Минеральной ватой - материал, получаемый путем расплава горных пород или металлургических шлаков, состоящий из тонких и гибких стекловидных волокон. Вата, получаемая из расплава горных пород, называется горной ватой, а из расплава шлаков - шлаковой ватой. Высокая пористость ваты, содержащей воздушных пустот до 95% своего объема, обуславливает ее хорошие теплоизоляционные свойства.
Длина волокон минеральной ваты в зависимости от способа производства бывает от 2 до 60 мм. Вата должна содержать не менее 80 - 90% тонкого волокна диаметром менее 7 мк, более толстые волокна, диаметром не выше 50 мкм, допускаются в пределах 10 - 20%. Слишком тонкие волокна нежелательны, так как вата легко слеживается и уплотняется, причем теплоизоляционные свойства ее ухудшаются. Ухудшает их также, примесь «корольков» - затвердевших частиц шлака или горной породы, не превращенных в волокна. В зависимости от величины объемного веса минеральная вата подразделяется на три марки - 75, 100 и 125.
Технология минеральной ваты включает следующие процессы: подготовку сырья, плавление сырья и получение силикатного расплава, переработку расплава в волокно, формирование минераловатного ковра, рулонирование полученного ковра.
Сырьем для производства минеральной ваты служат мергели, сланцы смеси известняков и доломитов с глинистыми и кремнеземистыми породами. Для изготовления минеральной ваты применяют промышленные отходы, попутные продукты производств, горные породы. К сырью, для производства минеральной ваты, предъявляют следующие основные требования: оно должно иметь определенный химический состав, обеспечивающий стойкость волокна против действия эксплуатационных факторов (влаги, температуры); невысокую температуру получения расплава, образовывать силикатные расплавы с необходимыми для волокнообразования реологическими показателями. Перечисленные требования обычно обеспечиваются составлением соответствующей смеси (шихты), включающей два или более компонентов.
Доменные шлаки являются одним из основных видов сырья для производства минеральной ваты. Это расплавы (жидкие и охлажденные), в которых кристаллизуются силикаты и алюмосиликаты. В зависимости от содержания составляющих их оксидов шлаки разделяют на основные, кислые и нейтральные. В состав шлаков входят шесть главнейших оксидов, содержание которых, % по массе, колеблется в следующих пределах: SiO2 – 35¸40; А12О3 – 10¸15; СаО – 35¸45; MgO – 5¸10; Fe2O3 + FeO – 0,5¸1,0.
В качестве компонента шихты можно применять ваграночные шлаки (SiO2 – 40¸49; А12О3 – 17¸19; СаО – 19¸32; MgO – 3¸4; Fe2O3 – 3¸5), мартеновские шлаки (до 20% оксидов железа и марганца), металлургические (отвальные) шлаки, золу тепловых электростанций, отходы керамического и силикатного производства.
Горные породы могут применяться в чистом виде или в качестве компонента шихты. К числу лучших горных пород для производства минеральной ваты относят изверженные горные породы габбро-базальтовой группы и подобные им по химическому составу метаморфические горные породы, а также мергели. Содержание оксидов в составе горных пород, применяемых для производства минеральной ваты, обычно колеблется в следующих пределах, % по массе: SiO2 - 45¸65; А12О3- 10¸20; СаО - 5¸15; F2O3 + FeO - 10¸15, хотя в ряде случаев содержание отдельных оксидов выходит за указанные пределы. Габбро-базальтовые горные породы (диабазы, базальты, габбро), а также их метаморфические аналоги (амфиболиты, известковистые сланцы), мергели являются оптимальным сырьем для минераловатного производства. Получаемая из них вата характеризуется повышенной эксплуатационной стойкостью.
Расплав сырья получают в шахтных печах (вагранках), имеющих высоту 3 - 6 и внутренний диаметр 0,75 - 1,5 м при температуре 1500 - 1800°С (зона плавления). Вытекающий из нижней части печи через отверстия размером 20 - 30 мм расплав разбрызгивается давлением струи пара или сжатого воздуха на отдельные капли, которые, пролетая вдоль камеры волокнообразователя, вытягиваются в волокна, затвердевают и падают на пол камеры, представляющий собой движущийся с определенной скоростью транспортер. На транспортере образуется слой ваты в виде ленты; при выходе из камеры лента проходит через вальцы и уплотняется до нужной степени. На рис. 1 показана схема установки для получения минеральной ваты. Для предотвращения пылеобразования при раздувке расплава в него можно вводить добавки в виде минерального масла или битума, количество которых не должно превышать 1% веса ваты. Готовую минеральную вату свертывают в рулоны с прокладкой бумаги по всей ширине и длине рулона.
1- щековая дробилка для сырья; 2 - сито для просеивания дробленого щебня; 3 - транспортер; 4 - грохот; 5 - бункера щебня; 6 - вагонетки, транспортирующие смесь сырья и топлива на склад; 7 - весы; 8 - вагранка; 9 - вентилятор для подачи воздуха в вагранку; 10 - бак с водой; 11 - сопло подачи пара; 12 - бак с парафиновым маслом; 13 - камера охлаждения; 14 - вентилятор 15 - емкость для полимера
Рис. 1. Технологическая схема производства минеральной ваты
Способы переработки расплава в волокно основаны на расщеплении струи расплава, вытекающей из печи, на тончайшие струи и их вытягивании в волокна. В настоящее время известно несколько разновидностей способов переработки силикатных расплавов в волокно. По принципу воздействия энергоносителя на струю расплава, истекающего из плавильного агрегата, их можно разделить на три основных способа: дутьевой, центробежный и комбинированный.
Дутьевой (горизонтальный и вертикальный) способ основан на воздействии энергоносителя (пара, горячих газов), движущегося с большой скоростью (400... 800 м/с), на струю (струи) расплава. Энергоноситель расщепляет струю расплава и вытягивает образовавшиеся элементы в волокна.
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.
Комбинированные способы основаны на использовании как центробежной силы, так и кинетической энергии пара или газа. В промышленности наиболее широкое применение получили центробежно-дутьевой и центробежно-фильерно-дутьевой способы.
Центробежно-дутьевой способ (ЦДС) предусматривает превращение струи расплава в пленку и струйки с помощью вращающейся чаши и последующее вытягивание струек в волокна под воздействием энергоносителя.
Центробежно-фильерно-дутьевой способ (ЦФД) основан на диспергировании струи расплава в тонкие струйки, на которые затем воздействует энергоноситель. Этот способ позволяет получать практически бескорольковую вату с диаметром волокон до 1...2 мкм. Однако производительность установки не превышает 250 кг/ч. Центробежно-фильерно-дутьевой способ применяют главным образом для получения штапельного стеклянного волокна.
Минеральная вата настоящее время прочно занимает ведущее положение среди теплоизоляционных материалов из неорганического сырья. Помимо неограниченности сырьевых ресурсов, простоты производства и невысокой стоимости минеральная вата обладает рядом положительных качеств: не горит, мало гигроскопична и достаточно морозостойка; ее можно применять в качестве теплоизоляционного материала при температуре изолируемой поверхности до 600° С. Используют ее также для изготовления теплоизоляционной мастики, для чего смешивают с асбестом и вяжущими веществами - жидким стеклом, портландцементом и др.
Искусственное минеральное волокно. В связи с тем, что комовая минеральная вата очень хрупка и при ее укладке образуется много пыли. Этого недостатка не имеет гранулированная минеральная вата, т. е. вата, превращенная в рыхлые комочки - гранулы. Такую вату применяют для теплоизоляционной засыпки пустотелых стен и перекрытий. Получают гранулированную вату в специальных грануляторах, состоящих из двух зубчатых валков, ниже которых расположены барабанные сита. Проводя между вращающимися валками, вата разрывается на кусочки размером 15 - 25 мм, которые, попадая на сита, скатываются в комки. При процессе гранулирования из минеральной ваты отсеиваются корольки, что улучшает ее качество.
Искусственное минеральное волокно широко применяют для производства теплоизоляционных и акустических изделий. В зависимости от сырья и способа производства искусственное минеральное волокно можно подразделить на следующие разновидности: волокно минеральное с температурой применения до 600°С (рядовое); волокно стеклянное (стекловолокно) с температурой применения до 400°С; высокотемпературостойкое и огнеупорное волокно с температурой применения соответственно до 1000 и выше 1000°С.
Асбест. Асбестом называют минералы группы серпентинов или амфибола волокнистого строения, способные при механическом воздействии разделяться на тончайшие волокна.
По химическому составу асбестовые минералы являются водными силикатами магния, железа, кальция и натрия. Содержание воды в асбесте группы серпентина составляет 13¸ 14%, а группы амфибола - 1,5¸3% в зависимости от вида. Волокнистое строение наиболее ярко выражено у асбеста серпентиновой группы, куда относится лишь один вид асбеста - хризотил-асбест. Мировые запасы хризотил-асбеста намного превышают запасы амфиболовых асбестов. На их долю приходится 96% мировой добычи асбеста. В РФ имеется ряд крупных разрабатываемых месторождений асбеста: Баженовское (Средний Урал), Ак-Довуракское (Тувинская обл.), Киембаевское (Оренбургская обл.). За рубежом наиболее крупные месторождения хризотил-асбеста имеются в Канаде и Южной Африке.
Из амфиболовых асбестов наибольшую промышленную ценность представляют крокидолит и амозит, самые крупные месторождения которых расположены в Африке. В России также имеется месторождение амфиболовых асбестов на Урале. Амфиболовые асбесты отличаются более высокими кислото- и теплостойкостью.
По химическому составу хризотил-асбест является водным силикатом магния - 3MgO´2SiO2´2H2O. В составе хризотил-асбеста могут быть загрязняющие минеральные примеси, некоторые из них снижают свойства асбеста. Например, наличие карбоната кальция, который цементирует элементарные кристаллы асбеста, влечет за собой снижение эластичности волокон и их распушиваемости. Содержание воды и прочность ее связи с материалом в значительной степени определяют свойства асбеста и условия его применения.
Асбест имеет кристаллическую структуру волокнистого строения. Волокна асбеста характеризуются гексагональной плотной упаковкой элементарных волокон (фибрилл). Каждая фибрилла представляет собой трубку с внутренним диаметром 30¸60А и наружным - 300¸400А. Расщепляемость асбеста чрезвычайно высока. Волокно хризотил-асбеста, как бы тонко оно не было, состоит из огромного числа параллельно расположенных тончайших элементарных волокон. Плотность хризотил-асбеста в зависимости от содержания химически связанной воды и железа находится в пределах 2,4 ¸2,6 г/см3.
Хризотил-асбест обладает высокой прочностью на разрыв по оси волокнистости. Наибольшей прочностью характеризуются волокна асбеста, осторожно отделенные от кускового материала. В результате нагревания до 370°С хризотил-асбест теряет адсорбционную воду, при этом уменьшается его прочность. При охлаждении асбест вновь присоединяет к себе воду и прочность его восстанавливается. При температуре выше 370°С начинается удаление химически связанной (конституционной) воды. При этом уже нарушается структура молекулярной решетки, что приводит к потере прочности и разрушению волокон. Потеря конституционной воды - процесс необратимый. Интенсивная дегидратация хризотил-асбеста происходит при температуре 600¸700°С, поэтому температура применения этого вида асбеста ограничивается 600°С.
Горную породу, содержащую асбест, добывают открытым способом и подвергают механическому обогащению.
Товарный хризотил-асбест состоит из смеси волокон различной длины и их агрегатов. Агрегаты волокон асбеста с недеформированными волокнами размером в поперечнике более 2 мм называют кусковым асбестом, а менее 2 мм - иголками. Распушенным называют асбест, в котором тонкие волокна деформированы и перепутаны.
Первые три сорта асбеста считаются длинноволокнистыми и относятся к текстильным сортам, а последние сорта - коротковолокнистыми, их называют строительными. В зависимости от текстуры (степени сохранности агрегатов волокон) асбест подразделяют на жесткий (Ж), в котором преобладают иголки; полужесткий (П) - с равным количеством иголок и распушенного волокна; мягкий (М) - с преобладающим количеством распушенного волокна. Длину волокна оценивают как величину остатка на сите (% по массе). Условное обозначение марок асбеста включает три этих признака. Например, асбест мягкой текстуры VI сорта, дающий 30% остатка на сите, имеет марку М-6-30. Асбест самых коротковолокнистых сортов негарантированной текстуры характеризуется маркой, которая указывает его сорт и среднюю плотность. Например, марка асбеста VIII сорта со средней плотностью 750 кг/м3 обозначается фк: 8-750.
В производстве теплоизоляционных материалов в основном применяют коротковолокнистые сорта асбеста: VI, VII и VIII, значительно реже V.
Введение асбестового волокна в формовочные смеси при изготовлении теплоизоляционных материалов преследует снижение средней плотности и повышение прочности материала, а также предотвращение трещинообразования как в процессе сушки изделий, так и в период их эксплуатации. Понижение средней плотности изделий происходит вследствие высокой водоудерживающей способности волокон асбеста. При этом чем тоньше распушен асбест, тем больше количество воды он может удерживать не расслаиваясь. Последующее удаление воды сушкой приводит к образованию мелкопористой структуры. Наибольшей водоудерживающей способностью обладают хорошо распушенные коротковолокнистые сорта асбеста. Повышение прочности изделий и предотвращение трещинообразования достигается за счет армирующего действия волокон асбеста и снижения усадочных деформаций при наличии достаточного количества волокон асбеста в формовочной массе. Для достижения этих целей предпочтительно применять более длинные волокна (VI и V сортов).