Теплоизоляционные материалы на основе стекла (стекловата и пеностекло)

Следующий этап — охлаждение, где стекловата остужается до температуры окружающей среды. После чего поступает на раскрой. Продольные фрезы и поперечные пилы раскраивают бесконечную ленту на маты и рулоны.

Полученный утеплитель имеет  большой объем, поскольку весь пронизан воздухом. Прессование готовой продукции  позволяет значительно экономить  пространство при транспортировке  и хранении. По европейским нормам предусматривается шестикратное сжатие. Упругих свойств теплоизоляции  достаточно для полного восстановления первоначальных размеров.

2.1.2. Способы получения стеклянного волокна и применяемое оборудование

Для производства стеклянной ваты применяют кварцевый песок, известняк (доломит), соду (сульфат натрия), борную кислоту, поташ – в зависимости  от требуемого состава окислов.

Подготовка сырьевых материалов заключается в следующем: кварцевый  песок сушат в сушильном барабане при 700-800ºС и просеивают. Полевой шпат, известняк, мел и доломит дробят в щековой дробилке и размалывают в бегунах, просеивают через барабанный грохот, соду (сульфат натрия) пропускают через дезинтегратор для разрыхления слежавшегося материала. Подготовленные сырьевые материалы отвешивают и смешивают до получения однородной шихты. Основными процессами производства изделий из стекловолокна являются варка стекломассы из специально приготовленной шихты, получение волокна и формование изделий. Варят стекломассу в ванных печах. Непрерывное волокно получают штабиковым, фильерным способами и двухстадийным дуплекс-процессом.

Штабиковый способ основан на подогреве до расплавления стеклянных палочек – штабиков и вытягивании из них стеклянного волокна, наматываемого на вращающийся барабан. Позволяет получить в сутки 55-70 кг стекловолокна с установки (см. рис. 1).

Рис.1 Схема получения стекловолокна штабиковым способом:

1 — щит, 2—барабан, 3 — механизм, подающий штабик, 4 —стеклянный штабик, 5 — газовая горелка, 6 —приспособлениедля изменения угла падения

Каждый штабик разогревается отдельной горелкой и, плавясь, вытягивается в нитку, падает на барабан, нити наматываются, затвердевшие капли удаляются.

Фильерный способ основан на вытягивании волокон из расплавленной массы через фильеры и наматывании вытягиваемого волокна (см. рис.2).

Рис.2 Схема установки  для получения непрерывного стекловолокна

1-замасливающее устройство, 2 – уровнеметр-питатель, 3 – бункер для стеклянных шариков,              4 – стеклоплавильная печь с фильерной пластиной, 5 – бобина для наматывания стекловолокна

Расплавленное стекло под  давлением силы тяжести вытекает из печи через фильеры в виде капель, которые вытягиваются в волокна. Волокна, собранные в пучок, пропускают через замасливающее устройство. Нити наматываются на барабан.

Волокно, полученное этими  способами можно применять для  высокотемпературной изоляции (1200-1500ºС).

Двухстадийный дуплекс-процесс применяют для получения ультра - и супертонкого волокна. Расплавленная стекломасса через фильеры подается в высокотемпературный газовый поток, выходящий из сопла камеры сжигания со скоростью 250-300 м/с. Под действием газового потока первичные волокна размягчаются и раздуваются в тонкие короткие волокна, которые осаждаются на конвейере.

2.1.3. Виды и свойства изделий из стекловаты

Стеклянное волокно для  теплоизоляции применяют в виде изделий следующих видов: гибкие – маты штучные или в рулонах, шнуры или жгуты; полужесткие  – плиты, полуцилиндры, сегменты; жесткие  – плиты.

За счет рыхлой структуры  стекловата хорошо поглощает звуковые колебания и создает теплоизолирующую подушку вокруг утепляемой поверхности. 50-ти мм слой стекловаты равен по термическому сопротивлению кирпичной стене  толщиной в один метр.

Волокна стекловаты устойчивы  к длительной вибрации. Мягкая на ощупь, она не раздражает кожу человека.

Гибкие  изделия. Маты выпускаются как со связующим так и без него. Их прошивают или формуют на металлической сетке. В матах с короткими волокнами используются связующие – фенолформальдегидные или карбамидные смолы. Пропитка происходит в камере волокноосаждения. Шнуры имеют оплетку из металлической проволоки или стеклянной нити.

Полужесткие изделия изготавливают с применением синтетических связующих. При получении жестких плит из супертонкого волокна применяют отливку из суспензии. В других случаях связующее вводят методом пролива с вакуумированием.

Обкладочными материалами  при производстве матов и полос  могут также служить: битуминизированная бумага, асбестовый картон, бумага или ткань, стеклоткань различных марок или стеклосетка марок ССА и ССТЭ.

2.1.4. Применение

По сравнению с минераловатными изделиями изделия из стекловолокна характеризуются лучшими свойствами, однако стоимость их выше, поэтому объем их производства значительно меньше минераловатных

В настоящее время стеклянную вату и изделия из нее выпускают  более 3 млн.м³/год, увеличение выпуска предусматривается небольшое. В общем балансе теплоизоляционных материалов на долю стекловолокна приходится около 10%.

Как отличный звуко- и теплоизоляционный материал, отвечающий требованиям санитарной техники, стекловату широко применяют для изоляции внутренних перегородок и стен.

Благодаря вибростойкости она может служить для тепловой изоляции трубопроводов, подверженных сотрясениям и вибрации, а также подвижного состава железных дорог, в авиастроении, автомобилестроении, холодильных установках и др. сооружениях.

Широкое применение стекловолокно  находит в судостроении вследствие их небольшой массы, устойчивости к  действию соленой воды, способности  выдерживать вибрацию без усадки, отсутствия водопоглощения и высокой химической стойкости. Стекловолокно не содержит и не выделяет корродирующих металл веществ.

2.2. Пеностекло 

Пеностекло представляет собой искусственный материал, подобный пемзе. Процесс производства пеностекла заключается во вспучивании размолотого стекла, смешанного с небольшим количеством (1-3%) древесного угля, известняка или других материалов, выделяющих газ при температуре размягчения стекла. Пеностекло хорошо обрабатывается, склеивается, гвоздится, воздухопроницаемо и негигроскопично. Изготавливается в виде блоков и гранул. Плотность пеностекла 100-700 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,04-0,15 Вт/(м_*°С), предел прочности при сжатии 0,1-15 МПа. Широко применяется в конструкциях как теплоизолирующий и звукопоглощающий материал и одновременно отделочным  материалом  для  аудиторий,  кинотеатров и  концертных  залов.

Пеностекло используют в строительстве  для  утепления стен, перекрытий, кровель и других частей  зданий, а в виде полуцилиндров, скорлуп и сегментов - для изоляции тепловых агрегатов и теплосетей,  где  температура не превышает 300 °С.

Блоки из пеностекла применяются для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования, холодильников (в интервале рабочих температур от -260 до +430°С и относительной влажности до 97%). Максимальные размеры изделий 475x400x120 мм.

Гранулированное пеностекло применяется в качестве особо легкого заполнителя в производстве легкого и конструкционного или теплоизоляционного бетона; изготавливается путем вспенивания во вращающихся печах сырцовых гранул, полученных из порошка стекла, измельченного в шаровых мельницах. Насыпная плотность гранулированного пеностекла - 100-150 кг/м3.

2.2.1. Технология производства пеностекла (порошковый способ)

Технологию производства пеностекла можно разбить на следующие этапы: варка стекла и подготовка стекольного гранулята, приготовление шихты, вспенивание при температуре 700-850ºС и отжиг, обработка и упаковка.

Варят стекло в ванных печах. До варки в печи сырьевые материалы  предварительно обрабатывают. Сваренную  стекломассу гранулируют, для чего через отверстия в выработочной части печи сливают ее на металлический конвейер, орошаемый водой. Рекомендуется обильное орошение, предотвращающее кристаллизацию.

Приготовление шихты заключается  в следующем. Стекольный гранулят измельчают на щековых, молотковых дробилках до размеров 1-3 мм. Если используют газообразователь в кусках, то его тоже измельчают до зерен размером не более 1 мм. Затем осуществляют совместный помол и перемешивание стекла и газообразователя в шаровых двухкамерных мельницах непрерывного действия.

Если в качестве сырья  используют бой и отходы стекольного  производства, то эти материалы дробят в щековой дробилке, промывают  в боемолке и сушат в барабане. После этого стекло измельчают в молотковой дробилке.

Чем меньше частицы стеклянного  порошка, тем однороднее поры и тем  они равномернее распределены в  материале. При этом материал получается более прочным. Тонкость помола определяют остатком порошка при просеивании  на сите с 10000 отв./см², остаток должен быть не более 10% от массы порошка. Производительность мельницы составляет 1200 кг/ч. Размалывать следует в мельницах с керамической или кремневой футеровкой и кремневыми мелющими телами во избежание загрязнения металлом.

Основная технологическая  задача в производстве пеностекла –  вспенивание стеклянной шихты, в  результате чего материал приобретает  ячеистое строение.

Вспенивание и обжиг можно вести по следующим схемам: получение пеностекла в формах из жаростойкого металла одно- и двухстадийным способами; получение пеностекла без форм конвейерным способом на металлических жаростойких поддонах или лентах.

При двухстадийном способе производства формы с шихтой поступают в печь вспенивания, где  нагреваются до температуры 800ºС, необходимой до образования пористой структуры, и затем охлаждаются до 600ºС, чем достигается стабилизация пористой структуры. Продолжительность вспенивания 3 часа. Для вспенивания применяют формы из жаростойкого металла, состоящие из одинаковых полуформ. Нижняя полуформа имеет выдвижное днище, облегчающее извлечение блоков. Перед засыпкой шихты формы смазывают каолиновым составом, куда входят каолин, асбест, вода в соотношении 2:1:1 (по массе), во избежание прилипания блоков (см. рис. 4).

Вспенивание производят в  туннельных печах муфельного или  полумуфельного типа с подподовыми топками. Они имеют три зоны: подогрева, вспенивания и стабилизации.

Рис. 3 Печь для  вспенивания пеностекла

1— вертикальные каналы,  2 - формы,  3 - ползуны, 4 - направляющие, 5-жаростойкие плиты, 6 - подовые топки, 7 -горелки

Рис. 4 Технологическая двухстадийная схема производства пеностекла

Отапливаются печи газом или жидким топливом. Формы с шихтой, установленные в один ряд по высоте и в два или три по ширине, перемещаются на роликовом конвейере или на специальных ползунах по металлическим направляющим. По выходе форм из печи из них извлекают блоки, которые передают в печь обжига (см. рис. 3).

Отжиг блоков из пеностекла заключается в медленном охлаждении их от температуры спекания до температуры  наружного воздуха. Благодаря этому  объем блоков сокращается равномерно, что предохраняет их от возникновения  внутренних напряжений, образующихся при быстром охлаждении. Блоки  устанавливают на «ребро» на сетчатый конвейер и направляют в конвейерную  печь длиной 30 м и шириной в свету 1,8 м. Разница температур вдоль блока в горизонтальном или вертикальном направлении не должна превышать 5-10ºС, что обеспечивается принудительной циркуляцией теплоносителя в вертикальном направлении. Обжигают до 250ºС в течение 11 часов.

При одностадийном способе  производства формы, наполненные шихтой, устанавливают на вагонетки, и они  поступают в туннельные печи, где  проходят зоны вспенивания и  обжига. Общее время вспенивания и  обжига 21-22 ч. Температурный режим  характеризуется быстрым подъемом температуры до800-830ºС, непродолжительной выдержкой ее при наивысших значениях и значительным периодом обжига пеностекла, который заключается в его медленном охлаждении. Благодаря отжигу происходит равномерное сокращение объема блоков, что предохраняет их от вредных напряжений и растрескивания. Основные показатели процесса вспенивания – температура и время – влияют на плотность получаемого пеностекла; чем выше температура и больше продолжительность процесса, тем ниже плотность. Меняя эти параметры, можно регулировать плотность и другие свойства пеностекла.

Конвейерный способ производства заключается в непрерывной подаче шихты на пластинчатый конвейер из жаростойких элементов, которые представляют собой поддоны, загнутые с двух концов. Поддоны соединены между собой встык и образуют желоб. По мере продвижения желоба в печи шихта нагревается, вспенивается и образует ленту пеностекла. Ровная поверхность ленты пеностекла создается прокаткой валиками. По выходе из печи вспенивания от ленты пеностекла дисковой пилой отрезают плиты заданных размеров. Плиты автоматически передаются в печь отжига.