4.2.Минеральная вата

Минеральная вата – волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород, металлургических шлаков и других силикатных промышленных отходов или их смесей.

Минеральная вата состоит из тончайших взаимно переплетающихся волокон, находящихся в стекловидном состоянии и неволокнистых включений в виде капель застывшего расплава.

Минеральная вата (ROCKWOOL, PAROC и др.). Это, пожалуй, самый дорогой материал среди теплоизоляционных, но практически не имеет недостатков. Есть, правда, один нюанс, это гидрофобизация материала. Без гидрофобизации материал будет впитывать влагу, но хорошие материалы гидрофобизированы и их влагопоглощение незначительно.

Минеральную вату применяют для изготовления теплозвукоизоляционных и звукопоглощающих изделий, а также в качестве теплоизоляционного материала в строительстве для поверхности с температурой не более 700 ⁰С. Высокие показатели теплоизоляционных свойств минеральной ваты и изделий из нее, недефицитность сырьевых материалов для ее изготовления, сравнительно низкая стоимость определили ее широкое распространение в строительстве.

Наиболее широкое применение получили следующие минераловатные изделия:

1. Теплоизоляционные плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем – для строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов при температуре изолируемой поверхности от -60до +400;

2. Минераловатные плиты повышенной жесткости на синтетическом связующем – для производства строительных конструкций, стеновые панели, перекрытия, покрытия;

3. Теплоизоляционные цилиндры и полуцилиндры из минеральной ваты на синтетическом связующем - для трубопроводов при температуре изолируемой поверхности –180+400;

4. Теплоизоляционные плиты из минеральной ваты на битумном связующем – для строительных конструкций технологического оборудования и трубопроводов, промышленных холодильников при температуре изолируемой поверхности –100+60;

5. Теплоизоляционные вертикально-слоистые маты из минеральной ваты – для трубопроводов диаметром свыше 108мм и аппаратов при температуре изолируемой поверхности –120 до +300;

6. Минераловатные плиты на крахмальной связке – для промышленного оборудования и строительных конструкций, защищенных от увлажнения, при температуре изолируемой поверхности -60 до +400;

7. Минераловатные прошивные маты – для промышленного оборудования и трубопроводов при температуре изолируемой поверхности от –108 до +600;

8. Минераловатные изделия с гофрированной структурой – для трубопроводов и технологического оборудования при температуре изолируемой поверхности до 400;

9. Эластичный войлок из минеральной ваты на синтетическом связующем, для промышленных объектов оборудования, резервуаров при температуре изолируемой поверхности от –180 до +600.

В минеральной вате содержится около 95% воздушных пор.

Производство минеральной ваты и изделий из нее включает в себя следующие основные технологические операции: подготовку сырьевых материалов, составление сырьевой смеси, плавление сырья, переработку расплава в волокно, осаждение минеральной ваты и формирование минераловатного ковра в камере волокноосаждения, введение связующего, тепловую обработку минераловатного ковра, продольную и поперечную резку ковра на изделия заданных размеров.

Способ подготовки сырьевых материалов зависит от вида плавильного агрегата, применяемого для плавления сырья и получения расплавов, в качестве плавильного агрегата используют шахтную печь – вагранку, ванные рекуперативные или регенеративные печи и шлакоприемные ванные печи.

Осаждение волокна и формирование минераловатного ковра осуществляются в камерах волокноосаждения.

Характеристика минеральной ваты

Таблица 8

	Типы
	А	Б	В
Водостойкость, не менее	5	7	7
Модуль кислотности, не менее	1,4	1,2	1,2
Средний диаметр волокна, МКШ, не более	7	8	12
Плотность кг/м,не более	80	100	100
Теплопровод-ность Вт/м.гр., не более при t 255 1255 300	0,045 0,064 0,105	0,045 0,065 0,112	0,050 - -
Содержание не волокнистых включений (корольков) размером свыше 0,25мм, %, не более	12	20	25
Влажность %, не более	1	1	2

В зависимости от назначения минеральную вату выпускают 3 типов:

а) для производства плит повышенной жесткости из гидромассы, плит горячего прессования, плит полусухого прессования марки 200 и других изделий на синтетическом связующем;

б) для производства плит марок 50, 75,125,175, цилиндров, полуцилиндров на синтетическом связующем, для матов, шнуров и войлока;

в) для производства плит на битумном связующем.

У ваты, поступающей на изготовление изделий, контролируют модуль кислотности Мк, средний диаметр волокна, плотность, влажность содержание органических веществ.

Транспортируют минеральную вату в крытых вагонах или других закрытых транспортных средствах, предохраняющих ее от увлажнения, уплотнения и загрязнения.

Основным показателем минеральной ваты является

диаметр волокон, колеблющийся в пределах 1-10 мкм.

Длина волокон определяется химическим составом расплава и способом получения и составляет 2-300 мм. Более длинные волокна придают изделиям большую прочность и эластичность.

Частицы расплавов, не вытянувшиеся в волокна и имеющие сферическую форму, называют корольками. Эти включения ухудшают теплоизоляционные свойства материалов.

Пористость минеральной ваты достигает 90%, что обусловливает ее высокие теплоизолирующие свойства. Характер пор открытый, поэтому минеральную вату следует оберегать от увлажнения, так как при этом увеличивается теплопроводность. Водопоглощение минеральной ваты до 600%, гигроскопичность 0,2-2%.

Ввиду того, что волокна представлены веществом в стекловидном состоянии, высокая температура эксплуатации способствует кристаллизации (расстекловыванию). При этом ухудшаются теплофизические свойства минеральной ваты. Ее теплопроводность не должна превышать 0,045вт/м.гр. При температуре 25=0,064 при температуре равной 125.

Состав шихты подбирают таким образом, чтобы он обеспечивал модуль кислотности волокна не менее 1,5 для высшей категории качества и не менее 1,2 для Iкатегории.

M=

Волокна с Мк=1,5-2,5 отличаются повышенной эксплуатационной стойкостью волокна с Мк=1,5-2,5 отличаются повышенной эксплуатационной стойкостью, волокна с Мк1,2 неустойчивы по отношению к воздействию воды. Чрезмерное увеличениеSiOиAlОможет увеличить вязкость расплавов, уменьшив производительность плавильного агрегата.

Поэтому при расчетах следует учитывать не только Мк, но и Мв, более точно отражающее состояние расплава.

Mв=,

где М – молекулярное количество каждого из окислов

Модуль вязкости силикатного расплава при использовании вагранки не должен превышать 1,2; при ванном способе производства минеральной ваты – не более 1,4.

Компоненты, переходящие в жидкое состояние при температуре больше 1550_,относят к тугоплавким.

В любом случае производят опытную плавку, в ходе которой корректируют состав шихты и уточняют технологический режим работы оборудования.

Сырьем для производства минеральной ваты являются отходы промышленности – металлургические и топливные шлаки, золы, керамический и стеклянный бой, бой силикатного кирпича, а также горные породы.

Исходные сырьевые смеси должны обеспечивать низкую температуру плавления, необходимую вязкость расплава и требуемые эксплутационные характеристики минеральной ваты.

Составляющие сырьевой шихты должны быть недефицитными и легко поддаваться предварительной подготовке.

Измельчение сырьевых компонентов способствует ускорению реакций силикатообразования и гомогенизации расплава, которая необходима для получения стабильных свойств волокна.

Металлургические доменные шлаки – один из основных видов сырья для производства минеральной ваты.

Химический состав их представлен:

35-40; AlO-7-17%;FeO+FeO-0,5-3

CaO-31-47;MgO-5-11%;mnO-0,4-2,2.

Подшихтовку шлаков производят кислыми добавками с высоким содержанием SiOи AlOс целью понижения модуля основности шихты и повышения модуля кислотности значения не менее 1,25.

В противном случае полученное силикатное волокно обладает низкой механической прочностью и является неустойчивым по отношению к действию воды в силу высокого содержания в нем СаО.

Электротермофосфорные шлаки содержат примерно одинаковое количество CaOиSiOи обязательно подшихтовываются кислыми добавками (песком, золой и т.д).

Ваграночные шлаки характеризуется повышенным содержанием кислых оксидов и пониженным основным SU=1,37-2,82. Их можно использовать как однокомпонентное сырье, а также в качестве подкисляющей добавки к основным шлакам, они имеют невысокую температуру плавления.

Мартеновские шлаки относятся к основным М=0,49-0,76. Их можно использовать как добавку к очень кислому сырью с целью повышения подвижности силикатного расплава, и как плавень.

Шлаки цветной металлургии относятся к кислым М=0,9-3.

Золы электростанций. Золы горючих сланцев и бурых углей менее кислые, чем золы от сжигания каменных углей.

Горные породы наиболее пригодны в виде изверженных пород габбро-базальтовой группы.

Химический состав колеблется в следующих пределах:

SiO-45-65%; AlO-10-20; FeO+FeO-10-15%; CaO-5-15

MgO-5-15%;NaO+KO-1-3

Загружаемые в вагранку шихта и кокс (рис.4 прил.) поочередно попадают на распределитель шихты, а с него в зону подогрева, где происходит удаление адсорбционной и химически связанной воды, а по мере спускания шихты – декарбонизацияMgCOс выделенным СОВ процессе плавления шихта постепенно спускается и попадает в зону плавления, где при температуре 1500С переходит в жидкое состояние и поступает в нижнюю часть вагранки – гори.

Здесь расплав гомогенизируется и выпускается через летку на сливной поток. Летка выполнена в виде отверстия диаметром 55-65 мм в вставляемом в специальный проем ватержакета. Ватержакет – это металлический цилиндр с двумя стенками, между которыми циркулирует вода, предохраняющая ее от перегрева.

Через сливной лоток минеральный расплав направляется на волокнообразующее устройство.

Для определения очистки вагранок, работающих на твердом топливе, относятся следуюшие показатели: низкий КПД использования теплоты, высокие удельные затраты на топливо.

Достоинства: высокая производимость, простота конструкций, небольшие габариты.

В качестве тепловых агрегатов используются ванные печи, а топливом являются мазут или газ. Сырье с размером зерен 1-2 мм загружают в печь.

К недостаткам относятся большие производственные площади, сложная подготовка сырья за счет большого измельчения.

Шахтно-ванные печи применяют для получения минеральной ваты из горных изверженных пород – габбро, базальта и диабаза.

Основные промышленные способы переработки силикатного расплава в минеральное волокно является дутьевые, центробежные и комбинированные.

Дутьевые делят на горизонтально- и вертикально- дутьевые.

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

При этом способе получается много корольков.

При вертикально- дутьевом фильерном способе расплав предварительно дробят на тонкие струйки, истекающие из питателей, после чего их раздувают в струе энергоносителя, поправленного сверху вниз с обеих сторон под углом 10-11С по отношению к струйке расплава.

Для раздува струи силикатного расплава используют сопла двух типов: простое суживающееся и сопло Лаваля.

Сопла исполняют в виде круглого отверстия или щели и оформляют как дутьевые головки.

К новым волокнистым теплоизоляционным материалам, отработка технологии и оборудования для производства которых ведется Теплопроектом в последние годы, следует отнести пластмигран и волокнистые изделия на кожевенных отходах (разработанные МГСУ и осваиваемые на опытном заводе Теплопроекта). Объединяет эти два материала то, что оба они предназначены для жилищного строительства, экологически чисты, технологичны в монтаже.

Пластмигран представляет собой материал, в составе которого имеются минераловатные гранулы и пыль полистирола. Эта смесь помещается в перфорированную металлическую форму любой конфигурации и продувается паром. Вспенивающаяся полистирольная пыль прочно связывает волокно. Опытное оборудование изготовлено и смонтировано на Щуровском комбинате «Стройдеталь» (Московская область).

Небольшая добавка карбонатных пород (известняков или доломитов) доводит их модуль кислотности до 1,7-2,5. Использование этого сырья дает возможность получать минеральное волокно и изделия на его основе, обладающие повышенными эксплуатационными свойствами (химически и водостойкие, температуростойкие), с высокими физико-механическими и теплотехническими показателями конфигурации и продувающие паром. Вспенивающаяся полистирольная пыль прочно связывает волокно. Новым шагом на пути совершенствования волокнистых рулонных материалов является термозвукоизолятор , к производству которого приступило АО "Судогодское стекловолокно". Строительная фирма "Корнев и К°" предложила упаковывать холстопрошивное полотно в надежную защитную оболочку, в качестве которой используется "Лутрасил" - материал, состоящий из прочного, легкого монофиламентного полипропиленового синтетического волокна. "Лутрасил" не пропускает пыль, не отсыревает. Оболочка из "Лутрасила" сохраняет свои свойства при 130-150^оС. На Лианозовском электромеханическом заводе в цехе базальтового волокна производят жесткие плиты из гидромассы, которую готовят из супертонких базальтовых волокон и экологически чистого связующего - солей алюминия с аммиачной водой. Плиты рекомендуются к применению во всех видах строительства, включая жилищное, в качестве закладного утеплителя в каркасных конструкциях стен, перегородок, перекрытий, а также при организации огнезащиты стальных дверей и др. конструкций. Важным элементом как новых, так и известных волокнистых утеплителей является качественное, экологически безопасное связующее. Практически все известные виды связующих, применяемых в отечественной теплоизоляционной промышленности, были разработаны 15-20 лет назад. В те годы основная часть минераловатных изделий использовалась на промышленных объектах, где срок их службы определялся временем капитального ремонта оборудования и не был велик. Сегодня, когда основная часть утеплителей применяется строительстве, к связующим предъявляются такие повышенные требования, как неизменность структуры, стабильность геометрических размеров и теплофизических свойств на весь срок эксплуатации.

Работы ученых и практиков последних лет позволяют утверждать, что значительная часть технологических переделов минераловатного производства имеет опробованные в отечественной промышленности решения современного уровня. В то же время в этой технологической цепочке остается открытым очень важный вопрос, связанный с разработкой, изготовлением и внедрением в промышленность современной камеры тепловой обработки (полимеризации), способной по "сухому" способу обеспечить на одной быстро переналаживаемой линии обеспечить поточное производство плитного утеплителя различной заданной плотности (до 250 кг/м2) и различной толщины (от 40 до 250 мм). Именно такие камеры тепловой обработки обеспечили передовым фирмам мира прогресс и опережение в производстве минераловатных утеплителей.