волокноосаждения, имеется возможность улучшить распределение в первой зоне камеры термообработки, установив в ней температуру 150…160°С и регулируя распределение связующего оборотами вентилятора.
На выходе из камеры полимеризации находится зона охлаждения. Ее цель – охлаждение слоя минваты до поступления минваты в зону раскроя кромочными, продольными, поперечными дисковыми пилами и ленточной пилой. Ленточная пила служит для раскроя плиты по толщине.
Работа вагранки
Вагранка может быть подразделена на несколько зон (рис. 7).
Первая зона - зона нагревания. В этой зоне сырье нагревается до определенной температуры, при этом теряет влагу. При температуре 300-400°С начинается процесс снижения уровня оксида железа. Температурные границы этой зоны – 200…800°С.
Вторая зона - зона преобразования заложенного в вагранку сырья. Температура в ней варьируется – 800…1250°С. В этой зоне доломит (CaCO3, MgCO3) распадается и высвобождается CO2. Амфиболит может начать разрушаться, так как он становится более ломким при высоких температурах. Происходит дальнейшее снижение уровня оксида железа. Заложенный кокс находится в неактивном состоянии, пока он не нагревается до температуры 1000°С. Прямое снижение оксида железа (FeO) возможно за счет частичного протекания реакции восстановления.
Рисунок 7. Схема работы вагранки (производство минеральной ваты)
— — — —температура газа
——————температура сырья
Третья зона непродолжительна, в ней идет плавление заложенных в вагранку материалов. Температура плавления магматических пород варьируется 1250…1400°С. Образующиеся из доломита в процессе обжига оксиды кальция и магния не плавятся при таких температурах – они растворяются в расплаве. Температура плавления магматической породы зависит от качества породы и ее зернистости. При таких высоких температурах прочность амфиболита уменьшается. Подвергаясь весовой нагрузке столба шихты, материал разрушается, процесс плавления происходит легче. Похожее происходит с доломитом, температура разрушения которого приблизительно 800°С.
Четвертая зона – зона горения кокса. Она расположена над фурмами. В этой зоне кокс нагревается до температуры, при которой он начинает гореть вместе с кислородом. Подаваемое дутье может быть холодным, или может подогреваться в теплогенераторе, что усилит процесс горения кокса. Кокс даёт при горении либо углекислый газ CO2, либо угарный газ CO. В первом случае высвобождается намного больше энергии. Такое горение называется полным окислением, и оно идет в тех частях вагранки, где кокс получает для горения наибольшее количество кислорода. При нормальных условиях работы вагранки СО в отходящих газах не должен превышать 4,0%.
При температурах более 600°С создаются идеальные условия для формирования CO. Реакция зависит от температуры, поверхности контакта кокса с СО2 и времени, в течение которого газ остается в контакте с раскалнным коксом. С точки зрения энергоэффективности процесса, данная реакция крайне нежелательна, так как требует потребления кокса и процесс идет с отбором тепла. Выделение СО усугубляет загрязнение атмосферы и увеличивает восстановление F2O3 до чугуна, который скапливается в подине вагранки. Поэтому производители минваты стараются использовать кокс с наименьшей реакционной способностью (литейный кокс), а не доменный, который имеет весьма пористую структуру и дает при горении большой % СО.
В четвертой зоне температура достигает предела. Мы подразделяем температуру на температуру отходящих газов, кокса и расплава. Исследования показывают следующие максимальные температуры: температура расплава - 1500°С, кокса - 1800°С, газа – выше 2000°С. Расплав нагревается до 1300…1500°С при прохождении сквозь всю рабочую зону и сохраняет данную температуру даже на выходе из вагранки.
Пятая зона – подина (днище) вагранки. Ее называют зоной сепарации. В этой части чугун отделяется от силикатного расплава и опускается на дно вследствие своей более высокой плотности.