Общая характеристика и свойства минеральной ваты

Содержание

       стр.

Введение ^{. . . . . . . . .} 3

1. Общая характеристика и свойства минеральной ваты . . 4
2. Назначение минеральной ваты и изделий на ее основе . . 5
3. Виды теплоизоляционных изделий из минеральной ваты . . 7
4. Сырье для производства минеральной ваты . . . . 8
5. Технология минеральной ваты . . . . . . 11
1. Основное оборудование . . . . . . 11
2. Формование изделия . . . . . . .         21
6. Расчет состава шихты для производства минеральной ваты . 22
1. Исходные данные для расчета шихты . . . . 22
2. Расчет состава шихты методом последовательного . . .

приближения . . . . . . . . 23

3. Расчет состава шихты методом суммирования и расчета систем алгебраических уравнений . . . . . . 25
7. Расчет материального баланса для производства 1т минеральной ваты . . . . . . . . . . . 27
1. Обоснование состояние влажности, технологических  и производственных затрат сырья . . . . . 27
2. Суммирование материального баланса по массе для получения 1т минеральной ваты . . . . . . . 28
8. Расчет складских помещений для исходного сырья и готовой продукции . . . . . . . . . 29
9. Контроль производства минеральной ваты и изделий из нее . 31

Список использованной литературы . . . . . 33

ВВЕДЕНИЕ

Теплоизоляционные материалы  — разновидность строительных материалов, характеризующихся малой теплопроводностью. Разность температур в средах, разделенных  ограждением, приводит к переходу тепла  от нагретой к холодной среде. Цель теплоизоляции — ограничить количество передаваемого тепла. Любое ограждение оказывает некоторое сопротивление переходу тепла. Однако для достижения значительного теплосопротивления необходимо либо делать ограждение большой толщины, что экономически нецелесообразно, либо применять теплоизоляционные материалы, позволяющие значительно уменьшить толщину ограждения.

Малая теплопроводность этих материалов объясняется наличием большого числа пор, заполненных воздухом, который в неподвижном состоянии  является плохим проводником тепла. Таким образом, отличительная особенность  строения теплоизоляционных материалов — высокая пористость.

Основным видом теплоизоляционных  материалов в СНГ и за рубежом в настоящее время является минеральная вата и изделия из нее.

В нашей стране промышленное производство шлаковаты получает развитие в годы Советской власти: в 1930 г. на Билимбаевском металлургическом заводе; в 1932 г. был пущен шлаковатный цех в Сатке; в 1933 г. введен в действие новый Билимбаевский шлаковатный завод. В 1950г. в СНГ уже производилось около 30 тыс.м³ в год шлаковаты и начался выпуск минераловатного ковра в рулонах. В дальнейшем наметилась тенденция к сокращению доли выпуска товарной минеральной ваты и увеличению производства изделий из нее, которая сохраняется и в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом.

Основными минераловатными изделиями на практике являются минераловатные плиты на синтетическом и битумном связующем, прошивные маты, плиты для строительной и монтажной изоляции.

В настоящее время самым экономичным  и наиболее распространенным является способ производства минеральной ваты, сочетающий использование вагранки и четырехвалковой центрифуги. Он позволяет получать волокна высокого качества.

Применение минераловатных изделий в строительстве при возведении кирпичных стен сокращает на 50% потребность в кирпиче, в 2,5…3 раза уменьшает расход цемента и извести, уменьшает трудовые затраты на строительных площадках и сметную стоимость строительства. Поэтому неудивительно, что при развитии новых методов строительства минеральная вата находит все большее применение.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ

Множество способов волокнообразования, а также разнообразие исходного сырья предопределяют различия качественных показателей ваты.

В зависимости от температуры применения искусственные минеральные волокна делятся на:

• стеклянные с температурой применения до 400°С;
• рядовые с температурой применения до 600°С;
• высокотемпературные
• огнеупорные с температурой применения до 1000°С и выше соответственно.

Минеральная вата – продукт специальной  переработки силикатного расплава с помощью различных технологических  приемов. Это рыхлый материал, состоящий из тонких волокон стекловидной структуры.

Основным показателем минеральной  ваты является диаметр волокон, колеблющийся в пределах 1…10 мкм. В соответствии с требованиями ГОСТ4640–84 толщина волокон ваты, применяемой для изготовления теплоизоляционных изделий, не должна превышать 8 мкм, так как увеличение ее влечет за собой увеличение теплопроводности. Длина волокон определяется химическим составом расплава и способом получения и составляет 2…300 мм. Более длинные волокна сообщают изделиям большую прочность и эластичность.

Частицы расплава, не вытянувшиеся в  волокна и имеющие, как правило, сферическую форму, получили название корольков. Эти включения ухудшают теплоизоляционные свойства материала. Согласно ГОСТ 4640–94, предусмотрен выпуск минеральной ваты марок 75, 100 и 125 с содержанием корольков размером свыше 0,25 мм не более 12, 20 и 25% соответственно. Марка минеральной ваты соответствует ее средней плотности при нагрузке 0,002 МПа.

Пористость минеральной ваты достигает 96%, что обусловливает ее высокие теплоизолирующие свойства. Характер пор открытый, поэтому минеральную вату следует оберегать от увлажнения, так как при этом резко увеличивается ее теплопроводность. Водопоглощение минеральной ваты при погружении в воду высокое – до 600%, гигроскопичность 0,2…2%.

Ввиду того, что волокна представлены веществом в стекловидном состоянии, высокая температура эксплуатации способствует кристаллизации (расстекловыванию), которая в зависимости от состава волокон может происходить уже при 500°С. С развитием этого процесса ухудшаются теплофизические свойства минеральной ваты. Ее теплопроводность не должна превышать 0,045 Вт/(м°С) при температуре (25+5)°С; 0,064 Вт/(м°С) – при (125+5)°С; 0.105 Вт/(м°С) – при (300±5)°С.

2 НАЗНАЧЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ И ИЗДЕЛИЙ НА ЕЕ ОСНОВЕ

В индустриальном строительстве изделия  из минеральной ваты применяют главным образом в качестве тепло – и звукоизолирующих материалов. Для теплоизоляции ограждающих конструкций используют полужесткие и жесткие плиты на синтетическом связующем. Теплоизоляцию покрытий в промышленных зданиях организуют с применением твердых плит и плит повышенной жесткости, позволяющих обходиться при производстве кровельных работ без цементной стяжки. Изделия типа шнуров и жгутов из минеральной ваты.

Область применения декоративно-акустических плит типа «Акмигран» – звукоизоляция и эстетическое оформление интерьеров в общественных и промышленных зданиях с относительной влажностью не более 70%. Для тепло – и звукоизоляции промышленного и энергетического оборудования в широких масштабах применяют минераловатный войлок и маты, цилиндры, полуцилиндры, сегменты, обкладочные бруски и пр.

Условия эксплуатации минераловатных теплоизоляционных материалов должны исключить их увлажнение и свободную циркуляцию через их толщу воздуха, так как в этом случае резко ухудшаются их теплоизолирующие свойства. Нагрузка на изделия из минеральной ваты не должна превышать допустимой, в противном случае изделие деформируется, уплотняется и не отвечает в полной мере своему прямому функциональному назначению. Температура применения минеральной ваты, получаемой из рядового сырья, 600…700°С. Температура эксплуатации минераловатных изделий зависит от типа волокна, используемого связующего, технологии получения и составляет: для изделий на битумном связующем – 60…70°С, при обкладке техническим картоном – до 100°С; на синтетическом связующем – 250…350°С; на крахмальном связующем – до 400°С; для жгутов и шнуров – до 600°С.

Высокие технико-экономические показатели минеральной ваты и изделий на ее основе – хорошие тепло – и звукоизолирующие характеристики, относительно несложная технология, распространенность сырья, невысокая себестоимость – обусловливают ее широчайшее внедрение в различные области народного хозяйства.

По данным ВНИИТеплоизоляция, выпуск минеральной ваты и минераловатных изделий составляет в настоящее время более 14,5 млн. м³/год, т.е. около 56% всех выпускаемых в стране теплоизоляционных материалов, и цифра эта будет неуклонно расти.

В связи с развитием производства и применения в строительстве легких ограждающих конструкций освоен выпуск новых эффективных тепло – и звукоизоляционных минераловатных материалов:

• минеральных плит повышенной жесткости, изготовленных различными способами, плотностью 175…250 кг/м³, прочностью на сжатие 0,04 МПа и выше при 10%-й линейной деформации, предназначенных для утепления плоских железобетонных покрытий под рулонную кровлю без стяжек, плоских покрытий из стального профилированного настила;
• твердых минераловатных плит плотностью 250…300 кг/м³ и прочностью 0,05…1 МПа при 10%-й линейной деформации для утепления покрытий по стальному профилированному настилу и для полистовой сборки стен промышленных зданий;
• армированных самонесущих минераловатных плит плотностью 150 кг/м³ для утепления скатных покрытий из профилированных асбоцементных, стальных, алюминиевых листов.

3 ВИДЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ

В зависимости от вида и степени  обработки минеральной ваты теплоизоляционные изделия на ее основе делятся на: сыпучие материалы — гранулированная минеральная вата; гибкие рулонные изделия — маты прошивные, маты на синтетическом связующем (минераловатный войлок); шнуровые материалы — жгуты (шнуры); жесткие штучные изделия — плиты, скорлупы, оболочки, сегменты на органическом и неорганическом связующем.

Даже простейшая обработка минеральной  ваты — грануляция — значительно улучшает ее основные эксплуатационные качества: уменьшает количество корольков, снижает среднюю плотность, повышает упругость. Появляется возможность частично механизировать укладку ее в дело, например с помощью пневмотранспорта. Тем не менее, ей присущи многие недостатки «сырой» минеральной ваты.

Гибкие рулонные прошивные маты с не скрепленными или частично скрепленными между собой волокнами ваты, посредством связующего, изготавливают заключением минераловатного ковра в гибкую оболочку (водостойкую бумагу, ткань, сетку, полиэтиленовую пленку, алюминиевую фольгу и т.п.) с последующей прошивом их нитями, шпагатом, проволокой и пр.

Гибкие рулонные непрошивные маты (войлока) изготавливают скреплением волокон между собой с помощью связующего.

Гибкие шнуры получают набивкой минеральной ваты в оплетку из металлической проволоки, хлопковых или синтетических нитей.

Все остальные виды минераловатной продукции изготавливают с применением связующего, от вида и количества которого зависит степень жесткости и механическая прочность получаемых изделий.

Рисунок 3.1 - Теплоизоляционные конструкции из минераловатных цилиндров с различными покрытиями: а - листовой металл; б - асбестоцементные материал;

в – рулонный материал; г - гибкий стеклопластик

В данной курсовой работе предполагается изготовление из минеральной ваты прошивных  матов. Технические требования к  прошивным матам из минеральной  ваты приведены в ДСТУ Б В.2.7-98-2000 [12], (ГОСТ 21880-94 [13]). Требования распространяются на прошивные маты с обкладочным материалом или без него (далее - маты) и на маты гофрированной структуры (далее - маты ГС), изготовленные из минеральной ваты и предназначенные для тепловой изоляции строительных конструкций зданий и сооружений и промышленного оборудования при температуре поверхности от -180 до +700⁰С.

В зависимости от плотности маты подразделяют на марки 75, 100, 125. Маты марки 75 не должны применяться для тепловой изоляции промышленного оборудования.

В зависимости  от структуры обкладочного материала  и предельной температуры применения маты подразделяют на типы, указанные в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Типы матов в зависимости от структуры обкладочного материала и предельной температуры применения

Номинальные размеры матов и предельные отклонения от номинальных размеров должны соответствовать  требованиям, указанным в табл. 3.2.

Таблица 3.2 – Номинальные размеры матов и предельные отклонения от номинальных размеров

Условное  обозначение матов должно состоять из обозначения типа, марки, размеров по длине, ширине и толщине в миллиметрах, цифры 1 - для матов с обкладочным материалом, пришитым с одной стороны, цифры 2 - для матов с обкладочным материалом, пришитым с двух сторон, и обозначения настоящего стандарта.

Пример  условного обозначения в технической документации и при заказе мата типа М1, марки 100, длиной 1000, шириной 500, толщиной 60 мм, без обкладочного материала: М1 - 100 - 1000-500-60 ДСТУ Б В.2.7-98-2000 ( ГОСТ 21880-94).

Маты  должны изготовляться в соответствии с требованиями [12, 13] по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем. Маты должны быть прошиты сплошными швами в продольном или поперечном направлениях, при этом обкладочные материалы могут быть пришиты с одной или двух сторон.

Маты, применяемые  в строительных конструкциях, должны быть прошиты только в продольном направлении. Маты ГС допускается прошивать  сплошными швами только в продольном направлении. Расстояние между кромкой и крайним швом, между швами и шаг шва должны соответствовать требованиям, указанным в табл.3.3.

Таблица 3.3 - Расстояние между кромкой и крайним швом, между швами и шаг шва для прошивных матов

Не допускается разрыв более чем трех смежных стежков в одном шве, а также разрыв стежков в двух смежных швах матов.  Общая длина разрыва швов не должна превышать 10 % длины всех швов. Маты, имеющие на концах роспуск шва, допускается поставлять по согласованию с потребителем.

По физико-механическим показателям маты должны соответствовать требованиям, указанным в табл.3.4.

Таблица 3.4 – Требования к физико-механическим показателям прошивных матов

Маты  ГС по плотности, влажности и содержанию органических веществ должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 1.6. Требования по разрывной нагрузке к матам ГС не предъявляют. По теплопроводности, сжимаемости и упругости маты ГС должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 3.5.

Таблица 3.5 – Требования к матам ГС по теплопроводности, сжимаемости и упругости

4. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ

Сырьевая смесь для получения  силикатного расплава, из которого затем производят минеральную вату, обычно бывает многокомпонентной. По общепринятой методике состав шихты подбирают с таким расчетом, чтобы он обеспечивал модуль кислотности волокна (М_к) не менее 1,5 для высшей категории качества и не менее 1,2 для первой категории:

(1.1)

Волокна с М_k=1,5...2,5 отличаются повышенной эксплуатационной стойкостью, волокна с М_k=1,2 неустойчивы по отношению к воздействию воды.

Как видно из формулы (1.1), модуль кислотности  М_k находится в прямой зависимости от содержания в шихте и . Однако чрезмерное их количество может резко увеличить вязкость силикатного расплава, уменьшив тем самым производительность плавильной установки. Следовательно, надо искать такое решение, при котором бы обеспечивались технологические параметры производства и долговечность минеральной ваты.

Компоненты, переходящие в жидкое состояние при температуре более 1550°С, относят к тугоплавким. В любом случае производят опытную плавку, в ходе которой корректируют состав шихты и уточняют технологический режим работы оборудования.

Сырьем для производства минеральной  ваты чаще всего являются отходы промышленности – металлургические, и топливные шлаки, золы, керамический стекляный бой, бой силикатного кирпича и пр., а также горные породы. Практически очень редко сырье используют без подшихтовки, которая обеспечивает необходимый химический состав расплава. Исходные сырьевые смеси должны обеспечивать низкую температуру плавления, необходимую вязкость расплава и требуемые эксплуатационные характеристики минеральной ваты.

Составные части сырьевой шихты  должны быть недефицитными и легко поддаваться предварительной подготовке.

Измельчение сырьевых компонентов способствует ускорению реакций силикатообразования и гомогенизации расплава, которая необходима для получения стабильных свойств волокна.

Ваграночные шлаки характеризуются повышенным содержанием кислых оксидов и пониженным – основных, % по массе: SiO₂ – 40…46; А1₂О₃ – 10…18; Fе₂О₃+FеО – 5…15; СаО – 20…34; МgО – 1,5…8. Модуль основности M_о=0,35...0,72 (М_к=1,37...2,82). Их можно использовать как однокомпонентное сырье, а также в качестве подкисляющей добавки к более основным шлакам. Имеют невысокую температуру плавления.

Мартеновские  шлаки относятся к основным шлакам с содержанием СаО+МgО – 42…54%, SiO₂+А1₂О₃ – не более 40%; М_о=1,3...2 (M_к=0,49...0,76). Характеризуются повышенным содержанием Fе₂О₃+FеО – 8…24%. Их можно использовать как добавку к очень кислому сырью с целью повышения подвижности силикатного расплава и производительности плавильного агрегата за счет высокого содержания основных оксидов и как плавень, понижающий температуру плавления за счет повышенного содержания оксидов железа.

Шлаки цветной  металлургии, как правило, в большинстве своем пригодны для производства минеральной ваты. Имеют разнообразный химический состав, но в основном относятся к кислым и ультракислым шлакам, имеют М_о=1,1...0,3 (M_к=0,9...3). Вязкость расплавов шлаков никелевого, оловянного, цинкового, свинцового производств при температуре 1250…1350°С вполне приемлема и составляет 0,13…0,8 Па∙с. Гораздо более вязки шлаки медеплавильного производства – 20 Па∙с при температуре 1350°С, в связи с чем необходима их дошихтовка.

Золы электростанций по химическому составу весьма разнообразны. Золы горючих сланцев и бурых углей менее кислые, чем золы от сжигания каменных углей.

Горные породы наиболее пригодны в виде изверженных пород габбро–базальтовой группы и метаморфических пород и мергелей со сходным химическим составом. Следует отметить, что запасы такого сырья в нашей стране практически неограниченны. Химический состав горных пород, применяемых для производства минерального волокна, колеблется в следующих пределах, % по массе: SiO₂ – 45…65; А1₂О₃ – 10…20; Fе₂О₃ +FеО – 10…15; СаО – 5…15; МgО – 5…15; N₂О+К₂О – 1…3.

Отходы силикатного и керамического  производств широко используют при  получении минеральной ваты в  процессе дошихтовки основного сырья в качестве подкисляющей добавки с содержанием SiO₂+А1₂О₃ – 70…85%.

В противном случае полученное силикатное волокно обладает низкой механической прочностью и является неустойчивым по отношению к воздействию воды в силу высокого содержания в нем СаО. Электротермофосфорные шлаки содержат примерно одинаковое количество СаО и SiO₂ (около 41…44%), М_о=1,09...1,21 (М_к=0,82...0,91), обязательно подшихтовываются кислыми добавками (песком, золой, ваграночными ультракислыми шлаками и пр.).

В данной курсовой работе сырьевыми  материалами являются: доменный шлак и бой керамического кирпича.

Шлаки - продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов - топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности. Шлак полусухой грануляции характеризуется более плотной структурой и имеет примерно в 1,5 раза большую среднюю плотность, чем шлак мокрой грануляции. Влажность шлака мокрой грануляции составляет 20 - 35% (редко 15%), шлака полусухой грануляции – 5 - 10%; насыпная плотность тех и других шлаков соответственно 400 - 1000 кг/м3 и 600 - 1300 кг/м3.

Доменные  шлаки. Для производства минеральной ваты наиболее применение нашли доменные шлаки. Шлаки представляют собой сплавы силикатов и алюмосиликатов следующего химического состава (%); ; ; ; .

Доменный шлак является наиболее распространенным сырьем при получении  минеральной ваты в вагранках  с холодным дутьем. Если их используют без добавок, в чистом виде, то получают силикатное волокно, неустойчивое к  воздействию воды. Поверхностная  гидратация волокон, обусловленная  в основном высоким содержанием  , является главной причиной уменьшения механической прочности и соответственно пыления и слеживаемости шлаковой ваты. Силикатные волокно, как правило, получают из шихты, содержащей наряду со шлаками различные подкислители: природные сырьевые материалы и промышленные отходы, характеризующиеся повышенным количеством и . В результате достигается увеличение гидролитический стойкости шлаковаты.

Плотность доменных шлаков в два с лишним раза меньше, чем  чугуна, поэтому шлаки в горне  домны располагаются над слоем  расплавленного чугуна и их периодически удаляют через отдельную шлаковую летку.

Минералогический состав и структура  шлаков. В медленно охлажденных шлаках, содержащих менее 5% MgO, присутствуют преимущественно мелиниты - изоморфный ряд твердых растворов, конечными членами которого являются геленит и окерманит. С повышением содержания оксида магния более 15% вместо твердого раствора образуется только окерманит. В составе шлаков встречаются псевдоволластонит и волластонит, ранкинит, мервинит, анортит и др.