¶ Особенности производства минеральной ваты
На процесс получения волокон минеральной ваты, кроме химического состава расплава, определяющего вязкость и поверхностное натяжение при температурах переработки его в вату и склонность к кристаллизации, важную роль играют способы переработки расплава в волокно. Последний значительно влияет на длину, диаметр и на содержание неволокнистых включений в вате.
На сегодняшний день существуют несколько способов волокнообразования:
- дутьевой
- центробежный (центробежно - валковый)
- фильерный
- комбинированные (центробежно - дутьевой, фильерно - дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой).
¶ Дутьевой способ
Сущность этого способа заключается в том, что на струю жидкого расплава, вытекающего из вагранки, воздействует струя водяного пара или сжатого газа (Рисунок 3). При этом способе расплав, вытекающий из вагранки, раздувается в отдельные капли струей пара, истекающей из сопла с большой скоростью. В дальнейшем капли расплава вытягиваются в удлиненные капли, а потом в волокна.
Дутьевой способ может быть:
- по виду энергоносителя — пароструйным или газоструйным
- по направлению струи энергоносителя — горизонтальным (Рисунок 4, а) или вертикальным;
При дутьевом способе воздействие на расплав струи энергоносителя происходит со скоростью от 400 до 800 м/с. Энергоносители (воздух, пар или газ под давлением 0,7-1 МПа) направляют на горизонтальную или вертикальную струю расплава под углом 10-20о к ней. В некоторых источниках можно встретить «пародутьевой» способ волокнообразования – это один и тот же способ, что и «дутьевой», только в качестве энергоносителя используется – пар.
Чтобы получить нужный диаметр волокна, большую роль играют применяемые сопла (Рисунок 1 и 2). При выборе и конструировании дутьевых головок следует учитывать, что с возрастанием удельного расхода пара количество ваты, полученной из 1 т расплава, увеличивается, а средний диаметр волокон и содержание неволокнистых включений размером 0,25 мм и более уменьшаются.
Рисунок 1 – Горизонтальное направление энергоносителя с дутьевой головкой ударного действия
Рисунок 2 – Вертикальное направление энергоносителя с эжекционной дутьевой головкой
При вертикальном раздуве расплав разделяют на более тонкие струи (не более 2 мм), что существенно облегчает процесс волокнообразования. Эжекционные 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 производительность мала для узлов переработки расплава в минеральную вату (180...200 кг/ч). Поэтому эжекционные сопла применяют главным образом при получении огнеупорных волокон.
Струя расплава при воздействии энергоносителя расщепляется на отдельные струйки, они вытягиваются до начала затвердевания. Не вытянувшиеся капли расплава называются корольками, как правило образуются на периферии и образуют не волокнистые включения, что ухудшает теплотехнические свойства ваты.
Горизонтальный способ производства не обеспечивает получение высококачественной минеральной ваты, так как при его прменении образуется много корольков, а волокна имеют большой разброс по диаметру. Это объясняется двумя основными причинами:
- Раздувается одна довольно толствая струя расплава
- Под действием гравитации большая часть струи расплава попадает в периферийную зону энергоносителя, где скорость его движения меньше и энергии на вытягивание волокна из элементов струи не хватает.
На рисунке 3 изображена схема дутьевого способа и факторы влияющие на образование волокна.
Рисунок 3 – Дутьевой способ образования волокон
А – расстояние от сопла до струи расплава.
Б – расстояние от струи расплава до камеры волокноосаждения
Расстояние А влияет на образование самого волокна, если сопло будет ближе, то в конечном продукте будет большое количество корольков, что снижает теплотехнические свойства и качество продукта. Если сопло будет находиться дальше от расплава, то будет не хватать мощности подаваемого пара или газа и нужно будет увеличивать скорость подачи энергоносителя, а это ведет к увеличенным затратам. Если изменить расстояние Б, то будет изменяться длина и диаметр волокон минеральной ваты.
¶ Чем длиннее волокно, тем более упругими и прочными получаются изделия
Преимущество способа – простота и надежность в работе дутьевых головок;
Недостатки – большой расход энергоносителя и невысокое качество получаемой ваты, этот способ наименее экономичен. При таком способе необходимо регулировать слишком много параметров процесса производства, что ведет к нестабильному качеству продукта.
¶ Центробежный способ
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 огнеупора. Расплав, попадая на диск с бортом, распределяется по его поверхности в виде пленки, которая благодаря центробежной силе перемещается к краю диска, сходит с него и под действием поверхностного натяжения распадается на струйки, из которых образуется волокно.
Наибольшее распространение в мировой практике получил центробежно-валковый способ , который применяется на заводах ISOROC (Рисунок 4, б). В этом случае рабочим органом являются последовательно расположенные валки, вращающиеся вокруг горизонтальных осей. Рабочей частью валков является боковая поверхность. Расплав с температурой около 1400°С стекает через лоток на верхний распределительный валок, попадая в строго определенную точку его поверхности, находящуюся под углом 30...40° к горизонтальной плоскости, проходящей через ось валка. Затем расплав последовательно обрабатывается всеми валками, окружная скорость которых 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 волокнообразования 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.
Преимущества центробежного способа – большая производительность и возможность получения более качественного волокна (по сравнению с дутьевыми способами).
Недостаток этих способов в том, что значительная часть расплава превращается в отходы.
¶ Фильерный способ
Фильерный способ имеет две разновидности получения минераловатного волокна:
1. Расплав пропускают через фильеры (La filiere (франц.) — отверстие для вытягивания волокна) диаметром 2-3 мм. Вытекая из этих отверстий, он наматывается на вращающийся барабан, частота вращения которого превышает скорость вытекания струи расплава из отверстия, что обеспечивает вытягивание струи в волокна диаметром 10-30 мкм
2. Расплав вытекает из фильер платинородиевой лодочки с отверстиями диаметром 1-2 мм. Пучок волокон, собранных в прядь, наматывается на бобину, вытягивающую волокна со скоростью 3000 м/мин и выше. Такой способ не применяется в изготовлении минераловатных изделий, а больше подходит под нужды текстильной промышленности.
Преимущество: при этом способе волокнообразования получается вата высокого качества и отсутствуют отходы расплава.
Недостатки: большие энергозатраты на волокнообразование и расходование дорогостоящей платины на фильерные питатели ограничивают возможность широкого применения данного способа.
¶ Комбинированные способы
Фильерно-дутьевой способ с применением пара или воздуха, при котором расплав поступают через фильер, откуда вытекает тонкими струйками в щель дутьевой головки, в которой эти струйки под действием пара вытягиваются в тонкие волокна. Этот способ применим при производстве как стекляной ваты, так и каменной. Сам процесс можно предстваить в следующем виде (Рисунк 4, г). Расплав пройдя через сетку и фильерное отверстие 7, вытягивается в струйку 3 и поступает в зону действия подаваемого из дутьевой головки 4 энергоносителя. Важно, чтобы вязкость расплава была от 5 до 10 Па*с, плотность струи нарушается, если вязкость менее 5 Па*с и из расплава образуются лишь капли, что влияет на диаметр и качество получаемых волокон.
Рисунок 4 — Способы получения минерального волокна
а — дутьевой горизонтальный; б — центробежно-валковый; в — центробежно-дутьевой; г — фильерно-дутьевой; 1 — плавильный агрегат; 2 — летка; 3 — расплав; 4 — дутьевое устройство; 5 — валки центрифуги; 6 — вращающийся диск; 7 — фильерно-дутьевое устройство.
Центробежно-дутьевой способ – комбинированный способ производства минерального волокна (Рисунок 4, в), слагающийся из предварительного механического центробежного расщепления основной струи расплава с последующим вытягиванием частичек (пленок) расплава в волокна под действием струи пара. Комбинированный способ производства минерального волокна, включает в себя предварительное механическое центробежное расщепление основной струи расплава и последующее вытягивание частиц расплава в волокна под действием струи энергоносителя. Расплав, вытекающий из летки плавильного агрегата, поступает на приемный лоток дутьевой центрифуги и стекает по нему на внутреннюю часть раздаточной чаши. Благодаря быстрому вращению чаши расплав равномерно распределяется по ее периметру, образуя тонкую пленку, которая под действием центробежных сил срывается с кромок чаши в виде отдельных пленок, струек и капель, которые подхватываются потоком энергоносителя и вытягиваются в волокна. Преимущество: центробежно-дутьевой способ позволяет получать вату лучшего качества, чем по дутьевому способу.
Недостаток: по сравнению с центробежным способом требует большего расхода энергоносителя (пара) и не обеспечивает получения ваты такого же высокого качества.
Центробежно-фильерно-дутьевой способ (ЦФД) широко внедрен в производство кварциевого волокна. Принципиальная схема установки разработана компанией “Saint-Gobain”. Установка состоит из полого вала, внутрь которого поступает расплав (Рисунок 5). В нижней части полый вал заканчивается питателем и чашей диаметром 200 мм, в стенках которой расположены в 20 рядов 5000-6000 фильерных отверстий диаметром 1-2 мм. Горелки, окружающие чашу могут давать “мягкий” режим - со скоростью истечения расплава 10 м/с или “жесткий” со скоростью свыше 30 м/с. Чаша находится в среде газовой струи, нагретой свыше 1040оС поступающей из кольцевой дутьевой головки. Стенки чаши имеют два слоя: наружный, состоящий из тугоплавкого сплава и отличающийся большой механической прочностью, и внутренний - устойчивый против разъедания расплавом и истирания (платина и её сплавы, вольфрам, молибден). Сквозь оба слоя просверлены отверстия, имеющие во внутреннем слое диаметр 0,5 - 0,6 мм и в наружном 1 мм. Важное условие нормальной эксплуатации чаши - равномерное распределение расплава по высоте чаши. От этого параметра зависят срок службы чаши и качество получаемой ваты.
Рисунок 5 - Центробежно-фильероно-дутьевой способ волокнообразования
1 — фильер; 2 — питатель; 3 — расплав; 4 — полый вал; 5 — горелки; 6 — чаша; 7—волокна.
Преимуществом способа ЦФД является сочетание двух сил — центробежной и аэродинамической, что сокращает энергозатраты более чем в два раза по сравнению с центробежно-дутьевым способом.
Недостаток — быстрый износ центрифугальной чаши, работающей при температуре выше 1000 °С.
Комбинированные способы позволяют получить волокона высокого качества, допускают переработку более вязких расплавов, снижают расход относительно дорогого энергоносителя, а, следовательно, более экономичны. Таким образом можно подчеркнуть, что на заводах компании "Saint-Gobain" применяются самые энергоэффективные технологии, позволяющие достигнуть наилучшего качества минеральной ваты.
Список используемых источников.
- Горяйнов К.Э. Горяйнова С.К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. Учебний для ВУЗов - М.: Стройиздат, 1982 - 372 с
- https://isoroc.ru/about/proizvodstvo
- https://www.chem21.info/