Параметры и условия, определяющие качественные характеристики минераловатных изделий

Повышение качества минераловатных изделий, являющихся одними из высокоэффективных теплоизоляционных строительных материалов, остается актуальной задачей.

В результате анализа результатов исследований, опубликованных в открытой печати [1–35], установлены основные взаимосвязи параметров технологии, определены условия, выявлены закономерности, обеспечивающие получение качественных минераловатных изделий.

Качество минераловатных изделий зависит от состава шихты, температуры расплава, модуля кислотности, его вязкости, поверхностного натяжения, физического cостояния расплава, диаметра струи расплава, расстояния от сливного лотка до валков центрифуги, минимального зазора между рабочими поверхностями валков, их взаимного положения, окружных скоростей валков, температуры их рабочей поверхности, использования специальных физических методов воздействия на расплав, диаметра и длины волокон, качества, состава и объема связующего, степени его отверждения, способов воздействия на волокна при формировании ковра и объемной плотности.

Параметры шихты определяют модуль кислотности. Модуль кислотности М к , в свою очередь, влияет на вязкость расплава, расход энергии, производительность процесса плавки, диаметр волокон. Снижение М_к ведет к снижению расхода энергии, повышению производительности, снижению вязкости, что, в свою очередь, приводит к уменьшению диаметра волокон и увеличению их длины.

Однако при снижении Мк снижается химическая стойкость, водостойкость и долговечность минераловатных изделий.

Для ваты высшего качества – М к > 1,5.

Для ваты первой категории – М к > 1,2.

Для плит повышенной жесткости и твердости – М к > 1,3–1,45.

Для плит и матов, используемых в вентилируемых стеновых панелях и крышах, М к > 1,25–1,3.

Для плит и матов, используемых во внутренних стенах и каркасных перегородках, Мк > 1,2–1,25.

При ваграночном способе плавки применение Мк > 1,3–1,45 требует специального обоснования, связанного с особенностями сырьевой базы или другими причинами.

ВНИИТеплоизоляции и ВНИИТеплопроектом разработаны рекомендации по составам шихты, включающим металлургические шлаки с корректирующими добавками, повышающими М к с 0,9–1,16 до требуемых значений. Отмечается, что для ваграночной переработки оптимальным является применение однокомпонентной шихты, упрощающей технологию, снижающей температуру, повышающей производительность плавки. Известны также результаты исследований по переработке ваграночным способом двухкомпонентных шихт.

Применение металлургических шлаков при ваграночном способе повышает производительность и к.п.д. печи, но качество волокон из шлаков хуже, чем из горных пород.

Вязкость расплава и поверхностное натяжение являются основными свойствами расплава, влияющими на процесс волокнообразования, так как они определяют прочность капель расплава в процессе волокнообразования. В связи с этим при снижении вязкости расплава уменьшается диаметр волокон и увеличивается их длина. Снижение вязкости расплава достигается уменьшением его модуля кислотности и повышением температуры.

Однако вопрос о диапазоне вязкости расплава, при котором осуществляется образование волокон, остается открытым.

Интервал температуры расплава, при котором сохраняются стабильные значения вязкости, определяется химическим составом шихты. По этому признаку расплавы делятся на «длинные» и «короткие».

Использование «коротких» расплавов при соблюдении технологии позволяет получать более качественное волокно, снижает энергозатраты. При использовании «длинных» расплавов изменение параметров технологии, в особенности температуры, не отражается на качестве волокон.

Повышают вязкость – SiO2, Al2O3, Cr2O3.

Снижают вязкость – CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O, TiO 2 .

Снижение поверхностного натяжения улучшает процесс волокнообразования. Высокое поверхностное натяжение способствует образованию неволокнистых включений. С уменьшением вязкости влияние поверхностного натяжения на качество волокон возрастает.

Поверхностное натяжение снижают – Cr₂O₃, CrO 3 , V 2 O 3 , WO 3 .

Поверхностное натяжение увеличивают – SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, MgO, MnO, CaO, FeO.

Снижение поверхностного натяжения возможно при применении специальных физических методов воздействия на расплав.

Температура определяет переход шихты из кристаллического состояния в жидкое, а затем из жидкого в стеклообразное и кристаллическое состояния.

При плавке многокомпонентных шихт для улучшения условий усреднения расплава и во избежание образования кристаллической фазы рекомендуется повышать температуру печи и увеличивать время нахождения расплава в вагранке. Это повышает механические свойства волокон и снижает их «разброс». Такое положение связано с отрицательным влиянием образующейся в расплаве кристаллической фазы в процессе волокнообразования.

Тепловой режим печи определяет ее производительность и влияет на качество волокон. Например, при производительности 1,1 т/ч диаметр волокна 8,9 мкм, при производительности 2,75 т/ч диаметр волокна 7,1 мкм, при производительности 3,5 т/ч диаметр волокна 6,5 мкм.

Переработка расплава в волокно осуществляется при температуре 1300–1400 °С. При получении волокна на многовалковых центрифугах температура расплава 1360–1380 °С. При снижении температуры расплава с 1375 до 1275 °С диаметр волокон увеличивается с 5,9 до 8,3 мкм. Если температура расплава на выходе из летки вагранки 1300–1350 °С, то на последних валках центрифуги она снижается до 1150–1250 °С, что ведет к появлению в волокнах кристаллических включений, снижающих качество волокон. Прочность волокон с кристаллическими включениями на 50 % ниже прочности волокон из однородной стекловидной массы.

Установлено, что с увеличением температуры расплава качество ваты улучшается.

На диаметр волокон влияет также диаметр струи расплава, подаваемого на валки центрифуги. При уменьшении диаметра струи снижается количество неволокнистых включений. Диаметр струи 6 мм может дать диаметр волокна 2 мкм. Диаметр струи 1–1,5 мм заметно влияет на диаметр волокон, диаметр струи от 2 до 10 мм мало влияет на диаметр волокон. Большой диаметр струи ведет к большому расходу расплава. На валках образуется толстый слой расплава, приводящий к отрыву от валков сплошной жидкой пленки, превращающейся в чешуйки, «корольки». Известны рекомендации по использованию струи расплава диаметром 2–3 и 3–4 мм.

Еще больше на характер разделения струи расплава влияет ее скорость в момент соприкосновения с приемным валком центрифуги. Эта скорость зависит от расстояния между краем сливного лотка и поверхностью приемного валка. Снижение скорости (высоты свободного падения) струи ведет к уменьшению неволокнистых включений. Высота свободного падения струи должна быть не больше 100–150 мм. Увеличение этого расстояния свыше 150–250 мм приводит к полному прекращению образования волокон и разделению струи на капли, которые превращаются в «корольки».

При этом важное значение имеет положение струи по отношению к приемному валку. Место соприкосновения струи с валком должно быть расположено на линии, образующей центральный угол 30–40° с горизонталью, проведенной через ось поворота приемного валка центрифуги.

Температура поверхности валков центрифуги должна превышать 500–600 °С, что соответствует отсутствию ее свечения. Это обеспечивает прилипание расплава к поверхности валков и придание частицам расплава скорости близкой к окружной скорости валков.

В определенном интервале вязкости расплава основным параметром, влияющим на диаметр волокон, является окружная скорость валков, которая определяет начальную скорость перемещения частиц расплава при отрыве их от валков. Окружные скорости валков центрифуг отечественного производства определены на основе экспериментальных данных. Рекомендуется следующая формула для определения оптимальной окружной скорости валков центрифуги

Vв =120 D, где D – диаметр валка. При этом отмечается, что, согласно экспериментальным данным, диаметр волокон обратно-пропорционален корню квадрат- ному из окружной скорости валка или произведение окружной скорости валка и квадрата диаметра волокна есть величина постоянная.

Рекомендуется окружные скорости валков центрифуги по мере перемещения расплава от первого валка к последующим увеличивать от 15–50 м/с на первом валке и до 60–130 м/с на остальных валках.

Качество ваты также зависит от взаимного положения валков в центрифуге и расстояния между их рабочими поверхностями. С уменьшением расстояния между рабочими поверхностями валков качество ваты повышается. При этом может быть затруднено удаление ваты с валков. Этот недостаток устраняется отдувом волокон с валков воздухом или паром. Тогда это расстояние может быть доведено до 2–3 мм. Следует учитывать также увеличение диаметра валков за счет их нагрева и действия центробежных сил при их вращении. Имеются рекомендации по установке расстояния между рабочими поверхностями второго и третьего валков не более 15–20 мм, причем с уменьшением этого расстояния уменьшаются потери материала. Существующие центрифуги имеют диаметр валков до 380 мм.

На прочность изделий оказывает влияние тип и характер распределения связующего. Качество связующего во многом зависит от сроков и условий его хранения. Срок хранения связующего должен быть не более одних суток. Стабилизацию свойств связующего осуществляют добавки. С увеличением объема связующего до 6–8 % повышается прочность изделий. Далее увеличение объема связующего до 10–15 % практически не влияет на прочность изделий. Степень отверждения связующего должна быть не менее 90 %.

Известны следующие характеристики прочности волокон на разрыв в зависимости от их толщины.

Диаметр 6–8 мкм, прочность на разрыв 1500– 1700 МПа.

Диаметр 12–15 мкм, прочность на разрыв 850–1300 МПа.

Диаметр 20–25 мкм, прочность на разрыв 500–750 МПа.

Наиболее прочными являются волокна диаметром не более 4 мкм.

Прочность на изгиб волокон – низкая, они хрупкие.

Наилучшими показателями характеризуется вата, средний диаметр волокон которой равен 6–7 мкм. С увеличением диаметра волокон более 8–9 мкм вата становится хрупкой и не эластичной.

Вата, состоящая из длинных волокон, обладает большей упругостью и прочностью.

Пористость ковра в камере волокноосаждения 94–97 %.

Плотность волокон равна 2500–2700 кг/м3.

Объемная масса является одним из показателей, определяющим прочность изделий. С увели- чением объемной массы прочность изделий возрастает, но при этом в них повышаются внутренние напряжения, вызываемые упругими свойствами волокон. Это приводит к нарушению контактов между связующим и волокнами, что ведет к расслоению изделий.

Объемная масса увеличивается как за счет повышения плотности ваты, так и за счет увеличения количества вводимого связующего.

Структура изделий, определяющая положение волокон, существенно влияет на их прочность. Структура формируется при получении ковра и на стадии его деформации перед отверждением, которое фиксирует структуру.

Известны горизонтально-слоистая, вертикально-слоистая, горизонтально-вертикальная (гофрированная) и пространственная структуры. Горизонтально-слоистая структура в основном работает на поперечный изгиб. Вертикально-слоистая структура в основном работает на сжатие, ее прочность на сжатие в 3 раза выше, чем у горизонтальнослоистых структур, но она имеет низкую прочность на поперечный изгиб. Пространственное расположение волокон обеспечивает высокую прочность на сжатие и изгиб. Однако прочность на сжатие при пространственной структуре ниже, чем у изделий с вертикально-слоистой структурой. Гофрированная структура имеет в 2–2,5 раза большую прочность на сжатие, чем горизонтальнослоистая структура, обеспечивая высокую надежность изделий, но плохо работает на поперечный изгиб и растяжение. В связи с этим на наружные горизонтальные поверхности гофрированных изделий наносят упрочняющий слой. В качестве упрочняющего слоя используют вату с горизонтальной слоистостью, отходы ваты со связующим, обкладочные армирующие материалы.

Комплексное использование взаимосвязи параметров технологии на основе системных знаний условий и закономерностей, влияющих на качество минераловатных изделий с учетом конкретных условий производства, является основой для совершенствования и создания перспективных технологий производства минераловатных изделий.