Общая характеристика и свойства минеральной ваты

5. 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. 5.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 – Технологическая схема производства минеральной ваты

 

 

1. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

 

Тепловые агрегаты для получения  силикатного расплава различаются возможностью переработки определенных видов сырья при использовании разного топлива или энергии.

Вагранки – наиболее распространенный тип шахтной плавильной печи непрерывного действия, в которых разогрев и плавление шихты происходят по принципу противотока (рис.5.2).

Загрузочная 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.

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.

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. Металлический кожух печи выше ватержакета футерован огнеупорными керамическими материалами. Через сливной лоток минеральный расплав направляется на волокнообразующее устройство.

Для ускорения процесса растворения  тугоплавких составляющих размеры их кусков должны быть меньшими, чем легкоплавких. Помимо размера кусков легкоплавкого и тугоплавкого компонентов необходимо соблюдать оптимальное соотношение между объемами тугоплавкого и легкоплавкого компонентов. В противном случае возможно неполное растворение тугоплавких компонентов в легкоплавких.

Для интенсификации горения кокса  в зону горения поддувают воздух через два ряда фурм-отверстий фурменного пояса (коллектора).

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 элементов. Наибольшее распространение получили регенеративные ечи с подковообразным направлением пламени. Для отапливания печей используют газообразное или жидкое топливо. Ванная регенеративная печь (рис. 5.3) 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.

 

Рисунок 5.3 – 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 1600⁰С. Интенсивность работы печи в основном зависит от температуры газов, их лучеиспускательной 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 осветления (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 потери расплава и повысить качество волокна. Таким образом, применять ванные печи, несмотря на высокие капиталовложения, рационально, так как позволяет повышать качество выпускаемой продукции.

Электродуговые печи. Электродуговая печь (рис. 5.4) для получения силикатного расплава представляет собой металлическую водоохлаждаемую ванну в виде котла диаметром 2,5…3 м.

 

Рисунок 5.4 – Электродуговая печь:1 – кожух; 2 – обод печи; 3 – кольцо оводовое; 4 – окно рабочее; 5 – футеровка свода; 6 – система водоохлажденния; 7 – экономайзер; 8 – электрод графитизироваиный; 9 – электрододержатель;  
10 – токоподвод гибкий; 11 – привод механизма перемещения электрода;  
12 – механизм подъема и поворота свода; 13 – фидер.

 

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 шнекового 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.

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. 5.5) 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.

 

Рисунок 5.5 – Установка с циклонной камерой

 

Использование печи того или  иного типа зависит в основном от вида сырья и наличия топливных  или энергетических ресурсов.

 

Превращение силикатного  расплава в волокно. В настоящее время основными промышленными способами переработки силикатного расплава в минеральное волокно являются дутьевые, центробежные и комбинированные.

Дутьевые способы делят на горизонтально - и вертикально - дутьевые.

При горизонтально-дутьевом способе энергоноситель с большой скоростью (400—800 м/с) входит в соприкосновение со струей расплава приблизительно под прямым углом, изгибает ее и расщепляет на волокна. В качестве энергоносителя можно применять горячий воздух, перегретый и сухой насыщенный пар, отходящие топливные газы или газовоздушную смесь.

При горизонтально-дутьевом способе раздувается лишь одна, довольно толстая струя расплава, в связи с чем способ малоэффективен, волокна получаются низкого качества, с высоким содержанием корольков. Поэтому этот способ составляет основу различных комбинированных способов, а в чистом виде практически не применяется.

При вертикально-дутьевом фильерном способе (рис.5.6) расплав предварительно дробят на тонкие струйки, истекающие из питателей типа пластинка или лодочка через тонкие отверстия-фильеры, имеющие диаметр не более 3 мм, после чего их раздувают в струе энергоносителя, направленного сверху вниз с обеих сторон под углом 10— 11° по отношению к струйке расплава.

Для раздува струи силикатного  расплава используют сопла двух типов: простое суживающееся и сопло Лаваля. На выходе сопла происходит частичное преобразование тепловой энергии пара или газа в кинетическую. В соплах Лаваля это преобразование происходит в большей мере, чем в обычных, поэтому их применение более эффективно.

 

 

 

Рисунок 5.6 – Узел при фильерном вертикально-дутьевом способе олучения волокна

1 — фидер; 2 — фильерный питатель; 3 — дутьевое устройство; 4 — устройство для подачи обеспыливающего вещества; 5— диффузор; 6—форсунка для подачи связующего вещества; 7 — шихта камеры волокноосаждения

 

Сопла исполняют в виде щели или  круглого отверстия и оформляют как дутьевые головки в двух вариантах: ударного и эжекционного действия.

В конструкции ударного действия энергоноситель сразу же на выходе из сопла головки  соприкасается со струей расплава. В эжекторной головке расплав всасывается внутрь ее за счет вакуума, создаваемого высокой скоростью энергоносителя, и расщепляется, на волокна внутри головки. Эжекторная головка обеспечивает высокое качество получаемой продукции, однако ее применение ограничивается малой производительностью и высоким уровнем шума.

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. Схема четырехвалковой ступенчатой центрифуги приведена на (рис. 5.7). Центрифуга представляет собой станину П-образной формы, на которой укреплены четыре рабочих валка, приводимые во вращение отдельными электродвигателями. Расплав с температурой около 1400°С стекает через лоток на верхний распределительный валок и последовательно обрабатывается всеми валками. При этом струя расплава должна попадать в строго определенную точку поверхности первого валка, находящуюся под углом 30—40° к горизонтальной плоскости, проходящей через ось валка. Окружная скорость валков различна. Она увеличивается от верхнего валка к нижнему; это связано со снижением температуры расплава и повышением его вязкости по мере передачи расплава с одного валка на другой. Окружную скорость повышают путем последовательного увеличения диаметра валков и числа оборотов. Волокно образуется только при прилипании расплава к поверхности валков. Если этого не происходит, то струя расплава отбрасывается валками в стороны и не превращается в волокно. Прилипание расплава начинается при прогреве рабочих органов до 500—600°С и с повышением температуры усиливается. Нормальная работа отечественных центрифуг обеспечивается при подаче расплава в количестве 1700—2000 кг/ч с температурой  1360—1380°С.

Один из основных параметров, определяющих качество минеральной ваты при валковом способе волокнообразования — окружная скорость валков. Зависимость среднего диаметра волокна от окружной скорости валка. (данные Л. И. Зайцевой).

Основные характеристики валковых промышленных центрифуг: частота  вращения 3000—6000 об/мин, диаметры валков 150—250 мм, окружные скорости 24— 70 м/с.

 

 

Рисунок 5.7 – Схемы многовалковых центрифуг

а - четырехвалковая центрифуга; 1 - вагранка; 2-й - вращающиеся валки;  
б - трехвалковая центрифуга; 1-4 - то же, что и в п. «а»; 5 - дутьевые устройства

 

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.