Изоляционные материалы из базальтовых волокон, полученных индукционным способом 05. 23. 05 Строительные материалы и изделия



НазваниеИзоляционные материалы из базальтовых волокон, полученных индукционным способом 05. 23. 05 Строительные материалы и изделия
страница2/3
ТАТАРИНЦЕВА ОЛЬГА СЕРГЕЕВНА
Дата15.07.2013
Размер0.57 Mb.
ТипАвтореферат
источник
1   2   3

Для изучения влияния температурно-временных режимов плавления на физико-химические свойства стекол расплавы из горных пород получали в лабораторных электрических печах прямого нагрева при 1450 °С и на промышленной установке в индукционном тигле при 2000 °С. Сравнительный анализ базальтовых стекол, сваренных в разных условиях, показал, что химический состав их достаточно близок, однако прослеживается явная тенденция к снижению суммарного содержания оксидов железа в высокотемпературных расплавах, приводящему к изменению физико-химических свойств. Стекла, полученные в индукционной печи, характеризуются пониженной вязкостью и менее склонны к кристаллизации. При этом они, обладая высокой химической однородностью, обеспечивают более широкий tивв (табл. 2.1), а также практически бездефектную поверхность непрерывных волокон (рис. 2.5), обусловливающую их повышенную прочность.


Таблица 2.1

Температурный интервал выработки и параметры волокон

Наименование породы

tварки, °С

tивв, °С

d, мкм

δр, МПа


Габбро

1450

1410 …1450

7…8

2300 ± 90

2000

1380 …1430

7…8

2500 ± 100

Диабаз


1450

1420 …1450

6…7

2560 ± 70

2000

1400 …1440

6…7

2750 ± 80

Базальт

1450

1390…1440

10…12

1800 ± 100

2000

1380…1440

11…12

1870 ± 70

Примечание: d – диаметр волокна; δр – прочность при растяжении





Рисунок 2.5 – Электронная фотография базальтовых непрерывных волокон


С учетом выбранных критериев проведена оценка возможности использования в производстве штапельных и непрерывных волокон горных пород Сибири и Дальнего Востока с различным химическим составом, характеризуемым модулями кислотности Мк и вязкости Мв (табл. 2.2). Эксперименты показали, что условия получения стекол для каждой из пород различны, однако все они переходят в расплав при температуре не выше 1450 ºС. При этом отмечено, что скорость дегазации и гомогенизации расплава в значительной степени зависит от величины поверхностного натяжения стекломассы (плавление долерита и караканского базальта сопровождается самым низким газовыделением и заканчивается быстрее по сравнению с другими породами).

Таблица 2.2
^
Основные характеристики расплавов

Наименование породы (месторождение)

Мк

Мв

σ,

Н/м

η, Па·с, при t,ºС

tвпк, ºС

tивв, С

1400

1450

Габбро (Харпа)

6,24

2,56

0,382

18,3

10,7

1295

1440…1450

Долерит (Банчиковское)

5,87

2,12

0,365

13,4

8,9

1295

1370…1400

Базальт (Караканское)

5,67

2,13

0,370

19,8

12,4

1300

1390…1440

Диабаз (Васильевское)

4,88

1,99

0,380

9,6

7,4

1310

1420…1450

Габбро (Малетинское)

4,27

1,82

0,386

7,6

4,8

1310

1410…1450

Амфиболит (Турочак)

3,37

1,60

0,384

5,6

3,8

1330

отсутствует

Диабаз (Буготакское)

3,34

1,64

0,386

7,4

5,0

1300

1370…1395

Оптимальный уровень вязкости для формования штапельных волокон имеют только расплавы диабазов, амфиболита и малетинского габбро, а необходимый для выработки тонких непрерывных волокон у большинства исследованных пород реализуется в недостаточно широком температурном интервале.

Практически отсутствует tивв у амфиболита, расплав которого обладает повышенной кристаллизуемостью и смачиванием. Достаточно высокая прочность и химическая устойчивость полученных в лабораторных условиях тонких и грубых непрерывных волокон к агрессивным средам позволила рекомендовать их для изготовления композиций, работающих в экстремальных условиях. Минеральная вата, изготовленная из всех исследованных пород, удовлетворяет требованиям нормативной документации для вида ВМСТ.

^ В третьей главе описан разработанный и запатентованный способ получения минераловатного ковра из базальтовых супертонких волокон, изложены теоретические и экспериментальные исследования преобразования расплава в волокно в акустическом газодинамическом поле, результаты которых использованы при отработке технологического процесса получения минеральной ваты и создании промышленного производства. Сформулированы научные подходы к повышению производительности установок по выпуску волокнистых утеплителей.

Разработанный технологический процесс получения из горных пород минеральной ваты реализуется на промышленном оборудовании согласно приведенной на рис. 3.1 схеме.




Рисунок 3.1 Аппаратурно-технологическая схема производства минеральной ваты: 1 – дутьевое устройство; 2 – высокочастотный генератор; 3 – блок нагрузочного контура; 4 – индукционная печь; 5 – шихтопровод; 6 – камера волокноосаждения; 7 – дозатор


Исходное сырье из бункера дозатора пневмотранспортом подается в циклон-разгрузчик, установленный над плавильной зоной печи, и за счет действия центробежных сил равномерно разбрасывается по поверхности расплава, для сохранения которого используется тигель, установленный внутри катушки-индуктора, подключенной к нагрузочному контуру генератора. При плавлении породы стенки тигля, выполненные в виде ряда медных трубок, охлаждаемых водой, покрываются коркой застывшего расплава, образуя слой гарнисажа, предохраняющего их от взаимодействия с высокотемпературным расплавом. Разогрев тигля на стадии пуска в состоянии, при котором базальтовая шихта является диэлектриком, производится теплом, выделенным при нагреве и сжигании стартового материала – порошкообразного графита, размещаемого поверх шихты по периметру тигля. При выгорании графита на поверхности шихты образуется кольцо из перегретого расплава, который поглощает высокочастотную энергию электромагнитного поля и за счет избыточного тепла переплавляет шихту. Через некоторое время устанавливается тепловой баланс, при котором мощность поглощаемого электромагнитного поля становится равной суммарной мощности потерь в тигле с расплавом. В конструкции тигля предусмотрена водоохлаждаемая перегородка, разделяющая его на плавильную и выпускную зоны. Последняя снабжена выпускной леткой, через которую сливается расплав при превышении его уровня над уровнем нижней кромки летки. В режиме стабилизации плавления породы непрерывно истекающая из выпускной зоны тигля струя расплава подается на направляющий лоток и втягивается в дутьевое устройство, где сверхзвуковым турбулентным потоком воздуха перерабатывается в супертонкие волокна. Отработанный энергоноситель вместе с волокном и неволокнистыми включениями попадает в камеру волокноосаждения, внутри которой находится конвейер с транспортерной лентой из металлической сетки. Благодаря разрежению, создаваемому дымососом, волокна оседают на движущейся сетке конвейера, образуя слой ваты (ковер), который при сходе с конвейера рулонируется на скалке.

Патентно-информационный поиск и проведенные эксперименты показали, что в большей мере, чем от остальных параметров технологического процесса, качество минеральной ваты зависит от конструкционных особенностей дутьевых устройств. В работе рассматривались головки двух типов – вихревая (центробежная) и струйная (прямоточная). Полученные результаты предопределили выбор для дальнейших исследований устройства струйного типа, обеспечивающего достаточно высокое качество продукции при меньших затратах энергоносителя. Моноволокна в минеральной вате, изготовленной с использованием струйной головки, по форме и диаметру аналогичны получаемым по «фильерной» технологии (рис. 3.2), а характер их распределения в минераловатном ковре по диаметру (рис. 3.3) говорит о стабильности процесса раздува и надежности работы выбранной конструкции головки.






Рисунок 3.2 – Электронная фотография минеральной ваты из супертонких волокон





Диаметр, мкм



Рисунок 3.3 – Распределение моноволокон по диаметру в минераловатном ковре


Несмотря на большое количество работ, описывающих волокнообразование из расплавов, механизм формирования волокон в газодинамическом поле с использованием прямоточной головки остается недостаточно ясным. Предлагаемая нами гипотеза основана на предположении, что возникающий в прямоточной головке сверхзвуковой поток энергоносителя своим ультразвуковым полем генерирует на поверхности расплава капиллярные поверхностные волны и одновременно срывает их вершины путем последовательного сдвига. В развитие этой гипотезы рассмотрены вопросы теоретического расчета параметров струи расплава, втекающей в раздувочную головку, и акустических характеристик капиллярных волн, генерируемых на ее поверхности.

Поскольку совокупность кольцевого сопла со струей расплава представляет собой газоструйный генератор акустических колебаний стержневого типа – генератор Гартмана, есть основание применить теорию его работы к процессу раздува. Согласно этой теории, излучение звука тесно связано с эффектом, возникающим в сверхзвуковых газодинамических струях и проявляющимся в виде разрывов и скачков давления. Струя при этом приобретает ячеистую структуру, в которой периодически изменяются давление, температура, плотность и скорость. Так как источником энергии в газоструйных излучателях служит кинетическая энергия газового потока, обладающего ячеистой структурой, основным параметром, характеризующим воздействие акустических колебаний на струю, будет являться длина первой ячейки Δ0 с центральным стержнем диаметром dcт (диаметром струи расплава):

,

где dc – диаметр сопла; ри = (рс – ра) – рабочий перепад давлений в сопле и окружающей атмосфере.

Для выбранного варианта струйной головки при давлениях 0,2…0,4 МПа и вязкости расплава в интервале 2…20 Па·с длина ячейки составит

6…16 см. С учетом того, что в область косых скачков давления попадает половина струи расплава, находящейся в первой ячейке, зона воздействия акустических колебаний на струю будет находиться в пределах

3…8 см по ее длине с поверхностью от 9 до 11 см2.

Акустическая мощность Na и мощность, необходимая для поддержания требуемой скорости потока Nп, задаются выражениями:

,. (3.1)

Интенсивность звука падающей на поверхность струи расплава площадью А звуковой мощности Na:

.

Если звуковая волна не отражается струей расплава, в ней возбуждаются колебания частиц, параметры которых связаны с интенсивностью падающей мощности выражением:

, (3.2)

где – плотность среды; – круговая частота, равная 2πf; с1 – скорость звука; Ym и рm – максимальные значения амплитуды смещения и звукового давления.

При падении звуковой волны на границу двух сред, часть звуковой энергии отражается от нее, а остальная переходит во вторую среду. При этом в ней образуются продольные и поверхностные волны. Коэффициент отражения равен:

. (3.3)

Здесь ρ1, ρ2 и с1, с2 – плотность сред и скорость звука в них.

В жидких средах существуют продольные объемные волны, а также поверхностные поперечные в виде капиллярных, скорость которых находится из выражения:

, где . (3.4)

Амплитуда прошедшей капиллярной волны не равна разности амплитуд падающей и отраженной волн, однако интенсивность ее определяется их разностью:

. (3.5)

Даже при минимальной скорости распространения продольных волн в жидкости значение кг/м2·с. Для воздуха кг/м2·с. Отсюда интенсивность прошедшей волны Jn 0.

Скорость поверхностной волны в диапазоне 10…70 кГц, рассчитанная в соответствии с (3.4), находится в интервале 2…4 м/с. Тогда для средней скорости волны 3 м/с кг/м2·с, а интенсивность прошедшей волны будет равна . Исходя из этого следует полагать, что 20 % звуковой энергии, падающей на расплав, преобразуется в поверхностную волну. Такой вывод можно отнести ко всему спектру акустических колебаний (20…100 кГц), генерируемых головкой. Поскольку спектр в этой области неравномерный, характеризующийся дискретным тоном в зоне 30…40 кГц и спадом в зоне 80…100 кГц, разделим его на полосы шириной 20 кГц со средней частотой в каждой полосе: 30±10, 50±10, 70±10 и 90±10 кГц.

Учитывая, что фазовые скорости сф поверхностных волн в пределах одной полосы отличаются незначительно, всю совокупность волн в ней можно рассматривать как волновой пакет с групповой скоростью:

. (3.6)

Подставив в формулу (3.6) скорость поверхностной капиллярной волны из (3.4) и сделав необходимые преобразования, получим:

. (3.7)

Вычисленные по (3.7) групповые скорости в зонах акустических колебаний 30, 50 и 70 кГц будут соответственно равны 4,60; 5,40 и 6,10 м/с.

Так как перенос энергии происходит с групповой скоростью, вся энергия волнового движения, приходящаяся на полосу, будет определять амплитуду гребня поверхностной волны. С учетом этого замечания, используя (3.1) и (3.5), из выражения (3.2) получим максимальное значение амплитуды гребня поверхностной волны:

. (3.8)

Максимальная амплитуда гребня волны определяется равенством звукового давления и препятствующего ему поверхностного натяжения, возрастающего по мере роста амплитуды и сопутствующему ему уменьшению радиуса кривизны вершины волны.

Вынужденные колебания частиц поверхностного слоя при распространении капиллярных волн зависят не только от восстанавливающей силы капиллярного притяжения (поверхностного натяжения), но также от вязкого трения, приводящего к уменьшению их амплитуды:

. (3.9)

Здесь – коэффициент затухания волны за счет вязкого трения

Тогда . (3.10)

Подставляя в (3.10) значение «с» из (2.4), имеем

. (3.11)

Оценка зависимостей скорости и длины капиллярных волн от затухания показала, что они не превышают 8 %, поэтому в дальнейших расчетах ими можно было пренебречь.

В соответствии с формулой (3.9) максимальные значения амплитуд гребней поверхностной волны при вязкости расплава 0,5, 2, 10 и 20 Па·с

равны 0,98Y0, 0,94Y0, 0,74 Y0 и 0,53 Y0.

Максимальное значение возбуждающего волну давления и соответствующее ему минимальное значение радиуса определяются из выражений: ; .

Процессы в раздувочной головке осесимметричны, поэтому волновой фронт капиллярной волны распространяется по окружности струи расплава. При этом на гребень действуют две силы – давление набегающего потока воздуха и сила поверхностного натяжения, препятствующая его деформации. Представим для наглядности сечение волны в виде усеченного треугольника с радиусом кривизны вершины r (рис.3.4).




Рисунок 3.4 – Гребень струи расплава

Под действием поперечного газодинамического потока гребень будет разрушаться, причем с большей вероятностью разрушение будет происходить в области перехода наибольшей кривизны его вершины к более низким значениям. При этом от гребня волны отрывается часть в виде полуцилиндра, который не может быть разрушен сорвавшей его силой при условии . Сорванный с вершины гребня полуцилиндр под действием поверхностного натяжения преобразуется в цилиндр с диаметром, эквивалентным диаметру волокна: .

Представленные в табл. 3.1 расчетные значения минимального диаметра волокна в зависимости от вязкости расплава и частоты генерированных раздувочной головкой ультразвуковых колебаний находятся в полном соответствии с результатами, полученными экспериментальным путем (рис. 3.5).


Таблица 3.1

Расчетные значения минимального диаметра волокна

р, МПа

η, Па·с

dв, мкм, при f, кГц

30

50

70

0,25

0,5

2

10

20

1,20

1,27

1,95

3,21

1,15

1,20

1,86

3,02

1,00

1,07

1,55

2,47

0,40

2

20

1,15

2,88

1,10

2,73

0,96

2,20




Температура, ºС



Рисунок 3.5 – Зависимость среднего диаметра волокна от температуры расплава на входе в раздувочную головку


Так как кольцевое сечение струи расплава с r r0 внешним давлением не может быть разрушено, предполагаемый механизм образования протяженного волокна связан с начальным поперечным разрушением отделяемой каймы гребня на дефекте сплошности и дальнейшим последовательным отрывом (сдвигом) частиц каймы от его вершины (рис. 3.6). При этом каждая из частиц остается связанной с телом струи.




Рисунок 3.6 – Разрушение гребня:

1 – струя расплава; 2 – амплитуда капиллярной волны; 3 – сдвинутая газодинамическим потоком часть гребня


Срыв частиц усиливается за счет сил трения растущего свободного конца волокна с энергоносителем. Вершина гребня, с которой сорвана частица, зарастает в результате действия сил поверхностного натяжения и разрушается в дальнейшем по описанному механизму. Поскольку возникновение капиллярных волн и их разрушение происходят одновременно, естественно полагать, что сдвиг вершины волны может начаться раньше, чем волна наберет рассчитанную нами для стационарного случая максимальную амплитуду. В этом случае возможен сдвиг более плоской вершины. Образованный при этом полуцилиндр может либо превратиться в цилиндрическое волокно с диаметром большим, чем dmin , либо, если вершина плоская, застыть в виде чешуйки. Описываемые процессы зависят от вязкости расплава, поверхностного натяжения и времени его охлаждения.

Максимальная длина волокна будет определяться размером отслаиваемой каймы по всей окружности струи расплава, т.е. lmax = πdст, где

dст – диаметр струи.

Из представленных в табл. 3.2 расчетных значений диаметра струи расплава и максимальной длины волокна в сравнении с экспериментально полученными результатами видно, что они вполне сопоставимы.

Таблица 3.2
^

Параметры струи расплава и образующихся волокон


G, кг/ч

Значения параметров при η, Па·с

2

20

dст, мм

lmax, мм

*lmax, мм

dст, мм

lmax, мм

*lmax, мм

15

20

30

40

5,93

6,54

7,0

8,2

18,5

20,4

23,8

25,7

15±3

20±3

20±5

25±5

10,6

11,5

13,3

14,6

33,4

36,3

41,8

45,8

30±5

35±5

40±5

40±5

*lmax – измеренная максимальная длина волокон

Теоретически найденные значения параметров струи расплава и образующихся волокон, имеющие хорошую сходимость с экспериментальными данными, свидетельствуют о достоверности описанного механизма расщепления струи на волокна.

Результаты проведенных исследований нашли отражение в создании производства большей мощности (400 т/год).

^ В четвертой главе рассмотрены и проанализированы принципы компоновки связующих и формирования с их использованием минераловатных изделий. Приведены результаты рецептурно-технологических проработок по созданию из базальтовых супертонких волокон теплоизоляционных материалов различного назначения с высокими эксплуатационными свойствами, нашедшие выражение в разработке аппаратурно-технологических схем их промышленного производства. Предложена методика определения долговечности, позволяющая прогнозировать сроки эксплуатации теплоизоляционных изделий в зоне умеренно холодного климата и представлены результаты испытаний.

При получении волокнистых материалов с заданными свойствами одной из наиболее важных проблем является выбор связующего и способа его нанесения на волокна.

Эксперименты по компоновке рецептур связующих для теплоизоляционных изделий различного назначения показали преимущество в производстве плит с использованием метода пролива минераловатного ковра смесевого связующего, содержащего в качестве основных компонентов поливинилацетатную дисперсию ПВА и натриевое жидкое стекло, а при получении из гидромасс скорлуп оказалось эффективным применение глинисто-целлюлозного связующего. В целях повышения гидролитической стойкости изделий в композиции вводили гидрофобизаторы, а гомогенность систем при смешивании обеспечивалась введением поверхностно-активных веществ. В результате проведенных в лабораторных условиях рецептурно-технологических исследований получены образцы теплоизоляционных материалов, по основным техническим характеристикам не уступающих аналогичным зарубежным и отечественным, а по термо- и водостойкости превосходящих их. Это дало основание приступить к разработке технологических процессов их промышленного производства.

Наиболее востребованные среди широкого ассортимента минераловатных утеплителей теплоизоляционные плиты, относящиеся к категории полужестких, имеют, как правило, горизонтально-слоистую внутреннюю структуру, обусловливающую низкую прочность изделий при сжатии-растяжении и расслоение при эксплуатации. Лучшими характеристиками обладают плиты, в которых волокна ваты расположены преимущественно в вертикальном положении. Прочность при сжатии таких образцов в 2-3 раза выше, чем образцов только с горизонтально-слоистой структурой, поэтому при разработке способа формования полужестких плит нами предложено ввести в состав конвейерной линии устройство по частичной переориентации волокон в вертикальное положение (механизм гофрирования).

Поскольку основные операции при получении плит связаны с фильтрацией (просасыванием) воздуха через слои минеральной ваты, для подбора и проектирования оборудования немаловажное значение имеют данные по сопротивлению увлажненной ваты воздушному потоку.

Из приведенных на рис. 4.1 зависимостей видно, что сопротивление Рс резко возрастает в начальный момент времени, затем падает и по истечении 60 с стабилизируется независимо от скорости прососа воздуха V. При этом основная масса воды удаляется в первую минуту вакуумирования. Наименьшая остаточная влажность W образца-сырца обеспечивается при максимальной скорости прососа воздуха.


Время, с



Рисунок 4.1 – Зависимость сопротивления слоя увлажненной ваты воздушному потоку от времени вакуумирования: 1 – V=0,17 м/с, W=150 %; 2 – V=0,11 м/с,W=160 %; 3 – V=0,04 м/с, W=230 %


Проведенные исследования позволили найти технические решения, выработать требования к оборудованию и разработать аппаратурно-технологическую схему производства теплоизоляционных полужестких плит мощностью 400 т/год (рис. 4.2).



Рисунок 4.2 Аппаратурно-технологическая схема изготовления плит: 1 – реактор; 2 – емкость; 3 – насос-дозатор; 4 – насос; 5 – устройство пролива; 6 – камера волокноосаждения; 7 – узел пропитки; 8 – узел формирования плиты; 9 – сборник фильтрата; 10 – вакуум-насос; 11 – сушильная камера; 12 – стол резки


Процесс осуществляется следующим образом. Минераловатный ковер, непрерывно выходящий из камеры волокноосаждения, поступает на конвейер узла пропитки, где проливается приготовленной в реакторе-смесителе водной эмульсией связующего по всей ширине с помощью специального устройства. Избыток связующего собирается в ванне, расположенной под конвейерной лентой. После пропитки мокрый ковер перемещается ко второй ванне, где с помощью вакуума отсасывается часть связующего, и подается на механизм гофрирования, осуществляющий складывание ковра в поперечном направлении его движения. Сжатие слоев производит верхняя ветвь транспортирующего устройства. Под нижней ветвью установлена ванна сбора избытка связующего и далее по ходу ванна окончательного вакуумирования. Необходимые плотность и толщина сырой плиты обеспечиваются за счет разницы в скоростях движения конвейеров узлов пропитки и гофрирования. Отформованная сырая плита в виде непрерывной полосы подается в секционную камеру, где, зажатая между двумя сетками транспортера, сушится прососом горячего воздуха. После выхода из сушильной камеры на столе полоса режется в поперечном направлении на изделия требуемых размеров. Весь комплекс оборудования производства полужестких теплоизоляционных плит, включая модуль по выпуску минеральной ваты, достаточно компактен и может быть размещен в производственном помещении площадью 400…500 м2. Предлагаемая технология обеспечит получение плит с плотностью 150…180 кг/м3, прочностью на сжатие не ниже 0,04 МПа, теплопроводностью при 25 ºС 0,040 Вт/(м·К).

Исследования по разработке способа изготовления минераловатных скорлуп для изоляции трубопроводов, выполненные на модельной установке, нашли выражение в создании аппаратурно-технологической схемы (рис. 4.3).

Приготовленная в композиционном бассейне из предварительно подготовленных пульпы макулатуры, затворенной глины и измельченной ваты глинисто-волокнистая масса перекачивается в сборник, где дополнительно разбавляется водой, в которую вводят гидрофобизирующие и поверхностно-активные добавки, а выпавшие на дно бассейна корольки перемещаются в отстойник. Формование изделий проводят закачкой глинисто-волокнистой гидромассы в сетчатую пресс-форму, надетую на вал консольного типа, расположенный в центрифуге. При этом гидромасса под действием центробежных сил распределяется по покрытой сеткой внутренней поверхности пресс-формы. Вода (фильтрат) отжимается в корпус центрифуги, отводится через патрубок в емкость и может быть повторно использована в технологическом процессе.



Рисунок 4.3 – Аппаратурно-технологическая схема производства минераловатных скорлуп: 1 – композиционный бассейн; 2 – отстойник; 3 – сборник гидромассы; 4 – центрифуга; 5 – стол распрессовки; 6 – стеллаж передвижной; 7 – камера сушки; 8 – стол резки


В зависимости от выбранной скорости центрифугирования можно получить скорлупы различной плотности. Сформированный образец в виде цилиндра распрессовывается на столе и подвергается тепловой обработке в камере сушки, после чего разрезается по образующей на две половинки – скорлупы. Применение высокоскоростных смесителей, в отличие от смесителей-роллов, широко распространенных в производстве утеплителей «мокрым» способом, сокращает время приготовления водной суспензии волокна и исключает образование конгломератов в гидромассе, а формование изделий с помощью центрифуги позволяет использовать штапельные волокна малого диаметра (1…3 мкм), удалять максимум избыточной влаги из образца-сырца и, как следствие, за счет сокращения времени сушки снизить энергозатраты процесса.

При выборе теплоизоляционных материалов для использования в различных отраслях промышленности необходимо учитывать долговечность утеплителя. Поскольку единый подход к решению проблемы прогнозирования долговечности утеплителей в условиях эксплуатации на открытом воздухе отсутствует, обычно ее определяют экспериментальными методами с помощью ускоренных испытаний при различных режимах, имитирующих реальные условия эксплуатации. В естественных условиях влияние внешней среды на основные технические параметры изделий проявляется в основном колебаниями температуры и влажности, носящими циклический характер. Исходя из этого, нами разработана методика прогнозирования долговечности, в основу которой положены циклические испытания образцов теплоизоляционных материалов (минеральной ваты вида ВМСТ и плит на ее основе с использованием смесевого связующего, содержащего ПВА, жидкое стекло и технологические добавки) в ненапряженном состоянии в течение заданного периода времени с последующим изучением их свойств. Влияние температуры имитировали числом циклов воздействия за каждый год эксплуатации, которое определяли расчетами по статистическим метеоданным числа переходов через 0 °С в процессе суточных изменений температуры (один цикл эквивалентен двум переходам). При одногодичной повсеместной эксплуатации на территории страны число циклов условно усредненно принималось равным 47. Для имитации зоны умеренно холодного климата ограничились температурным интервалом от минус 25 до плюс

25 °С, относительную влажность изменяли от 40 до 98 %. Эксперименты проводили в камере «GRONLAND». Максимальное количество циклов составило 2360. В качестве главных эксплуатационных показателей (ГЭП) приняты плотность, теплопроводность при 25 °С, а для плит дополнительно – прочность на сжатие при 10 %-й линейной деформации и водопоглощение по массе за 24 ч. Представленные на рис. 4.4 относительные изменения эксплуатационных параметров минеральной ваты и плит в процессе термостатирования, свидетельствующие о стабильности характеристик исследуемых материалов при длительном воздействии температуры и влажности, позволили спрогнозировать 50-летний срок их эксплуатации в зоне умеренно холодного климата.


Количество циклов

Количество циклов





а б

Рисунок 4.4 – Зависимость относительных изменений ГЭП от количества циклов термостатирования для минеральной ваты (а) и плит (б): ♦ – плотность;

■ – теплопроводность; ▲– прочность на сжатие; ● – водопоглощение


^ В пятой главе отображены теоретические и экспериментальные исследования по созданию непрерывного технологического процесса переработки горных пород в теплоизоляционные мягкие плиты, включающие разработку новых и совершенствование существующих процессов и аппаратов технологии производства базальтоволокнистых материалов. Предложена методика оценки времени сушки ковра из минеральной ваты Представлены результаты исследований по утилизации твердых отходов производств базальтоволокнистых материалов и доказательства их экологической безопасности.

Выбор способа введения связующего в минераловатный ковер диспергированием его в камеру волокноосаждения в рамках поставленной в работе задачи создания опытно-промышленной установки по выпуску теплоизоляционных мягких плит технологически и экономически оправдан, так как он прост конструктивно, наименее энергоемок по сравнению с другими, обеспечивает достаточно высокую производительность и дает возможность организации единого технологического процесса производства минеральной ваты и плит на ее основе. При изготовлении теплоизоляционных плит в верхней части камеры волокноосаждения устанавливаются распылители (форсунки высокого давления) для подачи связующего. Волокна, проходя через тонко распыленное облако водной эмульсии связующего, обволакиваются им и осаждаются на сетку конвейера. Пропитанный связующим ковер поступает в камеру сушки, где осуществляется его тепловая обработка прососом через минераловатный ковер нагретого до 120 оС воздуха. Ленточный транспортер приводится в движение от единого привода при помощи общей трансмиссии, оснащенной электродвигателем, обеспечивающим бесступенчатую регулировку скоростей конвейера. Выходящий из камеры сушки ковер поступает на стол специально разработанного автоматического устройства поперечной резки, состоящего из каретки с дисковой фрезой и системой датчиков.

Несмотря на кажущуюся простоту описанной схемы, реализация технологической линии получения плит, адаптированной к условиям производства ваты, с включением ее в непрерывный процесс потребовала модернизации действующего и разработки нового оборудования, отработки режимов приготовления и ввода связующего, а также детального изучения условий сушки. Пневмотранспорт был заменен на шихтоподъемник, имеющий преимущества перед пневматической подачей сырья, заключающиеся в меньшем потреблении энергии, более высокой надежности и простоте обслуживания. Для приготовления и ввода связующего в минераловатный ковер была разработана система, состоящая из реактора-смесителя с дисковой мешалкой, насоса-дозатора, подающего в камеру волокноосаждения требуемое количество эмульсии связующего, и пневмораспылителей, диспергирующих ее в объеме камеры волокноосаждения. В процессе исследований установлено, что наиболее оптимальным, обеспечивающим однородность эмульсии по объему, является режим приготовления, включающий последовательную загрузку в реактор, заполненный на ¼ объема водой, навесок ПВА, жидкого стекла и гидрофобизатора с пятнадцатиминутным перемешиванием после каждой загрузки. Подготовленный концентрат разбавляется водой и перемешивается до получения однородной эмульсии в течение 30 мин. Эксперименты показали, что для равномерного смачивания минераловатного ковра требуется от двух до четырех пневмораспылителей, а необходимая плотность изделия обеспечивается при концентрации связующего от 5 до 8 % по сухому остатку (рис.5.5).


Концентрация, % масс



Рисунок 5.5 Зависимость плотности плиты от концентрации связующего в готовом изделии при работе: двух (1) и четырех распылителей (2)


В целях создания оптимальных аэродинамических и температурных режимов камера сушки разделена вертикальными перегородками на четыре секции, в три из которых теплоноситель подается попеременно снизу вверх и сверху вниз, а четвертая служит для постепенного охлаждения. Исходя из особенностей процесса сушки влажных материалов, обусловленных характером изменения локального влагосодержания с течением времени, нами предложена экспериментально-расчетная методика оценки времени сушки увлажненного минераловатного ковра при конвейерном способе, когда он проходит последовательно несколько камер с последовательной реверсией сушильного агента через слой влажного материала. В этом случае режим сушки будет определяться параметрами материала и сушильного агента. В теории сушки используют кривую, имеющую два периода – постоянной и падающей скорости. Для периода постоянной скорости, характеризующегося неизменной температурой материала и продолжающегося до критического влагосодержания, уравнение кривой скорости сушки имеет вид:

, (5.1)

где – среднее влагосодержание слоя; и N – общее время и скорость сушки.

Интегрирование уравнения (5.1) дает: .

Для периода падающей скорости используют выражение относительной скорости сушки:

. (5.2)

Из многочисленных экспериментальных данных следует, что относительная скорость не зависит от внешних условий сушки, а является только функцией среднего влагосодержания слоя:

. (5.3)

Здесь и – текущее и равновесное среднее влагосодержание;

– коэффициент, характеризующий связь влаги с материалом и не зависящий от размеров и форм образца; α, β – безразмерные коэффициенты, определяемые опытным путем. В нашем конкретном случае при m=1 .

Подставляя в (5.2) значение из формулы (5.3), с учетом найденных коэффициентов получаем уравнение кривой скорости сушки во втором периоде:

. (5.4)

После интегрирования уравнения (5.4) для второго периода сушки в пределах от до конечного влагосодержания имеем:

(5.5)

Время, необходимое для уменьшения влагосодержания от начального до конечного , складывается из продолжительности сушки обоих периодов:

. (5.6)

В результате обработки экспериментальных данных, полученных при изучении процесса сушки, найдено эмпирическое уравнение для определения скорости сушки слоя в первом периоде:

, (5.7)

где – коэффициент (9,910-4); – скорость воздуха на входе в слой ваты; – плотность воздуха; – нагрузка на слой ваты.

Подставляя значение N в (5.6), получим окончательный вид уравнения для определения продолжительности сушки:

,

где К – коэффициент, для конвейерных сушилок равный 1,7…2,0.

Предложенная методика позволяет с достаточной точностью проводить проектные расчеты сушильной камеры на различную производительность.

Поскольку изготовление базальтоволокнистых теплоизоляционных материалов связано с выделением в окружающую среду загрязняющих

веществ в виде пыли горных пород, винилацетата и уксусной кислоты, нами выполнен большой объем работ по экологическому мониторингу ряда таких производств. Проведенная оценка экологической безопасности позволила отнести их к самой низкой категории опасности – четвертой, при которой не требуются расчет рассеивания загрязняющих веществ и разработка проекта предельно допустимых выбросов. Кроме того установлено, что эффект суммации токсичности выделяющихся при проведении технологического процесса вредных веществ отсутствует, что очень важно для получения разрешения на организацию производств в непосредственной близости от жилой зоны.

Немаловажным условием экологичности производств является разработка мероприятий по утилизации твердых отходов, в связи с чем нами проведены исследования по установлению возможности использования базальтовой пыли в товарах народного потребления и сельском хозяйстве. С учетом ее абразивных свойств создано эффективное чистящее средство, разработана и запатентована рецептура шпатлевки, не уступающей по основным характеристикам применяемым в промышленности и быту аналогичным композициям, предложено использование базальтовой пыли в качестве многофункционального минерального удобрения.

^ Шестая глава посвящена решению проблемы создания полимерного композиционного материала (ПКМ) с повышенной тепло- и водостой- костью, предназначенного для изготовления труб горячего и холодного водоснабжения. Рассмотрены процессы влагопереноса в базальтопластиках, оказывающие влияние на эксплуатационные параметры изделий.

Экспериментальные исследования по оценке эффективности применения базальтового ровинга при изготовлении полимерных композитов, где в качестве основных критериев были приняты смачиваемость и скорость пропитки волокна эпоксидным связующим, показали преимущество его перед стеклянным, что, естественно, сказалось на уровне прочностных характеристик базальтопластика (табл. 6.1).

Таблица 6.1
1   2   3



Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru