Производство полужестких минераловатных плит

К числу лучших видов горных пород для производства минеральной ваты относятся изверженные основные горные породы габбро-базальтовой группы и подобные им по химическому составу метаморфические горные породы и мергели.

Габбро-базальтовые горные породы (диабазы, базальты, габбро), а также их метаморфические аналоги (амфиболиты, известковистые сланцы) являются оптимальным сырьем для усовершенствованных вагранок при производстве минерального волокна.

Кислые горные породы типа гранита, грандиорита, перлита более существенно повышают вязкость расплава, чем габбро-базальтовое сырье, и снижают производительность плавильного агрегата. Гранитное и перлитовое сырье целесообразно применять для повышения белизны волокна, например при производстве акустических изделий.

Основным показателем, определяющим пригодность сырья для производства минеральной ваты, служит модуль кислотности Мк, который представляет собой отношение суммы процентного содержания в сырье кислых окислов — кремнезема SiO2 и глинозема А12O3 — к сумме основных окислов — кальция СаО и магния MgO.

Модуль кислотности минеральной ваты (ГОСТ 4640—93) должен быть не менее 1,2, т. е.

Мк=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)≥1,2 

Для минеральной ваты высшей категории качества модуль кислотности составляет не менее 1,4 и 1,5 соответственно для марок 100 и 75.

Так как в природе редко встречаются сырьевые материалы с необходимым химическим составом и соответствующим модулем кислотности, требуемый состав сырьевых материалов подбирают путем составления сырьевой смеси — шихты, состоящей из двух, а иногда и нескольких компонентов.

При повышенной кислотности исходного сырья в   качестве добавок применяют карбонатные породы: доломит, известняк, а при пониженной кислотности — кислые горные породы, бой глиняного кирпича.

 

2.3. Связующее

 

В качестве связующих для производства минераловатных изделий используют синтетические смолы, композиционные и битумные связующие. При выборе связующего учитывают его адгезионную и когезионную способность, нетоксичность, недефицитность и стоимость.

В качестве синтетических связующих применяют: фенолоспирты (фенолформальдегидную смолу), карбамидную смолу, поливинилацетатную дисперсию. Они должны хорошо растворяться в воде; легко диспергироваться, чтобы покрыть волокно тонкой пленкой; обладать хорошей адгезией к волокну; быть недефицитными; не иметь в своем составе легковоспламеняющихся и токсичных веществ. Этим требованиям не удовлетворяет ни одно из существующих синтетических связующих. Чтобы получить связующее с требуемыми свойствами, в них добавляют нейтрализующие материалы, отвердители и различные пластифицирующие добавки.

Композиционные связующие состоят из нескольких компонентов: фенолоспиртов, карбамидных смол или других связующих и пластифицирующих добавок. В качестве пластифицирующих добавок, повышающих гибкость пленки отвержденных смол, используют эмульсол, поливинилацетатную дисперсию, латексы синтетических каучуков, мазут и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Описание основных способов производства  и 

обоснование выбранного способа

Производство жестких минераловатных плит включает следующие процессы: плавление сырья и получение силикатного расплава; переработку силикатного расплава в волокно; нанесение связующего и формирование плит.

 

3.1. Печи для получения силикатного  расплава

 

Силикатные расплавы для производства минеральной ваты получают путем плавления сырья в печах следующих типов: шахтных (вагранках), ванных, электродуговых, циклонных, конверторных печах.

Наибольшее применение нашли ванные печи и вагранки, а циклонные и конверторные печи находятся в стадии освоения.

Ванные печи. Для получения расплавов при производстве минеральной ваты можно использовать небольшие ванные печи, по своему устройству похожие на ванные стеклоплавильные печи. Могут применяться все типы ванных печей: с подковообразным, продольным и поперечным направлением пламени. По способу использования тепла отходящих газов такие печи могут быть регенеративными и рекуперативными. Рекуперативные ванные печи более экономичны, но требуют применения высокожароупорных элементов. Наибольшее распространение получили регенеративные печи с подковообразным направлением пламени. Для отапливания печей используют газообразное или жидкое топливо. Сырье загружают в печь в измельченном состоянии (с размером кусков 1—2 мм).

К недостаткам ванных печей следует отнести то, что они занимают в 4—5 раз больше производственной площади, чем вагранки, при одинаковой производительности; требуют энергоемких шихтоприготовительных отделений для помола и перемешивания сырья; удельные расходы тепла в них в 2 раза превышают удельный расход тепла в вагранках.

Вагранки. Вагранки представляют собой шахтные плавильные печи непрерывного действия, теплообмен в которых происходит по принципу противотока. Сырье, загружаемое в верхнюю часть вагранки, опускается вниз, превращаясь при этом в расплав, а образовавшиеся в нижней части вагранки продукты горения поднимаются вверх, отдавая тепло расплавляемому материалу.

Вагранка   состоит из двух основных частей — горновой и шахтной.

В нижней, горновой части вагранки происходит горение топлива и плавление сырья. Здесь развиваются наиболее высокие температуры. Силикатные расплавы разъедают огнеупорную футеровку, поэтому в нижней части вагранки для плавления силикатного сырья устроен ватержакет. Ватержакет представляет собой металлический цилиндр с двумя стенками, между которыми находится охлаждающая вагранку проточная вода, предохраняющая корпус вагранки от перегрева. Температура воды при выходе из ватержакета не должна превышать 70°С. Выше ватержакета металлический кожух печи защищен футеровкой. Низ ватержакета закрывается двухсекционным днищем, подвешенным на шарнирах.

 

 

В ватержакете имеются фурмы-отверстия для подачи воздуха, необходимого для горения топлива. Отверстия соединены одной кольцевой трубой — коллектором, через который воздух поступает по всему периметру вагранки. Основными конструктивными параметрами вагранки являются: внутренний диаметр и рабочая высота шахты, число фурм и объем горна. Диаметры промышленных вагранок могут быть следующими: 1000, 1250 и 1400 мм. Отношение рабочей высоты (от оси первого ряда фурм до загрузочного окна) к диаметру для применяемых вагранок — в пределах 3-5.

Число симметрично расположенных по окружности вагранки фурм зависит от количества   подаваемого в вагранку воздуха и размера вагранки. Для повышения производительности вагранки диаметром более 1000мм применяют двухрядное расположение фурм. В одном ряду размещаются от 8 до 16 фурм.

Нижнюю часть ватержакета, от оси нижнего ряда фурм до днища, называют горном. В горне накапливается жидкий расплав и происходит его гомогенизация по составу и температуре. Чем выше горн, там больше времени расплав находится в нем до выпуска из вагранки, тем лучше условия для получения гомогенного расплава. С другой стороны, расплав остывает, так как кокс здесь из-за отсутствия кислорода не горит и не выделяет тепла, поэтому устанавливается оптимальная высота горна. В вагранках высота горна колеблется в пределах 600-750 мм.

Образовавшийся расплав вытекает из горна через летку и по лотку направляется к узлу волокнообразования. Леткой называется отверстие диаметром 55-65 мм в водоохлаждаемом корпусе, вставляемом в специальный проем ватержакета. Для загрузки сырья и топлива в верхней части шахты имеется загрузочный люк. Ниже загрузочного окна в середине шахты крепится водоохлаждающий распределитель шихты, предназначенный для равномерного распределения загружаемых материалов по сечению вагранки.

Верхняя часть шахты закрыта кирпичным сводом с окнами для выхода газов. Сверху к шахте крепится искрогаситель для улавливания уносимых газовым потоком искр и частиц пыли. Искрогаситель представляет собой металлический кожух с колпаком и скошенным дном. Осевшие частицы скатываются к отверстию патрубка и удаляются.

Вагранки могут быть трех типов, в зависимости от вида топлива:

1. Коксовые вагранки;
2. Коксо-газовые вагранки;
3. Газовые вагранки.

Коксовые вагранки предназначены для плавления шлаков и легкоплавких пород. Недостатки коксовых вагранок: низкий коэффициент полезного использования тепла; высокие удельные затраты на топливо; плохое качество расплава и недостаточная стабильность струи расплава; неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия эксплуатации и загрязнение окружающей среды, обусловленные применением кокса.

 

 

Коксогазовая вагранка. В коксогазовых вагранках удается заменить 20-40% кокса природным газом, тем самым уменьшить потребление дефицитного кокса и снизить расходы на топливо. Однако в коксогазовой вагранке сохраняются основные недостатки коксовой вагранки— она загрязняет воздух. Кроме того, усложняется ее обслуживание, поэтому более целесообразно применять газовую вагранку.

Газовая вагранка. Газовая вагранка дает возможность устранить основные недостатки вагранки, отапливаемой коксом, позволяет снизить затраты на тепловую энергию в 2—3 раза, обеспечивает значительное повышение технического уровня и культуры производства.

Газовая вагранка состоит из шахты, нижняя часть которой представляет собой камеру плавления сырья и перегрева расплава, копильника, загрузочного устройства, системы газоснабжения, системы воздухоснабжения, системы охлаждения, устройств для отсоса и очистки дымовых газов. В камере плавления происходит сжигание   газового   топлива и плавление сырьевых материалов. Нижняя часть камеры, несколько выше уровня горелок, заполнена огнеупорным балластом, на который опирается столб шихтовых материалов.

Итак, рассмотрев различные плавильные агрегаты минераловатного сырья, выбираем для данного проекта шахтную печь – газовую вагранку.

 

3.2 Переработка силикатного  расплава в волокно

 

Известные в настоящее время способы переработки силикатного расплава на вату подразделяют на:

1) вертикальный и горизонтальный дутьевые — в зависимости от направления потока воздуха или газа;

2) фильерный  и вертикально-фильерно-дутьевой—при организованной подаче расплава через пластины с отверстиями-фильерами;

3)центробежный с горизонтальными  дисками, одно- и многовалковый, центробежно-валковый с центральной раздаточной чашей, если используется центробежная сила рабочего органа (диска, чаши, валков) установки, на который подают расплав;

4)центробежно-дутьевой, центробежно-фильерно-дутьевой (ЦФД) или центробежно-фильерно-газоструйный — комбинированные, включающие применение центробежной силы и дутья для формирования струи расплава.и вытягивания волокна;

5)штабиковый  и штабиково-газоструйный — с предварительным изготовлением штабиков-стержней.

 Структуру  расплава шихты (то есть степень  связности в нем тетраэдров  кремнезема) отражает модуль вязкости. Вязкость расплава имеет очень большое значение для формирования качественной гидролитически стойкой минеральной ваты. С одной стороны, нельзя допускать слишком большой вязкости расплава в ущерб нормальному ходу получения расплава, с другой – нельзя допускать очень низкое содержание в шихте кислых окислов в ущерб долговечности минеральной ваты. Именно истинную вязкость расплава характеризует модуль вязкости Мв.

При применении для плавления шихты вагранок и формировании волокон по дутьевому или центробежному способу используют шихту с Мв не более 1,2. Применение многовалковых центрифуг позволяет использовать шихту с Мв до 1,4. При ванной плавке и фильерном способе получения волокон применяют шихту с Мв до 2.

В данном проекте в качестве сырья используются горные породы. Шихта имеет модуль вязкости Мв = 1,3. Поэтому для формирования волокна из силикатного расплава будем применять многовалковую центрифугу.

 

3.3. Нанесение связующего  и формирование плит

 

При изготовлении изделий применяют следующие способы нанесения связующих: пульверизация, пролив с последующим отжимом и вакуумированием, приготовление гидромасс  (мокрый способ).

По первому способу раствор или эмульсию связующего наносят распылением либо форсунками в камере волокноосаждения, либо через паровой коллектор центробежно-дутьевой установки или полый вал валков центрифуги. Более равномерное распределение связующего достигается при подаче его через паровой коллектор или полый вал валков центрифуги. Связующее, введенное в ковер методом пульверизации, находится в ковре в виде отдельных мелких капель. Скрепление волокон достигается только за счет капель, удерживающихся в местах «скрещивания» волокон. Чем мельче капли, тем равномернее они будут распределены по объему ковра, тем лучшим будет сцепление, волокон. Недостаток этого способа — большие потери связующего. Применение пульверизации технологически и экономически оправдано при изготовлении рулонного материала, а также мягких и полужестких плит с низкой объемной массой.

Сущность второго способа заключается в том, что связующее в виде плоской струи по наклонному листу подается на минераловатный ковер по всей ширине конвейера. В месте подачи связующего под конвейером имеется вакуумирующее устройство, способствующее прониканию связующего в толщу ковра. Излишки связующего отжимаются валом и поступают в бассейн, которого перекачиваются насосом в расходный бак.