Технология производства стекловаты

ВВЕДЕНИЕ

 

 Современное состояние  отрасли и основные направления ее развития в условиях рыночной экономики

 

  Стекольная  промышленность России развивается в сложных экономических условиях, связанных с выпуском конкурентно способной продукции. Стекло и изделия на его основе широко применяются практически во всех областях народного хозяйства. Стекло превратилось в незаменимый материал строительного и конструкционного назначения. Расширены представления о стеклообразном состоянии и строении стекла, разработаны новые составы стекол на основе нетрадиционные стеклообразующих систем. В то же время технологические резервы получения стекла и его возможности как материала далеко не исчерпаны.

    Создание промышленного пространства стеклянных волокон в России и за рубежом было  обусловлено  потребностями техники в высокотемпературостойкости материала, обладающего высокими электроизоляционными и механическими характеристиками.

    Промышленное производство стеклянных волокон было создано в США. В последний период оно было организовано и в других промышленно развитых странах.

    Быстрому развитию промышленности стеклянных волокон способствовали доступность и распространенность основных сырьевых  материалов и короткий и относительно простой технологический цикл их получения.

    Сегодня перед строительным комплексом стоит актуальная задача уменьшения теплопотерь зданий и сооружений. Одним из современных материалов, которые способствуют решению данной задачи, являются минераловатные утеплители. Минераловатная продукция обладает рядом уникальных характеристик: отличная теплозвукоизоляционная способность, стойкость к щелочными кислым средам, к высоким и низким температурам, виброустойчивость и малый вес. Это существенно расширяет сферу её применения. В настоящее время, кроме строительного комплекса и ЖКХ, продукция на основе базальтовых волокон применяется в авиастроении , атомной энергетике. Химической и биологической промышленности.  Объём отечественного рынка минераловатной продукции оценивается сегодня на уровне 450-500 млн. долларов США в год.

     Минераловатные  утеплители производят  путём вытягивания волокна из расплавленной стеклообразной массы. Волокна, переплетаясь естественным  образом формируют ковёр, который образует вату – самый простой утеплитель.

 Из ковра  путём механической, термической и химической обработки получают широкий спектр плитных утеплителей и матов. Для производства  минераловатных матов  ковёр прессуют и прошивают специальными нитями. Простая схема производства плит описывается следующим образом: полученный ковёр пропитывают связующим( на разных стадиях технологического  процесса) , прессуют до нужной толщины, высушивают  в камере тепловой обработки при температуре 120-200 С , затем разрезают на плиты заданных размеров.

Растёт потребление утеплителей, которые способны  улучшить  теплосбережение зданий.  Отчасти данный процесс стимулируется  введением новых норм по теплотехнике, отчасти – переходом к совершенным  формам строительства, когда больше  внимания уделяются комфортности проживания,  отчасти – дороговизной тепловой энергии.

Величина  емкости рынка теплоизоляционных материалов, которая определяет реальное потребление этой продукции в России, зависит от действия значительного числа факторов. Каждый из них в отдельности может создавать тенденцию, как к увеличению, так и к уменьшению текущей емкости рынка. Реальное изменение во времени этого интегрального показателя зависит  от результирующей направленности действия всех факторов. Поскольку оно (действие) проявляет в себя крайне неоднородно в различных регионах, возникает значительная дифференциация потребления, которая выражается в больших различиях емкости региональных рынков, как в абсолютном исчислении, так и в удельных показателях (например, на душу населения). Ниже рассмотрены основные факторы, которые наиболее существенно влияют на формование спроса на теплоизоляционные материалы в целом и в каждом конкретном регионе.

В настоящее время в России производятся все виды стеклянных волокон, материалов. Применение стекловолокнистых материалов в электротехнической промышленности дало возможность не только существенно повысить надежность и долговечность электрических машин. Данная производительность находит широкое применение в строительной промышленности для теплоизоляции стен, полов, перекрытий, кратных  кровель строительных сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩАЯ  ЧАСТЬ

 

1.1. Краткая характеристика существующего цеха

       

 Существующий цех выработки материала на предприятии ООО «ЭПОХА- БАЗАЛЬТ», расположен с малыми производственными площадями, при расстановке оборудования не соблюдены нормы проектирования. Эти недостатки не дают возможности внедрять механизацию транспортировки изделий, обеспечить необходимые условия для внедрения передовой технологии, создать нужные условия труда.

Цех представляет собой каркасно- панельное сооружение прямоугольной формы. Фасад здания частично остеклен ленточным остеклением и частично с простенком.

Оконные проемы: металлические оконные блоки в  производственных зданиях, во вспомогательных участках- деревянные.

В цехе предусмотрено электрическое освещение, необходимое при работе в вечернее и ночное время. А также полностью освещена и сама установка производства материала прессованного.

В верхней части цеха находятся фонари, которые открывают  в летний период времени для естественной вентиляции цеха и лучшего воздухообмена, которые предусматриваются санитарно- эпидемической станцией.

Здание опирается на ступенчатый железобетонный фундамент. Полы цеха опираются на пяты колонных оснований с использованием плит настила из железобетонных ковров.

В качестве перекрытия используют железобетонные плиты с использованием кровли с гидроизоляцией по всему периметру здания.

Внедренными ножами продольной резки осуществляется отрезка боковых кромок материала, выходящего из сушильного конвейера. Расстояние расположения ножниц по ширине регулируется в зависимости от вида материала.

Как только толщина мата на наматывающем барабане будет достаточной, мат подрезается и переносится вручную на стол раскладки.

Загрузка базальтовой крошки осуществляется вручную. Ритм загрузчика связан с уровнемером- специальным устройством для измерения  и поддержания постоянного уровня стекломассы в бассейне  печи. Ширина загрузочного кармана печи 0,21 м., длина- 0,25 м.

 

 

 

 

1.2. Технико- экономическое  обоснование проектируемого цеха

 

В проекте указанные выше недостатки устраняют, а именно: производство материала размещается в новом здании, планировка оборудования ведется согласно норм проектирования, внедряется загрузчик для подачи базальтовой крошки в камнеплавильную печь, раскладчик матов из базальтового волокна, ножи продольной резки материала, а также внедряется счетчик метража материала.

Предприятие ООО»ЭПОХА-БАЗАЛЬТ» расположено в п. Бытошь, Дятьковского района, Брянской области. Площадь предприятия составляет 178740 .

Завод связан с поставщиками сырья и потребителями готовой продукции с помощью автомобильных и железных дорог. С внешней сетью железных дорог предприятие связано подъездным железнодорожным путем. С внешней сетью автомобильных дорог предприятие связано подъездной автодорогой.

 Природным  газом предприятие обеспечивается  централизованно через газораспределительную станцию давлением 3 . Через заводской газораспределительный пункт понижающий давление до среднего 0,8 .

  Технической водой  предприятие снабжается из местного озера «Бытошское». Артезианской  водой предприятие обеспечивается из отдельно стоящей скважины находящейся на территории предприятия и водонапорной башни водоразмещением  и собственного разборного водопровода.

   Электроэнергию предприятие получает с подстанции Бытошская.

   Теплоэнергией предприятие снабжается от собственной котельной.

   Климат Брянской области умеренно- континентальный. Средняя температура января –(10-12) , средняя температура июля +(19-21) . Роза ветров предприятия расположена так, что все дымовые выбросы идут не на населенный пункт, а в сторону населенной части поселка.

   Сырье и материалы, используемые в производстве привозные. Для хранения сырьевых материалов на заводе имеется крытый склад, который имеет железнодорожный путь.

    Базой для подбора инженерно- технологического персонала служит Белгородский Государственный  технологический  университет им. Шухова, Дятьковский индустриальный техникум и другие учебные заведения города Брянска. Базальтовая крошка поступает на предприятие из Московского потока.

 

 

 

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

 

2.1.Ассортимент и ГОСТ на выпускаемую продукцию

 

МПБ- материал прессованный на основе базальтового супертонкого волокна (БСТВ) по связующим вырабатываемый  по ТУ 5761-001-52876233-03.

 

                                                                                      Таблица 1

                                     Технологическая характеристика

 

Наименование показателей	Значение
	Маты БСТВ	Спец.  назначения
Средний диаметр волокна, мкм, не более	3	2
Плотность в момент изготовления, кг/ , не более	25	20
Содержание неволокнистых  включений размером свыше 0,25 мм., %, не более	10	5
Теплопроводность при (25 5) , Вт/(М.К.), не более	0,042	0,042
Выщелачиваемость в пересчете на 5000 , , не более	5	5
Влажность, %, не более	2	2

 

 Маты БСТВ  после изготовления укладывают  в стопу, сворачивают в рулон и упаковывают в бумагу по ГОСТ 8273, ГОСТ 8828 или другую  бумагу, обеспечивающую сохраненность матов, или в полиэтиленовую пленку ГОСТ 10354 и перевязывают шпагатом ГОСТ  17308 или другими видами шпагата. Торцы рулонов остаются открытыми. Маты разделяют между собой полосками бумаги.

Масса одного упаковочного места должна быть не более 20 кг. Маркировка- по ГОСТ 14192.

На каждое упаковочное место наклеивают ярлык, в котором должно быть указано:

-наименование  или товарный знак завода- изготовителя;

-условное обозначение изделий;

-обозначение  технических условий;

-количество, шт.;

- масса- нетто, кг.;

- дата изготовления;

- фамилии или  условные номера и упаковщика.

Не допускаются: разрывы, дыры, грязь, мокрые и горелые пятна, капли базальтовой или стеклянной массы, завышенное количество неволокнистых включений.

 

                                                                                                                  Рисунок 1.

 

    Образец готового прошивного мата из БСТВ

 

                   

 

2.2. Выбор и  обоснование состава стекла, шихты

 

Для производства матов БСТВ мы используем следующий хим. состав стекла:

 

	%
	52
	18,5
CaO	10
MgO	3
	14,5
	2
	100

   

Кремнезем  ( ) влияет на свойства следующим образом: повышает вязкость, улучшает механические и химические  характеристики, повышает тугоплавкость и затрудняет гомогенизацию и уменьшает показатель преломления, повышает термостойкость.

 содействует  проварку стекломассы, снижает коэффициент  термического расширения, что обусловливает повышенную термостойкость, улучшается механическая прочность.

CaO в состав базальта, облегчает варку и осветление, придает химическую устойчивость.

MgO, повышает химическую устойчивость, механическую прочность базальта.

Соединения железа  в зависимости от валентности окрашивают стекла в желтоватый ( ).         

Содержание в базальте повышает коэффициент расширения и снижает термическую устойчивость базальта.

Влияние оксида натрия на свойства базальта следующее: понижает температуру плавления и  вязкость, уменьшает склонность к кристаллизации, при этом повышается плотность, показатель преломления, микротвердость, облегчает  гомогенизацию.

Материал прессованный, полученный из данного состава базальта, дешевле других видов базальтового волокна.

 

2.3.Характеристика  сырьевых материалов, топлива, требования предъявляемые к ним

 

Изделия вырабатываемые на основе  щебня и щебеночно- песчаной смеси из горных пород Барзаского месторождения Кемеровской области для производства базальтового супертонкого волокна и минеральной ваты соответствует следующему химическому составу:

 

	%
	50,0
	12,5
CaO	3,20
MgO	16,0
	15,0
	3,30

 

 К базальту и базальтовой крошке применяются следующие требования:

1.Щебень подготавливается в виде двух фракций, характеризуемых наименьшим и наибольшим номинальными размерами зерен, в миллиметрах: свыше 5 до 10; свыше 10 до 15. По согласованию с потребителями допускается изготовление щебня фракцией свыше 15 до 40.

Щебеночно- песчаная смесь изготавливается в виде фракций от 0 до 5 мм., при этом содержание зерен размером менее 1,25 мм. не должен превышать  20 % по массе.

2.Насыпная плотность щебня должна быть не менее 1300 кг/ , а щебеночно-песчаной смеси не менее 1500 кг/ .

3.В щебне и щебеночно- песчаной смеси не допускается наличие примесей в виде металлов,  песчано – глинистых пород, кварцевых жил, кислых изверженных, и соответствующих им по химическому составу горных пород (гранитов, песчаников). Содержание отдельных зерен кварца не должно превышать 0,5 % по массе.

4.В качестве сырья для изготовления щебня должно применяться диабазовой сырье фракцией  свыше 40 до 70, получение путем первичного дробления и сортировки горной породы (диабазы) Барзаского месторождения Кемеровской области.

ГОСТ базальтового щебня: ГОСТ 8269.0-97.

В качестве газа используется природный газ Московского потока.

 Состав сухого газа,%:

 

 

	%
	98,29
	0,82
	0,04
	0,01
	0,01
	0,83
	100

          

 К топливу  предъявляются следующие  требования:

- при сгорании  оно должно выделять большое  количество тепла;

- топливо должно  легко подвергаться транспортировки на большие

   расстояния;

- при сгорании  топливо не должно выделять  вредных газов для здоровья 

  людей и футеровки печей;

- топливо должно  быть дешевым.

 Для сравнения различных видов топлива по их тепловому эффекту введено  понятие об условном топливе, теплота сгорания которого принята равной 29300 кДЖ/кг.

Процесс горения топлива- быстропрекращающийся  физико-химический процесс взаимодействия его горючей смеси с окислителем, сопровождающийся выделением теплоты и света.

Процесс  горения газообразующего топлива - гомогенный, т.е. топливо и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии.

  

2.4. Выбор и  описание технологической схемы  производства

 

Данный вид производства относится к вертикальному вытягиванию. Получение БСТВ осуществляется по технологической схеме получения супертонкого стеклянного волокна. Существует 3 способа получения БСТВ, горизонтальным раздувом с первичной стадии вытягивания базальтового волокна и с последующим его раздувом камерами сгорания, находящимися в горизонтальном положении.

Способ вертикального вытягивания экономически выгоден, так как он упрощает схему расстановки технологического оборудования и конвейерных линий, уменьшает энергоемкость расставленного оборудования, снижает количество обслуживающего персонала технологической линии и физические нагрузки лиц обслуживающих установки.

В данном курсовом проекте предусматривается производство матов БСТВ с установкой стеклоплавильной печи производительностью 250 кг. в сутки, по следующей технологической схеме:

 

 

Базальтовая

крошка

загрузчик

стеклоплавильная

печь

питатель

раздувочная

 камера

намоточный

барабан

контроль

упаковка

маркировка

склад

 

Базальтовая крошка засыпается в приемный бункер загрузчика-дозатор. Из бункера базальтовая крошка через нижнюю горловину просыпается на лопатку, находящуюся над течкой загрузки печи. Лопатка через систему рычагов связана с электромагнитом и совершает горизонтально-поступательные движения и просыпает крошку в течку загрузки печи. 
     Плавление базальта производится в камнеплавильной печи с вертикальным сводовым расположением газовой горелки, течки загрузчика и рекуператора печи. Плавление происходит с температурой 1400 . Уровень базальтового расплава 25 см. Обогрев печи производится газовоздушной смесью с предварительным подогревом воздуха в рекуператоре. 
      Из ванной печи расплавленный базальт поступает в фидер, в котором происходит подготовка расплава к выработке. Из фидера расплав подается на фильерный пластинчатый питатель для формирования первичных непрерывных волокон (нитей). 

 

 

 

                                                                                                                      Рисунок 2.

                                                                 Кладка камнеплавильной печи       

          

            

 
    Первичные нити вытягиваются устройством вытяжки волокон. Устройство представляет собой пару обрезиненных валиков, приводимых во вращение регулируемым электроприводом. Устройство вытяжки через гребенку подает нити к соплу раздува. Гребенка представляет собой пружину диаметром 20мм с шагом 2–3 мм.  
    Раздув первичных волокон в штапельные производится камерой раздува. Камера раздува волокон состоит из металлического кожуха с двойными водоохлаждаемыми стенками, футерованными огнеупорным кирпичом.  
    В камере происходит сгорание смеси природного газа и сжатого воздуха. Смесь поступает в топочное пространство, в котором под действием высокой температуры, раскаленной внутренней поверхности стенок камеры и сильной турбулентности газовоздушных струй создается скоростной высокотемпературный поток.  
    Во избежание проскока пламени задняя стенка камеры представляет собой перфорированную пластину.

Нагретые до высокой температуры продукты сгорания, вследствие высокого давления, создаваемого в камере, с большой скоростью выходят через водоохлаждаемое сопло, расположенное в передней части камеры.  
     Под воздействием скоростного высокотемпературного потока газов истекающих из сопла камеры раздува первичные нити преобразуются очень тонкое штапельное волокно необходимой длины.  
     Поток продуктов сгорания вместе с волокном поступает в диффузор камеры волокноосаждения к конвейеру барабанного типа. Волокно осаждается на сетке барабана в зоне примыкания к камере волокноосаждения, благодаря разряжению создаваемому пылевыми вентиляторами (дымососами).  
    Осажденный слой волокна в виде холста на выходе уплотняется роликом и наматывается на приемный барабан, с которого по мере накопления, разрезается и снимается вручную. После этого стекловолокнистый холст подрезается и направляется по раскладчику на стол раскладки, на котором раскройщица стекловолокнистых материалов отрезает по размеру, базальтовое волокно складывает в квадрат, и затем отправляет на производство  продукции из БСТВ. В изготовленных холстах БСТВ проверяют толщину изделия при помощи игломера.

Принятый контролером производства материал упаковывают в полиэтиленовую пленку, маркируют, запаивают шов и перевязывают шпагатом. Хранятся готовые упакованные маты в сухих закрытых складских помещениях. Транспортируют потребителю любым видом крытого транспорта, предохраняющим от попадания загрязнений.

 

 

2.5. Организация технологического контроля производства. Карта технологического контроля

   

 Базальтовая крошка (щебень), предназначенная для загрузки в камнеплавильную печь, проходит предварительный визуальный осмотр, сортировку, промывку, сушку. В базальтовой крошке (щебне) не допускается наличие инородных включений в виде металла, крошек шамота, мусора.

     Загрузка  базальтовой крошки (щебня) в камнеплавильную  печь осуществляется вручную совком по заданному режиму, обеспечивающему уровень расплава базальтовой массы над питателем  60-80 мм.

     Плавление  базальтовой крошки (щебня) и получение  термически однородной базальтовой массы с вязкостью, необходимой для процесса выработки базальтового непрерывного волокна, осуществляется в малогабаритной газоэлектрической камнеплавильной печи непрерывного действия прямого  нагрева, выполненной согласно чертежа ОГК.

 

 

 

 

                                                  

Карта технологического контроля	Ответственный за соблюдение параметров	Начальник смены	Начальник смены,  КИП, оператор	Оператор, технолог	Мастер смены, оператор	Мастер смены, оператор
	Место записи	Технологический журнал	Технологический журнал	Технологический журнал	Технологический журнал	Технологический журнал
	Кем контролируется	Лаборатор	Оператор	Оператор	КИП	Мастер смены
	Чем и как контролируется	Визуально	Стационарными термопарами	Уровнемером,	Амперметро	Манометр
	Частота проверки	Ежечасно	Ежечасно	Непрерывно	Ежечасно	Ежечасно
	Задание	60-120сек	1380-1420	25-30 мм	45-55 А	0,16-0,25 кгс/
	Наименование операции технологического процесса	1.Засыпка  в стеклоплавильную печь	2.Температурный  режим стеклоплавильной печи	3.Уровень  базальтового расплава	4.Сила  тока на фильерном питателе	5.Давление  газово- здушной смеси перед камерой сгорания

 

3. РАСЧЁТНАЯ  ЧАСТЬ

3.1 Расчёт технологических и физико-химических свойств стекла.

 Химический состав стекла для производства базальтовой ваты по условиям завода следующий:

SiO2 – 52,0

CaO – 10,0

MgO – 3,0

Al2O3 – 18,5

Na2O – 2,0

Fe2O3 – 14,5

Ʃ = 100%

Плотность стекла определяется по следующей формуле:

 

 

Где P1 , P2 … Pn – содержание оксидов в стекле, %;

d1 , d2 … dn – соответствующие коэффициенты.

 

 

 

Прочность при сжатии, МПа

Rсж = P1 C1 + P2 C2 +… Pn Cn

Rсж = 52 · 12,3 + 10 · 2 + 3 · 1 + 18,5 · 10 + 2 · 6 = 859,6

Rсж = 859,6 МПа

 

Прочность при растяжении, МПа

Rр = P1 N1 + P2 N2 +… Pn Nn

Rр = 52 · 0,9 + 10 · 2 + 3 · 0,1 + 18,5 · 0,5 + 2 · 0,2 = 76,75

Rр = 76,75 МПа 

 

Теплоёмкость, ДЖ/(кг·К)

 

 

Теплопроводность, Вт/(м·К)

λ·103 = P1 λ1 +P2 λ2 +… Pn λn

λ·103 = 52 · 8,74 + 10 · 11,6 + 3 · 13,44 + 18,5 · 10,7 + 2 · 12,85 = 834,45

λ·103 = 834,45

λ = 0,83 Вт/(м·К)

 

Модуль упругости, МПа

E = P1 E1 + P2 E2 +… Pn En

E = 52 · 700 + 10 · 700 + 3 · 400 + 18,5 · 1500 + 2 · 1000 = 74350

E = 74350 МПа

 

Коэффициент термического расширения

α · 107 = α1 P1 + α2 P2 +… αn Pn

α · 107 = 52 · 0,05 + 10 · 1,66 + 3 · 0,45 + 18,5 · 0,17 + 2 ·4,32 = 32,335

α = 32,3 · 107 ° C-1

 

Термостойкость, °C 

Где RP – прочность при сжатии, МПа

αст – коэффициент термического расширения

E – модуль упругости

R – константа. R = 1 для обычных стекол

 

 

Поверхностное напряжение, H/м

Ϭ = [Pi ϬI – (t – 900) · 0,04] · 10-3

Ϭi – парциональный множитель

Ϭ = [ 52 · 34 + 10 · 4,8 + 3 · 6,6 + 18,5 · 6,2 + 2 ·1,5 + 14,5 · 4, 5 – (1200 – 900) · 0,04] · ·10-3

Ϭ = 0,39 Н/м

 

Вязкость силикатных стекол рассчитывается по формуле М. В. Охотина

 

 

Температуры, соответствующие вязкостям от 102 до 1012 Па·C определяют по формуле:

T = ax+by+cz +d

 

Где a, b, c, d – постоянные величины.

x – содержание Na2 O в стекле, %

y – содержание CaO + 3%, MgO 3%

z – содержание Al2O3

если MgO равно 3%, то вноситm поправки не нужно.

 

Определяем температуры соответствующие lg η = 2, 4, 6, 8

 

lg η = 2  T2 = -22,87 · 2 – 16,1 (10 + 3) + 6,5 · 18,5 + 1700,4 = 1565,6

lg η = 4  T4 = - 15,37 · 2 – 6,25 ·13 + 5 · 18,5 + 1194,17 = 1174,8

lg η = 6  T6 = - 10,36 · 2 – 1,18 ·13 + 4,35 · 18,5 + 910,96 = 955,35

lg η = 8  T8 = - 2,05 · 2 + 2,3 · 10 + 3,6 · 18, 5 + 656,75 = 749,15

 

По полученным значениям температуры строим кривую зависимости вязкости от температуры

     η