Способы получения минеральных волокон

ВВЕДЕНИЕ 

 Сейчас  во всём мире прослеживается тенденция  к увеличению производства теплоизоляционных  материалов из базальтового волокна, обусловленная  ростом капитального строительства  тепло-энергосберегающих объектов и их лучшими технико-экономическими характеристиками по сравнению с другими теплоизоляционными материалами.

Минеральная вата - это волокнистый  материал, получаемый из силикатных расплавов  горных пород, металлургических шлаков и их смесей.

 Мягкие  и полужесткие  минераловатные  плиты, а также плиты повышенной жесткости, имеют высокие показатели по экологической чистоте, теплопроводности, плотности и несгораемости, соответствующие современным требованиям к теплоизоляционным материалам. Этим обусловлено их широкое применение при строительстве, реконструкции или ремонте жилых домов и промышленных зданий, а также теплоизоляции трубопроводов различного назначения. Только одна плита из минеральной ваты  площадью 1 кв.м толщиной всего 50 мм, утепляя внешнюю стену, позволяет экономить в год 108 MДж энергии. Изоляция из минваты позволяет экономить энергоресурсы и за счёт этого сокращать выбросы СО2 и других загрязнений. В недостаточно изолированных внешних перегородках конденсируется водяной пар. Вата  характеризуется очень низким диффузионным сопротивлением, то есть высоким коэффициентом паропроницаемости. При утеплении минеральной ватой, пар свободно уходит, и, тем самым, устраняется источник отсырения перегородки. Стены "дышат", создавая здоровый микроклимат помещений.

Минеральная вата - это волокнистый  материал, получаемый из силикатных расплавов  горных пород, металлургических шлаков и их смесей. Ведущие мировые производители минераловатной продукции в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно такой материал рекомендуется применять для ответственных конструкций - в случае, когда требуется многолетняя надёжная работа строений.

Основным  свойством минеральной  ваты, отличающим её от других теплоизоляционных  материалов, является негорючесть в  сочетании  с высокой тепло- и  звукоизолирующей способностью, устойчивостью  к температурным деформациям, негидроскопичностью, химической и биологической стойкостью, экологичностью и лёгкостью выполнения монтажа. По требованиям пожарной безопасности изделия из минеральной ваты относятся к классу негорючих материалов. Более того, они эффективно препятствуют распространению пламени и применяются в качестве противопожарной изоляции и огнезащиты. Также изделия из минеральной ваты могут быть использованы в условиях очень высоких температур, но при условии, что они не будут подвергаться механическим воздействиям, способным изменить их форму, после того как связующий компонент (присутствующий в них) разрушится. Дело в том, что минеральные волокна способны выдерживать температуру выше 1000°С, в то время, как связующий компонент начинает разрушаться уже при температуре 250°С. При более высоких температурах даже после разрушения связующего волокна остаются неповрежденными и связанными между собой, сохраняя свою прочность и создавая защиту от огня.

Изоляционные материалы  из минераловатного утеплителя отличаются высокой химической стойкостью. Более того, минераловатный утеплитель является химически пассивной средой и не вызывает коррозию контактирующих с ней металлов. Теплоизоляционные и механические свойства изделий из минеральной ваты сохраняются на первоначальном уровне в течение десятков лет. Применение минеральной ваты позволяет обеспечить не только тепло-, но и звукоизоляцию стен. Минеральная вата значительно снижает риск возникновения стоячих звуковых волн внутри ограждающей конструкции, тем самым, увеличивается изоляция от воздушного шума. Звукопоглощающие свойства материала увеличивают затухание акустических волн и значительно снижают звуковой уровень помещения. Достоинства минераловатных утеплителей дополняет лёгкость выполнения монтажа и конструкций. Все минераловатные изделия на основе базальтовых горных пород экологически безопасны. Мягкие изделия легко режутся ножом, а более плотные - ножовкой. В зависимости от области применения и технических характеристик, производители выпускают теплоизоляционные материалы из минеральной ваты различных марок. Изоляция ограждающих конструкций включает в себя, как мягкие плиты и маты для применения в каркасных конструкциях, так и жёсткие и полужёсткие плиты, используемые, например, в фасадных конструкциях, где изоляция находится под воздействием нагрузок.

1.Производство минерального волокна из отходов энергетических предприятий.

Технологические разработки по утилизации зол уноса, улавливаемых в циклонах и электрофильтрах  ГРЭС и ТЭЦ при сжигании углей, ведутся по всему миру давно. По оценкам  специалистов 38% всей получаемой в мире энергии приходится на энергетические предприятия сжигающие уголь. Проблему заметили полвека назад. За это время  города, особенно мегаполисы в Сибири, оказались буквально засыпанными  отходами, главную часть которых  составляют золы ТЭЦ и ГРЭС.

Существует множество  технологий использования угольных зол для изготовления различных  строительных материалов, но применение угольных зол и шлаков для изготовления минерального волокна, является на сегодняшний день технологическим прорывом.

Состав и свойства золошлаковых отходов ТЭС зависят от минерального состава топлива и способа его сжигания. Угли разных месторождений и, соответственно, золы, образующиеся при их сжигании, существенно различаются по составу минеральной части — содержанию и соотношению основных элементов. Они содержат окислы ряда таких элементов, как кремний, алюминий, кальций, железо, магний, натрий, калий, а также микрокомпоненты, содержание которых менее 0.1 %- это германий, галлий, ванадий, титан, стронций, скандий, литий, молибден, бериллий, кобальт, цирконий, хром, никель, золото, серебро, редкоземельные металлы (лантан, иттрий, иттербий). Присутствие в золах комплексов этих ценных элементов позволяет рентабельно извлекать их при содержании даже более низком, чем в промышленных рудах, что в значительной степени снижает расходы на геологические поиски рудного сырья, разведку месторождений, добычу руды, ее дробление, обогащение, транспортировку. В процессе фракционирования золошлаковых отходов выделяются магнитные микросферы, применяемые в металлурги, приборостроении, радиотехнике и электронике. Себестоимость получения редких металлов из зол на 60 % ниже, чем их извлечение из промышленных руд. При этом кроме существенного экономического эффекта решаются многие экологические проблемы.

 В настоящее время  основное количество золы используется  в строительной индустрии (производство  цемента, кирпича, изделий из  ячеистого бетона, шлакоблоков, легких  заполнителей, рубероида, керамзита), в строительстве дамб золошлакоотвалов, строительстве и ремонте дорог. Применение зол и шлаков ТЭС в качестве строительных материалов является наиболее масштабным направлением и может решить проблему дефицита стройматериалов в регионах Российской Федерации. За счет использования золошлаковых отходов экономится до 30 % цемента и более половины природных заполнителей, снижается теплопроводность бетонов, снижается масса зданий и сооружений.

Существующие производства получения минеральных волокон  недостаточно эффективны, применяемые  аппараты малопроизводительны, поскольку  сырье поступает в окускованном виде. Печи громоздки и требуют больших эксплуатационных затрат, также требуются дополнительные энергоемкие операции при переработке руд и измельченных горных пород [2, c. 130].

Использование топливных  шлаков и зол ТЭС - одна из важнейших  задач, стоящая перед промышленностью  и, несмотря на то, что уже накоплен значительный опыт по применению золошлаковых отходов ТЭС, используются они недостаточно.

        2. Методы получения минеральных волокон из золошлаковых отходов.

- Рудно-термические печи  с закрытой дугой.

Топливные золы и шлаки для производства строительной минеральной ваты нет смысла использовать из-за экономической нецелесообразности плавить золу в вагранках и ванных печах, применение которых требует специальной подготовки золы: подшихтовки, удаления несгоревших частиц угля, брикетирования.

Особый интерес представляют собой глиноземсодержащие золы, пригодные  для производства высококачественного  штапельного волокна для промышленной теплоизоляции, обладающего температуростойкостью до 1200С. Причем расплавы этих зол, пригодные для получения высокотемпературостойкой минеральной ваты, без предварительной подготовки исходного сырья, получают в рудно-термических печах с закрытой дугой. Получаемая минеральная вата может применяться для теплоизоляции поверхностей с температурой до 900 С, а материалы и изделия из нее на керамической связке могут быть использованы для изоляции поверхностей с температурой до 1150 С. По своим характеристикам такая вата подобна высокотемпературной каолиновой вате, но ее себестоимость в 2 раза меньше.

До сегодняшнего дня данное направление не получило промышленного  развития при наличии успешно  эксплуатируемых рудно-термических  печей типа РКЗ из-за отсутствия специального оборудования для качественной переработки расплава глиноземсодеожащих зол в минеральную вату в объеме промышленного производства.

- Коксовая вагранка.

Суть технологии заключается  в первичном брикетировании золы специальным связующим которое стабилизирует химический состав золы и обеспечивает стабильную текучесть расплава. Брикеты загружаются в вагранку, где в качестве топлива используется кокс (коксовая вагранка).

В технологии производства минеральной ваты для плавления  полученных брикетов в коксовой вагранке применяется горячее кислородной  дутье, обеспечивающее по технологии температуру  расплава 1500 С, необходимую для дальнейшей переработки расплава в высококачественное волокно.

 Вагранка оборудуется  системой дожига оксида углерода и пылеочисткой отходящих газов. Основной показатель пригодности зольных брикетов для производства минеральной ваты - модуль кислотности Мк, представляющий собой отношение суммы масс содержащихся в сырье кислых оксидов (кремнезема Si02 и глинозема Al203) к сумме масс основных оксидов (кальция CaO и магния MgO).

Si02 + Al203 Мк =------->= 1,6 СаО + МgO

Технология позволяет на начальном этапе исследования золы подобрать химический состав и определить оптимальный модуль кислотности расплава для получения высококачественного волокна. Минеральное волокно и минеральная плита полученые методом переработки зол угольных ТЭЦ и ГРЭС недорогой теплоизоляционный материал с отличными характеристиками для утепления трубопроводов энергетический предприятий, строительства, предприятий нефтехимии и др.

- Низкотемпературная плазма.

Применение плазменных технологий для переработки зольных отходов открывает широкие возможности по преодолению тех технологических трудностей, которые возникают в традиционных способах получения минеральных волокон.

Во-первых, процесс из многостадийного  превращается в одностадийный с  возможностью эффективного автоматического  регулирования.

Во-вторых, за счет высокой  температуры резко уменьшается  количество вредных выбросов в атмосферу.

 В-третьих, сокращается  время прогрева шихты для плавления,  а следовательно снижаются затраты  по энергии и времени, возрастает производительность.

 Использование электродуговых  генераторов низкотемпературной  плазмы позволяет в принципе  изменить процесс получения минераловатного продукта.

 По сравнению с плазменной  техникой, применяемой для обработки  неорганических материалов, плазменный  реактор обладает рядом преимуществ.  Во-первых, это очень компактное оборудование; во-вторых, перерабатываемый материал используется практически без предварительной подготовки, за исключением механической фракционной подготовки; в-третьих, процесс плавления сырья и волокнообразования совмещены в одном устройстве, чем обеспечивается одностадийность производства; в-четвертых, конструкция устройства допускает в достаточно широких пределах регулировку рабочих параметров (скорость вращения реактора, мощность источника тепловой энергии), что предоставляет возможность создания автоматической системы управления процессом.

 Физико-химическими методами  установлено, что при плазменной  обработке силикатосодержащих материалов происходит, прежде всего, дегидратация гидратных соединений и декарбонизация карбонатов, которые протекают по топотактическому механизму, т. к. структура гидросиликатов кальция, входящих в состав основы изделия, идентична структуре волластанитов, имеющий волокнистый характер.

 Воздействие высококонцентрированного  потока плазмы происходит с  образованием расплава, который  частично диффундирует в поры  и микротрещины изделия. Вследствие  того, что входящие в состав силикатосодержащих строительных материалов соединения имеют различную температуру плавления и грубодисперсность основы, процесс плавления является неоднородным и локальным. Кроме того, плавление протекает мгновенно, поэтому газовые фазы способствуют образованию пористого покрытия. Структура оплавленной поверхности в значительной степени зависит от режима работы плазмотрона.

 Основные реакции,  протекающие при образовании  стекловидного покрытия и переходного  слоя, подвергались термодинамическому  анализу, были рассчитаны изменения  энергии Гиббса в интервале  температур 300—2000 K. Анализ показал,  что процессы разложения гидросиликатов кальция протекают в зонах 1—2 мм от поверхности. В зонах более высоких температур происходят фазовые переходы полиморфных превращений кремнезёма, а также волласстанита. Проведенные расчеты подтверждают температуру перехода и конгруэнтность плавления. Также установлено, что образование расплава из кварца происходит минуя модификации тридимита и кристобалита в метастабильном состоянии [3, c. 53].

 Таким образом, интенсивность  плазменной обработки должна  подбираться индивидуально с  учетом особенностей фазового  состава шихты силикатосодержащих материалов и гранулометрического состава заполнителя, и при фиксированной мощности плазменного генератора может регулироваться скоростью обработки.

Исходным материалом взята  зола Тугнуйского угля, который имеет следующий химический состав (масс. %):

 K2O - 2,15; Na2O - 0,58; SiO2 - 45,0; Al2O3 - 14,6; P2O5 - 0,93; CaO - 12,62; MgO - 9,05; TiO2 - 0,82; Fe2О3- 14,25.

 Полученные плазменной технологией минеральные волокна были исследованы следующими методами:

1. определение водостойкости

2. определение содержания «корольков»

3. определение среднего диаметра волокон

4. определение содержания органических веществ

5. определение модуля кислотности

6. определение влажности

 Результаты термодинамического  расчета выполнены по известной  универсальной программе АСТРА-4.

 Полученная плазменной  технологией минеральная вата  по результатам исследований  имеет следующие физико-химические  свойства: водостойкость 2,08; содержание  корольков 22,5; средний диаметр  10,84 мкм; относительная влажность  0,128 %; кислотостойкость 98,5 %; щелочестойкость 97,71 %; средняя длина волокон 60 мм; температуроустойчивость 1600 К; модуль кислотности 13,8 %.

3. Получение минеральных волокон из техногенных отходов по плазменной технологии.

В качестве исходных материалов для получения расплавов использовались базальтовая порода месторождения Кемеровской области, отходы горю-

чих сланцев месторождения  КНР и зола ТЭЦ  г. Северска Томской области.

Указанные материалы подвергались плавлению на плазменной установке [5]. Их химический состав представлен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав исходных материалов.

Все исследуемые сырьевые материалы (табл. 1) содержат значительное

количество SiO2 (49–61%), который является основным стеклообразователем.

Получение волокон состоит  из двух неразрывно следуемых процессов:

расплавления в плавильных агрегатах исходных материалов до образования

расплава требуемой температуры  и переработки его в волокна.

Проведенный анализ существующих устройств для получения силикатных расплавов показал, что использование  традиционных технологий сопря жено с колоссальными энергозатратами и с невозможностью добиться от рас плава физико-механических свойств (вязкость, поверхностное натяжение), необходимых для получения качественных волокон. Это связано с высокими температурами плавления этих материалов (1600–1900 ○С). Использование

в качестве источника тепловой энергии концентрированного потока низкотемпературной плазмы, благодаря  высокой температуре воздействия  на материалы (3000–5000 ○С), сокращает  время образования расплава.

Для проведения экспериментов  по получению минеральных волокон

с использованием энергии  низкотемпературной плазмы была создана  экспериментальная установка. Принцип  работы установки основан на взаимодействии высококонцентрированных потоков  плазмы с порошкообразным сырьевым материалом, в результате которого осуществляется нагрев и плавление дисперсных частиц. Образованный расплав поступает во вращающийся реактор и под действием центробежных сил в виде пленки поднимается по его стенке и, срываясь с кромки, вытягивается в волокна. Характеристики полученных минеральных волокон

представлены в табл. 2.

Согласно результатам, представленным в табл. 2, можно выделить минеральные  волокна, полученные из золы и отходов  горючих сланцев, которые в сравнении с традиционными волокнами из базальта обладают значительно большим модулем кислотности, а следовательно, повышенными химической стойкостью, эксплуатационными свойствами, высокими физико-механическими и теплотехническими показателями, обладающими долговечностью, т. к. оксид кремния, которым обогащены полученные волокна, повышает их устойчивость как в кислых, так и в щелочных растворах и в воде [4].

Физико-химические исследования золы и отходов горючих сланцев показали, что эти исходные материалы наряду с базальтовыми породами могут быть использованы для производства теплоизоляционных материалов на основе минеральных волокон с учетом экологической безопасности.

4. Плавильный агрегат  с использованием низкотемпературной  плазмы.

Экспериментальный комплекс, включающий в себя плазменный источник тепла для получения распава из тугоплавких силикатсодержащих материалов и последующей выработкой волокнистого материала (рисунок 1).

Принцип работы установки  основан на взаимодействии высококонцентрированных  потоков плазмы 5 с порошкообразным сырьевым материалом (зола, отходы горючих сланцев) фракцией от 50 мкм до 2 мм. Подача сырья осуществляется тангенциально непосредственно в область горения дуги. Подаваемое сырье под действием высококонцентрированных потоков плазмы расплавляется и осаждается на стенках водоохлаждаемого концентратора 2, образуя при этом гарнисажный слой, который обладает низкой теплопроводностью. Соответственно создаются благоприятные условия для концентрации тепловой энергии плазменного потока и стекания с гарнисажа избыточного расплава в бассейн печи, где он подвергается дополнительному омическому нагреву за счет протекания электрического тока.

5. Химический состав  зол отбора Красноярских ТЭЦ.

Таблица 3.

Сырье удовлетворяет следующим  требованиям:

- Легкодоступность и достаточные  балансовые запасы месторождений,  наличие транспортных магистралей.

- Расположение источника  сырья вблизи перерабатывающего  предприятия.

- Легкоплавкость сырья,  содержание достаточного количества  стеклообразующих оксидов.

- Стабильный химический  и минералогический состав сырья,  позволяющий получать расплав  со значительным интервалом вязкости, стойкий к воздействиям атмосферных,  температурных и физико-химических  факторов.

Вывод:

1. Использование агрегатов для получения силикатных расплавов в условиях низкотемпературной плазмы позволяет изготовлять волокна из таких сырьевых материалов как зола и отходы горючих сланцев с повышенным модулем кислотности.
2. Рассмотрен метод получения минерального волокна в коксовой вагранке.
3. Минеральные волокна можно получать в рудно-термических печах с закрытой дугой.

Исследования физико-химических методов получения минеральных  волокон из золошлаковых отходов еще не доведены до совершенства. Область для научных исследований этой темы остается открытой. При сравнении химического состава зол и горных пород, использующихся при производстве минеральных волокон, видим, что он практически совпадает. А для производства минеральных волокон из золошлаковых отходов требуется лишь определенный уровень подготовки шихты. В своей работе я хочу подготовить шихту из зол, после получить минеральные волокна из нее, исследовав разные физико-химические методы и выбрав наиболее эффективный.

 Экологическое воздействие  золоотвалов было неоднократно доказано, а огромные объемы этих отходов в перспективе дают практически неиссякаемый источник материала для производства минеральных волокон и изделий.

Список используемых источников:

1. Основы производства базальтовых волокон и изделий / Д.Д. Джигирис, М.Ф. Махова. – М.: Теплоэнергетик, 2002.
2. Горяйнов К. Э., Коровникова В. В. Технология производства полимерных и теплоизоляционных изделий. М.: Наука и техника, 1975. – 130 с.
3. Чистяков Б. З., Лялинов А. Н. Использование минеральных отходов промышленности в производстве строительных материалов. Л.: Стройиздат, 1984 – 53 с.
4. Вестник ТГСАУ №4 2009г.
5. Получение силикатных расплавов с использованием низкотемпературной плазмы при производстве минерального волокна. Диссертация Волокитина О.Г. 2010г.
6. http://www.bazaltprom.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=9&Itemid=16
7. http://sibac.info/index.php/2009-07-01-10-21-16/1685-2012-03-25-14-47-48