Теплоизоляционные материалы. 8

Содержание

I. Введение 

II. Минеральная вата и изделия из нее. 

III. Стеклянная вата и изделия из нее. Маты прошивные. 

IV. Производство минеральной ваты. 

V. Назначение минеральной ваты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Неорганические  теплоизоляционные материалы и изделия изготовляют на основе минерального сырья (горных пород, шлака, стекла, асбеста). К этой группе относят: минеральную, стеклянную вату и изделия из них, некоторые виды легких бетонов на пористых заполнителях (вспученном перлите и вермикулите), ячеистые теп­лоизоляционные бетоны, пеностекло, асбестовые и асбестосодержащие материалы, керамические и др. Эти материалы малогигроскопичные, огнестойки, не подвергаются загниванию. Их используют как для утепления строительных конструкций, так и для изоляции горячих поверхностей промышленного оборудования и трубопро­водов. 

1.  Минеральная  вата и изделия из нее по  объему производства занимает  первое место среди всех теплоизоляционных  материалов. Этому способствует  наличие неограниченных сырьевых ресурсов для их получения в виде горных пород (доломита, известняка, мергелей и др.) и шлаков, простота технологического процесса и небольшие капиталовложения при организации производства. 

Минеральная вата состоит из искусственных минеральных  волокон. 

Производство  минеральной ваты включает две основные технологические операции — получение  расплава и превращение его в  тончайшие волокна.   Для получения  расплава применяют, как правило, шахтные  плавильные печи — вагранки или  ванные печи.  Превращение расплава в минеральное волокно производят дутьевым или центробежным способами. 

При дутьевом способе  выходящий из печи расплав разбивается  на мелкие капельки струей пара или  воздуха, которые вдуваются в  специальную камеру и в полете сильно вытягиваются, превращаясь в тонкие волокна диаметром от 2 до 20 мкм. 

При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстровращающийся  диск центрифуги и под действием  большой окружной скорости сбрасывается с него и вытягивается в волокна. Объемная масса минеральной ваты — 75—150 кг/м3, теплопроводность 0,042—0,046 Вт/ (м • К). Вата не горит, не гниет, ее не портят грызуны, она малогигроскопична, морозостойка и температуростойка. Минеральную вату применяют для теплоизоляции как холодных (до —200 °С), так и горячих (до +600 °С) поверхностей, чаще в виде изделий: войлока, матов, полужестких и жестких плит, скорлуп, сегментов. Иногда вату используют в качестве теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и перекрытий, для чего ее гранулируют, т. е. превращают в рыхлые комочки во вращающемся

дырчатом барабане. 

Минеральный войлок выпускают в виде листов и рулонов  из минеральной ваты, слегка пропитанной  дисперсиями синтетических смол и спрессованной (рис. 1, а). Объемная масса войлока — 100—150 кг/м3, теплопроводность — 0,046—0,052 Вт/ (м- К). Листы и полотнища минерального войлока длиной 100—300 см, шириной 275_125 см, толщиной 3—6 см применяют для утепления стен перекрытий в кирпичных, бетонных и деревянных домах. 

Минераловатные  маты представляют собой минераловатный ковер, заключенный между битуминизированной бумагой, стеклотканью или металлической сеткой, прошитый прочными нитями или тонкой проволокой (рис. 1, г). Длина матов— от 60—120 но 500 см, ширина — от 30—100 до 150 см, толщина — от 3 до 10 см. Объемная масса матов— 100—200 кг/м3, теплопроводность — от 0,046 до 0,058 Вт/(м-К). 

Маты применяют  для теплоизоляции ограждающих  конструкций жилых и общественных зданий, их используют также для  утепления свежеуложенных бетонов  и растворов при строительстве  в холодное время года. 

Минераловатные  полужесткие плиты (рис. 1 б) изготовляют  из минерального волокна путем нанесения  на него распылением связующего (синтетических  смол или битума) с последующим  прессованием и термообработкой  для сушки или полимеризации. Объемная масса плит в зависимости от вида связующего и уплотнения — 75—300 кг/м3, теплопроводность — 0,046—0,069 Вт/(м-К). 

Полужесткие изделия  применяют для теплоизоляции  ограждающих конструкций зданий и горячих поверхностей оборудования при температуре до 200—300 °С, если изделия изготовлены на син­тетическом связующем, и до 60 °С— на бутумном связующем. 

Минераловатные  жесткие изделия получают смешиванием  минеральной ваты с битумной эмульсией  или синтетическими смолами с  последующим формованием, прессованием и прогреванием отформованных изделий для их сушки или полимеризации. Минераловатные жесткие плиты изготовляют длиной 1 м, шириной 0,5 и толщиной 4, 5, 6 см. Жесткие плиты делят на марки от 150 до 400 кг/м3. Теплопроводность плит находится в пределах 0,051—0,087 Вт/ (м-К). 

Минераловатные  жесткие плиты применяют для  утепления стен, покрытий и перекрытий жилых и промышленных зданий и. холодильников. Жесткие плиты и фасонные изделия  — сегменты, скор­лупы (рис. 1, б) на  

синтетическом и бентонитоколлоидном связующих применяют для теплоизоляции горячих поверхностей. 

Промышленность  выпускает также Минераловатные плиты повышенной жесткости и  твердые плиты на синтетических  связующих, которые характеризуются  более высокой прочностью и большими размерами, чем обычные жесткие плиты. Такие плиты размером 180x120 см, а при определенных параметрах уплотнения до 360 X 120 см экономически целесообразно применять для утепления стен, перекрытий и покрытий зданий. Например, 1 м2 покрытия с использованием твердых минераловатных плит (рис. 2) в 5—7 раз легче и на 25—40 % дешевле по сравнению с железобетонным покрытием, утепленным пенобетоном (рис. 3). 

2.  Стеклянная  вата и изделия из нее. 

Стеклянная вата является разновидностью искусственного минерального волокна. Для изготовления ваты используют стеклянный бой или те же сырьевые материалы, что и для оконного стекла: кварцевый песок, известняк или мел, соду или сульфат натрия. Тонкое стеклянное волокно для текстильных материалов получают вытягиванием из расплавленной стекломассы (фильерный и штабиковый способы). Более грубое волокно, применяемое для тепловой изоляции, изготовляют дутьевым или центробежным способами. Такое волокно обычно называют стеклянной ватой. 

Объемная масса  стеклянной ваты обычно не превышает 125 кг/м3, i теплопроводность — 0,052 Вт/ (м-К). Промышленность выпускает также супертонкое стекловолокно с объемной массой до 25 кг/м3  и теплопроводностью около 0,03 Вт/(м-К). 

Стеклянная вата практически не дает усадки в конструкциях, волокна ее не разрушаются при  длительных сотрясениях и вибрации. Она плохо проводит и хорошо поглощает звук, малогигроскопична, морозостойка. Слой стеклянной ваты толщиной 5 см соответствует по термическому сопротивлению кирпичной стене толщиной в 1 м. 

Стекловатные  маты длиной до 300 см, шириной до 100 см и толщиной 2—6 см и полужесткие и жесткие плиты размером 100 X (50—150) X (3—5 см), а также фасонные изделия на связующих из синтетических смол применяют в качестве теплоизоляционного и акустического материала при температуре не выше 200 оС, а прошивные маты и полосы — при температуре до 450 °С.

водной углекислой солью магния (ньювель) или ас­беста с водной углекислой солью магния и углекислого кальция (совелит), получаемых  

виде порошков используют для засыпной или мастичной  теплоизоляции, а также для изготовления плит, скорлуп и сегментов. Совелит дешевле и не менее эффективен, чем ньювель. 

Объемная масса  совелитовых изделий — не более 400 .кг/м8, теплопроводность при 100 °С—  не выше 0,093 Вт/ (м-К), предель­ная температура  применения — 500 °С. 
 

Стеклянная вата — этот материал представляет собой  минеральное волокно, которое по технологии получения и свойствам  имеет много общего с минеральной  ватой. Для получения стеклянного  волокна используют то же самое сырье, что и для производства обычного стекла или отходы стекольной промышленности. Кроме того, для нужд специальной теплоизоляции используются каолиновая, кварцевая и графитовая вата. Эти разновидности ваты обладают повышенной температуростойкостью. 

Стекловату получают в основном фильерно-дутьевым способом. 

По свойствам  стекловата несколько отличается от минеральной. Волокна стеклянной ваты имеют большую толщину (16-20 мкн), чем  минераловатные. Они обладают повышенной упругостью. Стеклянная вата содержит очень мало неволокнистых включений, обладает высокой вибростойкостью. Марки стекловаты практически те же, что и минеральной. 

Усредненный состав для для производства минеральной  ваты и стекловаты представлен в  таблице. 

Прочность волокон  стеклянной ваты выше, чем у минеральной (R(p) = 20 — 25 Мпа). Коэффициент теплопроводности — 0,030-0,052 Вт/(мК). 

Температуростойкость  стеклянной ваты обычного состава — 450њС, что ниже, чем у минеральной  ваты. 

Комовую стеклянную вату для тепловой изоляции применяют  реже, чаще всего ее перерабатывают в изделия. 

Изделия на основе стеклянной ваты (ГОСТ 104 99-93). 

Технология получения  мягких и полужестких стекловатных изделий практически ничем не отличается от производства аналогичных  изделий из минеральной ваты. 
 

Стекловатные  жгуты (шнуры) представляют собой гибкие теплоизоляционные материалы, состоящие из стекловатного сердечника, оплетенного штапельным стекловолокном. 

По свойствам  стекловатные изделия несколько  отличаются от минераловатных. Они  имеют меньшую среднюю плотность, большую прочность и вибростойкость, но обладают меньшей температуростойкостью. 

Стекловатные  изделия применяются наряду с  минераловатными для тепловой изоляции строительных конструкций, но основной областью применения является изоляция холодильников, трубопроводов, промышленного оборудования, работающего в условиях вибрации, а также транспортных средств. 

Крупнейшими компаниями — производителями стекловатных теплоизоляционных материалов на рынке  России являются фирмы Флайдерер-Чудово (Новгородская область) и ISOVER — «ИЗОВЕР» (Финляндия)..

4. Производство  минеральной ваты

Исходными данными  для расчета шихты  служат химические составы сырьевых материалов и заданный модуль кислотности  минеральной  ваты, который обусловливается назначением  минеральной ваты, условиями ее службы в конструкции и способом переработки расплава в минеральное волокно. 

Состав  шихты  рассчитывают двумя методами: 

    * методом  составления и решения системы  алгебраических уравнений;

    * методом  последовательного приближения. 

       -Метод составления и  решения алгебраических уравнений

     Обычно  шихта для производства минеральной   ваты состоит из двух видов  сырья. Поэтому при расчете  шихты  составляют и решают  систему двух уравнений с двумя  неизвестными X и У, выражающими  количество составных частей шихты.

     Одно  из уравнений имеет вид: 

     Х·У=1, а другое уравнение представляет  собой выражение модуля кислотности:  

     где  Si02, Al2O3, CaO и МgO – содержание соответствующих  оксидов в первом (основном) компоненте  шихты, %; 

     SiO2, Al2O3, СaО" и МgО" – содержание  тех же оксидов во втором  компоненте шихты, %; 

     Мk  – величина заданного модуля  кислотности. 

     Решая  уравнения относительного X или У,  получают содержание сырьевых  материалов в шихте в долях  единицы, а затем выражают состав шихты в процентах по массе. Расхождение величины модуля кислотности заданного и подученного в результате расчета не должно превышать 5 %.

         -Метод последовательного  приближения

     Этот  метод состоит в том, что, задаваясь  содержанием какого-либо одного оксида в получаемой минеральной вате и зная содержание этого оксида в составе сырьевых материалов, в порядке определенной очередности находят количество отдельных частей шихты. Таким составляющим обычно является один из оксидов, определяющий величину модуля кислотности, чаще всего SiO2. 

      Из двух видов сырьевых материалов, составляющих шихту, один считают  основным, а другой - дополнительным  корректирующим, количество которого  выражают через X. Далее задаются оптимальным содержанием SiO2 в расплаве (а). Зная процентное содержание SiO2 в основном (б) и дополнительном сырье (в), составляют уравнение: 

     а  = в +X (b-б) 

     откуда  определяют 

     X = (a-б) / (в-б) 

Вычислив  количество дополнительного сырья (в долях единицы), находят путем  вычитания его из единицы количество основного сырья (1–Х). Затем определяют процентное содержание отдельных химических оксидов в составе шихты, как показано на следующем примере. 

     Пусть  содержание SiO2 в основном и дополнительном видах сырья будет n и m (%), тогда содержание можно выразить равенством, %: 

     в  составе шихты

# SiO2=n(1-X)+mX 

     Так  же находят содержание и других  оксидов, определяющих модуль  кислотности, т.е. Al2O3, CaO, MgO. 

     Подставляя  найденные значения в этих четырех  оксидов в формулу для определения  модуля кислотности, находят его  величину. Если модуль кислотности  оказался в заданных пределах, то расчет состава шихты на этом заканчивают, пересчитывая только содержание обоих видов сырья с долей единицы в проценты по массе, и вносят поправку на влажность материалов. 

     Если  же полученный модуль кислотности  выходит  за пределы заданных  значений, то задаются другой  величиной содержания SiO2 в составе  шихты и повторяют расчет. При излишне высоком значении Мk для повторного расчета принимают меньшее содержание SiO2, а при недостаточной величине Мk берут меньшее содержание СаО в составе шихты.

          Расчет  шихты 

Требуется определить расход сырьевых материалов для получения 1 т минеральной ваты при следующих исходных данных для расчета: 

заданный  модуль кислотности расплава Mk=1,45; 

основное  сырье  – доменный шлак; 

дополнительное  сырье – кирпичная глина; 

влажность доменого шлака – 8 %; 

влажность кирп. глины – 2 %;

Таблица 3.1 –  Химический состав сырья

Сырье   

          o содержание  оксидов, массовая  доля 

SiO2  Al2O3  CaO  MgO

Доменный  шлак  29,6  15,9  34,9  9,2

Кирпичная глина   76,4  8,4  2,1  1,1

    Сравнивая  метод последовательного  приближения ( =1.45) и метод составления и решения уравнения ( =1,44), можно сделать вывод, что с помощью обоих методов можно достаточно точно определить модуль кислотности шихты и содержание необходимых оксидов в расплаве при довольно незначительных погрешностях в вычислении.

- Расчет минерального  баланса                                                                                 

            Таким образом, расчет шихты,  произведенный обоими методами, позволил установить, что шихта должна состоять из 82% доменного шлака данного химического состава и 18% керамической глины. 

            Следовательно, для получения  1 т минеральной  ваты без  учета влажности сырьевых материалов  и производственных потерь расход компонентов шихты составляет, кг:

                + доменного шлака – 820

                + керамической глины– 180; 

            Введя поправку на влажность,  получим:

                + расход доменного шлака –  820 · 1,08 = 885,6 кг

                + расход кирпичного боя– 180 ·  1,02 = 183,6 кг 

            Предположим, что общие производственные  потери (при транспортировании и  складировании материалов, при их  дроблении) и отходы при переработке  расплава в волокно составляют  для шлака 28%, а для глины - 20%. Тогда практический расход материалов в естественном состоянии на 1 т минеральной ваты составляет:

                + мартеновского шлака –885,6 · 1,28 = 1133,6 кг;

                + кирпичного боя – 183,6 · 1,2 = 220,32 кг. 

5. Назначение минеральной ваты 

     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. 

    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 нескрепленными 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 прошив-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. 

6.Контроль производства минеральной ваты и изделий

  Контроль  производства минеральной ваты  включает в себя:

                      # входной контроль качества и  соответствие требованиям стандартов  сырьевых материалов;

                      # контроль технологического процесса переработки сырьевых материалов в минеральное волокно и изделие из него;

                      # контроль качества и соответствие  показателей качества продукции  требованиям нормативным документам  к минеральной вате и изделий  из нее. 

      Что касается производства минеральной ваты во время входного контроля оценивается качество шлакового щебня согласно ГОСТ18866-81 и дополнительного компонента с горных пород или искусственных силикатных материалов по методике ДСТУ Б В.2.7-42-97, ДСТУ Б В.2.7-71-98 (ГОСТ 8269-97). 

        Результаты  испытаний сравнивается  с требованиями стандарта относительно  изделия, для  прошивных матов  ДСТУ Б В.2.7-98-2000 (ГОСТ 21880-94). 

        Контроль технологического процесса  переработки сырья на теплоизоляционный материал или изделие из него осуществляется в соответствии с регламентом и нормативов, указанных в технологической карте. 

     Выходной  контроль с приемом и сертификацией   готовой продукции согласно приведенного  примера осуществляется лабораторией  и отделом технического контроля за методами ДСТУ Б В.2.7-38-95 (ГОСТ 17177-94). 

      На заводе ссылаютя на  требования  действующих  стандартов по  приему, упаковка, складирование, хранение, транспортировку и поставки пользователям  готовой продукции по ГОСТ 25880-83 и ГОСТ 26281-84.