Существует 2 основных вида волокон: штапельное и непрерывное. В основе такого деления лежит длина волокна. Длина непрерывных волокон измеряется километрами, а штапельных – это миллиметры и сантиметры. На свойства самих волокон и изделий из них в большей степени влияет диаметр элементарного волокна. От этого зависит: вибростойкость, плотность, теплопроводность, звукопоглащение и т.д. И в зависимости от того, какие требования предъявляются к изделиям и их назначению вместе с химическим составом расплава, необходимо использовать волокно требуемого диаметра.
Штапельные волокна в зависимости от диаметра делятся на:
грубое более 25 мкм
утолщённое - 13÷25 мкм
тонкое - 4÷12 мкм
супертонкое - 1÷3 мкм
ультратонкое более 0,5 мкм
микротонкое менее 0,5 мкм
Для производства волокон с требуемыми свойствами в процессе производства необходимо использовать различное сырьё.
Кремнеземные, кварцевые, каолиновые волокна способны выдерживать сверхвысокие температуры. Однако, наряду с отличительными положительными свойствами как химстойкость и высокая термостойкость, они имеют низкую вибростойкость, хрупкость. К тому же, процесс получения таких волокон в значительной степени сложен и дорогостоящ.
Стеклянные непрерывные и штапельные волокна требуют предварительной подготовки всех компонентов шихты для их производства. Это и измельчение, и помол, и просеивание. Шихта состоит из нескольких компонентов, среди них бор, сода, сульфит и другие.
Температура, при которой происходит процесс варки стекла до + 1500оС. Процесс включает в себя несколько стадий: дегазацию, стеклообразование, осветление, охлаждение.
Минеральные волокна. Для их производства необходимо использование силикатосодержащих горных пород, доменных шлаков, бой стекла и отходы керамической промыщленности, а также известняк и доломит. В зависимости от состава сырья и применяемой для плавки шихты плавильной установки необходимая температура может быть от 1400оС до 1800оС.
Основным показателем, определяющим пригодность сырья для производства минеральных волокон, является модуль кислотности, определяемый как отношение процентного содержания суммы окиси алюминия и двуокиси кремния к сумме окиси кальция и магния. Модуль кислотности должен быть не менее 1,2. Лучшее качество минеральной ваты обеспечивается при модуле кислотности 1,4-1,5.
Известно множество составов на основе горных пород, пригодных для получения минерального волокна:
- Среди первоначальных - плавка в вагранке гориблендита крупной фракции с использованием кокса в качестве теплоносителя при температуре 1270оС. Расплав в составе имел среди других оксидов:
SiO2~ 38%
H2O3 ~ 17%
CaO ~ 12%
MgO ~ 12%
Модуль кислотности составил в среднем 2,3. Получалось грубое волокно со средним диаметром 34 мкм, с содержанием королька (не волокнистых включений) около 15%. Термостойкость составляла около 700оС.
- Минвату можно получить из породы, содержащей волластонит и пироксен из оливиновых диабазов и других ультраосновных пород.
- Для производства стеклянных непрерывных или штапельных волокон используют шихту с содержанием 40-70% вулканического туфа.
- Более поздние производства минеральной ваты хорошего качества использовали магматические породы, оливины, марганцевые и никелевые руды с добавками доломита.
Подготовленную шихту плавят в электропечах при температуре до 1600оС. Само волокно получают путём раздува струй расплава сжатым воздухом либо паром под давлением. Модуль кислотности был в районе 1,7÷1,8. Средний диаметр волокна составлял от 2 до 20 мкм.
- Для увеличения химстойкости и термостойкости стеклянных волокон возможно использование в качестве главного составляющего шихты - базальтового щебня. При этом химсостав основных оксидов должен быть в пределах:
SiO2 – 57÷59%
Al2O3 – 9÷11%
Fe2O3 – 8÷10%
CaO – 8.5÷10.5%
MgO – 3.5÷5.5%
Температура выработочного узла для производства непрерывного волокна должна составлять 1250оС. Минерал базальтовой группы с таким химсоставом рекомендуется и для производства супертонкого волокна.
- Более всего известно получение минеральной ваты с помощью центрифуги. Сырьё для производства этим способом должно содержать SiO2 - 40÷45%, а CaO – до 22%. Получаемое центрифугированием волокно короткое с диаметром 3÷5 мкм.
В некоторых странах Европы освоено производство минеральной ваты несколькими способами: с помощью центрифуги, вертикального раздува и смешанным. Средний диаметр волокна составляет 5÷20 мкм. Для уменьшения диаметра до 5÷9 мкм базальты подшихтовываются доломитом или известняком. При плотности 120 кг/м3, коэффициент теплопроводности λ составляет 0,036 ВтоК, термостойкость достигает +650оС. Полученные волокна даже при диаметре 20 мкм имеют прочность значительно выше чем у шлаковаты и достигает 32 кг/мм2.
В России работает множество производств с центробежным способом производства волокон и плавкой шихты, как в вагранке, так и в ванных печах, с использованием габбродиабазов в качестве основного компонента шихты с химсоставом:
SiO2 ~ 49%
Fe2O3 ~ 14%
Al2O3 ~ 13,2%
CaO ~ 9,7%
MgO ~ 9,5%
При этом происходит подшихтовка доломитом и доменным шлаком. Полученные минеральные волокна пригодны для производства теплоизоляционных плит с плотностью от 30 до 200 кг/м3 коэффициентом теплопроводности λ – 0,035÷0,043 ВтоК.
Широко используется для производства минваты амфиболиты Новокиевского месторождения в районе г. Новотроицка Оренбургской области с химсоставом:
SiO2 – 45%, Al2O3 – 15%, Fe2O3 – 12%, FeO – 8%, CaO – 10%, MgO- 8%.
Диабазы Васильевского месторождения Кемеровской области, имеющим химсостав:
SiO2 – 39-51%, Al2O3 – 10-19%, FeO+Fe2O3 – 10-18%, CaO – 8-13%, MgO- 4-12%, K2O+Na2O – 2-5%
А так же метапорфириты Булатовского месторождения Архангельской области с химсоставом:
SiO2 – 48%, Al2O3 – 10%, FeO+Fe2O3 – 12%, MgO- 4-12%, CaO – 10%.
Разведано множество месторождений в Бурятии, Якутии, на Урале, в Хабаровском крае, на Камчатке, Сахалине, пригодных для производства не только минеральной ваты, но и тонкого, супертонкого и непрерывного базальтового волокна.
