CC BY
13УДК 666.19:621
В.В. САМОЙЛЕНКО, инженер-химик-технолог,
В.В. ФИРСОВ, инженер, Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (г. Бийск Алтайского края)
Температурная устойчивость базальтовых волокон
Большинство иностранных и отечественных производителей базальтоволокнистой изоляции в рекламных проспектах указывают на то, что она может эксплуатироваться при температуре до 700оС, а в некоторых источниках можно найти значения этого показателя от 500 до 900оС [1, 2], и даже 1100оС. При этом пояснений, на основании чего установлен такой температурный диапазон, не дается.
В нормативной документации на волокнистые теплоизоляционные материалы также нет четких требований на этот счет. Так, в ГОСТ 4640—93 лишь упоминается, что вата минеральная предназначена для изоляции поверхностей с температурой до 700оС. Сложилась парадоксальная ситуация, где, казалось бы, один и тот же материал имеет столь значительные различия в температуре применения.
Поиск информации показал, что в настоящее время нет единого критерия, по которому однозначно можно судить о температурной устойчивости волокнистых материалов.
Производители, выпускающие высокотемпературные утеплители на основе чистых оксидов кремния и алюминия, в частности муллитокремнеземистый войлок и изделия на его основе, достаточно точно указывают температуру применения, которая определяется интенсивной кристаллизацией волокон в очень узком температурном диапазоне с разрушением структуры материала и может быть достоверно измерена.
Совершенно другая ситуация характерна для базальтового волокна, отличающегося значительными вариациями химического и минералогического составов исходного сырья и физико-химических процессов, протекающих при его плавлении и волокнообразовании. Все это накладывает определенную специфику на поведение базальтоволокнистых материалов при повышенных температурах. Процессы кристаллизации в таких стеклообразных системах мало изучены. Современные методы анализа строения вещества (ДТА, ДСК-рентге-нография, электронная микроскопия и др.) позволяют изучать структуру, фазовые и химические превращения и получать результаты, имеющие большое теоретическое значение, однако при этом дают мало информации, интересующей практиков.
Наиболее прост в инструментальном оформлении метод определения так называемой предельной температуры применения Тпр базальтовой ваты, приведенный в [3]. Сущность его заключается в установлении максимальной температуры, при которой уменьшение толщины образца под удельной нагрузкой 2000 Па при нагреве со скоростью 5 град/мин составляет 10%. Согласно многочисленным исследованиям Тпр базальтовой ваты в зависимости от химического состава находится в интервале 650-720оС.
Следует отметить, что этот метод не обеспечивает высокой точности оценки Тпр, так как усадку измеряют в динамическом режиме, а изменение толщины образца фиксируют с помощью линейки.
С использованием приведенного метода авторами была доработана установка и усовершенствована методика проведения эксперимента с целью изучения некоторых особенностей поведения базальтовой ваты при повышенной температуре. Для исследований отобраны образцы базальтовой ваты из супертонкого волокна вида ВМСТ, выпускаемой различными производителями. Образцы 1 и 4 изготовлены по технологии индукционного плавления в водоохлаждаемом тигле с последующим раздувом расплава сжатым воздухом; образцы 2 и 3 — плавлением в ванной газовой печи с выработкой первичных нитей через фильеру и раздувом их высокотемпературным газовым потоком.
Образец помещали в рабочее пространство лабораторной электрической печи с начальной температурой 20оС, устанавливали на него стержень с измерительным индикатором, обеспечивающий необходимую удельную нагрузку, и производили нагрев со скоростью 5 град/мин. По достижении заданной температуры образец выдерживали в печи в течение 4 ч.
На рис. 1 представлены зависимости усадки базальтовой ваты от температуры (а) и времени термостатиро-вания при температуре эксперимента (б). Очевидно, что во время динамического нагрева с постоянной скоростью усадочные явления в материале не успевают пройти полностью и продолжаются при изотермической выдержке. Зависимость общей усадки от температуры по окончании эксперимента близка к экспоненциальной.
научно-технический и производственный журнал Г^р~./^.НЬ,!" 58 февраль 2011
50
40
88 £ 30
ч
а
> 20
10
-
- 1
- 2 \
- 3 \/
1 1 "Т^ 1 1
50
40
88
я 30
20
10
1
3
2
- 1 1 1
100 200
300 400 500 Температура, оС
600
700
60
120
Время, мин
180
240
Рис. 2. Зависимость усадки базальтовой ваты от температуры (а) и времени термостатирования при температуре 700оС (б): 1, 4 -ченные по индукционной технологии; 2, 3 - образцы, полученные по фильерной технологии
образцы, полу-
Из представленных на рис. 2, а данных видно, что температурные кривые для четырех испытанных образцов разных производителей имеют схожий характер, хотя и превышают 10% усадку в диапазоне температур от 500 до 700оС, т. е. если судить по мнению авторов методики [3], имеют различную Тпр. Однако во время термостатирования при 700оС (рис. 2, б) уплотнение продолжается наиболее значительно в первые 15—20 мин и по истечении 180—240 мин стабилизируется. При этом конечная плотность после экспериментов для всех исследованных образцов составляла 250—300 кг/м3.
Следует подчеркнуть, что численные значения усадки — показатель весьма относительный, поскольку зависит от множества факторов, особенно для такого материала, как вата, где хаотично переплетенные эластичные волокна связаны между собой лишь силами трения. Поэтому вариации плотности образцов ваты, находящейся под нагрузкой перед началом эксперимента, могут повлиять на численные значения усадки, как в случае с образцом 4, но не на ход кривой и конечную плотность.
Продолжение усадочных процессов, происходящих при термостатировании, объясняется достаточно медленными химическими процессами перехода части Fe2+ в Fe3+, обусловленными воздействием кислорода воздуха с одновременной кристаллизацией железосодержащих фаз, которые не успевают пройти во время динамического нагрева.
В диапазоне температур 450—700оС происходит перестройка структуры базальтовых волокон со стекловидного до стеклокристаллического состояния, что обусловливает изменение их свойств. Эти процессы зависят от температуры: чем она выше, тем более интенсивно происходит переход двухвалентного железа в трехвалентное и тем больше накапливается кристаллической структуры в стекле. Цвет волокна с повышением температуры изменяется от светло-серого до желто-коричневого. В этом диапазоне и проявляются индивидуальные различия в термических свойствах волокон, полученных из сырья, отличающегося химическим и минералогическим составом, а также технологией их производства.
При дальнейшем повышении температуры образующийся материал уже трудно классифицировать как вату, поскольку он представляет собой базальтовый картон, идентичный картону, получаемому по технологии полуспекания. По литературным данным материалы из закристаллизованных базальтовых волокон могут применяться до температур на 100—150оС ниже температуры спекания, которая составляет 1040—1100оС.
Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что для базальтовой ваты, независимо от химического состава и способа изготовления, при нагревании характерными являются три температурных диапазона:
I (от комнатной до ~450оС) — усадка происходит вследствие увеличения гибкости волокон без изменения структуры;
II (от ~450 до 700оС) — интенсивная усадка, связанная со структурными изменениями в волокне, определяемая процессами перехода Fe2+ до Fe3+ и кристаллизации железосодержащих фаз;
III (от 700оС до температуры на 100—150оС ниже температуры спекания) — характеризуется завершением процессов кристаллизации и замедлением усадки.
Необходимо отметить, что предельная температура применения базальтовой ваты, определяемая по 10%-ной усадке в процессе нагрева с постоянной скоростью, недостаточно корректна, так как, во-первых, усадочные процессы не успевают пройти за столь короткое время, во-вторых, результаты зависят от сжимаемости материала под нагрузкой. Более логичным было бы рассматривать не усадку как параметр достаточно абстрактный, а плотность и ее изменение в процессе испытаний, тем более что она легко может быть проконтролирована в производственных условиях.
Таким образом, поведение базальтовой теплоизоляции в условиях повышенных температур (начиная с 400— 450оС) характеризуется постепенной деградацией, связанной с накоплением кристаллической фазы в аморфной структуре волокна. Хотя это и ведет к значительным изменениям свойств материала, в том числе к увеличению плотности как одному из важных показателей для теплоизоляции, однако не приводит к полной потере его волокнистой структуры вплоть до начала спекания.
Проведенные исследования показали, что базальтовая теплоизоляция из супертонкого волокна может применяться до температуры 700оС. При этом необходимо учитывать происходящие усадочные процессы и, как следствие, увеличение плотности материала. Для использования при более высоких температурах (700— 1000оС) необходимы дополнительные исследования в каждом конкретном случае.
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, базальтовая вата, температура применения.
Список литературы
1. Джигирис Д.Д., Махова М. Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. М.: Теплоэнергетик. 2002. 411 с.
2. Шибалов С.Н., Аберяхимов Х.М. Сравнительная оценка эффективности применения различных типов теплоизоляционных материалов. Базальтоволокнистые материалы: Сб. статей (Научная библиотека журнала «Конверсия в машиностроении», вып. 5, приложение к журналу № 4, 2000). М.: Информконверсия. 2001. С. 156-169.
3. Холсты из микро-, ультра-, супертонких и стекломик-рокристаллических стеклянных штапельных волокон из горных пород. Технические условия. РСТ УССР 1970-86 Киев: Госплан УССР, 1986. 14 с.
б
а
0
0
^ научно-технический и производственный журнал
® февраль 2011 59~
