Общие сведения о теплоизоляционных материалах

При использовании мартеновских шлаков как основного вида сырья к ним добавляют мергелистую глину, бой силикатного кирпича или другое кремнеземистое сырье.

Отходы промышленности строительных материалов. Наиболее распространенными видами таких отходов, используемых для производства минеральной ваты, являются бой глиняного и силикатного кирпича.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойства силикатных расплавов для получения минеральной ваты

 

Искусственное минеральное волокно получают из жидких силикатных расплавов. Производство такого волокна обычно состоит из двух основных технологических процессов:

А) получение силикатного расплава;

Б) превращение этого расплава в волокно.

Иногда используют уже готовые расплавы: огненно-жидкие шлаки металлургических печей.

При образовании волокна большое значение имеют вязкость и поверхностное натяжение расплавов.

Вязкость расплавов определяется внутримолекулярным трением, которое зависит от температуры и химического состава. Вязкость – свойство, обратное текучести; чем больше вязкость, тем медленнее при равных условиях течет жидкость. Вязкость жидкости зависит от температуры: с понижением температуры вязкость быстро возрастает. На вязкость силикатных расплавов оказывает сильное влияние химический состав их.

Помимо абсолютной величины вязкости расплава при определенной температуре очень важно знать скорость нарастания вязкости при снижении температуры. Обычно это свойство расплава характеризуется так называемым интервалом вязкости.

Под интервалом вязкости в данном случае понимают разность между двумя значениями вязкости, в пределах которой возможен процесс волокнообразования с получением тонких волокон в большем количестве. Часто интервал вязкости характеризуется не разностью величин вязкости в пределах определенных температур, а разностью температур, к которой относится интервал вязкости.

Расплавы, медленно затвердевающие, т.е. имеющие большой интервал вязкости, обычно называют «длинными» расплавами; быстро затвердевающие расплавы с малым интервалом вязкости – «короткими» расплавами.

Для производства минерального волокна лучше использовать длинные расплавы, чем короткие. На величину вязкости при определенной температуре и интервале вязкости большое влияние оказывает химический состав расплава.

Изменяя содержание отдельных составных частей в расплаве, можно изменять вязкость и интервал вязкости. При большом содержании в расплаве SiO2 вязкость расплавов повышается при высоких и низких температурах. С возрастанием содержания Al2O3 вязкость также почти всегда увеличивается, особенно резко повышаясь с понижением температуры.

Увеличение до определенного предела прочности количества CaO снижает вязкость расплава, а при большом содержании CaO (более 45%) вязкость может повыситься. Содержание MgO обычно снижает вязкость расплава в большей степени, чем CaO. Способность CaO и MgO уменьшать вязкость расплавов широко пользуется при плавке горных пород и шлаков в производстве минеральной ваты, добавляя к основному сырью известняк или доломит. Щелочи (Na2O и K2O) являются хорошими плавнями; они понижают температуру плавления и вязкость расплава, но это имеет практическое значение при производстве стеклянного волокна, а не минеральной ваты. Установлено, что содержание в расплаве окислов марганца и железа понижает вязкость.

Поверхностное натяжение. Образование новой поверхности связано с преодолением междумолекулярных сил сцепления в жидкости, т.е. сил поверхностного натяжения.

Для преодоления этих сил затрачивают значительную работу, выражаемую в дин/см, поэтому следует понижать величину поверхностного натяжения расплавов.

Содержание SiO2, Al2O3, CaO, MgO, MnO, FeO, т.е. тех окислов, которые входят в состав расплавов, применяемых для производства минеральной ваты, мало влияет на поверхностное натяжение их.

Влияние температуры на поверхностное натяжение расплавов при раздуве их в волокна тоже невелико. Для понижения поверхностного натяжения расплавов используют некоторые поверхностно-активные вещества.

Для этой цели в струю пара вводят небольшое количество легкого парафинового масла, которое обволакивает тончайшей пленкой частички расплава, вытягиваемые в волокна. Благодаря малому поверхностному натяжению масла поверхностное натяжение расплава также снижается, что и приводит к образованию более тонких и длинных волокон.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Изделия из минеральной ваты и способы их изготовления

 

Из минеральной ваты изготавливают следующие виды теплоизоляционных изделий:

А) гибкие – войлок, маты, шнуры;

Б) жесткие – плиты, скорлупы, сегменты.

Помимо этих двух групп изделий выпускают еще так называемые полужесткие плиты, по существу представляющие собой более плотный войлок.

Особой разновидностью матов являются прошивные маты в оболочке из проволочной сетки или плотной бумаги. Такие маты часто называют матрацами.

Шнуры состоят из минеральной ваты, обернутой в бумагу. Они представляют собой как бы бумажные шланги, набитые ватой; используют их вместо пакли для утепления швов в стенах жилых зданий.

Кроме формованных изделий, из минеральной ваты вырабатывают и сыпучие теплоизоляционные материалы – гранулированную вату и смеси ее с различными веществами. Их применяют для набивных, засыпных и мастичных теплоизоляционных конструкций, но в ограниченных количествах.

Способы получения изделий из минеральной ваты основаны главным образом на склеивании волокон ее с помощью различных связующих веществ. Поэтому основными вопросами технологии минераловатных изделий являются выбор связующего вещества и способа смешивания его с волокнами ваты.

Виды связующих веществ. Для связывания волокон ваты при изготовлении из них изделий предложено много связующих веществ: органических (нефтяные битумы, синтетические смолы) и неорганических (растворимое стекло, цемент, некоторые глины).

Связующие вещества, используемые в производстве минераловатных изделий, должны обладать следующими основными свойствами:

- высокой  склеивающей способностью, позволяющей  получать прочные изделия;

- возможностью  тонкого диспергирования для  образования тонкой и ровной  поверхности, покрывающей волокна;

- температуростойкостью, водостойкостью, недефицитностью и невысокой стоимостью.

Выбор вида связующего вещества для изготовления изделий определяется часто условиями применения этих изделий.

Органические связующие вещества. Наиболее распространены в качестве связующих веществ при производстве изделий из ваты битумы и синтетические смолы, как обеспечивающие получение изделий с наименьшим объемным весом и коэффициентом теплопроводности.

Нефтяные битумы. Они характеризуются твердостью, температурой размягчения и растяжимостью. Эти свойства взаимно связаны: с увеличением твердости температура размягчения повышается, а растяжимость уменьшается.

Для изготовления минераловатных изделий преимущественно используют битумы с температурой размягчения не менее 45-50 оС, определяемой на приборе «кольцо и шар». Повысить твердость битума и температуру размягчения его можно, добавляя к нему керосиновый контакт или резинаты кальция и марганца. Лучшие результаты дает добавление к битуму керосинового контакта.

Синтетические смолы. Самыми эффективными связующими веществами в производстве минераловатных изделий являются синтетические смолы.

Синтетические смолы, применяемые для этой цели, должны:

А) хорошо растворяться в воде и других растворителях;

Б) легко диспергироваться, чтобы покрывать волокна тонкой пленкой;

В) обладать хорошей адгезией к волокну;

Г) быть термореактивными, т.е. не размягчаться при повторном нагревании;

Д) не иметь склонности к самопроизвольному старению.

Наиболее удовлетворяют этим условиям феноло-формальдегидные и карбамидо-формальдегидные смолы;

Фенолоспирты, применяемые для склеивания минерального волокна, должны содержать:

А) сухой остаток не менее 50%;

Б) свободный фенол не более 9%.

Фенолоспирты разводят водой для получения рабочего раствора смолы. Необходимую степень разведения находят опытным путем, добавляя к фенолоспиртам такое количество воды, при котором не наступает помутнение раствора. Соотношение фенолспирт : вода колеблется от 1:2 до 1:10 (по весу).

При изготовлении жестких и акустических минераловатных плит фенолоспирты применяют в смеси с поливинилацетатной эмульсией.

Неорганические связующие вещества. Температуростойкость изделий из минеральной ваты с применением растворимого стекла, портландцемента и некоторых других неорганических связующих веществ выше, чем при использовании органических связующих веществ, но изделия имеют большой объемный вес (400-500 кг/м3), малую прочность (0,5-1,5 кГ/см2) и недостаточную эластичность. Эти свойства делают их менее эффективными, чем изделия, изготовленные с органическими связующими веществами. Прочность изделий с неорганическими связующими можно повысить путем создания определенных условий химического взаимодействия между компонентами минеральной ваты и связующим веществом. Связующее вещество в этом случае должно быть возбудителем активных свойств минерального волокна, а само волокно должно обладать повышенной гидравлической активностью. При этом на поверхности волокон возникают новообразования связующего вначале коллоидного характера, которые затем переходят в кристаллические формы, что и повышает прочность изделий до 3-4 кГ/см2 без увеличения их объемного веса. Неорганические связующие вещества в настоящее время редко применяют для изготовления минераловатных изделий.

Смешанные связующие вещества. Для изготовления жестких минераловатных изделий часто используют смеси, состоящие из битума и какого-либо диспергированного неорганического материала, например диатомита, трепела или бентонитовой глины.

Способы производства. Гибкие изделия из минеральной ваты изготавливают конвейерным способом. Конвейерный способ производства гибких изделий основан на перемещении перерабатываемой в изделия ваты через ряд технологических установок при помощи последовательно расположенных конвейеров.

При этом способе связующие вещества (битумы или синтетические смолы) обычно в виде водных эмульсий при помощи специальных паровых форсунок вводятся непосредственно в камеру волокноосаждения и обволакивают волокна, находящиеся в камере во взвешенном состоянии. Волокна, покрытые тонким слоем связующего вещества, осаждаются на конвейер камеры, где и образуют непрерывно движущийся ковер – пласт минеральной ваты определенной толщины, пропитанной связующим веществом. Связующее вещество на волокнах для связки их в изделия закрепляют тепловой обработкой изделий, соответствующей виду связующего вещества. Например, войлок с использованием битумов лишь охлаждается по выходу из камеры волокноосаждения; полужесткие плиты с битумным связующим подвергаются сушке и затем охлаждению, а маты с синтетическими смолами последовательно перемещаются через камеры тепловой обработки.

Смешивание в камере волокноосаждения является более простым и экономичными, чем смешивание в специальных смесителях. Изделия после формования в камерах волокноосаждения получаются менее влажными, чем при втором способе; на их сушку затрачивается меньше тепла.

На чертеже представлена технологическая линия производства гибких минераловатных изделий: войлока и полужестких плит с добавкой битумной эмульсии. Основными агрегатами здесь являются вагранки, камера волокноосаждения и конвейерная сушилка.

Вагранки представляют собой шахтные плавильные печи непрерывного действия, теплообмен в которых происходит по принципу противотока. Сырье, загружаемое в верхнюю часть вагранки, опускается вниз, превращаясь при этом в расплав, в образовавшиеся в нижней части вагранки горячие продукты горения поднимаются вверх, передавая свое тепло расплавляемому материалу. Вагранки для производства минеральной ваты существенно отличаются от вагранок для плавки чугуна.

 

Схема конструкции вагранки

Корпус вагранки выполнен из листовой стали и футерован шамотным огнеупором. Внизу вагранки для охлаждения горна имеется водяная рубашка. Воздух подают в вагранку через воздуховодное кольцо и фурмы. Расплав вытекает из летки. Сырье и топливо загружают в вагранку через загрузочный люк. Для улавливания пыли и искр, уносимых из вагранки отходящими газами, служит искрогаситель.

Необходимость применения водяной рубашки вызывается сильным химическим действием жидкого силикатного расплава на огнеупорную футеровку, в результате чего она быстро разрушается.

Камеры волокноосаждения. Для сбора полученного минерального волокна служат так называемые камеры волокноосаждения. Объем и форма таких камер должны соответствовать аэродинамическим и теплотехническим условиям образования и осаждения минеральных волокон. Кроме того, в камере во многих случаях обрабатываются связующими веществами находящиеся во взвешенном состоянии волокна для получения минерального войлока и других минераловатных изделий. В зависимости от направления струи пара при раздуве камеры волокноосаждения могут быть горизонтальными или вертикальными. В производстве минеральной ваты применяют почти всегда горизонтальные камеры.