ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕЕ

Минеральная вата представляет собой волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов. Сырьем

ДЛЯ йроизводстйа минеральной ватьі служат многие гор. ные породы, металлургические шлаки и отходы промыш­ленности строительных материалов (бой глиняного и силикатного кирпича). При производстве ваты из того или иного сырья нередко возникает необходимость вве­дения в состав шихты добавки, имеющей другой химиче­ский состав, для получения более качественного волокна.

Для характеристики химического состава сырья и са­мой ваты пользуются величиной модуля кислотности, который представляет собой отношение суммы кислотных окислов (5Ю2 + А120з), содержащихся в сырье или вате, К сумме основных окислов.

В соответствии с ГОСТ 4640—76 модуль кислотности минеральной ваты должен быть не менее 1,2 м %ЗЮ2 + % А120З к % СаО + % MgO

А для высшей категории ваты марки 75—1,5.

Работа 1. Определение качественных показателей Минеральной ваты

Данная лабораторная работа проводится с целью обу­чения студентов методам расчета состава шихты для получения минеральной ваты, при выполнении которых в значительной степени закрепляются знания теоретиче­ского курса в части сырья и химического состава ваты, приобретается некоторый навык практической работы по контролю технологического процесса производства минеральной ваты.

При выполнении второй части работы студенты изу­чают свойства самой ваты и определяют ее марку.

Расчет состава сырьевой шихты по заданному Мк. В этой части работы важным является личное участие каждого студента в выполнении необходимых расчетов. Для этого рекомендуется выдавать индивидуальное за­дание каждому студенту, для чего необходимо иметь 12 — 15 вариантов исходных данных (табл. 9).

Каждый студент производит расчет состава шихты двумя приведенными ниже способами и определяет рас­ход сырьевых материалов, потребный для получения 1 т минеральной ваты. Расход сырьевых материалов следу­ет определять с учетом производственных потерь, имею­щих место при складировании, транспортировке и дроб-

Лент материалов, а также при переработке силикатного расплава в минеральное волокно.

Исходными данными для расчета шихты служат хи­мические составы сырьевых материалов и заданный мо­дуль кислотности минеральной ваты, который обуслов­ливается назначением минеральной ваты, условиями ее службы в конструкции и способом переработки распла­ва в минеральное волокно. Состав шихты рассчитывают двумя методами: 1) методом составления и решения си­стемы алгебраических уравнений и 2) методом последо­вательного приближения.

Метод составления и решения алгеб­раических уравнений. Обычно шихта для про­изводства минеральной ваты состоит из двух видов сырья, поэтому при расчете шихты составляют и решают систему двух уравнений с двумя неизвестными х и у, вы­ражающими количество составных частей шихты.

Одно из уравнений имеет вид х + у= 1, а другое урав­нение представляет собой выражение модуля кислот­ности

(S102 + А12О;) X + (Sip; + А120з) у (CaO' - f-MgO') л: + (СаО" + Mgo")f ~

Где S1O2, АЬОз, СаО' и MgO' — содержание соответст­вующих окислов в первом виде сырья, %; Si02 , АЬОз СаО" и MgO" — содержание тех же окислов во втором виде сырья, %; Мк — величина заданного модуля кис­лотности.

Решая уравнения относительно х или у, получают содержание сырьевых материалов в шихте в долях еди­ницы, а затем выражают состав шихты в процентах по массе. Расхождение величины модуля кислотности за­данного и полученного в результате расчета не должно превышать 5%.

Метод последовательного приближе­ния[4]. Этот метод состоит в том, что, задаваясь содер­жанием какого-либо одного химического окисла в полу­чаемой минеральной вате и зная содержание этого окис­ла в составе сырьевых материалов, в порядке определен­ной очередности находят количество отдельных частей шихты. Таким окислом обычно является один из окислов, определяющий величину модуля кислотности, чаще все­го Si02.

Из двух видов сырьевых материалов, составляющих шихту, один считают основным, а другой—дополни­тельным, количество которого выражают через Далее задаются оптимальным содержанием Si02 в расплаве (а). Зная процентное содержание Si02 в основном и до­полнительном сырье (бив), составляют уравнение а= = б+х(в—Б), откуда определяют х=(а—б)/(в—Б).

Вычислив количество дополнительного сырья (в до­лях единицы), находят путем вычитания его из единицы количество основного сырья (1—х). Затем определяют процентное содержание отдельных химических окислов в составе шихты, как показано на следующем примере..

Пусть содержание Si02 в основном и дополнительном видах сырья будет пит, %, тогда содержание S1O2 в составе шихты можно выразить равенством

% Si02=N.(—X)-RMx.

Так же находят содержание и других окислов, опре­деляющих модуль кислотности, т. е. А1203, СаО и MgO.

Подставляя найденные значения этих четырех окис­лов в формулу для определения модуля кислотности, на­ходят его величину. Если модуль кислотности оказался в заданных пределах, то расчет состава шихты на этом заканчивают, пересчитывая только содержание обоих ви­дов сырья с долей единицы в проценты по массе, и вно­сят поправку на влажность материалов.

Если же полученный модуль кислотности выходит за пределы заданных значений,.то задаются другой ве­личиной содержания Si02 в составе шихты и повторяют расчет. При излишне высоком значении Л1к для повтор­ного расчета принимают меньшее содержание Si02, а при недостаточной величине Л1к берут меньшее содержа­ние СаО в составе шихты.

Пример расчета шихты. Требуется определить расход сырьевых материалов для получения 1 т минеральной ваты.

Данные для расчета: заданный модуль кислотности ваты Мк^=1,5; основное сырье — доменный шлак; допол­нительное сырье — бой глиняного кирпича; влажность доменного шлака — 8%, кирпичного боя — 2%; перера­ботка расплава в волокно осуществляется на многовал­ковой центрифуге. Расчет произвести двумя способами.

1. Метод составления и решения алгебраических уравнений. Обозначая через х содержание в шихте до­менного шлака, а через у — кирпичного боя, составляем два уравнения:

Х--у=1;

(41,2 +3,79) х + (71,7 + 16,2) у __44,99дг + 87,9у G

(48,14 +2,62) * +(2,2 + 1,9) (/ ~ 50,76л:+4,1 у ~~ '

Систему уравнений решаем методом исключения од­ного неизвестного х = 1—у.

Подставляя значение х, выраженное через у, во вто­рое уравнение, имеем одно уравнение с одним неизвест­ным:

44,99 (I — у) + 87,9у g 50,76 (1 — у) +4,1 у

Решая это уравнение относительно у, получаем его значение. В данном случае у=0,276, тогда х=1—0,276= = 0,724.

Округляя полученные величины до сотых долей, по­лучаем, что х = 0,72, а // = 0,28, т. е. шихта состоит из 72% шлака и 28% боя глиняного кирпича (по массе).

После этого уточняем величину модуля кислотности, которым будет характеризоваться расплав, полученный из шихты рассчитанного состава. Для этого умножаем количества окислов исходных компонентов шихты на значения х и у, определяя таким образом количества соответствующих окислов, вносимых в расплав шлаком и кирпичным боем. По результатам расчета составляем таблицу содержания окислов в расплаве (см. табл. 10).

Подставляя значения SiC>2, А1203, СаО и MgO в фор­мулу для определения модуля кислотности, уточняем значение его величины

М 49,8 + 7,26 51 к 35,22 +2,42

Расхождение величины модуля кислотности заданно­го и полученного составляет менее 1%. Следовательно, рассчитанный состав шихты удовлетворяет условие по­лучения расплава Мк=1,5.

2. Метод последовательного приближения. Для опре­деления количества дополнительного сырья, в данном случае кирпичного боя, принимаем количество основно­го сырья (шлака) за единицу и задаемся содержанием в шихте окисла Si02, равным 50%. Тогда

Х=(а-б)/(в-б)={50-41,2)/(71,7-41,2)=0,289,

Где х — количество кирпичного боя, добавляемого в ших­ту в долях единицы; а — заданное содержание принято­го окисла (Si02) в составе шихты, %; б — содержание принятого окисла в шлаке, %; в — содержание принято­го окисла в кирпичном бое, %.

Следовательно, 1 вес. ч. шихты будет состоять из 0,711 вес. ч. шлака и 0,289 вес. ч. кирпичного боя. :

В такой шихте будет содержаться, % по массе:

Si02=(0,711-41,2+0, 289-71,7) = 50,01;

А1203^(0,711-3,79 + 0, 289-16,2) == 7,38;

Са0=(0,711 -49,14+0,289-2,2) = 33,86;

М°0=(0,711 -2,62+ 0,289-1,9)=2,41.

При таком процентном соотношении окислов модуль кислотности шихты будет равен

50,0. +7,38д1 33,86 4-2,41

Полученное значение модуля кислотности шихты не­сколько превышает заданное его значение. С целью не­которого уменьшения значения Мк неободимо произве­сти дополнительный расчет. Уменьшим содержание в составе шихты Si02 на некоторую величину и примем его равным 49,8%.

Тогда

49,8-41,2 =0 2756 илн о,28, 71,7 — 41,2

Т. е. шихта будет состоять из 72% шлака и 28% кирпич­ного боя. В такой шихте будет содержаться, % по массе:

SiO2=0,72-41,2+0,28-71,7=49,74;

А12Оз=0, 72-3,79+0,28-16,2=7,26;

СаО=0,72-48,14+0,28-2,2= 35,28;

Mg0 = 0,72-2,62+ 0,28-1,9 = 2.42.

Модуль кислотности такой шихты будет равен Мк=

49,74 + 7,26 .

- — 1,о1, т. е. в пределах заданного значения.

35,28 +2,42,

Таким образом, расчет шихты, произведенный обои­ми методами, позволил установить, что шихта должна состоять из 72% доменного шлака данного химического состава н 28% боя глиняного кирпича.

Следовательно, для получения 1 т минеральной ваты без учета влажности сырьевых материалов и производ­ственных потерь расход компонентов шихты составит: доменного шлака — 720 кг; боя глиняного кирпича — 280 кг.

Введя поправку на влажность, получим: расход до­менного шлака — 720-1,08=777,6, или 778 кг; расход кирпичного боя —280-1,02 = 285,6, или 286 кг.

Предположим, что общие производственные потери (при транспортировании и складировании материалов, при их дроблении и отходы при переработке расплава в волокно) составляют для шлака 28%, а для кирпично­го боя — 20%. Тогда практический расход материалов в естественном состоянии на 1 т минеральной ваты соста­вит: доменного шлака — 778-1,28=995 кг; кирпичного боя —286-1,20=343 кг. •

Результаты проведенной работы рекомендуется запи­сывать по следующей форме:

Определение марки минеральной ваты. Для выпол­нения второй части данной лабораторной работы жела­тельно иметь в лаборатории несколько сортов минераль­ной ваты. В этом случае, разделив подгруппу студентов на бригады, состоящие из 2—3 человек, преподаватель имеет возможность выдать каждой бригаде самостоя­тельное задание.

Задание состоит в следующем.

1. Пользуясь методами, изложенными в первой части настоящего практикума, студенты определяют основные свойства ваты: а) влажность; б) среднюю плотность; в) содержание корольков; г) толщину (средний диа­метр) волокон; д) содержание волокон толщиной свыше 15 мкм; е) теплопроводность при температурах 25, 100 и 300° С; ж) содержание органических добавок; з) со­держание серы; и) температуроустойчивость; к) водо­стойкость.

2. Полученные результаты сравнивают с требования­ми ГОСТ 4640—76 (табл. 11) и делают выводы по ка­честву ваты, относя ее к той или иной марке.

Для ускорения работы каждый член бригады может производить отдельные операции. Отчет о проведенной работе составляется каждым студентом в полном объеме.

Средняя плотность (объемная масса), кг/м3, не более

Содержание неволокнистых включений («корольков») раз­мером свыше 0,25 мм, %, не более

Средний диаметр волокон, мкм, не более

Содержание волокон диамет­ром свыше 15 мкм, %, не бо­лее

Модуль кислотности, не менее Водостойкость рН, ие более Температуроустойчивость, ° С,

Не менее

Примечания: 1. Изготовление минеральной ваты марки 125 допускается до июля 1980 г.

2. Температуроустойчивость минеральной ваты, используемой для получения изделий на органическом связующем, не определяется.

Лабораторное оборудование и приборы: 1. Измери­тельный микроскоп (3—5 шт.). 2. Прибор для определе­ния содержания корольков. 3. Прибор для определения объемной массы минеральной ваты. 4. Химическая посу­да и реактивы. 5. Весы технические Т-200.

Результаты, полученные при проведении исследова­ний, рекомендуется записывать по следующей форме:

Наименование материала

Завод-изготовитель-------

Дата и место испытания -

Работа 2. Исследование влияния вида и количества Связующих веществ на основные свойства твердых минераловатных изделий

Минеральная вата, являясь эффективным теплоизоля­ционным материалом, имеет ряд существенных недостат­ков: уплотняемость (слеживаемость) ваты во времени, что приводит к образованию пустот в теплоизоляцион­ных конструкциях; невозможность применения индустри­альных методов при производстве тепломонтажных ра­бот при использовании рыхлой ваты; запыленность воз­духа при работе с рыхлой ватой, вредно влияющая на здоровье людей и требующая применения специальных мер по охране труда.

В связи с этим в настоящее время минеральную вату применяют в основном в виде различного рода изделий: матов, войлока, полужестких и жестких плит, скорлуп, сегментов.

. Для получения гибких полужестких и жестких изде­лий применяют различного рода связующие вещества,

Назначение которых — скреплять между собой контакти­рующие волокна ваты. В зависимости от количества свя­зующего вещества, введенного в вату, получают изделия с разными свойствами. На свойства изделий значитель­ное влияние оказывает и вид связующего вещества, а также способ его введения в минеральную вату.

Целью настоящей работы является изучение влияния количества и вида связующего вещества на основные свойства жестких минераловатных изделий.

Получение жестких изделий из минеральной ваты состоит из трех основных технологических операций:

1) смешивания волокон ваты со связующим веществом;

2) формования изделий из полученной массы с под - прессовыванием или вакуумированием; 3) тепловой об­работки отформованных изделий.

Данная работа выполняется подгруппой студентов, разделенной на три бригады по 3—4 человека. Каждая 'бригада изготовляет образцы жестких минераловатных изделий, используя одно из связующих веществ и изме­няя его содержание в формовочной массе согласно с Заданием, варианты которого приведены в табл. 12.

Все бригады работают с одной и той же ватой. Каждая бригада изготовляет по три образца для каж­дого состава на заданном ей связующем веществе и пос­ле соответствующей тепловой обработки отформован­ных образцов производит их испытание на среднюю плот­ность и прочность при изгибе. По полученным данным все бригады строят графики зависимостей средней плот­ности и прочности от количества связующего вещества, а затем под руководством преподавателя все эти гра­фики сводятся в один общий график, анализ которого позволит сделать соответствующие выводы о влиянии вида связующего вещества и его количества на среднюю плотность и прочность жестких минераловатных изделий.

1. Изготовление образцов на битумном вяжущем за­ключается в следующем. Во-первых, приготавливают связующее вещество. Из-за сложности получения чистой битумной эмульсии в лабораторных условиях готовят вначале глиняно-битумную пасту. Для этого используют молотую глину (лучше каолиновую марки 4-1), битум марок III и IV и подогретую воду. Состав глиняно-битум - ной пасты следующий: 1:1:2 (битум : глина : вода). Приготовление глиняно-битумной пасты осуществляют следующим образом. В лабораторную мешалку вливают 25 % подогретой до 80—90°С воды, затем постепенно всыпают молотую глину. После тщательного перемеши­вания глины с водой и получения глиняного теста в ме­шалку тонкой струей выливают разогретый до темпера­туры 140—150° С битум. Одновременно с битумом для поддержания постоянной сметанообразной консистенции массы постепенно вливают подогретую оставшуюся воду. После тщательного перемешивания всех компонентов и равномерного распределения битума в массе, что харак­теризуется равномерным цветом массы, паста считается готовой.

Получение из массы битумной эмульсии производят добавлением воды с таким расчетом, чтобы концентра­ция битума в эмульсии составляла 10%. При этом мас­са подвергается интенсивному непрерывному перемеши­ванию.

Во-вторых, производят формование образцов. С целью экономии материалов и упрощения процесса формова­ния образцов, а также учитывая, что работа произво­дится с учебной целью, образцы рекомендуется изготов­лять размером 100x200x30 мм. В соответствии с этим в лаборатории необходимо иметь комплект форм с пер­форированными днищами.

Формование образцов осуществляют следующим об­разом. Исходя из заданной средней плотности и разме­ров образца, отвешивают необходимое количество ва­ты. При этом учитывают количество связующего веще­ства, которое будет введено в вату (количество битума и глины). Вначале изготовляют три образца с количест­вом связующего 10% от массы ваты. Для этого отвеши­вают три навески ваты с точностью до 1 г и каждую на­веску смешивают с глиняно-битумной эмульсией, кото­рую берут из расчета, чтобы в образце содержалось 10% битума от веса ваты. Вату, равномерно пропитан­ную глиняно-битумной эмульсией, укладывают в форму, стараясь распределить ее ровным слоем и разровнять имеющиеся комки. Поверх ваты устанавливают пуансон с грузом, обеспечивающим давление 0,005 МПа. Для по­лучения необходимой толщины образца в форме должны быть ограничители.

Под действием груза часть воды удаляется из массы, а битум осаждается на волокнах ваты и скрепляеі их между собой. Обычно влажность образца после формо­вания составляет 65—75%.

В-третьих, производят тепловую обработку отформо­ванных образцов путем высушивания их в сушильном шкафу при температуре ПО—120° С в. течение 5—6 ч или в лабораторной сушилке при температуре до 130° С в течение 3—4 ч.

Изготовление образцов с большим количеством свя­зующего вещества производят аналогичным путем. При ■этом сохраняют неизменным количество ваты и увели­чивают количество связующего вещества.

2. Изготовление образцов с применением неорганиче­ских связующих веществ осуществляют следующим об­разом.

Вначале приготавливают водную суспензию глины или диатомита в количестве, необходимом для формова­ния трех образцов. При этом количество связующего ве­щества берут в соответствии с заданием (по табл. 10), а количество воды из расчета 1 : 10 (вата :вода). Приго­товленную суспензию делят на три части и каждую часть тщательно перемешивают с навеской ваты. При этом навеску ваты берут в таком же количестве, в ка­ком ее берет бригада, изготавливающая образцы на би­тумном связующем. Это делается для того, чтобы при испытании образцов можно было получать сопоставимые результаты.

Тщательно перемешанную массу помещают в форму и производят формование образца путем нагружения его грузом, обепечивающим давление 0,005 МПа. Изменение количества связующего вещества (при изготовлении образцов с большим его содержанием) обеспечивают путем увеличения его концентрации в суспензии.

Тепловую обработку отформованных образцов осу­ществляют в сушильном шкафу или в лабораторной су­шилке при температуре 130—150° С до постоянной массы.

3. Испытание образцов на среднюю плотность и проч­ность при изгибе производят по методике, изложенной в первой части практикума (гл. I, § 3 и 5).

По полученным результатам каждая бригада строит графики зависимости свойств изделий от количества и вида связующего вещества, указанные в начале описа­ния данной работы.

Для удобства пользования опытными данными при построении графиков результаты, полученные при про­ведении опытов подгруппой, рекомендуется записывать по следующей форме:

Лабораторное оборудование и приборы: 1. Лабора­торная мешалка емкостью 5—10 л. 2. Комплект форм с перфорированными днищами и пуансонами. 3. Сушиль­ный шкаф или лабораторная сушилка с принудительным движением теплоносителя. 4. Прибор для испытания об­разцов на изгиб. 5. Измерительный инструмент. 6. Весы технические Т-200. 7. Мерная посуда.

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ III

Китайцев В. А. Технология теплоизоляционных материалов. М., 1964.

Технология минеральных теплоизоляционных материалов и лег­ких бетонов / Горяйнов К. Э., Дубенецкий К. Н„ Васильков С. Г., Попов Л. Н. М., 1976.

Справочник по производству теплоизоляционных и акустических материалов. М., 1976.