Введение к работе
Актуальность проблемы. Минераловатные изделия являются наиболее распространенным теплоизоляционным материалом в промышленном и гражданском строительстве. В настоящее время повышаются требования к минеральным волокнам. Однако минеральные волокна зачастую проявляют низкие эксплуатационные свойства; под действием различных агрессивных сред могут рассыпаться в порошок, вследствие чего, теряют основное назначение материала - служить теплоизоляцией. Натурные обследования домов в городах сибирского региона - Новосибирске, Бердске, Барнауле, Ноябрьске, Нижневартовске, Якутске, Междуреченске, Шарыпово и других показали, что в трехслойных панелях утепляющий слой из минеральной ваты разрушился, образовав полости внутри панели, что явилось причиной промерзания стен.
Изготовление различных минераловатных изделий на предприятиях страны затрудняется отсутствием жизнестойких, с длительными сроками хранения связующих. Выпускаемые промьппленностью связующие вещества имеют низкую жизнестойкость - от 1 до 3-4 месяцев и при достижении ее предела теряют связующую способность. Для заводов минераловатных изделий, расположенных в труднодоступных районах с ограниченным периодом доставки материалов, фактор жизнестойкости связующих является одним из решающих условий, так, например, в районы Крайнего Севера доставка материалов осуществляется в основном в период навигации, который продолжается 2-3 месяца в году
Поэтому большую актуальность представляет установление факторов, обусловливающих получение стойкого минерального волокна, определение показателей его свойств, которые бы дали возможность судить о стойкости волокон в процессе получения, а также прогнозировать их эксплуатационную стойкость и долговечность.
Весьма актуальным представляются также исследования, направленные на увеличение производства теплоизоляционных материалов из минерального волокна на основе непривозного минерального сырья и отходов производства.
Все эти проблемы рассмотрены при выполнении данной работы.
Работа выполнялась в соответствии с программой ГКНТ СССР 0.Ц.031 «Разработать и внедрить новые эффективные строительные конструкции высокой заводской готовности», а также в рамках Российской научно-технической программы «Архитектура и строительство» по теме: «Исследование по разработке технологии производства теплоизоляционных из: далий из минеральных волокон, получаемых из шгаератьного сырья с ис-
пользованием низкотемпературной плазмы». Научные исследования проводились по темам: «Комплексное исследование вскрышных пород как сырья для производства изделий на их основе», «Разработка технологического процесса производства минеральной ваты из вскрышных пород месторождения «Мирный», 1973 (номер государственной регистрации 73048181, шифр 75-3), «Адсорбционно-адгезионные характеристики минеральных волокон по отношению к полимерам», 1974 (номер государственной, регистрации 75043607), «Совершенствование технологии получения полужестких плит», 1975 (номер государственной регистрации 74029737, шифр 74-9), «Повышение заводской готовности железобетонных панелей для наружного и внутреннего применения. Этап: Изучение стабильности структуры минерало-ватных изделий на модифицированной АХФС для использования в наружных стеновых панелях», 1983 (номер государственной регистрации 81009343), по программе «Строительство»: «Исследование по разработке технологии производства теплошоляционных изделий из минеральных волокон, получаемых из минерального сырья с использованием низкотемпературной плазмы», 1994-1997гг. (номер государственной регистрации 01940009-372, шифр2.3.3.1).
Цель работы заключалась в получении долговечных эффективных теплоизоляционных материалов. При выполнении работы ставилась задача: на основе исследования составов, структуры и свойств горных пород (базальта, доломитов, серпентинита, базашгга, известняков, цеолитсодержащих пород Сибири, Якутии, Дальнего Востока), каменноугольных зол, горелых пород Кузбасса, вскрышных пород Якутии, а также свойств их расплавов и полученных из.них минеральных волокон сформулировать критерии пригодности сырья, определить оптимальные составы, установить методы определения зксшіутационньгх свойств и долговечности с целью получения стойких долговечных минеральных волокон. На основе изучения органических и неорга- нических связующих разработать жизнестойкое связующее (с длительным сроком хранения и активности) с высокими адгезионными свойствами к минеральным волокнам, способное с минеральным наполнителем (волокном) образовывать композиционный материал в виде теплоизоляционных изделий. Разработать метод прогнозирования прочности и долговечности мине-раловатных изделий. Для достижения поставленной цели требовалось выполнить следующие исследования:
1.Комплексное исследование вещественного состава и свойств горных пород Сибири, Якутии, Дальнего Востока (базальта, доломитов, серпентинита, базашгга, известняков, цеолитсодержащих пород), каменноугольных зол, горелых пород Кузбасса, вскрышных пород месторождения «МіфНЬІЙ», г.Мирный Саха Якутия.
5 ,
-
Исследование свойств силикатных расплавов на основе вскрышных, горных, горелых пород, каменноугольных зол.
-
Определение оптимальных составов шихты для получения стойкой минеральной ваты с заданными физико-техническими свойствами.
-
Установление технологических параметров получения минеральной ваты на промышленных установках.
-
Изучение механизма образования расплава и процесса волокнообра-зования при производстве волокон, получаемых из минерального сырья с использованием низкотемпературной плазмы.
-
Изучение динамических и теплообменных процессов, протекающих в пленке расплава под действием плазменных струй и в поле центробежных сил.
-
Исследование свойств расплавов и минеральных волокон с помощью метода дифференщіальной микрокалориметріш. Сопоставление полученных показателей с результатами традиционных методов исследования. Разработка классификации минеральных волокон по значению теплоты смачивания водой.
-
Исследование нового жизнестойкого связующего на основе алюмо-хромфосфатной связки, имеющей длительные сроки хранения и обладающей высокими адгезионными свойствами.
-
Установление оптимальных составов теплоизоляционных материалов на жизнестойком связующем. Изучение процесса формирования макроструктуры минсраловатных изделий на предлагаемом связующем. Исследование адгезии жизнестойкого связующего к волокнам минеральной ваты и физико-химического взаимодействия на границе «волокно-связующее».
-
Исследование физико-технических свойств и стойкости шшерало-ватных плит на жизнестойком связующем.
-
Проведение опытно-промышленных испытаний.
-
Разработка проектных и технико-экономических решений по получению долговечных минератоватных изделий на жизнестойком связующем.
Методологической основой исследования является комплексный подход к анализу причин, влияющих на долговечность минераловатных изделий, процессов, происходящих при получении расплавов, волокнообразовании, формировании структуры минератоватных изделий; научное обобщение причинно-следственных связей в исследуемой системе; применение для исследования как традиционных методов (рештенофазового анализа, электронной микроскопии, ДТА., ИК-спектросгопии, математического планирования экспериментов), так и разработанной методики дифференциальной микрокало-рішетршт.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
Установлена возможность получения долговечной минеральной ваты из горных пород Сибири и Дальнего Востока (базальта, доломита, серпентинита базанита, известняков, цеолитсодержащих пород), каменноугольных зол, горелых пород Кузбасса, вскрышных пород Якутии.
Предложена классификация минерального сырья (горных пород, каменноугольных зол, горелых пород) на основе трехкомпонентных диаграмм состояния с учетом модулей кислотности. Классификация позволяет производить предварительную оценку пригодности сырья для производства минеральных волокон.
Установлен оптимальный состав шихты, разработана методика расчета на ЭВМ с обеспечением предъявляемых к составу шихты требований по модулям кислотности, основности, а также по вязкости, плавкости, водостойкости.
Установлена зависимость свойств минеральных волокон из исследованного сырья от его состава. Показано, что атмосферостойкость, морозостойкость, химическая стойкость волокон увеличиваются при повышении модуля кислотности. Предложены ряды изменения морозостойкости, атмосферостой-кости, химической стойкости минеральных волокон в зависимости от вида исходного сырья.
Установлено, что энергетические характеристики минеральных волокон в виде теплот смачивания полярными и неполярными жидкостями, определяемые прецизионной микрокалориметрией, отражают степень гомогенизации расплава и получаемого из него волокна, что позволяет прогнозировать эксплуатационную стойкость минерального волокна.
Для оценки качества минеральных волокон предложен прецизионный микрокалориметрический метод. На основе этого разработана классификация минеральной ваты по степени эксплуатационной стойкости.
Установлено, что минеральные волокна в композиции с модифицированной алюмохромфосфатной связкой (МАХФС) проявляют себя как активные наполнители. Выявлена закономерность повышения эксплуатационной стойкости минераловатных изделий за счет применения жизнестойкого связующего - МАХФС.
Установлена возможность изменения свойств изделий из минерального волокна на МАХФС путем введения стабилизированного бутадиенстиродь-ного латекса.
Предложен метод прогнозирования прочности и долговечности минераловатных изделий на основе прецизионной микрокалориметрии, что позволяет получать стойкое минеральное волокно, регулировать технологические режимы при производстве минеральной ваты для обеспечения требуемого ее качества. Получены эмпирические формулы для прогнозирования прочности.
Установлено, что при введении в фенолформальдепщные связки угле-родминерального сорбента ИКТ-09-10, содержащего активные углерод и оксид алюминия (С-А1203), увеличивается адсорбционная способность связующего за счет присутствия как пгарофилъных, так и гидрофобных центров адсорбции, повышаются прочность связи между волокном и связкой, гидрофобные свойства изделий, резко снижается содержание свободного фенола и формальдегида.
Предложено новое устройство для получения минеральной ваты - низкотемпературный плазмотрон и дутьевая головка для получения мішератьного волокна. Получены формулы, позволяющие производить расчет чаши цен-тробежно-дутьевой центрифуги.
Для получения супертонкого базальтового волокна созданы дутьевые и центробежно-дутьевые устройства в комплекте высокочастотной печи,-
Автор защищает - разработанную классификацию сырья по пригодности для производства минерального волокна;
-теоретически и экспериментально обоснованный критерий оценки долговечности минерального волокна, обусловленный взаимосвязью между стойкостью минерального волокна и гомогенностью расплава, методику определения этого критерия с применением дифференциальной микрокалориметрии и предложенную формулу взаимосвязи теплоты смачивания, химического состава и параметров плавления шихты;
-разработанную классифішщию активности минерального волокна по теплоте смачивания, дающую возможность прогнозировать стойкость волокон в процессе эксплуатации;
-результаты теоретических и экспергшентальных исследовашщ нового вида связующего, позволяющего повысить температуроустойчивость, физико-механические свойства и долговечность изделий из минерального волокна;
-составы теїшоизоляционньгх материалов на основе минеральной ваты и модифицированной атюмохромфосфатной связки;
-результаты исследования зависимости прочности изделий от содержания модификатора в связке, температуры отверждения и концентрации связующего, методику оценки прочности минераловатных изделий микрокалориметрическим методом;
-результаты работ по совершенствованию технологии и оборудования для производства минеральных волокон и минераловатных изделий.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обусловлена большими объемами исследований, выполненных с примене-
ниєм современных приборов и оборудования, прошедших аттестацию, обес-печшиющих требуемые точность и надежность результатов измерений; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; сходимостью результатов теоретических, экспериментальных и натурных исследований, подтверждены многолетней апробацией и производственной проверкой.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Показана возможность и целесообразность организации производства эффективных теплоизоляционных материалов - минеральной ваты и изделий на ее основе из дшоготоннажных отходов производства - вскрышных пород месторождения «Мирный», каменноугольных зол ТЭС, базальтового отсева, а также цеолитсодержащих горных пород, горелых пород Кузбасса.
Разработаны технологические режимы получения долговечного минерального волокна и изделий на его основе из отходов производства. Разработаны и внедрены методики определения гомогенности силикатных расплавов, долговечности минеральных волокон по теплоте смачивания, программы расчета состава шихты на ЭВМ.
Разработаны программы и предложены эмпирические формулы, позволяющие произвести расчет чаши центробежно-дутьевой центрифуги и дутьевого устройства для получения супертонкого волокна. Разработано плазменное устройство для получения минерального волокна (а.с. №592322). Предложены составы теплоизоляционной смеси для изготовления минератоват-ных изделий (ах. №895969, а.с. №1010045).
Получены теплоизоляционные изделия на основе минеральной ваты и МАХФС, комбинированного органоминерального связующего. Предложена методика определения и прогнозирования прочности минераловатных изделий на синтетических связующих.
Результаты исследований использованы при разработке технологкче-"ских ішструкций по производству минеральной ваты, технологической инструкции по изготовлению теплоизоляционных материалов на основе минеральной ваты и МАХФС, которые переданы для реализации в производство.
На КСМ г.Мирный организовано производство минеральной ваты на основе вскрышных пород, что позволило получить большой экономический эффект. На заводе минераловатных изделий г. Тайга Кемеровской области получены минераловатные плиты на основе МАХФС. На основе результатов работы разработаны проекты по производству минераловатных изделий. Производство минераловатных плит на МАХФС запроектировано на КСМ
г.Мирньш САХА Якутия, заводах по производству эффективных теп лоюоляционных материалов в гг.Новосибирске, Кемерово.
Личный вклад в решение проблемы заключается в форігулировашш общей идеи, целей работы, выполнении теоретической и основной части экспериментальных исследований, аналізе и обобщении их результатов, проведении экспериментальных исследований в производственных условиях, организации внедрения технологических решений, разработке и проектировании опьгпю-производственной плазменной установки, дутьевых устройств для получения супертонкого волокна, технологического оборудования для получения минераловатных плит.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на заседаниях научно-технического совета комбината строительных материалов г.Мирньш, 1972-84гг; на 15 научно-технических конференциях -НГАСУ,1974-1999гг.; на всесоюзном семинаре, г.Москва, 1977г.; на всесоюзном научном совещании по долгосрочной комплексной программе развития производительных сил Якутской АССР, г.Якутск, 1982г.; на всесоюзной школе передового опыта, г.Москва, 1983г.; на всесоюзной конференции , ^Челябинск 1987-1988г.; на всесоюзной конференции, г.Киев 1988г.; на заседаниях международной научно-технической конференции, Ростов-на-Дону, ГАС, 1994г.; на межрегиональной научно-технической конференции, г.Красноярск, КрасГАСА, 1997г.; на всероссийской научно-технической конференции, г.Томск, ТГАСУ, 1998г.; на межрегиональной научно-технической конференции, г. Волгоград, ВолгГАСА,1998г.; на II международном конгрессе «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве», МА Сибирское соглашение, г.Новосибирск, 1999, 2000г. Научно-исследовательская работа «Минеральная вата из вскрышных пород месторождения «Мирный» на всесоюзном конкурсе 1977г. отмечена почетной грамотой и премией ЦП ВХО им.Менделеева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 статей, получено три авторских свидетельства, изданы, 2 методических пособия и методические указания.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 281 страницу машинописного текста, 40 таблиц и 102 рисунка.
