Асбест и его свойства

Асбестом называют минералы группы серпентинов или амфибо­лов волокнистого строения, способные при механическом воздей­ствии разделяться на тончайшие волокна.

По химическому составу асбестовые минералы являются вод­ными силикатами магния, железа, кальция и натрия. Содержание воды в асбесте группы серпентина составляет 13... 14%, а группы амфибола — 1, 5... 3 % в зависимости от вида. Волокнистое строе­ние наиболее ярко выражено у асбеста серпентиновой группы, куда относится лишь один вид асбеста — хризотил-асбест. Мировые за­пасы хризотил-асбеста намного превышают запасы амфиболовых асбестов. На их долю приходится 96% мировой добычи асбеста. В СССР имеется ряд крупных разрабатываемых месторождений асбеста: Баженовское (Средний Урал), Ак-Довуракское (Тувин­ская обл.), Джетыгаринское (Кустанайская обл.), Киембаевское (Оренбургская обл.). За рубежом наиболее крупные месторожде­ния хризотил-асбеста имеются в Канаде и Южной Африке.

Из амфиболовых асбестов наибольшую промышленную цен­ность представляют крокидолит и амозит, самые крупные место­рождения которых расположены в Африке. В СССР также имеет­ся месторождение амфиболовых асбестов на Урале.

Амфиболовые асбесты отличаются более высокими кислото- и теплостойкостью.

По химическому составу хризотил-асбест является водным си­ликатом магния — 3MgO_*2SiO_2*2H₂O. В составе хризотил-асбеста могут быть загрязняющие минеральные примеси, некоторые из них снижают свойства асбеста. Например, наличие карбоната кальция, который цементирует элементарные кристаллы асбеста, влечет за собой снижение эластичности волокон и их распушиваемости. Вода в асбесте содержится в виде конституционной и адсорбционной. Содержание воды и прочность ее связи с материалом в значитель­ной степени определяют свойства асбеста и условия его примене­ния.

Асбест имеет кристаллическую структуру волокнистого строе­ния. Волокна асбеста характеризуются гексагональной плотной упаковкой элементарных волокон (фибрилл). Каждая фибрилла представляет собой трубку с внутренним диаметром 30...60 А и наружным — 300...400 А. Расщепляемость асбеста чрезвычайно высока. Волокно хризотил-асбеста, как бы тонко оно не было, со­стоит из огромного числа параллельно расположенных тончайших элементарных волокон. Плотность хризотил-асбеста в зависимости от содержания химически связанной воды и железа находится в пределах 2, 4... 2, 6 г/см³.

Хризотил-асбест обладает высокой прочностью на разрыв по оси волокнистости. Наибольшей прочностью характеризуются во­локна асбеста, осторожно отделенные от кускового материала. После деформации изгиба или скручивания механическая проч ность волокон существенно снижается. Прочность при растяжении недеформированных волокон колеблется в пределах 22... 36, 5 МПа, что значительно превышает прочность многих натуральных и ис­кусственных волокон органического и неорганического происхож­дения, в том числе и стальных.

Асбест несгораем, однако при высоких температурах в нем про­исходят процессы, которые резко изменяют его физические свой­ства.

В результате нагревания до 370°С хризотил-асбест теряет ад­сорбционную воду, при этом уменьшается его прочность. При охлаждении асбест вновь присоединяет к себе воду и прочность его восстанавливается. При температуре выше 370°С начинается удаление химически связанной (конституционной) воды. При этом уже нарушается структура молекулярной решетки, что приводит к потере прочности и разрушению волокон. Потеря конституционной воды — процесс необратимый. Интенсивная дегидратация хризотил-асбеста происходит при температуре 600... 700°С, поэтому темпера­тура применения этого вида асбеста ограничивается 600°С.

Горную породу, содержащую асбест, добывают открытым спо­собом и подвергают механическому обогащению.

Товарный хризотил-асбест состоит из смеси волокон различной длины и их агрегатов. Агрегаты волокон асбеста с недеформиро-ванными волокнами размером в поперечнике более 2 мм называют кусковым асбестом, а менее 2 мм — иголками. Распушенным назы­вают асбест, в котором тонкие волокна деформированы и перепу­таны. Частицы сопутствующей породы и асбестовое волокно, про­шедшие через сито с размерами сторон в свету 0, 25 мм, называют «пылью».

В зависимости от длины волокон хризотил-асбест подразделя­ется на восемь сортов:

Сорт ас­беста... I II III IV V VI VII VIII

Длина во­локна (сред­няя), мм. 16 12 9 5, 5 2, 5 1 0, 7 Не

нор­мируется

Первые три сорта асбеста считаются длинноволокнистыми и от­носятся к текстильным сортам, а последние сорта — коротковолок-нистыми, их называют строительными. В зависимости от текстуры (степени сохранности агрегатов волокон) асбест подразделяют на жесткий (Ж), в котором преобладают иголки; полужесткий (П) — с равным количеством иголок и распушенного волокна; мягкий (М) — с преобладающим количеством распушенного волокна. Дли­ну волокна оценивают как величину остатка на сите (% по массе). Условное обозначение марок асбеста включает три этих признака. Например, асбест мягкой текстуры VI сорта, дающий 30% остатка на сите, имеет марку М-6-30. Асбест самых коротковолокнистых сортов негарантированной текстуры характеризуется маркой, кото­рая указывает его сорт и среднюю плотность. Например, марка асбеста VIII сорта со средней плотностью 750 кг/м³ обозначается так: 8-750.

В производстве теплоизоляционных материалов в основном применяют коротковолокнистые сорта асбеста: VI, VII и VIII, зна­чительно реже V.

Введение асбестового волокна в формовочные смеси при изго­товлении теплоизоляционных материалов преследует снижение средней плотности и повышение прочности материала, а также предотвращение трещинообразования как в процессе сушки изде­лий, так и в период их эксплуатации. Понижение средней плотно­сти изделий происходит вследствие высокой водоудерживающей способности волокон асбеста. При этом чем тоньше распушен асбест, тем больше количество воды он может удерживать не рас­слаиваясь. Последующее удаление воды сушкой приводит к обра­зованию мелкопористой структуры. Наибольшей водоудерживаю­щей способностью обладают хорошо распушенные коротковолокни­стые сорта асбеста. Повышение прочности изделий и предотвраще­ние трещинообразования достигается за счет армирующего действия волокон асбеста и снижения усадочных деформаций при наличии достаточного количества волокон асбеста в формовочной массе. Для достижения этих целей предпочтительно применять бо­лее длинные волокна (VI и V сортов).

14.2. Технология известково-кремнеземистых изделий (ИКИ)

ИКИ изготовляют из асбеста, извести и кремнезема. Изделия формуют либо путем заливки формовочной массы в формы, либо применяя метод фильт-прессования.

Литьевая технология. В этом случае технологический процесс складывается из подготовки сырьевых компонентов, приго­товления формовочной массы с большим содержанием воды, фор­мования изделий на заливочном столе, автоклавной обработки и сушки отформованных изделий.

Подготовка сырьевых компонентов сводится к распушке асбе­ста, которая может осуществляться по двухступенчатой схеме: по­лусухая распушка при влажности 15...25% на бегунах, затем мок­рая распушка при влажности 120... 150% ы быстроходных смеси­телях в течение 15...20 мин или путем многократного пропускания пульпы через центробежный насос.

Кремнеземистый компонент подвергают при необходимости сушке и диспергированию (помол песка, обработка диатомита на молотковой дробилке), после чего его можно непосредственно до­зировать в смеситель для получения известково-кремнеземистого шлама или разводить водой для получения перекачиваемой по тру­бопроводу суспензии.

Известь дробят на щековых дробилках, измельчают в мельни­цах различного типа и разбавляют водой для получения известко­вого молока.

Наиболее эффективной технологией получения известково-кремнеземистого шлама является совместный мокрый помол изве­сти и кремнеземистого компонента в вибромельнице. В качестве кремнеземистого компонента чаще применяют диатомит.

Весьма важным фактором, влияющим на теплоустойчивость ИКИ, является основность известково-кремнеземистой смеси. Как известно, большей тепловой устойчивостью обладают низкооснов­ные гидросиликаты кальция типа CSH(B). Поэтому при изготовле­нии ИКИ используют известково-кремнеземистую смесь, в которой соотношение C/S колеблется в пределах 0, 6... 0, 8.

Формовочную массу приготавливают путем смешивания асбе­стовой пульпы и известково-кремнеземистого шлама в смесителях до получения гомогенной смеси. Содержание асбеста в формовоч­ной массе колеблется от 15 до 25% по массе. В зависимости от за­данной средней плотности изделий, вида кремнеземистого компо­нента и расхода асбеста, определяющих нерасслаиваемость фор­мовочной массы, водосодержание последней может изменяться в широких пределах — от 150 до 450%. Увеличение водосодержания приводит к снижению средней плотности изделий, однако резко увеличивает энергоемкость производственного процесса. Эффектив­ным приемом снижения массы изделий является введение в формо­вочную смесь на стадии ее приготовления воздухововлекающих добавок.

Формование изделий производится методом заливки форм на специальном разливочном столе, откуда формы с массой подаются на автоклавные вагонетки и после формирования пакетов направ­ляются в автоклав. Автоклавную обработку изделий производят при давлении 0, 8... 1, 1 МПа, ее продолжительность в случае при­менения в качестве кремнеземистого компонента диатомита состав­ляет 6...8 ч, а при использовании известково-песчаных смесей 8... 12 ч. Это объясняется большей активностью диатомитов, сло­женных из аморфного кремнезема.

Сушка изделий осуществляется без форм в туннельных сушил­ках при температуре 120... 180°С; теплоносителем являются дымо­вые газы или горячий воздух. Продолжительность сушки — около 24 ч. Как правило, после сушки наблюдается заметное снижение прочности изделий, особенно при использовании в качестве тепло­носителя дымовых газов с повышенным содержанием диоксида углерода. Это явление можно объяснить карбонизацией Са(ОН)г, не вступившего в реакцию с БЮг, и образованием не связанных между собой СаСО₃ и кремнезема. При увлажнении теплоносителя снижение прочности изделий уменьшается, однако продолжитель­ность процесса сушки увеличивается.

ВНИИПИТеплопроектом разработан совмещенный способ теп-ловлажностной обработки и сушки ИКИ. Этот способ предусматривает проведение сушки под давлением в автоклаве. Тепловлаж-ностную обработку изделий осуществляют обычным методом, пода­вая в автоклав насыщенный водяной пар, а сушат их путем пере­грева пара. Для перегрева автоклав оборудуют специальными на­гревательными панелями (рис. 14.1).

Теплоносителем для нагрева панелей служит высококипящая жидкость, например дифенильная смесь. Температура теплоносителя, циркулирующего в нагревательных панелях, должна быть около 350°С, что соответствует для дифенильной смеси давлению насыщенного пара 0, 45 МПа. При перегреве пара, находящегося в автоклаве, вода из изделий испаряется в окружающую их среду, давление в автоклаве растет и по достижении заданной величины пар стравливается через настроенный на это давление клапан. Таким образом, в автоклаве одновременно протекают два процесса: структуро-образование и сушка изделий. Температура перегрева пара 23О...24О°С. Весь процесс продолжается не более 24 ч, т. е. на 10... 12 ч быстрее, чем при раздельном способе тепловой обработки.

После распалубки изделия подвергают механической обработке для придания им точных размеров и заданной формы.

Фильтр-прессовая техно-л о г и я. Состав гидромассы, подготовка и помол известково-кремне-мистого шлама при фильтр-прессо­вом методе принимают такими же как и при литьевой технологиич Полученную гидромассу разбавля­ют водой до ВД = 13...14 и нагревают острым паром до температуры 95...98°С непосредственно в смесителе. После выдерживания гидро­массы при температуре 95°С в специальной емкости в течение 2... 3 ч из нее формуют изделия фильтр-прессовым методом на специ­альном прессе. Отформованные изделия с влажностью 78...80% помещают в контейнер и направляют в автоклав, в котором произ­водится их гидробаротермальная обработка, совмещенная с сушкой. По окончании тепловой обработки изделия в контейнере подают на склад готовой продукции, где их снимают с полок контейнера и складируют, укладывая в штабеля.

Фильтр-прессовая технология в сравнении с литьевой позволяет упростить технологический процесс, улучшить санитарные условия за счет исключения операций по распалубке и обработке изделий, чистке и смазке форм. Следует отметить, что сушка под давлением в автоклаве практически исключает снижение прочности изделий, которое имеет место при двустадийной тепловлажностной и тепло­вой обработке.

Недостатком фильтр-прессового способа следует считать невы­сокую производительность прессового оборудования.

Свойства известково-кремнеземистых изде­лий. Выпускающиеся в настоящее время известково-кремнеземи-стые изделия характеризуются следующими показателями основ­ных свойств: средняя плотность — от 200 до 350 кг/м³; прочность при изгибе — от 0, 35 до 0, 49 МПа; теплопроводность в сухом со­стоянии при температуре 25°С —от 0, 058 до 0, 081 Вт/(м-°С); мак­симальная температура применения 600°С.