Сырьевые материалы для приготовления минеральной ваты.

Расчет состава сырьевой шихты для производства минеральной ваты.

Сырьевые материалы для приготовления минеральной ваты.

Минеральная вата представляет собой теплоизоляционный материал, состоящий из стекловидных волокон, полученных путем переработки расплава из горных пород, металлургических шлаков и их смесей. Она применяется для изготовления теплоизоляционных, звукоизоляционных, звукопоглощающих изделий, а также в качестве теплоизоляционного материала для изоляции поверхностей с температурой разогрева до 700 ^o C.

Доменные шлаки в виде щебня являются одним из основных видов сырья для получения силикатного расплава в вагранках. Готовят щебень из отвальных шлаков, не подвергающихся силикатному распаду. По стандарту плотность щебня не должна быть ниже 1000 кг/м³. Прочность при сдавливании в цилиндре кусков размеров 20 … 60 мм должна быть не менее 1,5 Мпа, а содержание серы не должно превышать 1,8%. По гранулометрическому составу выделяют два сорта щебня: первый с размерами кусков 40…100 мм (оптимальный размер) и второй 20…40 мм. В зависимости от количества содержащихся в шлаке оксидов SiO_2, Al₂O₃, CaO, MgO, их разделяют на кислые, когда модуль кислотности М_К = (SiO₂ + Al₂O₃), (CaO + MgO) > 1, основные (М_К < 1) и нейтральные (М_К = 1). Кроме них, но в меньшем объёме, применяют ваграночные и мартеновские шлаки. Химический состав шлаков, необходимый при расчёте состава шихты для производства минеральной ваты, приведен в таблице 1 приложения. Из доменных шлаков в чистом виде получается волокно, неустойчивое к воздействие воды и влаги. Поверхностная гидратация волокон, вызванная высоким содержанием CaO, является главной причиной уменьшения механической прочности и слёживания ваты.

Увеличение водостойкости минеральной ваты достигается путём регулирования её химического состава подкисляющими добавками, например, некоторыми горными породами, содержащими повышенное количество кислых оксидов SiO₂ и Al₂O₃. В качестве таких добавок используют породы габбро-базальтовой группы и подобные им по химическому составу метаморфические породы (таблица 2 приложения). Лучшими подкислителями для доменных шлаков являются базальты, амфиболиты, диабазы, имеющие температуру плавления 1200…1250 ^o C. Применяют также более тугоплавкое сырьё: гранит, перлит, песчаник и некоторые отходы промышленности строительной индустрии (бой силикатного или глиняного кирпича).

Качество силикатных волокон для теплоизоляционных изделий, полученных на основе природного сырья, в большинстве случаев выше, чем волокон из доменных шлаков. Такие волокна характеризуются меньшим диаметром, большей длиной и эластичностью, а также обладают более высокой гидролитической стойкостью (водостойкостью). Поэтому горные породы габбро-базальтовой группы можно использовать не только как подкисляющую добавку к доменным шлакам, но и как главный компонент шихты. При плавлении вагранках, с применением подогретого дутья высокой интенсивности, получают минеральную вату из диабазов или базальтов с добавкой известняка или доломита. Химический состав некоторых видов известняков и доломитов приведён в таблице 3 приложения. В ряде случаев природное сырье является более тугоплавким, чем шлаки. Поэтому для увеличения производительности вагранок используют щебень горных пород размером 20…40 мм с целью более быстрого его прогрева, плавления и гомогенизации расплава.

Природные сырьевые материалы можно применять как для получения расплава в вагранках, так и в ванных печах. Для плавления в вагранках более пригодными являются изверженные горные породы, обладающие высокой прочностью, постоянством химического состава и почти полным отсутствием потерь при прокаливании. Осадочные породы, имеющие большие потери при прокаливании, а также мергели, отличающиеся низкой механической прочностью, часто оказываются непригодными для получения расплава в вагранках.

Напротив, для получения расплава в ванных печах, мергели являются наиболее подходящим сырьём, так как имеют низкую прочность и легко измельчаются. Эффективны также изверженные и метаморфические горны породы, однако их применение ограничивается ввиду высокой прочности, затрудняющей измельчение. Кроме того, в этих породах встречается металлическое железо, которое оседает на дне печи и может явиться причиной ее преждевременного выхода из строя. При получении расплава из горных пород в ванных печах в любом случае необходимы добавки, создающие в шихте при плавлении окислительную среду, предотвращающую восстановление оксидов железа до металла. Наиболее часто для этой цели применяют сульфат натрия в количестве 5 % от массы шихты.

1.2 Условия и принцип расчёта состава шихты

Исходными данными для расчёта шихты служат химические составы сырьевых материалов и различные коэффициенты (модули), значения которых определяются отношением количеств кислых и основных оксидов. Обычно шихты для плавления в вагранках состоят их двух компонентов: кислого, имеющего в своём составе большое количество SiO₂ и Al₂O₃ и основного, который характеризуется повышенным содержанием CaO и MgO. Главным критерием оценки пригодности шихты для получения минеральной ваты является модуль кислотности

М_К = (SiO₂ + Al₂O₃)/(CaO + MgO),

(1)

который представляет отношение содержания в шихте суммы кислых оксидов к основным. По существующему стандарту модуль кислотности минеральной ваты типа А должен быть более 1,6, для ваты типа Б – более 1,4 до 1,6 и ваты типа В - более 1,2 до 1,4.

По степени гидролитической стойкости вату подразделяют на особенно устойчивую (pH < 4), устойчивую (pH = 4…5), среднеустойчивую (pH = 5…6), неустойчивую (pH = 6…7), и особенно неустойчивую (pH > 7). Для изготовления жёстких и твёрдых изделий на синтетическом связующем, следует применять силикатные волокна с pH < 5. Неустойчивые и особенно неустойчивые к воздействию воды волокна применяют только для производства изделий на битумном связующем.

При расчете состава шихты следует учитывать, что с увеличением содержания в ней оксидов SiO₂ Al₂O₃ возрастают гидролитическая стойкость (pH), модуль кислотности минеральной ваты (М_К), модуль вязкости расплава (М_В). Повышение М_К приводит к уменьшению производительности вагранки, перерасходу топлива и увеличению диаметра волокон ваты. поэтому при проектировании состава шихты приходится искать оптимальное решение: с одной стороны, не допускать слишком большой вязкости расплава во избежание нарушения технологического процесса, с другой – не допускать очень низкого содержания в шихте кислых оксидов в ущерб долговечности минеральной ваты. При плавлении шихты в вагранках с холодным дутьём малой интенсивности и переработке расплава в волокно по центробежно-дутьевому способу получают минеральную вату из расплава с М_В не более 1,2. Увеличение интенсивности дутья и оснащение узла переработки многовалковыми центрифугами позволяют получать минеральную вату из расплава с М_В до 1.4. При усовершенствованной ваграночной плавке с применением подогретого интенсивного дутья и многовалковых центрифуг получают минеральную вату из расплава со значением М_В более 1,6, а иногда до 2. Указанные значения М_В при расчёте состава шихты можно принять за предельные значения для конкретного способа производства минеральной ваты и, исходя из имеющегося оборудования, определить максимальное содержание кислого компонента в шихте.

Водостойкость волокон минеральной ваты оценивают по показателю pH. Чем большее количество подкислителя входит в состав шихты, тем меньшее численное значение имеет показатель pH, тем выше водостойкость получаемой ваты. Значение pH определяют по эмпирическому уравнению

pН= 0,01946071 * SiO₂ + 0,90994582 * Al₂O₃ + 0,28320562 * Fe₂O₃ + 0,51046527 * CaO + 0,4838471 * MgO - 9,02384135 * Na₂O - 0,00641397 * SiO₂ * Al₂O₃ - 0,00894679 * SiO₂ * Fe₂O₃ - 0,00645071 * SiO₂* CaO - 0,00478888 * SiO₂ * MgO + 0,07300023 * SiO₂ * Na₂O + 0,00059407 * Al₂O₃ * Fe₂O₃ - 0,02441840 * Al₂O₃ * CaO - 0,03214473 * Al₂O₃ * MgO + 0,05624161 * Al₂O₃ * Na₂O - 0,00360419 * Fe₂O₃ * CaO + 0,00611083 * Fe₂O₃ * MgO + 0,09999105 * Fe₂O₃ * Na₂O - 0,00129062 * CaO * MgO + 0,12739919 * CaO * Na₂O + 0,115158375 * MgO * Na₂O.

(2)

Одним из показателей способности вытягивания минерального расплава в волокна является значение отношения вязкости к силам свободной энергии его поверхности, т.е., к поверхностному натяжению Ơ, значение которого рассчитывается по формуле

H/м * 10^-3

(3)

где – M R_mO_n = (m R_mO_n × 100) / молекулярная масса оксида, %; m R_mO_n – массовое содержание оксида из химического состава расплава, %.

Значения молекулярной массы оксидов:

SiO₂ – 60,06;

Al₂O₃ – 101,96;

CaO – 56,08;

MgO – 40,32;

FeO – 71,85;

Fe₂O₃ – 79,84;

K₂O – 94,2;

Na₂O – 61,99.

Для получения качественной минеральной ваты поверхностное натяжение силикатного расплава должно находиться в пределах от 400 до 550 Н/м * 10^-3.

Дата добавления: 2015-09-05