Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор технологических процессов и аппаратов производства волокнистых теплоизоляционных материалов. выбор аппаратурно-технологической схемы опытно-промышленной установки 7
1.1 Процессы и аппараты фазы плавления минерального сырья 8
1.2 Обзор процессов и аппаратов фазы переработки расплава в волокна... 14
1.2.1 Способы получения минерального волокна из расплавов 14
1.3 Процессы и аппараты фазы формования минерального волокна в теплоизоляционные изделия 26
1.4 Разработка аппаратурно-технологической схемы опытно-промышленной установки и исследование процессов, протекающих при изготовлении базальтоволокнистых материалов 30
ГЛАВА 2 Разработка и исследование процесса получения базальтовых супертонких волокон 43
2.1 Математическое моделирование процесса плавления 43
2.1.1 Проверка адекватности математической модели 53
2.2 Разработка методов повышения коэффициента полезного действия плавильной печи 64
2.2.1 Оптимизация энергетических и эксплуатационных характеристик ВЧ генератора 65
2.2.2 Баланс мощностей в холодном тигле 68
2.3 Управление процессом плавления 72
2.4 Исследование горных пород на пригодность для производства волокон 81
2.5 Переработка расплава в супертонкие волокна с применением акустических устройств 94
2.5.1 Расчетная оценка использования струйной головки с большей производительностью 102
ГЛАВА 3 Разработка и исследование процесса получения базальтоволокнистых теплоизоляционных изделий 107
3.1 Выбор связующего для производства теплоизоляционных изделий 107
3.2 Разработка комплекса оборудования и отработка технологических режимов при изготовлении теплоизоляционных плит 111
3.2.1 Аппаратурно-технологическое оформление фазы формирования теплоизоляционных изделий 111
3.2.2 Исследование процесса сушки минераловатных изделий и расчет параметров сушильной камеры 116
ГЛАВА 4 Разработка асутп производства теплоизоляционных базальтоволокнистых материалов 124
4.1 Постановка задачи для проектирования АСУТП 125
4.2 Программно-техническая реализация АСУТП 125
4.3 Программное обеспечение и его реализация 130
ГЛАВА 5 Практическое применение результатов исследований и их внедрение 137
Основные результаты работы и выводы 144
Список использованной литературы 146
Приложения 155
- Процессы и аппараты фазы формования минерального волокна в теплоизоляционные изделия
- Оптимизация энергетических и эксплуатационных характеристик ВЧ генератора
- Аппаратурно-технологическое оформление фазы формирования теплоизоляционных изделий
- Программно-техническая реализация АСУТП
Введение к работе
Одним из важнейших мероприятий энергосбережения в мире признано совершенствование теплоизоляции зданий, сооружений, промышленного оборудования, тепловых сетей и др.
Ассортимент применяемых в настоящее время утеплителей достаточно широк: от пенопластов, которые не удовлетворяют современным требованиям по пожаробезопасности и экологической чистоте, до минераловатных композиций на полимерных и неорганических связующих. Особая роль в нем отводится материалам из нерудных горных пород. Полученные из них базальтоволокни-стые материалы (БВМ) обладают высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, повышенной температуростойкостью, виброустойчивостью и долговечностью [1]. Они не образуют и не выделяют токсичные вещества, стойки к атмосферным воздействиям и агрессивным средам. Толщина слоя эффективной изоляции при наружной температуре минус 38 С, обеспечиваемая БВМ, составляет 35 мм, стекловаты 90 мм, газобетона 210 мм, а кирпичной кладки 770 мм [2,3]. При замене 1 м изоляции из стекловаты базальтоволокнистыми плитами толщиной 40 мм на поверхности оборудования, нагретой до 250 С, теп-лопотери снижаются на 3000 кДж [3].
Запасы исходного базальтового сырья для производства БВМ неисчерпаемы и составляют сотни миллиардов кубических метров. По признанию ведущих специалистов мира базальтовые волокна или волокна из камня - это материал XXI века, являющийся основой для развития промышленной отрасли теплоизоляционных изделий (плиты различной степени жесткости, картоны, сыпучий утеплитель и др.). К сожалению, в настоящее время в России на единицу жилой площади расходуется в 2-3 раза больше энергии, чем в странах Европы, а выпуск утеплителей на душу населения при этом меньше в 5-7 раз [1].
Ужесточение в стране в 1996 г. требований к теплоизоляции зданий [2] предъявило новые требования к производству и применению эффективных теп-
лоизоляционных материалов. Комиссиями по строительству Межрегиональной Ассоциации "Сибирское соглашение" в 1997 г. были приняты решения в кратчайшие сроки обеспечить проектно-конструкторские и технологические разработки для организации в регионах Западной Сибири производств по выпуску БВМ [2]. Головным научно-производственным центром по разработке базовых технологий таких материалов, изготовлению оборудования и запуску производств определен ФГУП "ФНПЦ "Алтай".
Исследования в области переработки минерального сырья в БВМ были начаты еще полвека назад и почти сорок лет лидерство в этой отрасли науки прочно удерживали ученые из Института проблем материаловедения АН УССР [4-5, 7-9]. Однако за последние десять лет больших успехов достигли российские ученые, предложившие новые технологии получения расплава и раздува его в волокна без применения дорогостоящих фильер (питателей) из драгметаллов [10]. Проведенные в ФГУП "ФНПЦ "Алтай" разработки позволили получить теплоизоляционные материалы, по основным характеристикам не уступающие аналогичным, выпускаемым европейскими фирмами, а по термо- и гидролитической стойкости превосходящие их [6].
До настоящего времени эти новейшие перспективные материалы оставались невостребованными в полной мере отчасти из-за отсутствия нормативной документации, ремонтных и строительных технологий их применения и малых объемов существующих производств, в то время как тенденция экспорта в Россию устаревших технологий и оборудования для производств по переработке минерального сырья в БВМ растет с каждым днем.
Исходя из сложившейся обстановки, создание новых высокоэффективных экологически безопасных БВМ, разработка автоматизированных технологических процессов и организация производств в различных регионах страны представляется актуальной задачей.
Настоящая работа посвящена исследованиям физико-химических процессов плавления и проектным проработкам технологии автоматизированного
*
производства БВМ - технологии, энергетически независимой от территории, так как для своего действия установка использует один источник энергии -электроэнергию.
В результате проведенных научно-технических проработок организован экспериментальный автоматизированный производственный модуль, на базе которого в короткие сроки возможно создание промышленных производств изделий БВМ производительностью от 150 до 400 т/год.
Процессы и аппараты фазы формования минерального волокна в теплоизоляционные изделия
Конечным товарным продуктом технологии могут служить теплоизоляционные изделия разнообразных форм и конструкций, являющиеся продуктом скрепления волокон минеральной ваты специальными связующими для придания материалу необходимой жесткости, прочности и упругости [54-60]. Рассмотрим технологию изготовления базальтоволокнистых материалов на примере наиболее распространенного вида такой продукции - теплоизоляционных плит.
Практически все известные виды связующих, применяемых в отечественной теплоизоляционной промышленности, были разработаны 154-20 лет назад [61]. В те годы основная часть минераловатных изделий использовалась на промышленных объектах, где срок их службы определялся временем капитального ремонта оборудования и не был велик.
Наилучшие минераловатные изделия получаются при размещении связующего в узлах соприкосновения и пересечения волокон [7]. При этом достигается относительная жесткость системы, состоящей из волокон и связующего. Другие литературные источники [6, 20] указывают, что связующее в минерало-ватном ковре не обволакивает элементарные волокна и не образует "чулка" на их поверхности, а находится в ковре в виде капель, которые располагаются как на отдельных волокнах, так и в местах их пересечения и соприкосновения.
После подпрессовки и тепловой обработки характер распределения связующего в ковре изменяется. Благодаря уплотнению ковра уменьшается размер пор и капилляров, образующихся между волокнами. При этом капли связующего под действием механического сжатия и капиллярных сил растекаются между волокнами, заполняя поры и капилляры. После отверждения связующего в готовых изделиях отдельные его капли наблюдаются редко. Чем равномернее распределено связующее в минераловатном ковре, тем меньше его требуется и тем выше качество изделий. Количество сухого связующего в изделиях в зависимости от их назначения и вида связующего колеблется в пределах 3-Я 0 %, а в отдельных случаях достигает 20 %. Так как стоимость связующего составляет достаточно большой процент от стоимости изделия, то от способа введения его в минераловатныи ковер зависит не только качество изделий, но и их экономическая эффективность.
Способы нанесения связующего на волокно, равно как его вид и его содержание в материале, оказывают большое влияние на свойства минераловат-ных изделий. Все виды теплоизоляционных БВМ из минеральной ваты получают способом контактного формования. Следовательно, для закрепления волокон относительно друг друга в местах их контактов должны быть образованы клеевые соединения. От качества этих соединений и их количества во многом будут зависеть физико-механические и теплоизоляционные свойства изделий.
В производстве БВМ применяют следующие способы нанесения связующих: пульверизацию, пролив с последующим отжимом и вакуумированием, мокрый способ с приготовлением гидромасс или пульпы [7].
При пульверизации раствор или эмульсию связующего наносят распылением с помощью форсунок в камере волокноосаждения через паровой коллектор центробежно-дутьевой установки или полый вал валков центрифуги. Наиболее равномерное распределение связующего достигается при его подаче через паровой коллектор или под давлением через специальные форсунки. Связующее, введенное в минераловатныи ковер методом пульверизации, оседает на волокнах в виде отдельных мелких капель, поэтому клеевые контакты образуются только в местах "скрещивания" волокон и только при наличии здесь капель связующего. Чем меньше капли связующего, тем равномернее они покрывают волокна и тем вероятнее образование большого числа клеевых контактов в объеме материала. Как правило, связующее, вводимое в камеру волокноосаждения этим методом, представляет собой водные растворы (дисперсии, эмульсии) фенолоформальдегидных или карбамидных смол.
Важным достоинством способа пульверизации является низкая влажность ковра, в связи с чем снижаются затраты энергии, необходимые для отверждения связующего при тепловой обработке. Вместе с тем ему присущи и недостатки, основной из которых - большие потери связующего. Применение метода пульверизации технологически и экономически оправдано при изготовлении рулонного материала, а также мягких и полужестких плит с малой объемной массой.
Метод пролива заключается в прохождении минераловатного ковра после камеры волокноосаждения под желобом, из которого раствор связующего, равномерно стекает на ковер по всей его ширине. После пропитки ковер проходит под отжимным валком, а затем над вакуум-коробкой, отсасывающей избыток раствора связующего, который собирается в приямке и повторно используется для пропитки ковра. Влажность ковра после вакуумирования не должна превышать 604-70 %. Время вакуумирования зависит от толщины ковра и его объемной массы, концентрации раствора связующего и степени разрежения в вакуум-коробке. Этот метод лишен недостатков, присущих методу пульверизации: при нем достигается высокая равномерность распределения связующего по объему ковра при минимальных его потерях. Вместе с тем высокая влажность ковра повышает энергозатраты на его сушку и отверждение связующего. Кроме того, увеличиваются затраты на дополнительное технологическое оборудование. Изготавливаемые таким способом полужесткие плиты занимают промежуточное положение между мягкими плитами (матами) и жесткими ми-нераловатными изделиями. Такие плиты, поставленные на ребро, не прогибаются под собственной массой, лучше сохраняют свою форму, структуру и свойства при перевозках и хранении на складах по сравнению с матами, более удобны в монтаже.
Оптимизация энергетических и эксплуатационных характеристик ВЧ генератора
Из выражения (2.51) видно, что максимальный КПД достигается при минимальных потерях на аноде лампы (Рн « РА). Однако достоверное определение значения колебательной мощности и мощности потерь на аноде лампы связано с трудностями. Однако в связи с тем, что нагрузочные характеристик лампового генератора имеют сложную форму и у разных экземпляров генераторных ламп одного типа различны, невозможно прямо решить задачу о величине реальной выходной колебательной мощности и КПД генератора.
Были сделаны попытки автоматизации настройки лампового генератора на максимальный КПД путем создания аналоговых регуляторов, построенных на основе стабилизации соотношения Iao / Igo или Еа / 1ао. Однако на практике этот способ не нашел широкого применения. Для автоматизации выбора рабочего режима ламповых генераторов предлагается также использовать специальный диагностический стенд [78] для снятия нагрузочных характеристик генератора во всем рабочем диапазоне, а на основании их найти математические зависимости, с помощью которых можно реализовать цифровое управление генератором. Недостатком этого решения является то, что при замене вышедшей из строя генераторной лампы могут существенно измениться нагрузочные характеристики генератора и, следовательно, возникнет необходимость провести перенастройку всего регулирующего устройства.
В качестве более эффективного решения нами предложен регулятор, использующий в качестве критерия для регулирования соотношение (2.51). В этом случае регулирование будет происходить не на основании косвенных параметров генераторной лампы (отношения анодного и сеточного токов), а непосредственно исходя из значения КПД установки.
Для пояснения существа способа регулирования представим формулу (2.51) в удобном виде: где Рв = Рк + РА - мощность, потребляемая генератором от источника анодного электропитания {Рк - колебательная мощность, РА - мощность потерь на аноде генераторной лампы) и определяемая как: здесь Еа - напряжение на аноде лампы; 1а0 - анодный ток. Указанные величины находятся непосредственным измерением действующих значений напряжения и тока анодного выпрямителя. Потери мощности на аноде лампы определяются посредством измерения разности температур входящей Т\ и выходящей Ті воды, охлаждающей анод лампы, при величине ее массового расхода m за время г по формуле: где т - расход воды; с - удельная теплоемкость воды; г-время. Экспериментальные данные зависимости КПД генератора от тока сетки, полученные при работе генератора в режиме Еа = 6,6 кВт, 1 - 9,5 А, приведены в таблице 2.6. Таблица 2.6 Экспериментальные данные зависимости КПД генератора от тока сетки При этом температура воды охлаждения лампы на входе составляет 23,2 С, расход 2,25 м3/ч, а мощность, затрачиваемая на накал лампы типа ГУ66А, Р\\ = 3,0 кВт. Для того, чтобы анодный ток оставался постоянным при изменении сеточного тока, с помощью регулятора выходной мощности генератора производилась необходимая корректировка. Из рисунка 2.8 видно, что максимум КПД генератора соответствует току сетки, равному 1,6А. При работе генератора с другим анодным напряжением оптимальным будет другое значение сеточного тока.
Предложенный способ регулирования имеет важное преимущество - не требует предварительной калибровки генератора.
По данным [79], снижение мощности накала для компенсации дополнительного подогрева катода в динамическом режиме является одним из основных путей повышения срока службы и надежности генераторных ламп. Так, для снижения динамического коэффициента нагрузки (отношение подводимой мощности накала к действительной мощности, выделяемой при работе генераторной лампы в динамическом режиме) от 1,12 до 1,00 необходимо понижение напряжения накала на 7 %, что повышает срок службы лампы в 3 раза [79]. Так как температура катода в этом случае снижается до оптимального значения, все электрические параметры приборов остаются в пределах паспортных значений и параметры генератора не ухудшаются.
Из данных, приведенных выше, электрический КПД установки, рассчитанный по (2.50), может достигать 70 %. Следовательно, в соответствии с формулой (2.49) термический КПД тигля составляет 28,6 %.
Аппаратурно-технологическое оформление фазы формирования теплоизоляционных изделий
Из выражения (2.51) видно, что максимальный КПД достигается при минимальных потерях на аноде лампы (Рн « РА). Однако достоверное определение значения колебательной мощности и мощности потерь на аноде лампы связано с трудностями. Однако в связи с тем, что нагрузочные характеристик лампового генератора имеют сложную форму и у разных экземпляров генераторных ламп одного типа различны, невозможно прямо решить задачу о величине реальной выходной колебательной мощности и КПД генератора.
Были сделаны попытки автоматизации настройки лампового генератора на максимальный КПД путем создания аналоговых регуляторов, построенных на основе стабилизации соотношения Iao / Igo или Еа / 1ао. Однако на практике этот способ не нашел широкого применения. Для автоматизации выбора рабочего режима ламповых генераторов предлагается также использовать специальный диагностический стенд [78] для снятия нагрузочных характеристик генератора во всем рабочем диапазоне, а на основании их найти математические зависимости, с помощью которых можно реализовать цифровое управление генератором. Недостатком этого решения является то, что при замене вышедшей из строя генераторной лампы могут существенно измениться нагрузочные характеристики генератора и, следовательно, возникнет необходимость провести перенастройку всего регулирующего устройства.
В качестве более эффективного решения нами предложен регулятор, использующий в качестве критерия для регулирования соотношение (2.51). В этом случае регулирование будет происходить не на основании косвенных параметров генераторной лампы (отношения анодного и сеточного токов), а непосредственно исходя из значения КПД установки.
Для пояснения существа способа регулирования представим формулу (2.51) в удобном виде: где Рв = Рк + РА - мощность, потребляемая генератором от источника анодного электропитания {Рк - колебательная мощность, РА - мощность потерь на аноде генераторной лампы) и определяемая как: здесь Еа - напряжение на аноде лампы; 1а0 - анодный ток. Указанные величины находятся непосредственным измерением действующих значений напряжения и тока анодного выпрямителя. Потери мощности на аноде лампы определяются посредством измерения разности температур входящей Т\ и выходящей Ті воды, охлаждающей анод лампы, при величине ее массового расхода m за время г по формуле: где т - расход воды; с - удельная теплоемкость воды; г-время. Экспериментальные данные зависимости КПД генератора от тока сетки, полученные при работе генератора в режиме Еа = 6,6 кВт, 1 - 9,5 А, приведены в таблице 2.6. Таблица 2.6 Экспериментальные данные зависимости КПД генератора от тока сетки При этом температура воды охлаждения лампы на входе составляет 23,2 С, расход 2,25 м3/ч, а мощность, затрачиваемая на накал лампы типа ГУ66А, Р\\ = 3,0 кВт. Для того, чтобы анодный ток оставался постоянным при изменении сеточного тока, с помощью регулятора выходной мощности генератора производилась необходимая корректировка. Из рисунка 2.8 видно, что максимум КПД генератора соответствует току сетки, равному 1,6А. При работе генератора с другим анодным напряжением оптимальным будет другое значение сеточного тока. Предложенный способ регулирования имеет важное преимущество - не требует предварительной калибровки генератора. По данным [79], снижение мощности накала для компенсации дополнительного подогрева катода в динамическом режиме является одним из основных путей повышения срока службы и надежности генераторных ламп. Так, для снижения динамического коэффициента нагрузки (отношение подводимой мощности накала к действительной мощности, выделяемой при работе генераторной лампы в динамическом режиме) от 1,12 до 1,00 необходимо понижение напряжения накала на 7 %, что повышает срок службы лампы в 3 раза [79]. Так как температура катода в этом случае снижается до оптимального значения, все электрические параметры приборов остаются в пределах паспортных значений и параметры генератора не ухудшаются. Из данных, приведенных выше, электрический КПД установки, рассчитанный по (2.50), может достигать 70 %. Следовательно, в соответствии с формулой (2.49) термический КПД тигля составляет 28,6 %.
Программно-техническая реализация АСУТП
Как уже указывалось, волокна из расплавов горных пород по эксплуатационным параметрам не уступают, а по температуре применения, гигроскопичности, устойчивости в газообразных и жидких средах и др. превосходят минеральные и стеклянные волокна.
Выбор горной породы для производства БВМ зависит от особенностей выбранного базового технологического процесса плавления, в который на практике приходится вносить коррективы, обусловленные конкретным минеральным и химическим составом породы. По этой причине следует проводить изучение нового сырья, для чего необходимо располагать определенной методикой его исследования.
Основными критериями пригодности горных пород для выработки различного вида волокон являются кристаллизационная способность, поверхностное натяжение, вязкость и ее температурная зависимость, а также смачиваемость расплавом материала, из которого изготовлены фильерные питатели (если они используются). Наиболее изучены в качестве сырья для получения БВМ горные породы магматического происхождения: габбро, амфиболиты, диабазы, базальты, андезиты и др.
Базальты - наиболее распространенные из всех пород. По внешнему виду это темные, темно-серые или черные, плотные или мелкозернистые породы, обладающие большой прочностью. Они состоят из авгита, основного плагиоклаза и вулканического стекла. В меньшем количестве могут присутствовать псевдоромбические пироксены, оливин, магнетит и ильменит. Присутствие стекла в базальтах необязательно, они могут быть полностью кристаллическими.
Диабазы (или базальтовые порфириты) в отличие от базальтов более сильно изменены вторичными процессами, в них интенсивно развиты хлоритизация, ура-литизация, соссюритизация, альбитизация. Благодаря развитию уралита и хлорита они имеют темно-зеленый цвет. Диабазы - обычно плотные тонкозернистые породы порфировой структуры. Во вкраплениях находятся удлиненные кристаллы плагиоклаза или авгита.
Габбро - средне- или крупнозернистая полнокристаллическая порода темно-зеленого, темно-серого или черного цвета. Отличается вязкостью и большой механической прочностью. Габбро состоит из плагиоклаза и пироксена, преимущественно авгита. Иногда присутствуют оливин и роговая обманка. Из рудных и акцессорных минералов встречаются магнетит, титаномагнетит, ильменит, хромит, апатит, шпинель, корунд, гранат. Плагиоклазы в габбро таблетчатой или неправильной формы, цвет их серый или зеленоватый. Пироксен обычно относится к авгиту, но встречаются и ромбические пироксены. Пироксены характеризуются темно-зеленым цветом и металловидным блеском [70].
Базальты, будучи расплавленными и быстро охлажденными, дают стекло, тогда как при медленном их охлаждении получается камнеподобная масса кристаллической структуры. Температура плавления стекловидного базальта ниже температуры плавления исходного материала.
Для пород Украины и европейской части России учеными из Научно-исследовательской лаборатории базальтовых волокон Института проблем материаловедения АН УССР были установлены достаточно жесткие требования к химическому составу сырья для производства волокон [72]. Требования эти были обусловлены ограничением температуры плавления и гомогенизации стекломассы до 1450 -1500 С в действующих установках по переработке минерального сырья, включающих ванные печи с футеровкой из огнеупорного кирпича и питатели из драгоценных металлов для вытяжки волокон. Эти требования были узаконены в нормативных документах.
Более поздние исследования горных пород Сибири и Дальнего Востока, проведенные российскими учеными, показали, что химический состав пород большинства разработанных месторождений не укладывается в рамки требований нормативной документации, и тем не менее они с успехом могут быть использованы для получения супертонких волокон. Расширение сырьевой базы для производств БВМ стало возможным благодаря применению новых технологий и, в первую очередь, индукционного способа плавления сырья [42].
Известно, что основным фактором, ускоряющим процесс стекловарения, является высокая температура. Так, повышение температуры с 1300 до 1400 С в три раза уменьшает время, необходимое для полного провара стекла. Повышение температурного максимума в стекловаренных печах до 1600 С еще значительнее ускоряет процесс варки, а следовательно, и КПД печи. Индукционная плавка как раз и отвечает этим требованиям, хотя существенного повышения температуры можно достичь, используя нагрев в оптических печах, плазменно-дуговой и индукционный нагрев. Однако даже при дуговой плавке в гарнисаже, то есть с изоляцией расплава закристаллизовавшимся слоем, образующимся при контакте рас 84 плава с холодной стенкой тигля, не может быть полностью исключено загрязне ние его продуктами эрозии и зольными остатками электродов и карбидами вос становленных металлов. Наибольший эффект от применения высокотемпе ратурной плавки оксидных материалов, к которым относятся и горные породы типа базальтов, получен при их плавлении токами высокой частоты в холодных тиглях [73]. Процесс плавления ("стекловарения") состоит из пяти основных стадий: си-ликатообразование, стеклообразование, дегазация, гомогенизация, студка — имеющих свои особенности [12]. Для протекания каждой из них существуют оптимальные условия. В процессе образования горных пород типа базальтов из расплавленной магмы не остается отдельных составных частей минералов - оксидов, а получаются их соединения, и поскольку газообразные вещества при этом улетучиваются, основные химические реакции, присущие силикато образованию стекольных шихт, заканчиваются.
В процессе нагрева породы и ее плавления важным является окисление двухвалентного железа до трехвалентного, так как сдвиг равновесия в сторону увеличения Fe3+ существенно влияет на уменьшение вязкости расплавд (процесс плавления ускоряется). При этом происходит удаление влаги и газообразных веществ.
