Профессор Кузнецов Ю.С., к.т.н. Мороз М.Н.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Минеральная вата на основе местных вторичных сырьевых ресурсов

Минераловатные изделия до настоящего времени остаются самым распространённым в мире теплоизоляционным и акустическим материалом, практически все регионы России ощущают острый дефицит минеральной ваты

Ведущие мировые производители минераловатной продукции в качестве сырья используют исключительно горные породы, что позволяет получать минеральную вату высокого качества с длительным сроком эксплуатации. Именно такой материал рекомендуется применять для ответственных конструкций, когда требуется многолетняя надёжная их работа. К сожалению, минеральная вата, полученная из доменных шлаков, не обладает достаточной долговечностью в условиях знакопеременных температур, повышенной влажности, действия высоких нагрузок и деформаций. Её применение оправдано в дачном строительстве, при сооружении коттеджей, временных сооружений и для конструкций, в которых легко выполняются ремонтные работы.

Проблема обеспечения высокоэффективными теплоизоляционными материалами резко обострилась с введением новых требований к теплофизическим характеристикам ограждающих конструкций. Практически любой стеновой материал в жилищном и промышленном строительстве требует дополнительной теплоизоляции. Увлечение полимерными теплоизоляционными материалами создаёт тупиковую ситуацию, так как практически существует полное несоответствие долговечности конструкционного стенового материала и теплоизоляционного слоя. Если долговечность большинства традиционных стеновых материалов исчисляется столетиями, то все полимерные поризованные материалы имеют срок эксплуатации не более 30 лет. В итоге возникнет необходимость полной замены теплозащитного и звукоизоляционного полимерного слоя через относительно короткие сроки эксплуатации зданий и сооружений.

В этой связи стратегически оправданным становится выбор теплоизоляционных и звукоизоляционных материалов на основе минерального сырья. Организация производства минеральной ваты на основе минеральных отходов возможна в любом промышленно развитом регионе страны. Решение проблемы облегчается созданием кадастра промышленных отходов. С 2001 г. в РФ началось проведение паспортизации опасных отходов, образующихся на предприятиях, а также ведение государственного кадастра отходов. Этому предшествовало принятие постановления Правительства РФ от 26 октября 2000 г. № 818 «О порядке ведения государственного кадастра отходов и проведения паспортизации опасных отходов».

Следует отметить чрезвычайную сложность российского каталога отходов и необходимость перехода к общеевропейскому стандарту.

Для производства минераловатных изделий практически пригоден весь блок отходов минерального происхождения. Оптимальным расчётом минераловатной шихты и грамотным использованием подшихтовки различных компонентов отходов можно получить высококачественную минеральную вату, не уступающую по своим свойствам минеральной вате, полученной на основе горных пород.

Главным показателем пригодности сырья для производства минераловатных изделий является величина модуля кислотности М_к, который должен быть не менее 1,2 для первой категории, а для высшей категории качества М_к ≥ 1,5. Волокна минеральной ваты с М_к = 1,5 – 2,5 отличаются повышенной эксплуатационной стойкостью, а волокна с М_к ≤ 1,2 не водостойки.

Чрезмерное количество SiO₂ и Al₂O₃ повышает вязкость расплава, что затрудняет процесс волокнообразования с получением оптимального диаметра волокон. Поэтому при расчётах следует учитывать не только М_к, но модуль вязкости М_в, более точно определяющий состояние расплава: где М_{RmOn –} молекулярное количество каждого из оксидов.

При организации производства с использованием ватержакетной вагранки для получения силикатного расплава М_в ≤ 1,2, а при эксплуатации ванных стекловаренных печей М_в ≤ 1,4.

Обычно компоненты минеральных отходов с температурой плавления выше 1550^оС относят к тугоплавким.

В среднем по РФ металлургические доменные шлаки имеют следующий оксидный состав: SiO₂ – 35…40%; Al₂O₃ – 7…17%; Fe₂O₃ + FeO – 0,5…3%; СаО – 31…47%; MgO – 5…11%; MnO – 0,4…2,2%. Подшихтовку таких шлаков производят кислыми добавками с высоким содержанием SiO₂ и Al₂O₃ c целью понижения модуля основности шихты до значения ≤ 0,8, или модуля кислотности М_к до значения ≥ 1,25. Ваграночные шлаки характеризуются повышенным содержанием кислых оксидов: SiO₂ – 40…46%; Al₂O₃ – 10…18%; Fe₂O₃ + FeO – 5…15%; СаО – 20…34%; MgO – 1,5…8%. У них, как правило, М_о = 0,35…0,72 и М_к = 1,37 – 2,82. Их можно использовать как однокомпонентное сырьё, а также в качестве подкисляющей добавки к более основным шлакам. Одним из преимуществ ваграночных шлаков является их относительно невысокая температура плавления.

Мартеновские шлаки относятся к основным шлакам с содержанием СаО + MgO – 42..54%; SiO₂ + Al₂O₃ ≤ 40%; М_о = 1,3…2; М_к = 0,49…0,76. Характеризуются повышенным содержанием Fe₂O₃ + FeO – 8…24%. Мартеновские шлаки можно использовать как добавку к очень кислому сырью с целью повышения подвижности силикатного расплава и производительности плавильного агрегата за счёт высокого содержания основных оксидов и как плавень, понижающий температуру плавления за счёт повышенного содержания оксидов железа.

Шлаки цветной металлургии также пригодны при производстве минераловатных изделий, но в основном относятся к кислым и ультракислым, у которых М_к = 0,9…3. Вязкость шлаков никелевого, оловянного, цинкового, свинцового производства при температуре 1250 – 1350^оС вполне приемлема и составляет η = 0,13 – 0,8 Па∙с. Более вязки шлаки медеплавильных производств – η = 20 Па∙с при t^о = 1350^оС, поэтому необходима их дошихтовка другими минеральными компонентами.

Золы электростанций, работающих на твёрдом топливе, отличаются по составу в зависимости от природы и генезиса твёрдого топлива. От горючих сланцев они, как правило, менее кислые, чем от каменных углей.

При наличии в регионе отходов камнедробления наиболее пригодны изверженные породы габбро-базальтовой группы и отходы метаморфических пород и мергелей. Их запасы практически неограниченны.

Отходы силикатного и керамического производств, имеющиеся практически в любом регионе России, также являются хорошим подспорьем в обеспечении сырьевой базы минераловатного производства. Их можно широко использовать в процессе дошихтовки основного сырья в качестве подкисляющей добавки с содержанием SiO₂ + Al₂O₃ – 70…85%.

Важную роль в процессе волокнообразования играет поверхностное натяжение минерального расплава, характеризующее работу образования единицы новой поверхности на границе раздела двух фаз при неизменной температуре: А = σ∙ΔS. Согласно классификации А.А. Аппена, окислы в зависимости от воздействия на σ силикатных расплавов делят на 3 группы: 1) поверхностно неактивные : SiO₂; Al₂O₃; MgO; СаО; TiO₂; Na₂O; 2) имеющие промежуточный характер: К₂О; В₂О₃; 3) поверхностно-активные: Cr₂O₃; CrO; SO₃; W₂O₅; WO₃.

При производстве минераловатных изделий на основе местного минерального вторичного сырья сырьевая шихта, как правило, многокомпонентна и это позволяет достичь ещё одного немаловажного преимущества – склонностью к кристаллизации обладают в основном монорасплавы. Следовательно, многокомпонентная сырьевая шихта позволяет получить минеральное волокно с преобладанием стекловидной фазы, что весьма важно для её долговечности и величины теплопроводности. В сложных расплавах вероятность кристаллизации всегда резко уменьшается. Главную роль при зарождении центров кристаллизации играет переохлаждение.

С учётом вышеизложенного, можно организовать производство минеральной ваты в любом регионе, целиком опираясь на вторичное техногенное сырьё.