Моль Андрей. Описание производства минераловатных изделий

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА
ВОЛОКНИСТЫХ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ТИМ) И ИЗДЕЛИЙ (МВИ)

Минераловатные изделия, в зависимости от их предназначения, имеют различную плотность (пористость) и физико-механические показатели. Это определяет параметры процесса и стадий их производства, и, в частности, процессов приготовления связующего и нанесения его на минеральные волокна.

Под минеральными волокнами или минеральной ватой здесь и далее будут пониматься волокна, полученные на специальных устройствах волокнообразования из расплавов.

Расплавы, в свою очередь, получаются в плавильных агрегатах различной конструкции из смесей - шихт - заданного состава, которые могут включать различные соотношения и комбинации природных основных и ультраосновных пород (базальт, габбро, диабаз/долерит, порфирит, серпентинит, туф, анортозит и т.д.) и так называемые породы "раскислители", в основном карбонаты кальция и магния, такие как известняк и доломит, а также, в некоторых случаях шлаки черной и цветной металлургии. Данные расплавы условно выделяют как базальтовые или каменные.

Способы приготовления шихт заданного фракционного и химического состава и последующей загрузки в плавильные агрегаты определяются конструкцией последних и общим техническим оснащением предприятия-производителя ТИМ.

Выделяют также "стеклянные" расплавы (и, далее, стеклянные волокна и вату) получаемые в плавильных агрегатах - стекловаренных печах из шихт включающих в себя базовые компоненты: кварцевый песок, буру/борный ангидрид, стеклобой, соду и некоторые другие, в том числе природные и синтетические. В отличие от каменных расплавов, стеклянные расплавы именно "варятся", так как необходимо время для прохождения реакции образования нужной стеклофазы.

Как бы то ни было, и каменное/базальтовое волокно и стекловолокно, и вату будем называть минеральным волокном и минеральной ватой, приводя, там, где это необходимо, соответствующие пояснения.

После получения расплава из него формируются волокна на машинах волокнообразования (принцип отчасти схож с получением сахарной ваты в местах массовых увеселений, только вместо расплавленных сахаров и сиропов используются расплавленные при температурах свыше ~1500С силикатные материалы), которые далее, после нанесения на них связующего, образуют минераловатный ковер в камерах волокнообразования/волокноосаждения.

Данный пока еще сырой минераловатный ковер проходя по конвейерной линии оборудования подвергается различным преобразованиям (выравниванием слоев сырого ковра, предформованию сырого ковра, сглаживания, компрессии/гофрированию сырого ковра, термообработке, охлаждению, распиловке формированию геометрии, штабеллированию/ рулонированию) и, в конце концов упаковке и отправке на склад упакованной готовой продукции с последующей отгрузкой потребителю.

Рис.1.0.0. Пример схемы производства каменной ваты.

По материалам производителя ТИМ: https://ic.pics.livejournal.com/komiksa/8424040/142335/142335_600.jpg


Рис. 1.0.1. Общий вид некоторых продукции из каменной (слева) и стеклянной (справа) ваты.
https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/?lang=ru		https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/?lang=ru

Рис.1.0.2. Примеры оборудования линий по производству каменной (сверху) и стеклянной (снизу) ваты.

По Gamma Meccanica https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/?lang=ru и https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/?lang=ru

В этой статье будет предпринята попытка описания некоторых важных, по мнению автора, процессов.

Целью написания этой статьи было дать лишь общее представление читателю о процессах производства минераловатных ТИМ. Поэтому описание процессов на разных этапах производства ТИМ здесь будет излагаться стереотипно, без детализации, при необходимости выделяя аспекты применения или влияния связующего для данного процесса. Желающим более подробно ознакомиться с возможными конструктивными исполнениями узлов линий, а также описаниями процессов можно использовать такой источник как patents.google.com, epo.org или freepatent.ru, где в свободном доступе находятся патенты основных мировых производителей минеральной ваты и производителей оборудования технологических линий.

В тексте этой статьи будет использован иллюстративный материал, со ссылками на источники. Сетевые ссылки актуальны на момент написания.

1. Получение расплава. Сырье и плавильные агрегаты

Традиционно на производствах минераловатных ТИМ получение расплава и технологически и организационно выделяют в отдельный комплекс процессов, который включает в себя операции:

-- по приемке и хранению сырья и топлива;

-- по подготовке сырья и топлива;

-- смешивания и дозирования сырья в плавильный агрегат;

-- по подготовке и использованию топлива в плавильном агрегате;

-- по ведению процесса в плавильном агрегате и получению расплава.

Как упоминалось выше, для получения расплава используется природное минеральное сырье с возможными добавками искусственного происхождения. Выбор природного минерального сырья и возможных добавок, а также форм его поставки (фракционного состава) определяется как требованиями к конечному химическому составу получаемого расплава и волокна, так и конструкцией и возможностями плавильного агрегата. Здесь следует рассматривать отдельно производство каменной ваты и стекловаты.

Одним из основных требований, предъявляемых к волокнам каменной ваты, заключается в известной их термостойкости (до ~1000C) в готовом изделии ТИМ, то есть отсутствии спекания/сплавления волокон какой-то промежуток времени при гомогенном и/или гетерогенном горении и воздействии открытого пламени с повреждением минераловатного ковра по толщине вплоть до образования открытых полостей. Многие производители ТИМ из каменной ваты проходят пожарную сертификацию выпускаемых готовых изделий с получением для них класса горючести "НГ". Помимо термостойкости, волокно из камнелитых расплавов считается более стойким к природным воздействиям при эксплуатации ТИМ, также нагружаемые ТИМ больших плотностей (кровли и фасадные системы) производятся из каменной ваты.

Рис. 1.1.1. Примеры сырьевых материалов для производства каменной ваты. По материалам производителей ТИМ.

Сырье, обеспечивающее получение расплава и далее волокна, удовлетворяющее обозначенным выше требованиям к готовому ТИМ, является в общем случае материалами, имеющими показатели температуры плавления и вязкости расплава, достаточные для получения требуемой производительности. Поиск и оценка пригодности таких материалов является одной из важных и часто непростых технологических задач.

В реальности из доступных материалов таким требованиям удовлетворяют основные и ультраосновные природные вулканические и плутонические породы ряда обсидиан - базальт - долерит/диабаз - габброиды и др. сравнительно близкого элементного и/или фазового состава, которые чаще всего служат основным источником, определяющим хим.состав и фазовый состав целевого расплава и волокна. Для корректировки условий плавления и хим.состава целевого расплава используют также некоторые осадочные породы - карбонаты кальция и магния - в основном доломит и известняк. В качестве подшихтовки используют также металлургические (чаще всего доменные) шлаки, имеющие меньшую температуру плавления, чем у загружаемых в плавильный агрегат природных пород, способствуя началу растворения более тугоплавкой породы в появившемся расплаве более легкоплавкого металлургического шлака, и, "облегчая", (например, по термонагрузке, расходу топлива и производительности) таким образом, плавление в целом.

Рис. 1.1.2. Пример настольного исполнения XRF Bruker S2 Puma.

https://www.bruker.com/ru/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/x-ray-fluorescence/s2-puma/s2-puma/single.html

Перед составлением рецепта шихты проводятся измерения элементного состава входящих в неё компонентов, используя, чаще всего возможности рентгенофлуоресцентного анализа (преимущество которого заключается в оперативности и, при проведении хорошей пробоподготовки к анализу, приемлемой точности) - измеренные количества элементов пересчитываются на их высшие оксиды и в таком виде используются далее для расчета хим.состава уже шихты, используя правило аддитивности. Теоретический хим.состав расплава рассчитывается исходя из хим.состава шихты с учетом потерь в процессе плавления. Потери могут уточняться после измерения на аналогичном оборудовании хим.состава полученного расплава и сравнением с хим.составом шихты с учетом понимания природы температурного и окислительно-восстановительных воздействий в процессе плавления. Для получения более полного представления о составе, поведении при плавлении и свойствах как компонентов шихты так и расплава, также используют рентгеновскую дифрактометрию (для получения фазового и/или минералогического состава) и ТГ/ДСК методы анализа.

Самая простая по технологическому исполнению подготовка шихты может заключаться в сепарации на решетке с определенным сечением ячеек перед загрузкой из закромов хранения компонентов шихты в загрузочные бункеры с целью выделить отсев - мелкую фракцию компонента. Отсевная фракция (как правило, более мелких размеров) далее может использоваться для производства сырьевых брикетов на специальном участке производства - брикетном заводе. Рассмотрение особенностей подготовки и использования сырьевых и топливных брикетов выходят за рамки статьи и не будут рассматриваться здесь; при изготовлении сырьевых брикетов, может использоваться дополнительное дробление, что требует дополнительного оборудования. Следует отметить, однако, что при производстве отходных брикетов (сырьем для которых является т. н. полимеризованная и, в основном, неполимеризованная вата - отходы производства и некондицонная продукция, отбракованная с линии), следует учитывать количество и состав связующего в вате и в брикете, которое может влиять на прочностные характеристики производимых брикетов и определять достигаемую долю отходной ваты в брикете.

В случае целенаправленного использования использовании мелкой фракции 5-20 мм каменного сырья (для, например, ванного плавильного агрегата), при необходимости производят подсушку сырья, что требует дополнительного оборудования, такого как, например, барабанные печи.

При работе с поставщиками каменного сырья (например, карьерами) следует уделить внимание требованиям по фракционному составу, а также самой форме камней (например, их лещадности) и их долям в основной массе сырья. Например, в случае поступления сырья с количественно большей чем прописанная в соглашении долей "не целевой" (то есть большего или меньшего размера, чем согласованный для данного плавильного агрегата и процесса в целом размер и форма) фракции, следует уведомить поставщика, и далее принимать решение в соответствии с договоренностями. Часто, если информация о большой доли "не целевой" фракции поступила после выгрузки транспорта, приходится организовывать отсев и в какой-то степени её утилизацию силами предприятия, что связано с дополнительными трудозатратами. Поэтому входной контроль любого сырья является важной технологической операцией. Это же может относиться и к оперативному контролю химического состава сырья, так как, в случае значительных отклонений химсостава (например, при поступлении новой партии), потребует корректировки рецепта шихты, что, в свою очередь, может вызвать серию других корректировок параметров процесса в плавильном агрегате.

После проведения необходимого измерения и анализа фракционного и химического состава, компоненты шихты (напомним, что для каменной ваты это могут быть природные камни, шлаки и брикеты нужной фракции) из закромов хранения перемещаются по транспортерным лентам в соответствующие каждому компоненту загрузочные бункеры.

Рис.1.1.3. Загрузка компонентов шихты из закромов хранения в бункер-силос.

https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/khraneniye-i-peremeshivaniye-syrya/?lang=ru

Технологические операции смешивания компонентов шихты (вместе с углеродсодержащими топливными материалами в случае вагранки) и их дозирования в плавильный агрегат могут быть аппаратно совмещены и осуществляться посредством конвейеров или разделены с использованием промежуточных накопительных сило-бункеров уже готовой шихты. Это определяется конструкцией плавильного агрегата и, как следствие, процессами в нем, используемого топлива, фракцией сырьевых компонентов шихты.


Рис.1.1.4. Модельное изображение электрической ванной печи. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/plavilnaya-pech/?lang=ru. Показаны 3 графитированных электрода, погружаемых в расплав (выделены красным цветом).

Рис.1.1.5.1. Графитированный электрод, погруженный в расплав. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/plavilnaya-pech/?lang=ru	Рис.1.1.5.2. Струя расплава текущая по водоохлаждаемому лотку из выпускного устройства плавильного агрегата. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/plavilnaya-pech/?lang=ru

В зависимости от размера фракции каждого из компонентов и их температуры плавления потребуется разное количество энергии для фазового перехода твердое-жидкость самого легкоплавкого компонента шихты, а также отчасти растворение в получившемся расплаве легкоплавкого компонента более тугоплавкого, этим в общем случае и при прочих равных условиях (например, расходе и температуре дутьевой газовоздушной смеси в случае плавильного агрегата вагранки, или положению графитированных электродов в случае ванной электрической печи сопротивления) будет определяться расход топлива.

Топливом в различных плавильных агрегатах для получения алюмосиликатного расплава являются горючие углеродсодержащие материалы, горючие газы и газовоздушные смеси и электроэнергия - переменный электрический ток.

В случае плавильный агрегат представляет собой т.н. коксовую вагранку, то, как следует из названия, топливом для нее служит кокс, получаемый из коксующихся углей. Для него и других углеродсодержащих материалов есть несколько важных показателей для применения в рассматриваемом процессе. Кокс обладает высокой теплотворной способностью, и в зависимости от степени развитости поверхности (то есть, фактически, пористости) - различной "восстанавливающей способностью". Первый показатель является требуемым - чем больше кДж энергии получается при сгорании единицы массы кокса, тем лучше и тем меньше его расход. Второй показатель нежелателен, так как чем более развитой является поверхность (чем выше пористость), тем меньше прочность коксовых кусков (образуется больше отсева при транспортировке) и тем больше металла (железа) образуется в процессе плавления. Выделяют т.н. доменный кокс, используемый при выплавке чугуна - он более пористый с высокой "восстанавливающей способностью" и т.н. литейный кокс, используемый в других сталелитейных процессах - он более "теплотворный", менее пористый. Как показывает опыт некоторых производителей ТИМ, это формально стандартизированное разделение не всегда имеет ярко выраженную разницу в показателях. Подготовка кокса к использованию на производстве ТИМ заключается прежде всего в отделении мелкой фракции от целевой.

Помимо кокса в качестве топлива для вагранок могут использоваться такие углеродсодержащие материалы как отходы от электротермических производств алюминия - графитовые анодные огарки и отработанные графитовые катодные футеровки алюмотермических печей. Это более плотные и прочные чем кокс прессованные графитированные материалы, обладающие также высокой теплотворной способностью, но требующие для работы с ними более высокой температуры дутьевой газовоздушной смеси для поддержания устойчивого горения. Требованиями к таким материалам, так же как и для кокса, являются определенный размер частиц, но помимо этого важным является низкая степень примесей (особенно для катодных футеровок, которые чаще всего загрязнены примесными к боксит/глинозему летучими анионами, например фторидами, которые вызывают коррозию металлических конструкций и узлов системы газоочистки рис.1.1.6.).


Рис.1.1.6. Элементы системы газоочистки. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/sistema-dymoochistki/?lang=ru

Графитовые "аноды" и "футеровки", являясь фактическим отходом алюмотермии, оказываются дешевле кокса для применения в качестве его заместителя как топливного материала.

Как упоминалось выше, многие производители ТИМ ведут активные разработки по улучшению качества т.н. топливных брикетов, использование которые позволяет получать значительную экономию при использовании в качестве товарного топливного материала более дешевый коксовый отсев, то есть мелкую фракцию кокса.

В процессах плавления с использованием вагранки фракция и сырья и топливных материалов имеет больший размер (60-100-120мм), чем в процессах с газовыми и электрическими ванными печами. Это обусловлено необходимостью обеспечения хорошей газопроницаемости топливно-шихтовой загрузки по высоте вагранки. В ванных печах фракция шихты значительно меньше (0-5 мм, 5-20 мм) для ускорения растворения более тугоплавких шихтовых компонентов в расплаве более легкоплавких и, соответственно, достижения большей производительности. В случае получения стеклянного расплава - для более быстрого получения требуемого хим.состава, т.е. полноты протекания химической реакции. Процесс плавления и получения расплава является комплексным, не него влияет совокупность факторов. В случае вагранки влияние на процесс плавления и получения расплава оказывают распределение топлива, контроль уровня загрузки: по разному в случае вагранки с конусом или без, скорость вращения конуса, скорость прохождения газов, "упругость" дутья - в случае падения газовоздушная смесь может не доходить до центра вагранки, расстояние от уровня фурм до выхода из сифона, постоянное или переменное сечение фурменного кольца - выравнивание профиля дутья, уровень CO, высота холостой калоши, теплообмен и толщина гарнисажного слоя и многие другие. В случае электрических ванных печей влияние оказывает также совокупность факторов, например уровень расплава в печи, распределение шихты по сечению печи, закрытие шихтой зеркала расплава, подаваемая электрическая мощность, положение по высоте расплава графитированных электродов и т. д. Подробное описание ведения печей различных конструкций выходит за рамки данной статьи.

В процессе плавления, следует периодически измерять вязкость расплава и соотносить с теоретическим расчетным значением. Измерение вязкости расплава можно производить на высокотемпературных ротационных вискозиметрах, которые имеют высокую цену. В качестве более доступного и простого в обращении устройства для измерения вязкости для производства каменноватного расплава может выступать устройство вискозиметр представленное на рис.1.1.7. Значения, полученные в единицах длины - сантиметрах - незаполненной расплавом части на этом устройстве позволяют сравнивать вязкость расплава отобранного из данной печи при данной температуре для изменившегося хим.состава или для данного хим.состава при изменившейся температуре. В случае необходимости, для сопоставления результатов измерения в "см" значениям вязкости в "Па"с" следует построить соответствующие тарировочные кривые с использованием ротационных вискозиметров. Для оперативного управления технологическим процессом, а также в силу малой доступности ротационных вискозиметров, на производствах ТИМ как правило пользуются измерением "вязкости" с использованием только рассматриваемого здесь устройства, измеряющего длину застывшего расплава в "см - сантиметрах".

Рис.1.1.7. Вариант вискозиметра для определения вязкости расплава.

По материалам производителей ТИМ.

Вязкость является одним из важных показателей расплава, но, в силу сложности её прямого измерения, рядом исследователей неоднократно предпринимались попытки моделирования и прогнозирования вязкости расплава как по химическому составу сырья, так и учитывающие влияние температуры. Исследователями, изучающими индукционный нагрев и плавление горных пород был накоплен значительный массив данных по вязкости алюмосиликатных базальтовых расплавов, измеренной на ротационном вискозиметре и по химическому составу, измеренному на XRF приборе. Была построена аппроксимирующая зависимость, учитывающая наиболее влияющие факторы в многофакторном регрессионном уравнении. Зависимость учитывает содержание "оксидов" в %масс по методике XRF, модуль кислотности и температуру в ^oC. Вязкость Вз здесь имеет размерность Па"с.

Вз =3,62(SiO₂)^3,07(Al₂O₃)^-0,16(CaO)^-0,40(FeO+Fe₂O₃)^1,34(M_к)^1,25(t-1100)^-2,58.

В общем случае температурная зависимость вязкости расплава некоторых горных пород представлена на рис. 1.1.8.

Вз, Па"с

0x01 graphic
t, ^oC

Рис. 1.1.8. Температурная зависимость вязкости 1 - габбро, 2 - диабаза, 3 - базальта.

Поток полученного расплава с определенными показателями химсостава, температуры и вязкости при данной температуре далее подается по водоохлаждаемым лоткам (рис. 1.1.5.2) на устройство по получению волокон.

2. Получение волокна. Установки и условия волокнообразования

В настоящее время для получения волокон из минерального расплава используются специальные устройства, называемые центрифугами (см. Рис.1.2.1. для дальнейшего получения каменной ваты) и спиннерами или спиннер-машинами (см. Рис.1.2.2. для дальнейшего получения стекловаты).


Рис. 1.2.1. Пример 4х валковых центрифуг GammaMeccanica для производства каменного волокна. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/tsentrifuga/?lang=ru

Рис. 1.2.2. Пример спиннер-машины GammaMeccanica для производства стеклянного волокна. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/tsentrifuga/?lang=ru

В первом случае - производства каменной ваты - струя эллиптического сечения каменного расплава, покинув плавильный агрегат, попадает чаще всего на водоохлаждаемый лоток, и далее с водоохлаждаемого лотка попадает на вращающийся приемный первый валок, где уплощается и последовательно передается на второй, третий и четвертый. Валки 1-2 и 3-4 вращаются навстречу друг другу. Оси вращения валков 1-2-3-4 расположены в шахматном порядке и понижаются по высоте расположения на центрифуге. По мере передачи ленты расплава по валкам центрифуги, уменьшается температура расплава, увеличивается его вязкость и под действием центробежной силы на каждом валке происходит вытягивание волокон из ленты расплава с поверхности валка. Центрифуга и, соответственно, оси валков расположены горизонтально.

Различные производители центрифуг имеют свои собственные разработки и "ноу-хау", связанные с увеличением производительности изделий или их специализацией под определенные минераловатные продукты, например связанные с изменением числа валков, их расположением относительно друг друга, их скоростей, направлений их воздушных отдувов относительно направлений осей валков и т. д. Более детальное рассмотрение возможных вариантов исполнения и настроек лежат за рамками данной статьи.

Рис.1.2.3. Схематическое представление положения ленты расплава на валке центрифуги

В случае производства стекловаты, свободно падающий из выпускного отверстия стекловаренной печи поток стеклянного расплава, проходит через центр кольца спиннер-машины, где под воздействием вышедшего из специально ориентированных форсунок воздушного или воздушно-парового потока раздувается в стеклянные волокна.

Образующиеся волокна как из каменного, так и из стеклянного расплава на разных этапах волокнообразования могут обрабатываться жидким связующим, но подробнее этот процесс будет описан далее.

Полученное таким образом волокно с нанесенными на него каплями связующего под действием специально направленных потоков воздуха - т. н. отдувов - направляется в камеру волокнообразования/волокноосаждения (КВО) и осаждается на элементах волокноприемного узла.


Рис.1.2.4. Пример КВО с волокноприемным узлом барабанного типа. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/kamera-voloknoosazhdeniya/?lang=ru	Рис.1.2.5. Пример КВО с наборным ламельным волокноприемным узлом "треугольник" иногда называемым волокноприемной лентой- ВПЛ. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/kamera-voloknoosazhdeniya/?lang=ru

Помимо представленных на рис.1.2.4. и 1.2.5. КВО, при производстве каменной ваты используются линии т. н. "прямого сбора", где волокноприемный узел представляет собой горизонтальный перфорированный конвейер набранный из ламелей или выполненный из мелкоячеистой сетки под которыми создается зона разрежения, поделенная на несколько подзон с независимым регулированием степени разрежения, сама же камера представляет собой своеобразный сравнительно протяженный тоннель, куда попадает волокна, отброшенный отдувами от, по прежнему горизонтально расположенной, центрифуги. Эти волокна далее осаждаются на горизонтальном волокноприемном узле.

В силу отличий при волокнообразовании из стеклянного расплава, конструкция КВО и волокноприемного узла при производстве стекловаты имеет отличия и представлена на рис 1.2.6. и рис.1.2.7.


Рис.1.2.6. Пример волокноприемного узла КВО линии стекловаты. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/kamera-formirovaniya/?lang=r u	Рис.1.2.7. Пример исполнения боковых стенок КВО линии стекловаты. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/kamera-formirovaniya/?lang=r u

На производительных (выше 9-10т/ч по расплаву) линиях по производству каменной ваты сейчас преимущественно используются линии с барабанным волокноприемным узлом, это связано с большей механической прочностью привода и меньшим количеством движущихся частей и сочленений, легкостью очистки перфорации волокноприемного узла, возможностью работы на больших скоростях что позволит формировать более тонкий первичный ковер, возможностью получать широкий первичный ковер и использовать более одной одновременно работающей центрифуги, что увеличит общую производительность волокнообразования при том же требуемом качестве как волокна так и первичного ковра.

Линии с волокноприемным узлом типа "треугольник" более сложны в чистке, инспекции и обслуживании, так как представляют собой наборную конструкцию из перфорированных ламелей П-образного профиля, закрепленных между двух цепей, натянутых на соответствующие шестеренчатые "звездочки" (см. рис. 1.2.5.). Треугольные ВПЛ как правило используются с одной одновременно работающей центрифугой и обеспечивают получение первичного ковра меньшей ширины, чем КВО с "барабанным" волокноприемным устройством. В силу механических ограничений скорость движения треугольных ВПЛ меньше, первичный ковер получается толще. Эксплуатация треугольных ВПЛ более затратна.


Рис.1.2.8. Схема. Влияние аэродинамики на положение струи расплава	Рис.1.2.9. Схема. Разница давлений между КВО и волокноприемным устройством

Таким образом, некоторыми основными условиями волокнообразования являются температура/вязкость расплава на валках, положение ленты расплава по ширине валка, скорость вращения - обороты валков - также определяющих толщину волокон, скорость и направление воздушных отдувов, которые направляют пучки волокон с валков в сторону волокноприемного устройства и определяют в том числе длину получаемых волокон. Соотношение воздушных потоков отдувов центрифуги и разрежения внутри камеры волокноприемного устройства КВО является важным параметром, определяющих аэродинамику, равномерность и однородность формирования первичного ковра (см.рис 1.2.8. и рис.1.2.9.).

3. Дозирование связующего и его распределение по волокну

Для получения качественного минераловатного продукта, наряду с получением расплава и, затем, волокна, важным аспектом является задача обработки образующихся волокон заранее приготовленным раствором связующего с заданными показателями (здесь - концентрацией/сухим остатком).

Под обработкой здесь следует понимать дозирование всегда точного количества связующего относительно массы волокон так и равномерность распределения связующего в идеале по всем образующимся волокнам.

Дозирование точного количества связующего относительно количества волокна в условиях непрерывного производства является одной из тех технологических операций, которые обеспечивают в условиях конвейерного производства стабильность физико-механических показателей готовых продуктов, и, следовательно, большую уверенность в управляемости процессом в целом.

Точность дозирование обеспечивается работой насосов имеющих моторы с частотными преобразователями и расходомеров (объемных или массовых), которые имеют обратную связь с ними через контроллер управляющей системы. Разумеется, важна согласованная работа также всей сопутствующей электромеханической обвязки.

Рис. 1.3.1. Пример расчета потока связующего в зависимости от производительности линии , показателей связующего и выпускаемого продукта. (для наглядности выполнено в программе SMath Studio)

На рис. 1.3.1. представлен один возможных способов расчета общего потока связующего при выпуске продукта с целевой связкой 4% и содержанием эмульсий 0,2%. Производительность линии по вате при этом 12т/ч (определяется по показаниям весового конвейера перед гофрировщиком или по данным других устройств контроля поверхностного веса ковра), сухой остаток связующего -10%, общие потери связующего 30% (то есть т. н. "эффективность связующего" - 70%). Эмульсии в данном примере дозируются совместно с собственно связующим. Вопрос расчета потерь связующего будет далее рассмотрен отдельно.

Распределение связующего, а в общем случае - суммарное количество жидкости, содержащей связующее, которая наносится на волокна, определяется конструктивным исполнением узла центрифуги и КВО в целом (количеством, конструкцией и расположением форсунок связующего, подачей связующего через роторные трубки связующего валков вместе с подачей через форсунки, распределением потока связующего по волокнообразующим валкам центрифуги, аэродинамикой в КВО и т.д.) и концентрацией/сухим остатком связующего. Если первое является результатом конструкторских разработок производителя оборудования и возможных последующих доработок пользователей оборудования с учетом появившегося опыта, то второе определяется технологом, исходя из качества готового продукта, возможностей оборудования отделения связующего и возможностей камеры термообработки по сушке ковра. Распределение связующего по валкам также является задачей технолога производителя ТИМ. Здесь также следует рассмотреть баланс между долей связующего подающегося через форсунки и чашки валков, расположение и количество форсунок, при необходимости разработать процедуру гидроиспытаний центрифуги на стенде с выравниванием положения форсунок.

Часто при выпуске некоторых видов продукции ТИМ производители создают контролируемый дополнительный поток разбавляющей воды (который смешивается в потоком основного связующего в трубных смесителях непосредственно перед центрифугой) для более быстрого изменения общего потока жидкости, варьирование которым позволяет в известных пределах не менять сухой остаток основного связующего, которое готовится в емкости различного объема. Количество такой воды рассчитывается исходя из задаваемого общего потока жидкости на единицу массы ваты, потребности в связке в МВИ и сухом остатке основного связующего.

Все эти приводимые примеры расчетных формул и зависимостей (например, см. рис. 1.3.1.) просты для понимания, минимально необходимы для автоматизации процесса и хорошо программируются в системе управления дозированием связующего. Следует, конечно, понимать, что автоматизация должна затрагивать не только процесс дозирования связующего, но также и поддержание стабильной производительности, подачи расплава, волокнообразования (оборотов валков, отдувов и аэродинамического баланса в целом), контроля плотности ковра и т.д.

4. Получение "первичного" сырого минераловатного ковра

Отдельный обзор получения "первичного" минераловатного ковра в производстве МВИ актуален для производителей каменной ваты на линиях с маятниковым ракладчиком. Образовавшиеся на центрифуге волокна направляются воздушными потоками - отдувами - в КВО на движущуюся, перфорированную металлическую поверхность (наборную из узких ламелей в случае "треугольника" или широких секторов в случае "барабана") волокноприемного устройства, на которой происходит более или менее упорядоченное осаждение волокон в виде минераловатного ковра (мата/флиса). Такой ковер называется первичным. Осажденные таким образом волокна удерживаются на поверхности волокноприемного устройства путем созданного разрежения в определенном секторе внутри него. В зависимости от скорости движения поверхности волокноприемного устройства, производительности по расплаву на центрифугах и эффективности волокнообразования меняется толщина первичного ковра, что влияет (при прочих равных условиях) на количество слоев ваты во вторичном ковре, создаваемом маятниковым раскладчиком, и получаемый результат по характеристикам готового продукта.

Свойства первичного ковра, помимо его толщины и плотности, такие как влажность и содержание нанесенного связующего определяются уносом (потерями) связующего в КВО, распределением связующего и температурными условиями. Эти свойства, а точнее показатели, первичного ковра следует обозначить как важные, так как они в существенной мере определяют как внешний вид, так и физико-механические показатели готовой продукции ТИМ. Например, такой показатель как предотверждение связующего, будет определять насколько слои первичного ковра после маятникового раскладчика будут склеиваться между собой при прохождении вторичного ковра узла подпрессовщика/гофрировщика и, далее, камеры термообработки (отверждения/полимеризации/поликонденсации) - КП. Подробнее о предотверждении связующего возможно будет изложено в отдельной будущей работе в будущей, при подробном рассмотрении связанных процессов.

В зависимости от качества (ломкости) волокон, длины волокон, их распределения по волокноприемной поверхности ("наполненности" барабана или треугольника) и в некоторых случаях толщины первичного ковра, первичный ковер поступающий на маятниковый раскладчик будет иметь различную структуру и прочность, что будет определять его дальнейшие эксплуатационные свойства при прохождении последующих узлов конвейерной линии оборудования. Например, "рыхлый" первичный ковер, является источником отходов ваты, которая осыпается с него при прохождении первых конвейеров и маятникового раскладчика, что уменьшает общую материальную эффективность при выпуске данного МВИ. С другой стороны, на некоторых линиях при выпуске продуктов МВИ плотных марок оказывается предпочтительнее иметь "рыхлый" рассыпающийся первичный ковер, так как при производстве продуктов плотных марок и особенностей работы подпрессовщика/гофрировщика более хаотическая структура расположения волокон повышает прочностные показатели плит. Поэтому производители МВИ стараются использовать различные настройки линии для получения первичного ковра при производстве для плит малой и большой плотности.

В большинстве случаев, получение наиболее тонкого и при этом прочного первичного ковра - "паутины", который способен сохранить структуру и целостность при движении от КВО к маятниковому раскладчику является наиболее предпочтительным, так как позволяет впоследствии формировать вторичный ковер с наибольшим числом слоев, что бывает важным при выпуске плитных продуктов малых толщин, а также рулонируемых матов для технической изоляции.

5. Формирование "вторичного" сырого минераловатного ковра. Подпрессовка и гофрирование

Прохождение первичного ковра по первым после КВО приемным конвейерам (см. рис.1.5.1) заканчивается между конвейеров маятникового раскладчика. Маятниковый раскладчик представляет собой пару параллельно расположенных вертикальных конвейеров с натянутыми между валами конвейерными лентами. Конвейеры движутся синхронно и в то же время вся конструкция, расположенная на подвесе и подключенная к электродвигателю с помощью кривошипно-шатунного механизма получает маятниковые колебания с заданной частотой.


Рис.1.5.1. Пример исполнения первых приемных конвейеров первичного ковра и маятникового раскладчика. https://ic.pics.livejournal.com/komiksa/8424040/133195/133195_600.jpg	Рис.1.5.2. Вторичный минераловатный ковер и начало подпрессовщика/ гофрировщика. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/gofrirovshchik/?lang=ru

Конвейерные ленты маятникового раскладчика протаскивают первичный ковер на собирающий конвейер (собирающий стол), на котором формируется раскладка слоев вторичного ковра, которые далее проходят конвейерное устройство измерения поверхностного веса и далее слоистая раскладка первичного ковра подается в устройство, называемое гофрировщиком/подпрессовщиком (см. рис. 1.5.2.).

Конвейерное устройство для измерения поверхностного веса может представлять собой в простейшем случае конвейер на тензодатчиках, фиксирующий изменение массы. Также известны воплощения такого устройства в виде использования специальных сенсоров и радиоизотопных источников гамма-излучения или катодных трубок рентгеновского излучения. Излучение проходит сквозь ковер и поглощается в зависимости от веса поверхности. Требуется предварительная калибровка сенсоров с помощью образцов близкой к минеральной вате природы и заранее известного поверхностного веса. Последние реализации позволяют измерять распределение поверхностного веса по ширине вторичного сырого ковра и при необходимости корректировать распределение массы волокна по ширине. Данная корректировка возможна различными способами, одним из которых является изменение режима колебаний маятникового раскладчика и угловой скорости в различных положениях.

Подпрессовщик/Гофрировщик/Кримпинг машина представляет собой устройство, состоящее из секций включающие два горизонтально расположенных один над другим рядов валов, имеющих цепные приводы от электромоторов, оснащенных преобразователями частоты. Расстояние между рядами валов регулируется домкратами с электроприводами см. рис 1.5.3 и 1.5.4. Отличие подпрессовщика от гофрировщика/кримпинг машины заключается в возможности у последних обеспечивать не только сжатие слоев вторичного сырого ковра по высоте, но также производить сжатие по длине по ходу движения ковра. Сейчас практически все линии производителей МВИ имеют гофрировщики. Сжатие по длине обеспечивается наличием не менее 2х секций конвейеров между которыми проходит зафиксированный по высоте вторичный сырой ковер и разницей скоростей между секциями.


Рис.1.5.3. Пример подпрессовщика. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kam ennaya-vata/gofrirovshchik/?lang=ru	Рис.1.5.4. Пример гофрировщика. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/gofrirovshchik/?lang=ru

Первая секция валов гофрировщика имеет большую скорость вращения валов чем вторая и последующие - на границах секций происходит "нагнетание" и подобие трамбования ковра по длине. В каждой секции в зависимости от конструкции гофрировщика верхний и нижний ряды валов могут вращаться с разной скоростью и, из-за меньшей скорости верхнего ряда валов будет происходить переориентация слоев ваты перпендикулярно поверхности конвейеров линии. Это, например, может использоваться при производстве кровельной продукции ТИМ, где требуется высокие прочностные значения сосредоточенной нагрузки.

В целом работа технолога с параметрами и настройками гофрировщика является одним из важных и одним из немногих мероприятий, которые возможно произвести с сырым ковром (помимо первичного ковра до маятникового раскладчика - его толщины и наполненности). Настройка параметров гофрировщика и настройка в целом скоростей конвейеров линии до камеры термообработки позволяет достигать высоких значений физико-механических показателей данного выпускаемого продукта, и, даже, различных толщин данного продукта. Важно отметить, что повышение этих показателей может достигаться без дополнительных затрат, таких как увеличение плотности продукта или содержания органических веществ (связки) в нём. Для любого производства это является важным способом снижения сырьевой себестоимости некоторых видов продукции ТИМ, особенно плотных марок.

На рис.1.5.6. приводится пример расчета скоростей линии до камеры термообработки. Рассматривается выпуск некоторого продукта с плотностью 100 кг/м3 и толщиной в КП 100 мм, шириной ряда линии после обрези кромок 2,4 м и производительностью 10т/ч. Зеленым цветом выделены параметры, которые могут задаваться технологом производителя ТИМ в зависимости от настроек линии. Приводимые зависимости можно адаптировать к конструктиву конкретной линии оборудования и использовать для программирования АСУ. При программировании АСУ также интересным является отдельный алгоритм обработки сигналов устройства измерения поверхностного веса, дальнейший расчет производительности по волокну и управлению, например, работой КВО, данный алгоритм зависит от конструктива линии и её сенсор оснащенности, но здесь, в силу сложности его обобщения, он рассматриваться не будет.

Рис. 1.5.5. Номограмма изменения скорости линии в зависимости от плотности и толщины продукта МВИ.

Подпрессовка и гофрирование позволяет улучшать распределение связующего путем увеличения контактов между волокнами и слоями первичного ковра. При сжатии в гофрировщике за счет уменьшения пористости нанесенное количество жидкого связующего лучше и равномернее пропитывает и обрабатывает волокна. В силу этого же процесса важным является снижение такого явления как предотверждение связующего, которое препятствует перемещению связующего при подпрессовке/гофрировании и "склеивании" слоев первичного ковра, так как при предотверждении наблюдается снижение клеящих свойств связующего на поверхностях первичного ковра - слоях ваты после маятникового раскладчика.

После гофрирования подпрессованный сырой минераловатный ковер попадает в камеру термообработки, вход в которую расположен в непосредственной близости от выхода из гофрировщика. Между гофрировщиком и камерой термообработки расположена секция из водоохлаждаемых двух рядов горизонтальных валов с расстоянием между ними плавно понижающимся от толщины на выходе из гофрировщика до, чаще всего, толщины ковра в камере термообработки.

Рис.1.5.6. Пример расчета скоростей конвейеров линии в зависимости от производительности линии, её конструктивного исполнения и выпускаемого продукта. (для наглядности выполнено в программе SMath Studio)

6. Сушка минераловатного ковра и отверждение связующего. Камеры отверждения

Вышедший из подпрессовщика/гофрировщика сжатый сырой минераловатный ковер подвергается тепловому воздействию в камере термообработки, куда подается и проходит в фиксирующем толщину ковра состоянии между двух металлических перфорированных конвейеров набранных из ламелей соответствующей толщины. Проходя через камеру термообработки (называемую также камерой полимеризации КП, камерой отверждения, камерой поликонденсации, сушильно-полимеризационным конвейером - СПК и т. д.) ковер подвергается активной конвекционной сушке путем пропускания подогретой газовоздушной смеси через перфорацию ламелей и, соответственно, зафиксированный между ними пористый минераловатный ковер. Пройдя через КП, ковер, таким образом, приобретает сформированную толщину, становится сухим (содержание остаточной влаги менее 0,5%) и, главное, связующее на основе термоотверждаемых материалов, нанесенное на предыдущих этапах, отверждается, скрепляя минераловатные волокна между собой.


Рис.1.6.1. Камера термообработки (КП). Выход ковра. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/kamera-polimerizatsii/?lang=ru и https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/kamera-polimerizatsii/?lang=ru	Рис. 1.6.2 Камера термообработки (КП). Вход в через подпрессовщик (сверху) и этап монтажа со снятыми ламелями (снизу). https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/kamera-polimerizatsii/?lang=ru и https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/kamera-polimerizatsii/?lang=ru

На рис.1.6.1 и 1.6.2. показаны фотографии КП производства GammaMeccanica. Из приведенных иллюстраций видно что КП является одним из самых протяженных узлов конвейерной линии оборудования. Это связано с необходимостью на современных линиях обеспечивать качественную продолжительную термообработку, что достигается созданием в КП нескольких зон, разной степени независимости регулирования параметров, в которых производится термообработка минераловатного ковра газовоздушной смесью с различными температурами и величиной потока теплоносителя. Эти зоны в КП называются циркуляционными. Различие параметров, задаваемых в зонах КП, обусловлены меняющимися свойствами ковра по мере его прохождения через КП.

"Сырой" вторичный минераловатный ковер, проходя после гофрировщика в первую зону КП, имеет нанесенные на волокна капли связующего с достаточно низкой вязкостью, что означает высокую подвижность капель и, следовательно, легкость их перемещения по волокнам под воздействием проходящего потока подогретой газовоздушной смеси. В зависимости от направления (сверху вниз или снизу вверх) потока подогретой газовоздушной смеси и мощности такого потока, может наблюдаться перемещение нанесенного связующего по толщине ковра. Подобное перемещение является крайне нежелательным и вредным с точки зрения качества готового продукта МВИ. Снижение этого эффекта на разных марках МВИ разных толщин является одной из важных технологических задач. Способы для решения этой задачи различны в силу различного конструктива КП на разных линиях. Одним из таких способов для пористых продуктов малых плотностей является снижение потока в начальных зонах КП, что позволяет снизить перемещение, но может снизить общее переданное ковру количество тепла, во избежание чего приходится увеличивать тепловой поток в других зонах. Другим способом, при такой технической возможности, является, например, смена направлений потоков в начальных зонах КП, в зависимости от распределения связующего (LOI) по толщине готового продукта. Также используется коррекция распределения связующего по валкам или форсункам центрифуги по правой/левой стороне первичного ковра, которые после маятникового раскладчика формируют верх/низ вторичного ковра. Есть также некоторые другие способы, использующие конструктивные особенности КП.

В начальных зонах КП, из сырого минераловатного ковра, который подвергается термпературной обработке, называемой конвективной сушкой, испаряется прежде всего вода, также происходит удаление из связующего остаточных растворенных в нем легколетучих компонентов (аммиака, алкиламинов, формальдегида и т.д.) и соответствующих азеотропных смесей с водой. По мере испарения воды происходит возрастание вязкости, снижается подвижность капель связующего, начинается процесс его отверждения (желатинизации).

В средних и последних зонах КП, после того как большая часть воды испарилась, капли связующего зафиксировались в местах его нанесения, и, подвергаясь дальнейшему, значительно более мощному температурному воздействию, связующее отверждается - происходит его поликонденсация с выделением мономеров (формальдегида, аммиака, уроптропина, аминов и т.д.), остаточного фенола и вторичной воды.

Выделяющиеся в циркуляционные зоны КП при отверждении связующего летучие вещества, в том числе пары воды, удаляются из них вместе с отбором излишнего объема газовоздушной смеси из циркуляционных зон и должны подаваться в систему дожига, после которой углекислый газ и пары воды выбрасываются в атмосферу.

Итак, термообработка минераловатного ковра заключается в конвективной передачи количества тепла путем пропускания нагретой газовоздушной смеси через пористый материал - проходящий по конвейерам линии минераловатный ковер.

Вопрос определения параметров термообработки, то есть в случае производства МВИ - температуры и объемного расхода подогретой газовоздушной смеси, обусловлен различными условиями, например конструктивным исполнением КП, маркой МВИ (здесь в общем случае раздельно плотностью и толщиной), количеством связующего для требуемого количества связки (LOI) в плите, сухим остатком связующего (то есть количеством воды, подаваемой в ковер), маркой и показателями используемой смолы, производительностью и скоростью линии, а также некоторыми другими.

Во многих случаях параметры термообработки определяются опытным путем, исходя из возможностей циркуляционных горелок, циркуляционных вентиляторов, теплопотерь в циркуляционных газоходах и получаемого результата по физико-механическим показателям готовой продукции МВИ.

Оценка эффективности теплообработки по циркуляционным зонам КП может осуществляться (и чаще всего осуществляется) по разнице температур подогретой газовоздушной смеси в циркуляционной зоне между температурой подаваемой смеси в подзону нагнетания в ковер - "после" горелки и циркуляционного вентилятора и "до" ковра, и соответствующей температурой "после" ковра и до циркуляционной горелки. Чаще всего эти температуры измеряются термопарами, установленными в соответствующих газоходах. Чем больше разница температур, тем более "сырой" ковер с соответствующей зоне. По мере движения ковра в КП эта разница уменьшается. Помимо температуры, оценка потока подогретой газовоздушной смеси должно осуществляться по показателю дифференциального давления между верхней и нижней подзонами соответствующей циркуляционной зоны, которое измеряется манометрами различных конструкций, срезы трубок которых располагаются внутри подзон КП. Чаще всего, учитывая неизменность газового оборудования линии и линейных размеров зон и, принимая во внимание необходимость тщательной чистки и обслуживания измерительного оборудования, поток подбирается прямым заданием либо оборотов вращения циркуляционных вентиляторов, либо вовсе условным процентом от максимальных оборотов или нагрузкой на электродвигатели соответствующих приводов циркуляционных вентиляторов. То есть технолог оперирует уставками температур на или сразу после циркуляционных горелок в градусах цельсия и дифф. давлением, оборотами в минуту, процентами или амперами. По мере сушки ковра при прохождении его через КП, для большинства продуктов возрастает и уставка температуры и "уставка" воздушного потока. Оценка правильности подбора этих параметров осуществляется по качественным показателям готового продукта соответствующего МВИ, включая измерение не только прочностных показателей и оценку внешнего вида, но и измерение т. н. показателя степени поликонденсации связующего, ускоренного старения в автоклаве или ПСУ в эксикаторе (см., например семейство ГОСТов 17177-94 п.12 и вариацию п.9)

Другим способом оценки эффективности термообработки является измерение температурного профиля внутри ковра при прохождении его через КП, то есть построение кривой температуры в определенной точке ковра от времени/положения это точки в КП. Для этого многими производителями МВИ используется семейство приборов терморегистраторов типа Datapaq Q18 (например, DQ1860), оснащенных несколькими выносными термопарами, спаи которых помещаются в определенную точку ковра до КП и показания которых записываются во времени автономным регистрирующим модулем. Данный модуль помещается в прочный теплоизолированный бокс, который, при проведении измерений, располагается поверх ковра и перемещается с ним по КП (такой теплоизолированный бокс слегка вдавливается в ковер, так как "закладка" прибора происходит в большинстве случаев также и до гофрировщика), после чего в зоне охлаждения извлекается из ковра вместе с термопарами. Анализ полученных данных дает технологу понимание о достигаемых температурах в заданном участке ковра, продолжительности такого воздействия и его динамике. Программное обеспечение Insight, чаще всего входящее в комплект прибора, позволяет задаться средней скоростью линии, протяженностью циркуляционных зон и, таким образом, представить результат в координатах "температура данной термопары" - "позиция по длине КП", что облегчает анализ результатов измерений технологом.

Описание характерных точек и участков, то есть достигаемых температур и их продолжительности, получаемых термограмм возможно будет дано в будущем в отдельной работе, вместе с иллюстративным материалом, в рамках рассмотрения процессов термической обработки связующего. Следует отметить, однако, что практически для любой КП и выпускаемого продукта МВИ эти точки и участки будут являться важными характеристиками процесса сушки ковра и отверждения связующего, так как могут являться данными для осуществления корректировок в том числе количества жидкости и разбавляющей воды подаваемых на волокна в КВО и, при наличии результатов постфактум измерения СПК, оценивать достаточность и оптимальность температурного воздействия (то есть газовому потоку данного расхода с данной температурой) на минераловатный ковер при выпуске продукта МВИ данной марки. Эти данные также могут послужить обоснованной причиной пересмотра значений существующих скоростей линии (а значит и производительности) при выпуске продуктов МВИ данной марки как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.

Следует отметить, что стремление к наибольшему тепловому воздействию безусловно не может применяться ко всем без исключения маркам МВИ, так как некоторые продукты рулонной технической изоляции из каменной ваты с малым содержанием связки (LOI<=1%) и, чаще всего, с малым количеством жидкости, выпускаются при достижении температур в ковре на 15-30% ниже, чем при выпуске плитных продуктов общестроительной изоляции, что связано с некоторыми специфическими требованиями к их гибкости/упругости.

Для некоторых производителей МВИ, получение с помощью прибора Datapaq массива данных термообработки для данного продукта и сопоставление с массивом данных "параметров" КП при его выпуске и массивом данных его физико-механических показателей при известных параметрах волокна на данной линии, служит иногда причиной для их сопоставления и обобщения с целью составления расчетных моделей, позволяющих в итоге расчетным путем получать численные значения "параметров" данной КП для практически любой марки продукта МВИ.

Работы по подобного рода моделированию процессов в КП являются достаточно ресурсозатратными (как по времени сбора и обработке информации, так и по проведению, при необходимости целевых тестовых выпусков) для технологов заводов производителей МВИ, поэтому в большинстве случаев проводить такое моделирование силами производителей считается нецелесообразным. Крупные производители МВИ, имеющие несколько производственных линий и, чаще всего специализированные технико-прикладные центры разработок, или в некоторых случаях в сотрудничестве с крупными производителями оборудования линий по производству МВИ могут себе позволить проводить такие работы, основываясь на своем существующем (иногда весьма богатом) опыте, детальном понимании существующих и возможных конструкций КП и желании получать данные для дальнейших разработок. В настоящее время имеются некоторые открытые и доступные в сети публикации, позволяющие получать некоторую информацию о необходимых исходных данных, подходах к их обработке и общему построению работ в данном направлении. Следует отметить прекрасную монографию Лыкова А.В. "Теория сушки" (Москва, "Энергия" 1968 г. изд 2-е, переработанное и дополненное), в которой в главе 5 детально рассматривается теория конвективной сушки пористых тел и условия для решения некоторых критериальных уравнений гидродинамики и тепло/массообмена для этого случая. При должной квалификации сотрудников предприятия производителя МВИ и их возможностях на основе изложенной (впрочем, довольно сжато) теории возможно составление теплового баланса и моделей сушки минераловатного ковра в КП, но адекватность таких моделей будет зависеть от многих факторов. Также следует отметить относительно современные публикации по данному вопросу Жукова А.Д. в том числе в соавторстве со Смирновой Т.В., и публикацию Матюхиной А.В. и Матюхина В.И. которые носят более прикладной характер и представляют интерес в плане рассмотрения и адаптации под конкретные условия линии предлагаемых различными авторами различных моделей сушки.

На известных в настоящий момент линиях по производству МВИ температуры, подаваемой в КП в ковер для его термообработки, подогретой газовоздушной смеси меняются от 200 до 275С, при температурах внутри ковра в КП от 190 до 240-245С, в зависимости от выпускаемой марки продукта, и производительности линии. Чаще всего от первой до последней циркуляционных зон КП температуры плавно увеличиваются, при технической возможности в виде наличия отдельных циркуляционных горелок для каждой зоны, однако в силу различных факторов (конструктивных или обусловленных качеством готового продукта) задаваемые температуры в зонах могут меняться не как линейно растущие. На линиях, где нет отдельных циркуляционных горелок (и соответствующих циркуляционных вентиляторов) для каждой зоны поток на входе в ковер каждой зоны имеет одинаковую температуру, и в этом случае его регулирование осуществляется путем разной степени открытия заслонок и воздушных клапанов на газоходах каждой из циркуляционных зон. В силу меняющихся по мере сушки влажности и воздухопроницаемости ковра, а также степени отверждения связующего, величины потока подогретой газовоздушной смеси увеличиваются от первой к последней зоне, достигая, чаще всего максимально возможных для данной линии значений при выпуске продуктов большого поверхностного веса (плотных марок/больших толщин).

Помимо температур подогретой газовоздушной смеси в газоходах циркуляционных зонах КП, и, следовательно, в ковре с учетом теплопотерь и количества жидкости, нанесенной на волокна, одним из не всегда очевидных является параметр температур подогрева ламелей КП, в зависимости от их конструктивного исполнения, которые могут варьироваться от 300 до 360С. Этот диапазон определяется как характеристиками соответствующих горелок так и конструктивным исполнением узла подогрева ламелей в целом. В систему подогрева ламелей может подаваться как чистый воздух, так и (что более оправдано) отбираемый из циркуляционных зон поток подогретой газовоздушной смеси, используемой для сушки ковра - в этом случае этот поток содержит значительное количество летучих органических веществ, выделившихся при отверждении связующего. Подогрев ламелей требуется для предотвращения их охлаждения и следовательно потерям тепла циркуляционной газовоздушной смесью, также охлаждение ламелей приводит к налипанию на них сгустков сырого минераловатного ковра и дальнейшему повреждению поверхности отвержденного ковра, вышедшего из КП. Поток подогретого воздуха проходит по специально спроектированному воздушному коробу, расположенному над ламелями навстречу движению ламелей и нагревает их. Отработанный после подогрева ламелей воздух подается в систему дожига, где происходит высокотемпературная деструкция летучих органических веществ (700-800С), после чего охлаждается и удаляется в атмосферу через дымовые трубы. Возможно совмещенное исполнение камеры дожига и системы подогрева ламелей с отбором горячего воздуха из системы дожига.

Система дожига представляет собой газовый теплообменник с развитой поверхностью теплообмена и удлиненным временем пребывания дожигаемого воздуха при высокой температуре. Сначала происходит предварительный подогрев пламенем основной горелки трубок теплообменника, по которым проходит дожигаемый поток газовоздушной смеси (из циркуляционных зон или отдельной системы подогрева ламелей), этот подогретый воздушный поток далее поступает на основную горелку, где в нем достигается окончательная высокая температура дожига. Система дожига и система подогрева лемелей могут быть установлены в другой последовательности, тогда из циркуляционных зон газовоздушная смесь поступает на систему дожига, а, затем после небольшого охлаждения (воздушного или водяного орошения), подается на подогрев ламелей и далее в атмосферу через дымовую трубу (следует отметить, что есть конструктивные исполнения, когда отработанная газовоздушная смесь после водяного орошения проходит еще через фильтровальную камеру, но это фильтрование только механическое).

Одним из важных систем в составе КП является система пожаротушения. Её хорошая автоматизация, правильно выбранное расположение в газоходах, зонах и коробах пожарных термопар, спринклерно-дренчерных клапанов и патрубков, а также задание верных уставок по температуре и времени срабатывания помогают ликвидировать возможные возгорания без значительного временного и материального ущерба для производства.

7. Охлаждение минераловатного ковра

После того как отвержденный минераловатный ковер покидает КП, температура как его поверхности так и внутри всё еще высокая (выше 100-150С в зависимости от продукции), и в силу теплоизоляционных свойств минеральной ваты сохранялась бы такой достаточно продолжительное время, чтобы затруднить или сделать невозможной последующую обработку ковра - распиловку и упаковку готового продукта МВИ. Во избежание этого перед подачей отвержденного ковра на распиловку и упаковку он проходит по специальному конвейерному узлу, называемому охлаждающим конвейером или охлаждающим столом, зоной охлаждения, "холодильником" и т. д. Этот узел представляет собой рольганговый или сетчатый конвейер, скорость движения приводов которого синхронизирована со скоростью КП, по которому проходит горячий ковер и под которым расположен короб из металлических листов в виде перевернутой призмы или усеченной пирамиды, большее основание которой соединено с охлаждающим конвейером, а меньшее заканчивается газоходом и, далее, отдельной фильтровальной камерой и вентилятором системы охлаждения.

То есть также как в случае с сушкой ковра, здесь имеет место принудительная конвекция, путем "продувания"/"просасывания" уже более холодного воздуха через нагретый ковер.

Несмотря на относительно простую принципиальную схему, система охлаждения ковра после КП является важным элементом конвейерной линии оборудования, правильная работа которой определяет как сохранность упаковочного материала, так и эмиссию остаточных летучих органических веществ из готовой продукции МВИ.

Следует отметить, что в зависимости от сезона, на эффективность охлаждения может влиять место отбора воздуха для пропускания через ковер - существуют схемы с отбором воздуха как их цеха, так и снаружи цеха, путем создания дополнительного "зонта" с воздухозаборником, другой конец которого расположен вне знания цеха. Этот "зонт" нависает над конвейерами системы охлаждения и, таким образом, воздух снаружи попадает напрямую в ковер. В холодные периоды года это увеличивает эффективность охлаждения, но может вызывать дополнительное увлажнение ковра.

Также на эффективность охлаждения влияют величина воздушного потока холодного воздуха, проходящего через ковер и протяженность охлаждающих конвейеров.

Важно понимать что пропускаемый через нагретый минераловатный ковер воздух, после прохождения ковра становится насыщенным частицами минераловатных волокон и, что более существенно - масляными парами (так как в составе связующего используются маслянные эмульсии для обеспыливания и гидрофобизации продуктов МВИ), которые летучи при высоких температурах ковра и конденсируются на более холодных поверхностях короба под ковром, газоходов и фильтров. В качестве фильтров используются минераловатные плиты определенной плотности, помещаемые в металлические рамки - эти фильтры по мере работы линии насыщаются масляными парами.

Также как в случае КП, при охлаждения ковра важна правильно работающая система пожаротушения. Несмотря на очевидно более низкие температуры воздушной смеси, проходящей через ковер и малое количество водяных паров, насыщенность парами масла делает внутреннюю среду после ковра пожароопасной.

После прохождения зоны охлаждения температура внутри плит плотных марок, измеренная погружным контактным термометром не должна превышать 45-50С, в противном случае возможно повреждение упаковочной термоусадочной пленки, в которую упаковываются пачки готовой продукции МВИ. Также недостаточно охлажденные продукты МВИ, образцы которых берутся с линии сотрудниками отдела качества производства на проверку водопоглощения (например по ГОСТ 17177-94), могут показывать ложно завышенные результаты, в то время как повторная проверка образца взятого через несколько часов из остывшей плиты покажет норму.

8. Формирование геометрии продуктов МВИ и возможные узлы "холодного" конца линии

После прохождения ковром зоны охлаждения начинается участок линии, условно называемый "холодным концом", так как на ковер отсутствует принудительное тепловое воздействие и он сохраняет относительно постоянную температуру.

В зависимости от степени универсальности или специализации конвейерной линии оборудования, холодный конец линии может включать в себя различные узлы. Можно выделить узлы, связанные с формированием геометрии продукта, узлы связанные с формированием стоп/пачек/рулонов из плит продукта и узлы связанные с упаковкой продукта.

На холодном конце линии после формирования геометрии, производится отбраковка (с разной степенью автоматизации) продуктов (плит или матов) с видимыми дефектами и отбор образцов продукции сотрудниками отдела качества для проведения испытаний на соответствие физико-механических показателей декларируемым значениям.

Последовательно расположенные на холодном конце линии узлы формирования геометрии, то есть резки ковра, сразу после прохождения зоны охлаждения начинаются с узла кромочной обрези (иногда, впрочем, допускается перед грануляторами кромочной обрези устанавливать ленточные разделительные пилы, разрезающие ковер по толщине), в котором происходит формирование окончательной ширины ковра, при этом отрезаемые с двух сторон части ковра, называемые кромочной обрезью (см. рис. 1.8.1. и 1.8.2), измельчаются отдельными грануляторами и по системе труб возвращаются в КВО, где смешиваются с волокнами от центрифуги и, таким образом, попадают в первичный ковер при выпуске большинства продуктов ТИМ. Кромочная обрезь вместе с частью перерабатываемой некондиции МВИ называются возвратными отходами. Для улучшения качества продуктов МВИ и повышения материальной эффективности производтва рекомендуется чтобы общее количество кромочной обрези составляло около 5% от ширины ковра.


Рис. 1.8.1. Отрезные дисковые пилы и гранулятор кромочной обрези при производстве МВИ из каменной ваты. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/uzel-rezki/?lang=ru	Рис. 1.8.2. Отрезные дисковые пилы и гранулятор кромочной обрези при производстве МВИ из стекловаты. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/uzel-rezki/?lang=ru

Окончательная геометрия продуктов МВИ до упаковки формируется "продольными" разделительными ленточными пилами, продольными дисковыми пилами и поперечными дисковыми "маятниковыми" пилами (или рубяще-отрезной поперечной гильотиной при производстве стекловаты).

Существуют известные ограничения на применение ленточных пил (представляющих собой закольцованную металлическую полосу - полотно с зубцами, натянутую между приводами см. рис 1.8.3.), связанных с шириной линии, плотностью продукта и скоростью линии. Чем шире линия, тем на менее плотных продуктах МВИ возможно использование нескольких рядов ленточных пил. Использование ленточных пил в целом позволяет выпускать ковер с большей толщиной в КП, снижать линейную скорость линии при сохранении производительности и избегать, таким образом, возможные ограничения, связанные с производительностью установленных штабелирующих и упаковочных узлов линии.

Рис.1.8.3. Разделительная ленточная пила.

https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/uzel-rezki/?lang=ru

Устанавливаемые на линии продольные дисковые пилы предназначены для формирования требуемых размеров плитных или рулонных МВИ по ширине ковра после или непосредственно во время обрези кромки. Например, если ширина ковра после обрези кромки составляет 2,4м, то раскрой для плитных материалов может быть в 4 плиты по 0,6м или по 2 плиты по 1,2м, аналогично, если ширина ковра 1м, то раскрой, как правило, в 2 плиты по 1м. Рулонные материалы разрезаются вдоль, как правило, в 1 или 2 шт в ряд. Возможны выпуски специальных продуктов (как правило на заказ), когда продольные дисковые пилы (кроме кромочных) не используются вовсе, но в этом случае далее на линии должно быть установлено соответствующее оборудование для съема и упаковки таких габаритных продуктов МВИ. Вариантов раскроя ковра может быть много, в том числе случаи "несимметричного" раскроя при выпуске под заказ, например, продуктов марок "Сэндвич", но в этом случае потребуется обеспечивать полуавтоматический или полностью ручной съем и формирование пачек или перенастраивать, по возможности, работу штабелирующих узлов.


Рис.1.8.4. Дисковая продольная пила разделяет ковер пополам по ширине. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/uzel-rezki/?lang=ru	Рис.1.8.5. Дисковые продольные пилы с гладкой кромкой на линии производства МВИ из стекловаты. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/uzel-rezki/?lang=ru

Дисковые пилы (см, рис. 1.8.4. и 1.8.5.) представляют собой диск из более вязкого металла, по краям которого напаивается более твердосплавная сегментированная кромка, что облегчает ремонт пилы, в случае выламывания нескольких сегментов из-за контакта с частицами уже застывшего минераловатного расплава, попавшего в ковер из плавильного агрегата и не отсеянного при волокнообразовании на центрифугах. Сегменты снаружи имеют зубчатую или гладкую кромку, что позволяет варьировать ряды пил при выпуске продуктов разной толщины, плотности и скорости линии и уменьшать пылеобразование при раскрое пилами (а точнее здесь - ножами) с гладкой заточенной кромкой, повышая также материальную эффективность за счет снижения количества пылевых аспирационных отходов в этом случае.

Все продольные пилы работают непрерывно вместе с движением ковра, со скоростями вращения приводов, пропорциональными (но не всегда равными) основной скорости линии. Направление вращения дисковых продольных пил выбирается исходя из материала диска, его конструкции, скорости линии и плотности выпускаемого продукта МВИ. Расстояние между дисками продольных пил выставляется, как правило, вручную. Аналогично расстояние между лентами разделительных пил и нижней (а иногда верхней) поверхностью ковра также выставляется чаще всего вручную и натяжение ленточной пилы корректируется в зависимости от степени ее износа и достигаемой равномерности реза по толщине ковра.

Поперечные пилы предназначены для формирования линейного размера продуктов МВИ в направлении перпендикулярном движению ковра по конвейерам. Работа поперечных пил происходит путем синхронизированного перемещения (в виде махов, поэтому иногда поперечные дисковые пилы еще называют маятниковыми), имеющего независимый привод, диска с напаянными твердосплавными секторами с зубчатой или гладкой режущей кромкой (см. рис. 1.8.6.), со скоростью линии. Конструкция и сложность узла поперечной распиловки сложнее продольной, так как требует хорошей синхронизации и установки различных датчиков измерителей скорости, а также общей прочности рамной конструкции, нагруженной оборудованием. Аналогично работа установки гильотинной поперечной резки (см.рис. 1.8.7.), которая используется на линиях по производству стекловаты также синхронизирована со скоростью линии.


Рис. 1.8.6. Поперечная дисковая пила с гладкой "беспылевой" режущей кромкой. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/uzel-rezki/?lang=ru	Рис. 1.8.7. Гильотина поперечной резки. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/uzel-rezki/?lang=ru

Существуют производственные линии, где вместо маховых дисковых поперечных пил резка ковра происходит под воздействием водяной струи высокого давления. Водяная фреза расположена на направляющих, расположенных параллельно плоскости ковра и под углом к направлению его движения. Подбор скорости движения водяной фрезы осуществляется таким образом, чтобы водяная струя в итоге приводила к ровному отрезанию ковра строго перпендикулярно направлению его движения. Часто используется несколько фрез и направляющих для компенсации высоких скоростей линии. Использование поперечных водяных пил ограничивается плотностью и толщиной продукта.

На холодном конце линии по производству продуктов МВИ могут устанавливаться узлы по приклеиванию к поверхности ковра покрытий из фольги с нанесенным слоем полиэтилена, армированной стеклосеткой. Для этого после кромочной обрези устанавливаются один или два электронагреваемых барабана, на которые подается фольга полиэтиленовым слоем к ковру (см. рис .1.8.7. и 1.8.8.).


Рис.1.8.7. Прижимные нагреваемые барабаны. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/goryachiy-val/?lang=ru	Рис. 1.8.8. Узел каширования с рулонами фольги. https://www.gamma-meccanica.it/ mineralnaya-vata/steklovata/горячий-вал-для-производства-стеклов/?lang=ru

Полиэтилен, при контакте с нагретой поверхностью барабана, расплавляется, а при контакте с более холодными волокнами ковра застывает, приклеивая к нему фольгу. Таким образом осуществляется каширование/фольгирование плит и матов с одной или двух сторон.

После окончательного формирования геометрии отдельных плит и матов, они отправляются по конвейерной линии далее - на участки формирования стопок/пачек/паллет/рулонов и упаковку. Также на участке линии после формирования окончательной геометрии чаще всего располагается рабочее место оператора, который отвечает за отбраковку отдельных плит и матов продуктов по внешнему виду. При хорошей степени автоматизации линии оператор, помимо визуального наблюдения, может использовать данные различных сенсоров и датчиков, работа которых осуществляется автоматически, в соответствии с предварительно сделанными калибровками и алгоритмами.

Перед упаковкой из рядов плит со сформированной геометрией набираются стопы или пачки, это происходит на узле линии, называемым штабелером/стакером или стопировщиком (см. рис. 1.8.9. и 1.8.10).


Рис.1.8.9. Монтирование штабелера. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/stopirovshchik/?lang=ru	Рис.1.8.10. Ряды плит отправляются на формирование пачек в штабелере. http://www.izoteh.si/db/izoteh/image/Slike_V_Modulih/Product/4_file.jpg

Специальные продукты МВИ для технической изоляции из каменной ваты и многие продукты, выпускаемых из стекловаты производятся не в виде плит, а в виде длинных матов (длинной 4 - 9 метров), которые упаковываются в рулоны. Для этого используется узел, который называется рулонатор или рулонировщик (см. рис. 1.8.11. и 1.8.12). Особенностью этого узла является то, что оборачивание свернутого в рулон мата происходит здесь же, после чего упакованный в термоусадочную пленку рулон может отправляться на дальнейшую укладку в набор и в паллет на поддон.


Рис. 1.8.11. Рулонировщик и обернутный термоусадочной пленкой рулон. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/rulonator/?lang=ru	Рис.1.8.12. Обертывание рулона прозрачной пленкой в рулонаторе. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/steklovata/rulonator-maty/?lang=ru

Плитные продукты МВИ набранные на штабелере в стопы/пачки направляются в узлы, называемые упаковочными машинами, где упаковываются в термоусадочную или компрессионную пленку (см. рис.1.8.13. и 1.8.14.). Упаковка в компрессионную пленку осуществляется для плитных продуктов МВИ малых плотностей, подразумевает полный охват всей пачки и применяется для дополнительного сжатия пачек и экономии места при транспортировки готового продукта конечному потребителю.


Рис. 1.8.13. Упаковочная машина с открытыми торцами и прозрачная пленка. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/oborudovaniye-upakovki/?lang=ru	Рис. 1.8.14. Упаковочная машина с термоусадочной пленкой зеленого цвета и термоусадочная камера. https://www.gamma-meccanica.it/mineralnaya-vata/kamennaya-vata/oborudovaniye-upakovki/?lang=ru

Упаковочное оборудование в целом довольно разнообразно и, в зависимости от потребностей, им может дооснащаться и существующая линия. Например установка роботов паллетоукладчиков (см. рис. 1.8.15) с последующим прохождением паллетов через автоматические стретч-паллетообмотчики или худинг-машину, где паллет с пачками или рулонами накрывается мешком-"капюшоном" из компрессионной пленки позволяет экономить на ручном труде и дополнительно защищать продукты МВИ от воздействия дождей при хранении на открытых складах или транспортировки конечному потребителю.

Помимо упомянутых здесь узлов, вне детального рассмотрения остались упаковочные узлы для получения компрессированных пачек. Также в рамках данной статьи не рассматривается работа разнообразных установок по получению специализированной технической изоляции из каменной ваты, продуктов для огнезащиты и прочих отдельно расположенных и работающих т. н. "офлайн" участков и установок.

Рис. 1.8.15 Робот-паллетоукладчик рулонов.

https://www.gamma-meccanica.it/ mineralnaya-vata/steklovata/oborudovaniye-upakovki-material/?lang=ru

Процесс производства продуктов МВИ - это комплексный процесс, качество и разнообразие получаемых продуктов зависят от оснащенности линии различными узлами, их возможностями и квалификацией сотрудников предприятия-производителя.

Конвейерный способ производства и высокие скорости современных производственных линий требует оснащения многих узлов быстродействующими датчиками и автоматизированными измерительными устройствами, работа и показания которых должны оперативно анализироваться сотрудниками смен, а контроль работоспособности и настройка квалифицированными инженерами службы АСУ.

Контроль качества выпускаемых продуктов МВИ осуществляется контролерами и сотрудниками отдела качества с заранее определенной периодичностью, достаточной для уверенности в том, что достигаемые физико-механические показатели испытанных образцов можно было отнести ко всей партии. Это требует достижения высокой стабильности процесса, обеспечивающей как отсутствие т. н. "скачков по расплаву", то есть стабильности работы плавильного агрегата и получения однородного первичного ковра и плотности вторичного ковра так и стабильной работы камеры термообработки и получения одинаковой степени отверждения связующего в ковре.

Важным аспектом, зачастую определяющим процесс, является стабильность значимых показателей сырьевых материалов, используемых при производстве продуктов МВИ. Эта стабильность позволяет технологам и сотрудникам производства сосредотачиваться на непосредственно управлении линией и оптимизации процесса производства и не делать частые корректировки, компенсирующие возможные отклонения в показателях сырьевых материалах, а также сужать диапазон параметров процесса в технологических картах для сменных сотрудников.

Одним из сырьевых материалов, значительно влияющих на качество готового продукта МВИ и, в зависимости от марки, определяющая процесс производства является термореактивная смола (например, фенолоформальдегидная резольного типа), которая служит основой для приготовления раствора связующего, наносимого на волокна. О производстве и разнообразных аспектах применения таких смол с разной степенью подробности либо уже излагается в существующих отдельных работах, доступных в сети (см. работы авторов Л.Пилато, В.Шейб, А.Кноп, А.Гардзиелла) либо в будущем предстоит сделать авторам, имеющих отношение к данному вопросу и решившим поделиться своим опытом.

ТИМ - Теплоизоляционные материалы.

Оставить комментарий © Copyright Моль Андрей Размещен: 24/08/2021, изменен: 24/08/2021. 102k. Статистика. Статья: Изобретательство Иллюстрации/приложения: 59 шт.
Аннотация: Приводится общее описание процессов производства минераловатных изделий

Моль Андрей : другие произведения.

Описание производства минераловатных изделий