ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Минеральная пата

Минеральная пата--рыхлый материал, состоящий из тонких (1 ... 15 мкм) волокон стекловидной структуры. Технология мине­ральной ваты включает следующие процессы: подготовку сырья, плавление сырья і получение силикатного расплава, переработку

Юл

Расплава в волокно, формирование минераловатного ковра, руло - нирование полученного ковра.

Сырьевые материалы для минераловатного производства доста­точно разнообразны и имеются в стране в большом количестве. Для изготовления минеральной ваты применяют промышленные отходы, попутные продукты производств, горные породы. К сырью для производства минеральной ваты предъявляют следующие ос­новные требования: оно должно иметь определенный химический состав, обеснечнвающнй стойкость волокна против действия экс­плуатационных факторов (влаги, температуры); невысокую тем­пературу получения расплава, достижимую в применяющихся для этих целен плавильных агрегатах; образовывать силикатные расплавы, характеризующиеся необходимыми для волокнообразо - вания реологическими показателями; быть распространенным и не требовать сложной предварительной подготовки.

Перечисленные требования обычно обеспечиваются составлени­ем соответствующей смеси (шихты), включающей два или более компонентов. Лишь немногие виды природного сырья могут быть использованы для получения минеральной ваты без подшихтовкн.

Доменные шлаки являются одним из основных видов сырья для производства минеральной ваты. Они представляют со­бой расплавы (жидкие и охлажденные), в которых кристаллизуют­ся силикаты и алюмосиликаты. В зависимости от содержания сос­тавляющих их оксидов (Si02, А120з, СаО и MgO) шлаки разделяют на основные, когда модуль основности

CaO + MgO_ 0 S1O2 + AI2O3 ^ V '

Кислые (Л10<1) и нейтральные (Af0=l).

В состав шлаков входят шесть главнейших оксидов, содержа­ние которых, % по массе, колеблется в следующих пределах: Si02—35 ... 40; А120з—10 ... 15; СаО —35 ... 45; MgO — 5 ... 10; Fe203 + Fe0 —0,5 ... 1,0.

Ваграночные шлаки в ряде случаев являются подходя­щим сырьем для получения минеральной ваты. Их можно приме­нять как в качестве компонента шихты для подкисления доменных шлаков, так и в качестве основного сырья однокомпонентного состава. Содержание оксидов, % по массе, в этих шлаках находит­ся в следующем соотношении: Si02—40 ... 49; А|203— 17 ...19; СаО—19 ... 32; MgO—3 ... 4; Fe203—3 ... 5.

Мартеновские шлаки являются основными. Содержание в них Si02 и AI0O3 не превышает 40%. Кроме того, в их составе обычно содержится до 20% оксидов железа и марганца. Их ис­пользуют в качестве добавки к доменным шлакам или горным породам с целью снижения вязкости расплава.

Металлургические шлаки используют в охлажденном виде (отвальные шлаки) и в огненно-жидком состоянии. В послед­нем случае существенно снижаются затраты топлива на производ­ив

Ство минеральной ваты, однако существенные трудности корректи­ровки состава огненно-жидких шлаков сдерживают развитие этого вида их переработки.

Зола тепловых э л е к т р о ст а н ц и й — вид сырья, харак­теризующийся непостоянством химического состава и зависящий от вида сжигаемых углей. Однако проведенные исследования по­казали возможность ее переработки в минеральную вату в электро­печах.

Отходы керамического п сил нкатиого производ­ства используют в качестве одного пз компонентов для регулиро­вания химического состава шихты.

Горные породы могут применяться в чистом виде ІІЛІІ в качестве компонента шихты. К числу лучших горных пород для производства минеральной ваты относят изверженные горные по­роды габбро базальтовой группы и подобные им но химическому составу метаморфические горные норо щ, а такач мергели. Запа­сы этих горных пород в СССР огромны.

Содержание оксидов в составе горных пород, применяемых для производства минеральной ваты, обычно колеблется в следующих пределах, % по массе: Si02—45 ... 65; А1203—10 . .20; СаО—5 ... 15; F203 + Fe0—10 ... 15; Na20 + K20—1 ... 3, хотя в ряде слу­чаев содержание отдельных оксидов выходит за указанные пре­делы.

Габбро-базальтовые горные породы (диабазы, базальты, габ­бро), а также их метаморфические аналоги (амфиболиты, извест - ковистые сланцы), мергели являются оптимальным сырьем для минераловатного производства. Получаемая из них вата характе­ризуется повышенной эксплуатационной стойкостью.

Кислые горные породы типа гранита, перлита, грандиорнта об­разуют расплавы с более высокой вязкостью, чем габбро-базальто­вое сырье. В результате этого требуется повышенный расход топ­лива, снижается производительность плавильных агрегатов. Этот вид горных пород целесообразно применять для повышения белиз­ны волокна при его использовании, например для получения де­коративно-акустических изделий. Пока в отечественной практике эти горные породы в чистом виде применения не нашли.

Физико-химические основы получения силикатных расплавов с заданными свойствами являются теоретической базой технологии искусственных минеральных волокон. Технология минеральной ваты, равно как стекловолокна и некоторых видов жаростойких волокОн, предполагает стекловидное (стеклообразное) состояние готового продукта. Это особое состояние вещества, отличающееся как от кристаллического, так и от аморфного состояния. Оно ха­рактеризуется наличием в вещ'ч гне кристаллитов микрокристал­лических образовании, которые имеют сравнительно правильную кристаллическую решетку во внутренней части и деформирован­ную во все большей степени но мере удаления от центра. В стекле кристалла іїї-: раз ю. кч.■ морі) поп прослойкой. Характерным для
такого состояния вещества является то, что процесс превращения его из жидкого состояния в стекловидное является обратимым, а процесс перехода из стекловидного состояния в кристаллическое необратимым, т. е. из кристаллических веществ нельзя получить стекла без их расплавления (рис. 7.1). Таким образом, стекловид­ное состояние вещества является метастабильным (неустойчивым). Неустойчивое состояние молекулярных групп у вещества, находяще­гося в стекловидном состоянии, может привести к тому, что избы­точная потенциальная энергия, скрытая в стекле, как в переох­лажденной жидкости, при соответствующих условиях перейдет в явную форму, сопровож­даясь определенной ориентацией молекул и превращением стекловидного вещества в крис­таллическое. Такой процесс называют рекрис­таллизацией или расстекловыванием. При этом с текло теряет свои основные свойства: проз­рачность, прочность, твердость. Одной из глав­ных причин рекристаллизации стекла является продолжительное воздействие на него повы­шенных температур. Такие условия могут иметь место при изоляции минеральным во­локном горячих объектов. Склонность мине­рального волокна к рекристаллизации зависит от его химического состава и усиливается по мере перехода от кислых составов к основным.

Далеко не все вещества способны из расплавленного состояния переходить в стекловидное, минуя процесс кристаллизации. Из жидкого состояния в твердое кристаллическое переходят такие расплавы, вязкость которых невелика, и при охлаждении вплоть до момента кристаллизации медленно возрастает. Для высоковяз­ких расплавов по мере их охлаждения характерен путь не крис­таллизации, а стеклообразования. К таким высоковязким вещест­вам, называемым стеклообразователями, относят Si02, В203, Na2Si205.

Так как в расплавах для получения минерального волокна в качестве стеклообразователя обязательно присутствует Si02, то речь пойдет о силикатных расплавах. При получении силикатных расплавов протекают сложные физико-химические процессы, ха­рактер которых определяется составом шихты и температурой. Во всех случаях происходят процессы силикато - и стеклообразова­ния. Силикатообразование начинает протекать между материала­ми, составляющими исходную шихту, уже в твердом состоянии при относительно низких температурах (400 ... 600СС). Однако ско­рость реакций при этом невелика. Существенная интенсификация процессов наступает при появлении жидкой фазы, которая образу­ется в объеме шихты вследствие плавления легкоплавких компо­нентов и возникновения эвтектик.

Возможность химического взаимодействия определяется зако­нами химической термодинамики, а при наличии благоприятных термодинамических условий — действием кинетических факторов, к которым в первую очередь относится поверхность контакта. Чем больше площадь непосредственного контакта зерен компонентов, тем быстрее протекает процесс снлпкатообразования. Ічак извест­но, площадь поверхности контактов для шихты одного и того же объема возрастает с увеличением дисперсности зерен. Следова­тельно, измельчение компонентов шихты способствует ускорению реакций енлнкатообразовання и іомогепнзации расплава, которая необходима тли получения стабильных свойств волокна.

Для перевода твердой фазы в жидкое состояние необходимо затратить энергию на преодоление сил, действующих между эле­ментами решетки. Плавление наступает тогда, когда средняя энергия колебаний >лемеитов решетки достаточно велика для на­рушении СИМ 111 меж іу цими Ь> не 1.1ІЧІСГО прі-менп ечн т. їлось, 410 структура жидкое!!! иже при іемпературах, близких к темпера­туре кристаллизации, лишена какой-либо упорядоченности. В дей­ствительности в отличие от кристаллов так называемый «дальний порядок1 в расположении молекул или атомов в жидкости отсут­ствует. О днако есть «ближний поря ток ■ т. е. имеет место правиль­ность расположения частиц в непосредственное близости от любо­го данного атома (молекулы), затухающая с расстоянием.

В настоящее время наиболее часто силикатные расплавы рас­сматривают как ионные жидкости. Стеклоооразовагелем или сст - кообразователем является кремниевая кислота. Установлено, что из всех связей 0~- связь с Si44 самая прочная. Этим и обусловле­но существование кремнийкнелородных комплексов как самосто­ятельных структурных единиц кристаллической решетки. При плавлении силикатов их решетка разрушается из-за разрыва более слабых связей между катионами и кремнийкпелородными аниона­ми. Наличие жесткой ковалеитпой связи Si—О определяет присут­ствие в силикатных расплавах устойчивых комплексов ионов (SuO>), образующих анионный скелет расплава. Внутри этого каркаса преобладают ковалентные, а вне каркаса — ионные связи.

Структура силикатных расплавов определяет их свойства. Их вязкость зависит от подвижности анионного каркаса, а электро­проводность— от подвижности ионов-модификаторов (т. е. ионов с малым зарядом п большим размером, например щелочных и щело- чеземельпых), поляризующих СВЯПІ Si—О.

Основными свойствами силикатных расплавов, влияющими на свойства минеральных волокон, получаемых из них, являются вяз­кость, поверхностное натяжение и кристаллімацпоппая способ­ность.

Вязкость — одно из основных свойств силикатных расплавов. Силикатные расплавы, если они не содержат кристаллических взвешенных частин, ведут себя как нормальные ньютоновские жн скости. При температурах ниже верхнего предела крнсталлиза-

11 ■

:i! if в них наблюдаются признаки структурирования, что приводит к у дшению качества волокна.

С повышением температуры вязкость силикатных расплавов понижается вследствие усиления броуновского движения, ослабле­ния и разрыва связей между структурными группами и распада ассоциаций; охлаждение расплавов вызывает обратные изменения (рис. 7.2).

Характер изменения вязкости расплавов от температуры опре­деляется их составом. По характеру изменения вязкости различа­ют длинные и короткие расплавы. Для длинных расплавов харак­терен большой интервал вязкости, т. е. большая разница темпера­тур жидкотекучего состояния и перехода в хрупкое состояние. Короткие расплавы имеют малый интервал таких температур, т. е. короткий интервал вязкости (рис. 7.3). Для переработки распла­вов r волокно лучше применять длинные расплавы.

/Іти рмик іным тігчЖі-іпіґ и п. II м, нлм. гпают работ*1, которую необходимо затратить па образование единицы новой поверхности в плоскости раздела двух фаз при постоянной температуре. Этот юказатель характеризует интенсивность межмолекулярных (меж­атомных, межионных) сил в расплаве. На поверхностное натяжение существенно влияют изменения в поверхностном слое. Поэтому адсорбционные процессы сопровождаются изменением поверхност­ного натяжения. Из формулы Гнббса

Г = Crfj, (7.2)

RTdC V '

Где Г —удельная адсорбция, моль/см2; С — концентрация раство­ренного вещества в разбавленном растворе. Адсорбция положи­тельна, когда производная do/dC отрицательна. Вещества, для которых da/dC<ZО, называют поверхностно-активными, так как они понижают поверхностное натяжение, адсорбируясь в поверхностном слое (на границе раздела) жидких или твердых веществ.

А. А. Аппен разделил оксиды силикатных расплавов по воздей­ствию на поверхностное натяжение на три группы: поверхностно - неактивные: Si02, Ті02, А12Оз. Na20, MgO, Mn'O, CaO, FeO; имею­щие промежуточный характер: K20, В203; поверхностно-активные: Сг203, СгОз, S03, VoOs, V03. Из оксидов, присутствующих в сили­катных расплавах, более сильно поверхностное натяжение снижа­ют Si02 и Na20.

Поверхностное натяжение силикатных расплавов значительно меняется в интервале температур, соответствующих размягчению материала (600 .. . 750Х) —от 10 до 0,25 Н/м. а при высоких тем­пературах изменение а от Т незначительно. Снижение поверхност­ного натяжения благоприятно влияет на ход волокнообразования.

Появление кристаллической фазы в расплаве отрицательно сказывается как на процессе волокнообразования, так и на термо­устойчивое™ волокна. Кристаллизационная способность силикат-

С — при плавлении; б — при охлаждении. Уровни: /— прекращение вытя­гивания волокон; // — максимальная вязкость при разделении расплава на струйки в чаше при цеитробежно-фильерио-дутьевом способе волокио - обпазоиання; III — интенсивное пытягнпаиис волокеш. газовым потоком; iv — максимальная пщкпеть на члше при игигробежио-фильеріт-лутье. пом способе; v—жидкоіскуичгі). ряспланоп при каменном лигьс; vi 11 I//—начало н окончание образования нолпкон; viii — образование не - 1ІОЛОКНІІ0ТІ4Ч ПКЛКІЧІ'НІїП («корольков», егеклосфер)

Ных расплавов подчиняется определенной закономерности: мини­мум кристаллизационной способности соответствует составам, в которых в качестве первых фаз из расплавов выделяются одно­временно два или несколько видов кристаллических соединений разного состава. Им соответствуют эвтектические точки, границы полей на диаграммах состояния. Для предотвращения или ослаб­ления кристаллизации необходимо ввести в состав расплава любой оксид, не входящий в состав первой кристаллической фазы и не

Способный быть затравкой кристаллообразования, или уменьшить содержание оксидов, входящих в состав первой фазы. Самопроиз­вольная кристаллизационная способность стеклообразующих ра­сплавов определяется двумя факторами: скоростью образования центров кристаллизации (СОЦ) и линейной скоростью роста кристаллов (СРК). Типичный ход изменения СОЦ и СРК показан на рис. 7.4. Ниже температуры плавления Ts, или температуры лик­видуса, расположена метастабильная зона /, в которой центры кристаллизации практически не образуются, но рост кристаллов возможен, если внесены примесные затравки или зародыши обра­зовались при более низкой температуре. Существование этой зоны объясняется низкой равновесной температурой плавления мелких кристаллов по сравнению с макроскопическими. Лишь после того как система доведена до определенной степени переохлаждения, становится возможным самопроизвольное образование центров кристаллизации. При дальнейшем охлаждении СОЦ п СРК возра­стают и достигают максимумов, а затем вновь снижаются, стре­мясь к исчезающе малым значениям, благодаря тормозящему влиянию высокой вязкое ги. В отвердевшем стекле кристаллизации не происходит. Низкотемпературная область II с практически ну­левой СОЦ может считаться второй метастабильной зоной.

Структура и свойства силикатного расплава зависят от его химического состава. В соответствии с ионной теорией влияние различных оксидов на вязкость и температуру кристаллизации силикатных расплавов объясняется следующим. Если катион окси­да является комплексообразующим, то рост его содержания в расплаве будет повышать вязкость расплава вследствие увеличе­ния размеров комплексных ионов или повышения их концентрации в расплаве. К таким оксидам относят Si02, А1203, Сг203. Если катион оксида не является в данных условиях комплексообразую­щим. то такой оксид, отдавая свой кислород комплексам, уменьша­ет тем самым их размеры. Поэтому добавление СаО, MgO, МпО, .Ч'агО, К20 и ТЮ2 уменьшает вязкость расплавов. Одновременно добавление этих окси юв повышает темпераіурх кристаллизации, если образуются прочные связи катнон-кислородкомилексных ани­онов (СаО, MgO, ТЮи). и понижает эту температуру, если связи менее прочные (МпО, FejO-. а. О, К^О) Это псно. тыукп на прак­тике тя направленно! о регулирования свонсів силикатных ра сплавов.

Вязкость и поверхностное натяжение силикатных расплавов являются основныхш свойствами, определяющими способность данного расплава к волокпообразовапию. Переработка силикатных расплавов в волокно происходит в интервале температур 1300 .. . 1400°С, вязкость при этом должна находиться в пределах 0,5 5 Па-с.

Высокое поверхностное натяжение расплавов способствует об­разованию неволокнистых включений («корольков») в минераль­ной вате, причем чем меньше вязкость расплава в период волокно - образования, тем сильнее отрицательное действие поверхностного натяжения. Вместе с тем высокая вязкость затрудняет переработ­ку струи расплава и волокна. Практически значения поверхност­ного натяжения расплавов, полученных из шихт, применяющихся в минераловатном производстве, составляют 0,3 ... 0,45 Н/м.

Обобщение данных отечественных и зарубежных исследовате­лей о влиянии каждого компонента на свойства расплава и полу­чаемой минеральной ваты позволяет сделать следующие выводы:

Si02—повышает вязкость силикатных расплавов и химическую стойкость волокон в любых средах; удлиняет интервал вязкости; снижает кристаллизационную способность расплавов;

В203 — оказывает сильное флюсующее действие, уменьшает поверхностное натяжепне расплава и температуру верхнего преде­ла кристаллизации, значительно улучшает выработочные свойства расплава, увеличивает длину волокна, повышает устойчивость во­локон к воде, но понижает устойчивость к кислотам и щелочам;

All)., ноиышасг вя шості, и поверхностное ватяженпе распла­вов, прочность и модуль упруїосли волокон, устойчивость их к поде, кислото и юмпературосюнкосп.;

Fe,0» снижает вязкость расплавов, повышает их поверхност­ное натчжеппе п химическую устойчивость волокон;

І о-

CaO, MgO— при высоких температурах понижают вязкость

Ния C:S. Влияние MgO на снижение вязкости особенно заметно при повышении его содержания до 9% и более. Повышение содер­жания MgO за счет СаО значительно повышает химическую стой­кость волокон;

ТіОг — улучшает химическую устойчивость ко всем средам, является хорошим плавнем, значительно снижает воязкость рас­плава, но повышает склонность к кристаллизации;

Zr02 — очень сильно повышает химическую устойчивость ко всем средам и является единственным ок­сидом, который делает многокомпо­нентные с текла устойчивыми к ще­лочам; увеличивает тугоплавкость расплава и повышает склонность к кристаллизации;

ZnO — в небольших количествах оказывает положительное влияние на химическую устойчивость, сни­жает вязкость расплавов и умень­шает склонность к кристаллизации;

FeO — снижает вязкость, но по­вышает поверхностное натяжение расплавов, снижает начальную тем­пературу разрушения волокон;

МпО — в небольших количествах увеличивает химическую устойчивость, снижает вязкость и склон­ность к кристаллизации;

Na20, КгО, LiO — являются плавнями и снижают склонность к кристаллизации, уменьшают стойкость волокон к воде; повышен­ное содержание К20 уменьшает поверхностное натяжение рас­плава.

Расплав для получения минеральной ваты содержит в основном Si02, А1203, СаО, MgO примерно в следующих соотношениях, % по массе: Si02 —35 ... 60; А1203— 5 ... 15; СаО —20 ...25; MgO — 5 ... 15. В небольшом количестве могут присутствовать Fe203, FeO, Na20, К20, МпО.

Вязкость расплава для получения минеральной ваты прибли­женно можно определить по диаграмме вязкости: Si02—А1203— СаО, если пересчитать MgO на СаО (рнс. 7.5). Кривые линии на диаграмме соединяют точки с одинаковыми значениями вязкости расплава при различных содержаниях SiOo, А1203, СаО. При MOOT, интервал вязкости, при котором возможно получение во­локна из расплава, должен находиться в пределах 0,5 ... 1,5 Г1а-с.

Температура плавлення, кристаллизации и возможный ход кристаллизации могут быть приближенно определены по диаграмме состояния системы: Si02—А1203—СаО (рис. 7.6), а более точно по диаграмме состояния четырехкомпонентной системы: Si02— А120з—СаО—MgO. Однако всегда надо учитывать наличие при­месей.

П15 SiOz

Свойства минеральной ваты зависят от ряда факто­ров, важнейшими из которых являются: химический состав сили­катного расплава, его вязкоіть и поверхностное иагмжепие в мо - меіп переработки в волокно способ и параметры волокнообразо­вания

И сооїиеісгвіїн с современными требованиями минеральную в.'и выпускаю! і'реч марок; >, 100 н 12Г) со средней нлогпосгмо, определяемой под у, и іьиоіі паїрузкон 0,002 МПа, cooiвегствснио 75. 100 н 1 кг м-1.

С увеличением диаметра волокон возрастает теплопроводность минеральной ваты. Поэтому стандартом средний диаметр ограни­чен не более 6 мкм (для марки 75) и не более 8 мкм (для осталь­ных марок).

Длина волокон колеблется в довольно широких пределах от 2 ... 3 мм до 20 ... 30 см. Из длинноволокнистой ваты получают более высококачественные изделия, характеризующиеся большей упругостью и прочностью.

Помимо волокон вата содержит не вытянувшиеся в волокна включения («корольки»), которые повышают среднюю плотность и увеличивают теплопроводность минеральной ваты. Поэтому со­держание корольков размером более 0,25 мм ограничено стандар­том: для марок 75—12%; 100—20% и 125—25%.

Водопоглощеиие минеральной ваты очень велико — до 600% при погружении в воду; гигроскопичность колеблется от 0,2 до 2%. Минеральная вата не является благоприятной средой для разви­тия грибов. Однако под действием органических кислот, выделяе­мых грибами, она может разрушаться. С повышением кислотности волокон грибоустойчивость минеральной ваты возрастает. Темпе­ратура спекания рядовой минеральной ваты 700 ... 800°С, соот­ветственно температура применения 600 ... 700°С. Расстекловыва - ние волокон может уже происходить при 500°С. Вата, полученная из более кислых расплавов, меньше подвержена расстекловыва - нию. Теплопроводность минеральной ваты не должна превышать значений, приведенных в табл. 7.1.

Большое влияние на теплопроводность ваты оказывает диа­метр волокна, при возрастании которого имеет место увеличение размера пор, создание более благоприятных условий для конвенк - тивного переноса теплоты, а также возрастание единичной площа­ди контактов между волокнами. Так, при увеличении диаметра во­локон с 3 до 12 мкм теплопроводность повышается на 10%.

Определение состава шихты для производст­ва минеральной ваты включает в себя ряд основополагаю­щих требований. Запасы сырья, позволяющего изготовлять мине­ральную вату из однокомпонентной шихты без добавок, весьма ог­раничены. В связи с этим для получения минеральной ваты, соот­ветствующей требованиям стандарта, шихту составляют из двух,

А иногда и более компонентов. Главным критерием при этом явля­ется модуль кислотности Л/,-, %:

С.10 мво ' (7J)

Который представляет собой отношение содержания в шихте сум­мы кислотных оксидов к основным. По существующему стандар­ту^ модуль кислотности минеральной ваты должен быть не менее 1.5 для высшей и 1,2 для первой категории качества. С повышени­ем Мк возрастает химическая стойкость ваты, в частности водо­стойкость и, следовательно, долговечность. Водостойкость мине­ральной ваты характеризуется показателем рП; минеральная вата относится к высшей категории водостойкости при рН<5 и к пер­вой категории при рП<7.

Однако следует помнить, что увеличение И, п гидролитической стойкости ваты иомапо с увеличением содержащий SKX, п Л]"0... что приводит к существенному повышению вязкости расплава и влечет за собой снижение производительности и ухудшение усло­вий волокнообразования В связи с этим при проектировании сос­тава шихты приходится искать оптимальное решение, с одной стороны, не допускать слишком большой вязкости расплава бо избе­жание нарушения технологического процесса, с другой — не до­пускать низкого содержания в шихте кислотных оксидов в ущерб долговечности минеральной ваты.

Следовательно, при решении задачи необходимо учитывать не только Мк, но и модуль вязкости Мв, в который более точно харак­теризует вязкость расплава. При расчете Мп находят молекуляр­ные количества всех оксидов, для чего количество каждого из них (% по массе) делят на молекулярную массу лого оксида. Затем Мв вычисляют по формуле

VJ _________________ WS1Q, +'ід1АІ2О3_____________

,0, + '^FeO 4 '^CaO L '^MgO + '1JKau + aa0

При ваграночном способе производства минеральной ваты без подогрева воздуха верхний предел Л1в (критический), при котором сохраняется достаточная производительность плавильного агрега­та, не должен превышать 1,2. При получении расплава в ванных печах предельное значение Л1„ должно составлять 1,4.

Решая задачу практически, рассчитывают серию химических составов с различными значениям» Л1„, начиная от критического для данного теплового агрегата (1,2 пли 1,4) и ниже, и устанавли­вают значение М„, обеспечивающее необходимый показатель рП. Значения рП рассчитывают по эмпирическим уравнениям, имею­щимся в справочной литературе.

Печи для получения силикатного расплава различают по прин­ципу сжигания топлива, зависящему от его вида.

Для получения силикатных расплавов в мннералоиатном производстве применяют различные типы плани. и.пых печей: шах-

1 - і» т ше (вагранки), ванные, шахтно-ванные, электродуговые, шлако - ирнемники За последнее десятилетие плавильные печи подверг­лись существенному усовершенствованию и каждый из перечислен­ных выше типов имеет разновидности.

Выбор типа печи зависит в основном от вида сырья и наличия ь данном регионе видов топлива или электроэнергии. В табл. 7.2 приведено сравнение основных типов плавильных печей по нх теп­ловой эффективности.

Сравнительные данные показывают, что электродуговая печь — наиболее эффективный плавильный агрегат. Однако ее примене­ние связано с большим расходом электроэнергии.

Вагранки — одни из первых и наиболее распространенных плавильных агрегатов. Вагранки представляют собой шахтные печи непрерывного действия, теплообмен в которых осуществляет­ся по принципу противотока (рис. 7.7). Сырье, загружаемое в верхнюю часть вагранки, опускается вниз, превращаясь в рас­плав в нижней ее части, а образовавшиеся продукты горения под­нимаются снизу вверх, отдавая теплоту расплавляемому материа-

Вагранка состоит из двух частей" горновой и шахты. В нижней горновой части вагранки происходят горение топлива и плавление ^ырья. Силикатные расплавы разъедают огнеупорную футеровку, вследствие чего нижнюю часть печи (горновую) делают из метал­ла в виде цилиндра с двумя стенками, между которыми циркули­рует вода, предохраняющая корпус вагранки от перегрева. Такая конструкция горновой части получила название ватержакета. В результате водоохлаждения на внутренней поверхности ватер­жакета из расплава образуется застывший слой — гарннсаж, ко­торый предохраняет металл от разъедания расплавом. Температура волы, выходящей из ватержакета, не должна превышать 90"С. Выше ватержакета металлический кожух вагранки защищен огне­упорной футеровкой. Низ горновой части закрывается двухсекци­онным днищем, подвешенным на шарнирах.

В горновой части имеются фурмы — отверстия для подачи воз­духа на горение топлива, которые соединены кольцевой трубон-кол - чёктором. Через коллектор воздух поступает по всему периметру вагранки.

Основными конструктнпнымн параметрами вагранки являются: внутренний диаметр в сечении фурм, рабочая высота шамы, число фурм и объем горна. Промышленные вагранки имеют следующий

Диаметр: 1000, 1250 и Н00 мм. Отноше­ние рабочей высоты (от оси первого ряда фурм до загрузочного окна) к диаметру находится в пределах 3...5. Число сим­метрично расположенных по окружности вагранки фурм зависит от размера ва­гранки и количества подаваемого на го­рение воздуха.

Для повышения производительности вагранки диаметром более 1000 мм при­меняют двухрядное расположение фурм, по 8... 16 и каждом рмд

Нижнюю часті, ваі рапкп or оси ниж­него ряда фурм до днища называют гор­ном. В нем накапливается образовавший­ся расплав и происходи! его гомогениза­ция по составу и температуре. Чем больше горн, тем дольше расплав в нем находится до выпуска из вагранки и тем лучше условия для гомогенизации рас­плава. Однако в этой зоне расплав осты­вает, так как кокс здесь не горит из-за отсутствия кислорода. Поэтому с целью недопущения повышения вязкости рас­плава высоту горна ограничивают; она колеблется от 600 до 750 мм.

Образовавшийся расплав из горна вы­текает через летку и по лотку поступает к узлу волокнообразования. Загрузка сырья и топлива производится через за­грузочное окно (люк), расположенное в верхней части вагранки. Ниже загрузоч­ного люка крепится водоохлаждаемый распределитель шихты, с помощью кото­рого шихта равномерно распределяется по сечению вагранки.

Сверху к шахте крепится искрогаси­тель, представляющий собой металличе­ский кожух с колпаком и скошенным днищем, в нижней части которого имеет­ся патрубок для удаления осевших твер­дых частиц.

Загрузку сырья осуществляют различ­ными механизмами: скиповыми подъем - пиками, ленточными питателями, кюбеля-
ми, вводимыми непосредственно в шахту печи. Институтом «ВПІІІІІІП Геплоироект» разработан механизм загрузки шихты, представляющий собой систему из двух конусов. Его применение не требует наличия распределительного устройства. В качестве дозирующих устройств применяют весовые дозаторы типа НВДИ-425.

Работа вагранки определяется процессом горения топлива и передачей теплоты горячими продуктами горения расплавляемому сырью. Зона горения топлива (кокса) находится над фурмами. Процесс горения является химической реакцией соединения угле­рода кокса с кислородом воздуха. Горение может быть полным с образованием диоксида углерода С02:

TOC o "1-3" h z С + 02=С02 + 398 ООО кДжДкмоль) (7.5)

Или неполным с образованием оксида углерода СО:

С 0,502 СО + 116 500 кДжДкмоль). (7.0)

В свою очередь, СО может взаимодействовать с кислородом воздуха и сгорать в С02:

СО+0,502-=С02 + 283000 кДжДкмоль). (7.7)

По мере горения кокса в дутьевом воздухе уменьшается 02 и увеличивается количество С02 и СО, одновременно растет темпе­ратура. На некоторой высоте температура достигает максимально­го значения (около 1600°С). Эта высота примерно соответствует максимальному содержанию С02. Реакция горения прекращается после израсходования всего кислорода воздуха на окисление угле­рода кокса. Это происходит несколько выше верхней части зоны горения. Выше зоны горения при соприкосновении продуктов горе­ния с раскаленным коксом С02 может восстанавливаться в СО из-за недостатка кислорода:

С02 + С —2СО —166 ООО кДжДкмоль). (7.8)

Как видим, реакция восстановления илет с существенной поте­рей теплоты; она прекращается в зоне температур 1000 ... 11 ПО^С. Чем выше содержание СО в отходящих газах, тем больше потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, тем ниже КПД вагранки. Это обстоятельство лишний раз подчеркивает не­обходимость создания избытка воздуха на горение. Однако слиш­ком большой его избыток также приводит к снижению температу­ры в зоне горения. Борьбу с этим явлением ведут путем подогрева воздуха до 400 ... 500°С перед его подачей в вагранку.

В соответствии с физическими и химическими процессами, про­исходящими в вагранке, в ней можно выделить пять зон по высоте сверху вниз. Деление на зоны условное, между ними нет четкого разграничивания; размеры зон зависят в первую очередь от свойств расплавляемого сырья (рис. 7.8).

I зона —зона подогрева расположена в верхней части столба шихты. Здесь из материала удаляется физически и химически свя-
заниая вода, т. е. происходит дегидрация сырья. По мере опуска­ния сырья в область температур выше 60СГС разлагаются карбона­ты магния, а выше 800СС — карбонаты кальция, т. е. происходит декарбонизация сырья. В нижней части зона подогрева переходит в зону плавления, ниже которой при правильном протекании про­цесса не должно быть сырьевых материалов в твердом состоянии.

II зона — зона плавления расположена над холостой коксовой калошей, которую загружают в вагранку при ее розжиге и распо-

Лагают на поде вагранки. Холостая калоша служит для поддер­жания лежащего выше столбика шихты, дополнительного нагрева (перегрева) образующегося расплава, равномерного распределе­ния раскаленных продуктов горения по сечению вагранки и дрена­жа расплава в горн вагранки. В зоне плавления при температуре 1500 ... 1600°С сырье из твердого состояния переходит в жидкое и, стекая по кускам раскаленного кокса, попадает в горн.

Компоненты сырьевой смеси плавлятся неодновременно: легко­плавкие плавятся раньше, тугоплавкие — позже. Тугоплавкие ком­поненты растворяются в образованном легкоплавкими компонен­тами расплаве. Скорость растворения по закону действующих масс (закон Рауля) зависит от концентрации реагирующих веществ в обеих фазах. На скорость растворения оказывает влияние вязкость расплава; с ее уменьшением скорость растворения возрастает. Для нормального протекания плавления в вагранке необходимо соблюдать определенное соотношение между объемами туго - и легкоплавкого сырья. При избытке тугоплавкого компонента на­блюдается его неполное растворение в расплаве легкоплавкого компонента вследствие ограниченного времени пребывания сырья в зоне плавления. Ускорению плавления способствует увеличение поверхности тугоплавкого компонента, что достигается уменьшени­ем размеров его кусков по сравнению с кусками легкоплавкого компонента.

I зона — редукционная (восстановительная), расположена в Еерхней части холостой коксовой калоши, выше условной линии, где содержание кислорода в среде практически равно нулю, т. е. до верха холостой калоши. В этой зоне С02 восстанавливается до СО, температура продуктов горения падает тем больше, чем боль­ше количество С02 перейдет в СО.

Восстановительный процесс, его интенсивность зависит от реак­ционной способности топлива и размеров его кусков (удельной поверхности).

Под реакционной способностью топлива R понимают его спо­собность восстанавливать образовавшуюся при сгорании С02 в СО. Величину R, %, определяют по формуле

R =------- —----- 100. (7.9)

СО + 2С02

Для снижения восстановительного процесса следует применять крупные куски кокса с реакционной способностью 15 .. . 25%.

II зона — кислородная, расположена над фурменным поясом от оси фурм до условной границы, где содержание свободного кис­лорода равно нулю. В этой зоне топливо интенсивно сгорает. В конне зоны температура достигает максимальных значений. Размеры кислородной зоны зависят от качества топлива, величины его кусков и температуры среды. Чем выше реакционная способ­ность'топлива, чем меньше размер кусков, тем быстрее идег горі - ниє и тем меньше кислородная зона.

V зона — гомогенизации расплава, расположена ниже фурмен­ного пояса до пода вагранки. В верхней части зоны в связи с на­личием кислорода, поступающего с воздухом нз фурм, происходит интенсивное горение кокса в холостой калоше. Ниже окислитель­ная способность среды теряется и на уровне подины она равна нулю. В этой зоне сохраняется высокая температура среды, так как теплота расходуется только на покрытие тепловых потерь че­рез боковые стенки и подину вагранки. Выгорающий в холостой калоше кокс непрерывно пополняется коксом, загружаемым сов­местно с сырьевыми материалами. Поэтому уровень холостой ка­лоши сохраняется примерно постоянным.

Требования к сырью и топливу диктуются обеспечением необ­ходимого аэродинамического сопротивления столбом шихты, а так­же интенсификацией процесса растворения тугоплавких компонен­тов в расплаве легкоплавких веществ. С этих позиций не допуска­ется применение мелких фракций сырья (менее 20 мм), которые резко увеличивают аэродинамическое сопротивление столба ших­ты. Размеры кусков шлака и легкоплавких горных пород должны находиться в пределах 40 . . . 100 мм. Тугоплавкие породы, такие, как доломит, известняк, следует применять в виде более мелких фракций (20 . . 40 мм). Сохранение исходной гранулометрии ших­ты может быть обеспечено только в случае достаточной прочности кусков сырья, которая, как показывает практика, должна быть не менее 2,0 МПа.

К топливу для вагранки помимо гранулометрии и малой реак­ционной способности предъявляются еще и такие требования: достаточная прочность не только в холодном, но и в нагретом сос­тоянии; малая зольность (8 . .. 9%), так как зола переходит в расплав и влияет на его состав; содержание серы в топливе не должно превышать 1,5%. Этим требованиям отвечает каменно­угольный кокс, который по назначению подразделяют на литейный (КЛ) и доменный (КД). Доменный кокс дешевле, однако литей­ный кокс характеризуется значительно меньшей реакционной спо­собностью, в результате чего в вагранке развивается более высо­кая температура горения и более устойчиво и интенсивно протека­ют все процессы.

Наиболее предпочтителен крупный кокс с размером кусков 80 . ., 120 мм.

Производительность вагранок зависит от многих факторов и мо­жет колебаться в широких пределах. Производительность вагран­ки характеризует удельный съем расплава — количество получае­мого расплава с I м2 площади поперечного сечения вагранки в плоскости фурм в единицу времени. Этот удельный съем в силу различных причин колеблется от 1200 до 3000 кг/(м2-ч).

Ill производительность вагранки влияют вид сырья, его грану­лометрический состав, равномерность загрузки шихты, вид и рас - хім к'-кс.1. ипгепоншк еп. и температура туп. я.

При плавлении шлака съем расплава больше, чем при плавлении горных пород. Так как шлаки уже являются продуктом плавления, из этого следует, что процессы диссоциации, декарбонизации, требующие дополнительных затрат топлива, в них уже прошли и, кроме того, в них уже разрушена кристаллическая структура и они в основном содержат стеклофазу. Все это облегчает процесс плав­ления такого сырья и снижает энергозатраты на его проведение.

Однако качество волокна, получаемого из шлаков, хуже, чем из горных пород, так как в нем содержится достаточно большое ко­личество нежелательных примесей.

Определенная узкофракционная гранулометрия сырья и кокса, равномерная загрузка шихты по сечению вагранки создают необхо­димые аэродинамические условия для нормальной работы печи и обеспечивают устойчивость и спокойный ход плавления.

Весьма эффективным фактором, увеличивающим производи­тельность вагранки, является повышение интенсивности дутья, так как с увеличением количества воздуха, подаваемого на горение, ускоряется горение кокса. Однако повышать интенсивность дутья можно до определенного предела, сверх которого снижается тем­пература расплава, увеличивается его вязкость и производитель­ность резко уменьшается. Существует оптимум подачи воздуха, обеспечивающий наилучшие результаты плавления шихты. Этот оптимум неоднозначен, он связан с расходом кокса, с химическим составом и гранулометрией шихты, определяющей аэродинами­ческие условия работы вагранки, и некоторыми другими факто­рами.

Увеличение расхода кокса повышает температуру расплава. Но при этом необходимо достичь требуемого оптимального соот­ношения между количеством кокса и воздухом. Кроме того, увели­чение расхода топлива не является эффективным и экономически оправданным приемом. Наоборот, современные условия требуют создания малоэнергоемких технологий во всех отраслях тех­ники.

Практикой установлено, что на плавление шихты, характери­зующейся Мк=1,2 ... 1,3, расход кокса должен находиться в пре - телах 17 . .20% от массы шихты. По данным исследований, про­веденных в ВНИИПИТеплопроекте. Р. В. Вагаповой, оптимальный расход воздуха для обеспечения наибольшей производительности вагранки должен составлять 45 ... 50 м3/(м2-мин) при расходе кокса 17 ... 18% от массы шихты и 55 ...60 м3(м2-мин) при рас­ходе кокса 19 ... 21 %-

Повышение производительности и КПД вагранок, улучшение качества получаемой минеральной ваты находятся в центре вни­мания научно-исследовательских и производственных коллективов, работающих в области минераловатного производства Необходи­мость модернизации вагранок диктуется тем, что основная масса минералопатной продукции выпускается заводами, на которых в h. necnic йллипль агрегатов используют вагранки. Широкие применение вагранок объясняется их высокой производитель­ностью, простотой обслуживания, малыми габаритами по сравне­нию с другими плавильными агрегатами.

К недостаткам вагранок относят: низкий коэффициент полез­ного использования теплоты, высокий удельный расход дефицитно­го и дорогостоящего топлива, плохое качество расплава, выража­ющееся в изменчивости его химического состава и вязкости, в ре­зультате чего нарушается стабильность истечения расплава, а по­лучаемая минеральная вата характеризуется непостоянством свойств; неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия эксплуатации, обусловленные применением кокса.

Мероприятия по улучшению работы вагранок сводятся к уст­ройству копильника расплава; изменению формы ватержакета на конусную или овальную; применению испарительного охлаждения вагранки; оборудованию вагранки более мощными воздуходувны­ми установками; применению дутья с предварительным подогре­вом воздуха, оборудованию ваграночного комплекса автоматизи­рованной системой контроля и управления процессами.

Устройство копильника расплава весьма эффективно влияет на повышение качества минеральной ваты и процесс волокнообразо - вания При его наличии существенно повышается химическая одно­родность расплава, стабилизируется его вязкость, обеспечивается равномерность истечения из вагранки, чем существенно облегчает­ся процесс волокнообразования и повышается качество ваты. Кро­ме того, в копильнике происходит осаждение металла, .восстано­вившегося из оксидов железа.

Копильник расплава может быть выполнен в виде вынесенной га пределы шахты обогреваемой емкости, соединенной с горном вагранки через летки, или им может служить нижняя часть горна. В последнем случае нижний ряд фурменных отверстий может быть заделан, а футеровка днища выполнена с обратным уклоном к летке.

Изменение формы ватержакета па конусную или овальную поз­воляет увеличить площадь зоны плавления и за счет этого повы­сить производительность вагранки.

Испарительное охлаждение позволяет в 12 ... 15 раз сократить расход воды на охлаждение корпуса вагранки. Для испарительно­го охлаждения применяют химически очищенную воду. Система такої о охлаждения работает следующим образом. Из верхней части ватержакета пароводяная смесь с температурой 95 . .. 10СГС по­ступает в бак-сепаратор, где пар отделяется от воды. Насыщенный пар в баке охлаждается и конденсируется, вода из бака-сепарато­ра возвращается обратно в ватержакет в нижнюю его часть, поте­ри воды автоматически восполняются. Таким образом, ватержа­кет постоянно заполнен кипящей водой н находится иод напором столба /К ид кос і и, равным раиіоеїн ньісої ватержакета и бака-нс - паритс. іи. Испарительная система, при которой разность темнера - | рг пхо-, пцей н выходящей вояы незначительна, позволяет уве­
личить срок службы ватержакета, так как при этом уменьшаются температурные напряжения корпуса. При постоянном уровне воды в расходном баке эта система безопасна, так как сообщается с атмосферой.

Выше было показано, что интенсификация дутья повышает про­изводительность вагранок. Интенсификацию дутья осуществляют путем замены вентиляторов типа ВВД воздуходувками, которые развивают давление воздуха, в 1,4 ... 3,3 раза больше, чем венти­ляторы.

Наибольший эффект достигается при интенсивном горячем дутье, так как в этом случае в зону горения вносится дополни­тельная теплота. Применение горячего дутья особенно важно при плавлении тугоплавких материалов (горных пород), которые во все возрастающем количестве используют для производства мине­ральной ваты высшей категории качества.

Горные породы типа базальта, диабаза и других при плавании образуют расплав повышенной вязкости, что затрудняет его про­текание через холостую калошу кокса. При этом нарушается ваг­раночный процесс. Повышение температуры на 50 ... 100СС, кото­рое достигается с помощью горячего дутья и его интенсификации, исключает этот недостаток, снижая вязкость расплава до опти­мальных значений. Нагрев воздуха можно осуществлять, исполь­зуя теплоту отходящих из вагранки дымовых газов. Для этого воз­духонагреватель устанавливают на тракте уходящих газов, а пе­ред ним необходимо дожигание СО. Такая система подогрева воздуха сложна и имеет существенный недостаток, заключающий­ся в том, что теплопередающая поверхность засоряется ваграноч­ной пылью и требует систематической очистки. Поэтому снабжение вагранки горячим дутьем осуществляют чаще путем установки вблизи вагранки специального отапливаемого воздухонагревателя, работающего на газообразном или жидком топливе.

Четкий контроль и автоматическое регулирование параметров процесса плавления способствуют как повышению производитель­ности вагранки, так и стабилизации свойств расплава и, следова­тельно, повышению качества получаемой ваты. На рис. 7.9 приве­дена схема автоматизированной вагранки с испарительной систе­мой охлаждения и рекуператором для использования отходящих газов.

Рекуператор вагранки состоит из камеры дожигания СО, теп­лообменника и головки рекуператора. В камере дожигания СО установлены горелочные устройства, с помощью которых дожига­ют оксид углерода и стабилизируют температуры в камере в слу­чае колебания содержания СО в ваграночных газах. В теплооб­менник горячие газы поступают с температурой 1100СС. Нагретый до 450 ... 550°С воздух направляется к фурмам вагранки, а вагра­ночные газы — в систему очистки.

Экономия дефицитного топлива, которым является кокс, — одна из основных задач при получении силикатных расплавов в вагран-

Ках. Помимо применения горячего дутья экономии кокеа достига­ется утилизацией теплоты отходящих газов путем увеличения столба шихты. При этом процессы теплообмена между шихтой и отходящими газами протекают более полно и, следовательно. КПД вагранки возрастает. Однако при высоком с голос шихты in- обходимо обеспечить хорошую газопроницаемость путем подбора

1 — водоумягчнтельная установка; 2 — вентиль типа CB. M, 3 — подпиточный бак; 4 — бак-сепаратор; s — вагранка; 6 — дрос­сельный клапан; 7 — труба аварийного сброса; 8 — шибер; 9 — рекуператор; 10 — газовая горелка; — вентилятор; 12. И — дроссельные клапаны; 13 — нагнетатель 200 II 1-І м; 15 — си­стема отстойно-очистных сооружений; 16 — пенный газоочисти­тель ПГС-50; 17 — дымосос Д-І3.5; 18 — вентилятор; 19 — цик­лоны ЦП-15

Необходимой гранулометрии шихты, а также за счет подбора раз­мера и числа фурм.

С целью экономии кокса осуществляют и более радикальные мероприятия — заменяют часть кокса или весь кокс газообразным топливом. Для этого применяют вагранки соответствующих кон­струкций.

Коксогазовая вагранка позволяет экономить 20...40% дефицит­ного кокса за счет замены его газообразным топливом. Для это­го вагранку оборудуют газовыми горелками, расположенными несколько выше фурменного пояса. Однако в коксогазовой ваг­ранке сохраняются все недостатки ваграночного процесса и суще­ственно усложняется обслуживание печи

Га. нхніч нигрипки позволяет полностью заменить кокс газо­образным топливом, устранить все основные недостатки, свизан - ные с его сжиганием, упростить процесс плавления и повысить культуру производства. При этом расход топлива может быть существенно снижен. Наличие копильника расплава (рис. 7.10) позволяет достичь практически полной гомогенизации расплава и, следовательно, стабилизировать его вязкость, что существенно облегчает процесс волокнообразования и повышает качество по­лучаемой ваты. Существенные трудности при применении газо-

1—загрузочное устройство; 2 — футерованная шахта; 3— горелки; 4 — копильник; 5 — циклоны; 6 — вентилятор; 7 — труба

Вой вагранки возникают в связи с высокой агрессивностью сили­катных пасплавов. Огнеупорный балласт, который служит опорой для столба шихты и дренажем для образовавшегося расплава, интенсивно разъедается последним, из-за чего изменяется состав расплава. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе огнеупорного балласта.

Ванные печи широко применяют при стекловарении. Для получения силикатных расплавов в минераловатном производстве печи этого типа меньших размеров применяют достаточно широ­ко. Для этой цели пригодны все типы ванных печей: с подково­образным, продольным и поперечным направлениями пламени. По способу использования теплоты отходящих газов эти печи могут быть регенеративными и рекуперативными. Рекуператив­ные печи наиболее экономичны, но требуют дорогостоящих высо­коогнеупорных материалов. Наибольшее распространение полу­чили регенеративные печн (рис. 7.11) с подковообразным направ­лением пламени. Плавление шихты осуществляется в бассейне. Выработочпая часть — фидер — для поддержания необходимой температуры расплава оборудована дополнительной горелкой.

В ванной печи температура в зависимости от вида сырья мо­жет изменяться от 1100 до 1600°С. Для получения расплава при-

Меняют сырье в измельченном виде с размером частиц 1...2 мм. С одной стороны, это позволяет ускорить процесс плавления и повысить степень гомогенизации расплава, а с другой — на из­мельчение сырья и его рассев затрачивается дополнительная энергия.

К достоинствам ванных печей следует отнести получение гомо­генных расплавов заданного химического состава, использование дешевых видов топлива, отсутствие требований к прочности сы­рья, существенное снижение потерь расплава.

Основными недостатками этих печей являются: относительно низкий удельный съем расплава от 25 до 50 кг/(м2-ч), что для достижения сравнимой с вагранкой производительностью требу­ет 4...5-кратного увеличения производственной площади; повы­шенный удельный расход топлива. Однако следует отметить, что увеличение удельною расхода топлива практически ис сказыва­ется на стоимости минеральной ваты, так как применяются дс-
шевые виды топлива и снижается потеря расплава при его пере­работке в волокно.

Есть весьма положительный опыт применения газоэлектриче­ских печей (цех минеральной ваты Норильского горно-металлур­гического комбината). Такая ванная печь имеет дополнительный

С*ЛеКірИч:ЄСКИЙ ОбОГреВ,

Осуществляемый погру­женными в расплав электродами. Это соз­дает благоприятные ус­ловия для направлен­ного регулирования движения расплава и выравнивания его сос­тава. При этом уско­ряется процесс плавле - вия, увеличивается удельный съем распла­ва и существенно сни­жается расход топлива.

С учетом преиму­ществ и недостатков ванных печей можно сделать вывод, что их применение в мииера- ловатном производстве, несмотря на высо­кие капиталовложения, весьма рационально, так как позволяет получать готовый продукт более высокого качества, а также исключает необходимость ис­пользования дефицитного и дорогого топлива — кокса.

Электродуговые печи наиболее широко используют при производстве высокотемпературостойкой и огнеупорной ваты. Однако возможно их применение и для производства рядовой минеральной ваты.

Электродуговая печь представляет собой металлическую водо - охлаждаемую ванну (рис. 7.12), выполненную в виде котла диа­метром 2,5...3,0 м. Металл защищается от расплава слоем гарни - сажа, который образуется на внутренней поверхности котла. Плавление сырья осуществляется с помощью трех графнтирован - ных электродов. Шихту загружают сверху с помощью шнекового или иного питателя. Образовавшийся расплав выпускают через небольшой фидер, монтируемый сбоку печи несколько выше ее пода.

Изменяя электрический режим, можно регулировать теплотех­нические параметры плавления в соответствии с технологически­ми требованиями.

Печи для производства минеральной ваты из огненно-жидких шлаков носят название печи-шлакопри- емники (рис 7.13).

Применение огненно-жидких шлаков позволяет существенно сни­зить расход теплоты на получение расплава, а также уменьшить капиталовложения на строительство отделения подготовки и хра­нения сырья Основным сырьем в данном случае являются домен­ные огненно-жидкие шлаки, состав которых корректируют вве-

Деннем необходимых добавок. Печь-шлакопрнемник обеспечивает гомогенизацию расплава и его подогрев до требуемой темпера­туры. Шлак через леткп металлургических печей сливают в шла - ковозный ковш, в котором его доставляют к печи. Недостающее количество А12Оз—Si02 восполняют добавлением соответствую­щего компонента (горной породы, стеклобоя, песка и др.), кото­рый засыпают в ковш до его заливки шлаком или вводят в шлак через загрузочное отверстие в желобе печи во время его подачи в печь.

Корректировка химического состава огненно-жидкого шлака имеет свои трудности, поэтому этот способ получения силикатно­го расплава для производства минеральной ваты не получил пока широкого применения. Поиски наиболее эффективного теплового агрегата для получения силикатных расплавов ведутся давно. Предложены и испытываются различные плавильные агрегаты: циклонные печи, газовые печи с погруженной в расплав горел­кой, печи конвертерного типа, дуплекс-плавильные агрегаты, со­стоящие из вагранки и ванной печи, и др. Все они имеют свои преимущества и недостатки. По количеству расплава, получаемо­го при затрате 1 кг условною топлива, плавильные агрегаты можно расположить в такой последовательности: шлакопрнем-

І. І і

Ные печи (9,6...16,6 кг); электродуговые (6,7...12,7 кг); вагранки

С 23ТС V ''-"І V —7 2 3 f® ГїіГЗіі* 3:---. і»"

Г ). КС КСОГ йїСІгае Ј&7fjHKK ^-r,1.4.55 КГ;. ДЛТ..".ЄКС-Г..".і5;:.";ь- ная установка (4,43 кг); ванные печи (2,3...3,15 кг); газовый пла­вильный агрегат с погруженной горелкой (2,21...2,84 кг).

Выбор плавильного агрегата зависит от вида сырья, требуе­мой производительности, наличия электроэнергии и вида топлива.

Способы переработки расплава в волокно основаны на расщеп­лении струи расплава, вытекающей из печи, на тончайшие струи и их вытягивании в волокна.

Рис. 7.14. Узел раздува рас­плава при фнльерном верти­кально-дутьевом способе полу­чения волокна: / — филер; 2 — фпльерныЛ пита­тель; .1 — дуты-пос устройс гио; 4— устройство лля подачи обеспыли­вающего вещества, 5 — диффузор; 6 — форсунка для подачи связую­щего вещества; 7 — шахта камеры волокиоосаждения

В настоящее время известно несколько разновидностей спо­собов переработки силикатных расплавов в волокно. По прин­ципу воздействия энергоносителя на струю расплава, истекающе­го из плавильного агрегата, их можно разделить на три основ­ных способа: дутьевой, центробежный и комбинированный.

Дутьевой способ основан на воздействии энергоносителя (пара, горячих газов), движущегося с большой скоростью (400... 800 м/с), на струю (струи) расплава. Энергоноситель расщепляет струю расплава и вытягивает образовавшиеся элементы в во­локна.

По направлению струи энергоносителя дутьевой способ под­разделяют на горизонтальный и вертикальный. При горизонталь­ном способе струя энергоносителя направлена на струю распла­ва под углом 15...20° к горизонту, а при вертикальном — под углом 10...11° к вертикали, с двух сторон струи расплава (рис. 7.14).

Дутьевой способ основан на термодинамических закономерно­стях процесса истечения водяного пара и газов нз сопл, когда их кинетическая энергия увеличивается за счет уменьшения потен­циальной или тепловой энергии.

Сопло представляет собой узкий канал в дутьевой головке. Входное сужающееся отверстие во всяком сопле должно иметь плавно округленные кромки для превращения большей части по­тенциальной энергии в кинетическую и получения вследствие этого как можно большей скорости истечения энергоносителя. Существует два типа сопл: простое суживающееся и сопло Н. Лаваля (рис. 7.15, а, б). Сопло Л аваля имеет входную корот­кую суживающуюся и длинную расширяющуюся выходную час­ти. В таком сопле потенциальная энергия пара пли газа более полно преобразуется в кинетическую. В аднбатных условиях ско­рость истечения энергоносителя, м/с, можно рассчитать по фор­муле

V'=44,8cp | /,—/2,

Где ср — коэффициент расхода, равный для простого сопла 0,62, для сопла Лаваля — 0,95; і, и І>— соответственно начальная и конечная энтальпии пара или газа, кДж/кг.

При истечении пара или газа в среду с резко пониженным давлением устанавливается критическая скорость, которую рас­считывают по формуле

Где К — показатель адиабаты, равный для идеального газа 1,4, для перегретого—1,3 и для насыщенного пара—1,135; R— га­зовая постоянная, равная для пара 471, для воздуха — 292,7 кДж/(кг-°С); Т — начальная температура.

Подставляя значения К, R и Т в формулу, получаем значе­ния 1/цр для различных видов теплоносителя. Расчеты показы­вают, что применение перегретого пара наиболее эффективно.

По принципу воздействия па струю расплава дутьевые голов­ки можно разделить на два типа — ударного п эжекционного действия (рис. 7.16, а, б). Эжскцнонные дутьевые головки рабо­тают по принципу всасывания струи расплава и расчленения ее на волокна внутри головки. Вакуум в головке образуется за счет очень высокой скорости движения энергоносителя. Такие голов­ки позволяют получать волокна очень высокого качества толщи­ной 1 3 мкм. Однако их производигельиость мала для узлов пе­реработки расплава в минеральную вату (180 ...200 кг/ч). Поэто­му эжекционные сопла применяют главным образом при получе­нии огнеупорных волокон.

Необходимо отметить, что горизонтальный дутьевой способ не обеспечивает получения высококачественной мине^.тьно^ эзты.

Локна имеют большой разброс по диаметру. Это объясняется двумя основными причинами: во-первых, раздувается одна до­вольно толстая (7...10 мм) струя расплава; во-вторых, под дей­ствием гравитации часть элементов струи расплава попадает в периферийную зону струи энергоносителя, где скорость его дви­жения меньше и энергии на вытягивание волокна из элементов струи не хватает. В настоящее время этот способ в чистом виде не применяют.

При вертикальном раздуве с помощью фильер расплав раз­деляют на более тонкие струи (не более 2 мм), что существенно

Пар

Облегчает процесс волокнообразования. Этот способ широко при­меняют на практике, особенно при получении стеклянной ваты.

Центробежный способ основан на использовании цент­робежной силы вращающихся элементов центрифуг, на которые подается расплав. При производстве минеральной ваты использу­ют центробежные установки различных конструкций, отличаю­щиеся между собой количеством вращающихся органов, их фор­мой и расположением в пространстве. Центробежные установки могут быть одноступенчатыми, когда расплав обрабатывается на одной центрифуге, и многоступенчатыми, если переработку рас­плава в волокно осуществляют последовательно на нескольких центрифугах. По форме рабочего органа центрифуги могут быть дисковыми, чашечными и валковыми, а по расположению плос­кости вращения — горизонтальными и вертикальными. В одно­ступенчатой установке используют диск из жаростойкой стали или огиеупора, который вращается вокруг вертикальной оси с
частотой вращения 10 000 мин-'. Расплав, попадая на диск с бортом, распределяется по его поверхности в ннде пленки, кото­рая благодаря центробежной силе перемещается к краю диска, сходит с него и под действием поверхностного натяжения распа­дается на струйки, из которых образуется волокно. Этот способ не получил широкого распространения из-за невысокой произво­дительности, которая составляет не более 400 кг/ч.

А—четырехвалковая; 6 — трехвалковая; 1 — вагранка; 2 — вращающиеся валки; 3 — дутьевые устройства

Наибольшее распространение в мировой практике получил центробежно-валковый способ. В этом случае рабочим органом являются последовательно расположенные валки, вра­щающиеся вокруг горизонтальных осей (рпс. 7.17). Рабочей час­тью валков является боковая поверхность. Расплав с температу­рой около 1400°С стекает через лоток на верхний распредели­тельный палок, попадая и строго определенную точку его поверхности, находящуюся ном углом 30 10" к горизонтальной плоскости, проходящей через ось валка Затем расплав последо­вательно обр. іб. ітив. и і см всеми валками, окружили скорость ко­
торых увеличивается по мере удаления валков от места поступ­ления расплава. Увеличение окружной скорости валков необхо­димо в связи с тем, что по мере прохождения через них расплав остывает, его вязкость возрастает и для вытягивания отдельных струек в волокна требуется больше энергии. Повышение окруж­ной скорости осуществляют увеличением диаметра валков. Про­цесс волокнообразовання может идти только в случае прилипа­ния расплава к поверхности валков, которое обеспечивается при нагревании валков до 500...600 °С и увеличивается с повышением их температуры. Важным параметром, влияющим на качество минеральной ваты (на диаметр волокон), является окружная ско­рость валков (рис. 7.18).

Нормальная работа отечественных многовалковых центрифуг обеспечивается при подаче расплава с температурой 1360...1380°С в количестве 1700...3500 кг/ч. Промыш­ленные центрифуги имеют следующие параметры: частота вращения — 3000... 6000 мин-1, диаметры валков—150... 380 мм, окружные скорости — 24... 120 м/с.

Комбинированные способы основаны на использовании как цент­робежной силы, так и кинетической энергии пара или газа. В промышлен­ности наиболее широкое применение получили центробежно-дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой спо­собы.

Центробежно-дутьевой способ (ЦДС) предусматривает превращение струи расплава в пленку и струйки с помощью вращающейся чаши и после­дующее вытягивание струек в волокна под воздействием энергоносителя. Схе­ма рабочего органа центробежно-дутьевой установки приведена на рис. 7.19. Расплав из вагранки по лотку стекает на внутреннюю часть боковой стенки раздаточной чаши, вращающейся с частотой вращения 1000...1200 мин-1, распределяется по ее периметру и сры­вается с кромок чаши в виде пленок, струек, капель. Последние по­падают в поток энергоносителя, и под совместным воздействием центробежной и аэродинамической сил из струек, пленок и капель образуются волокна. Энергоноситель (пар, горячие газы) с боль­шой скоростью истекает из отверстий диаметром 2...4 мм, располо­женных на дутьевом кольце на расстоянии 15...20 мм друг от друга. Дутьевое кольцо устанавливается вокруг распределительной чаши в непосредственной близости от се кромок на расстоянии 5...15 мм.

Центрифуги такой конструкции работают устойчиво при сле­дующих параметрах: температура расплава— 1300... 1350°С, коли­чество расплава — 1500...2500 кг/ч, давление энергоносителя в дутьевом кольце — 0,4...0,8 МПа.

Центробежно-фильерно-дутьевой способ (ЦФД) основан на диспергировании струи расплава в тонкие струйки, на которые затем воздействует энергоноситель. Схема рабочего органа уста­новки показана на рис. 7.20. Струя расплава через полый шпин­дель поступает в чашу 1, вращающуюся с частотой до 3000 мин-1. В нижней рабочей зоне чаша имеет перфорацию (от 2000 до 6000 отверстий), выполненную в несколько рядов. Диаметр отвер­стий колеблется от 0,2 до 2 мм. Изменение диаметра отверстий позволяет направленно формировать толщину струек расплава,

Которые выбрасываются из чаши через перфорацию под действи­ем центробежной силы. Чаша окружена кольцевым соплом 2, из которого со скоростью до 30 м/с и выше истекают горячие газы с температурой Ю40...1050°С. Под совместным воздействием цен тробежиои силы и газового потока сгруйки расплава вытягива ются в волокна и поступают в камеру волокнонасаждения 3.

Этот способ позволяет получать практически бескорольковую вату с диаметром волокон до 1...2 мкм. Однако производитель­ность установки не превышает 250 кг/ч. Центробежно-фильерно- дутьевой способ применяют главным образом для получения шта­пельного стеклянного волокна.

В табл. 7 3 приведены основные технико-экономические пока­затели наиболее распространенных способов получения минераль­ной ваты.

Особенность технологии стекловолокна (стеклянной вати) обусловлена химическим составом стекол Для получения стекло­волокна применяют как щелочные, так и бесщелочные боросодер - жащие составы стекла (табл. 7.4).

Для производства стеклянных волокон (ваты) применяют сле­дующее основное сырье: в качестве кислых оксидов — песок, гли­нозем, борную кислоту В(ОН)з; в качестве щелочных оксидов — соду Na2C03) сульфат натрия Na2S04, поташ К2С03; в качестве щелочно-земельных оксидов — известняк, мел, доломит. Некото­рые применяемые сырьевые материалы вносят в шихту два окси­да, например полевой шпат (Si02, А1203), бура (Na20, В203).

Следует отметить, что прочность, химическая стойкость и тем - пературостойкость выше у волокон, изготовленных из боросодер - жащнх стекол. Но бораты дороги и дефицитны, поэтому теплоизо­ляционное волокно производят из щелочных составов.

Подготовку сырьевых материалов и приготовление шихты осу­ществляют согласно технологической схеме, приведенной ниже.

Сушку песка производят при температуре 700 .800°С, а кар­бонатных пород—не выше 400°С. Измельчение карбонатных по­род, полевого шпата и других компонентов осуществляют до раз­мера частиц 1...2 мм.

Для получения расплава применяют в основном ванные печи с площадью зеркала расплава 48 и 62 м2. Отличительной особен-

Технологическая схема приготовления шихты для получения стекловолокна

Ностью ванной печи для получения стекольных расплавов являет­ся большая глубина бассейна (до 800 мм) по сравнению с ванной печью для получения минеральной ваты (до 400 мм). Объяс­няется это следующими причинами. Стекольные расплавы харак­теризуются большей светопрозрачностыо и большим интервалом вязкости, поэтому масса проваривается в значительно более тол­стом поверхностном слое, чем при плавлении минераловатного сырья.

Переработка стекольных расплавов в стекловолокно зависит от вида получаемого волокна. Промышленность производит непре­рывное волокно (текстильное), применяемое для производства пряжи, тканей технического назначения, и штапельное волокно длиной от 1 до 50 см, перерабатываемое в теплоизоляционные изделия.

Текстильное волокно получают штабиковым и фильерным спо­собами. Этн способы основаны на плавлении стеклянных пало­чек— штабиков или формировании нитей из расплава, пропус­каемого через фильеры, и наматывании вытягиваемого волокна на врашающиися барабан. Оба эти способа малопроизводитель­ны и для массового производства продукции, которой являются теплой. ю.тяцнопнис материалы и н. ідслни. непригодны

Переработка стекольных расплавов в штапельное волокно осуществляется в основном фильерпо-дутьевым п фпльерно-нент- робежно-дутьевым способами. Получаемое стекловолокно имеет диаметр от 1 до 10 мкм и более. Оно характеризуется высокой прочностью, вибростойкостью, тепло - и биостойкостыо, малой гигроскопичностью, хорошими диэлектрическими свойствами, а также химической устойчивостью. В нем практически отсутствуют «корольки», особенно если был применен центробежно-фнльерно - дутьевой способ волокнообразования. Объясняется это свойства­ми расплава. Он характеризуется большим интервалом вязкости и более благоприятным соотношением между вязкостью и поверх­ностным натяжением, чем расплавы, применяющиеся для полу­чения минеральной ваты.