УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НЕПРЕРЫВНОГО БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА

Настоящая полезная модель относится к установкам для производства непрерывного базальтового волокна (НБВ) в круглосуточном режиме его выработки.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что наступает эра базальтовых волокон, которые обладают высокими прочностными свойствами: удельная прочность базальтового волокна в 2,5 раза превышает прочность легированной стали, в 1,5 раза - прочность стекловолокна, температурный диапазон эксплуатации: -200°С÷+700°С.
НБВ обладает высокой коррозионной и химической стойкостью к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот и особенно щелочей. Экологически чистая сырьевая база для производства базальтовых волокон доступна и практически не ограничена.
Исходя из длины базальтового волокна, установки по производству базальтового волокна делятся на две группы:
- установки по производству базальтового волокна коротких размеров (до 50 см);
- установки по производству непрерывного базальтового волокна (длиной до 50 км).
Известна, например, установка для получения базальтового волокна (см. патент на изобретение №2211193 от 09.09.2002 г. «Способ получения минерального волокна и установка для его осуществления»). Она позволяет производить базальтовое волокно длиной 25 см, диаметром 4-7 мкм.
Известны также установки для производства базальтовых волокон коротких размеров (см., например патент на изобретение №2044706 от 27.09.1995 г. «Способ производства изделий из минерального волокна», патент на изобретение №2204534 от 20.05.2003 г. «Устройство для выработки непрерывного волокна из термопластического материала, в части из базальта»).
Известна установка по производству базальтового волокна (см. патент RU 6/706 U1, кл. С03В 37/06 от 10.03.2007 г.), принятая авторами за прототип. Она включает печь для выплавки базальтового волокна, содержащую стены, пол, свод, загрузчик для подачи базальтового щебня в печь через загрузочное окно, расположенное в торцевой стене печи, фильеру, расположенную в дне печи у другой торцевой стенки, две газовые горелки, расположенные в своде печи, причем одна из них находится рядом с загрузочным окном, а другая - с фильерой. К каждой газовой горелке подходят два трубопровода, один для подачи газа, другой для подачи воздуха.
Основным недостатком данного изобретения является сложность конструкции установки из-за наличия специального загрузочного окна в торцевой стене печи, и наличия дополнительного отдельного производственного участка под дозатор базальтового щебня.
Второй недостаток - малый коэффициент полезного действия (КПД) печи в виду расположения одной из горелок рядом с загрузочным окном, так как часть тепловой энергии, вырабатываемой горелкой, уходит в атмосферу через загрузочное окно. Также имеет место потеря тепловой энергии из-за недогорания газо-воздушной смеси в связи с непосредственной подачей газа и воздуха к обеим горелкам без их предварительного смешения.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание простой по конструкции установки для производства НБВ с высоким КПД (до 80% использования вырабатываемой тепловой энергии горелками плавильной печи) при работе печи в круглосуточном режиме.
Поставленная задача решается тем, что заявленная авторами установка для производства непрерывного базальтового волокна содержит загрузочную горелку из двух неподвижно закрепленных цилиндрических трубок, вставленных одна в другую с кольцевым зазором для прохода газо-воздушной смеси в печь площадью, равной 0,24-0,26 от площади прохода смесителя, и газовую горелку цилиндрической формы с площадью прохода для газовоздушной смеси на выходе, равной 0,09-0,11 площади прохода смесителя. Площадь прохода смесителя это площадь поперечного сечения по внутреннему диаметру трубы смесителя. Что касаемо конструкции загрузочной горелки, а именно двух неподвижно закрепленных цилиндрических трубок, то внутренняя трубка имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра наружной трубки. В результате этого обеспечивается кольцевой зазор, по которому проходит газо-воздушная смесь в плавильную печь, а по внутренней полости меньшей трубки подается базальтовый щебень в плавильную печь.
Смеситель представляет собой цилиндрическую полую трубу, объем которой предназначен для смешения газа с воздухом и получения газовоздушной смеси. Предварительная подготовка в смесителе газо-воздушной смеси перед подачей ее в газовые горелки обеспечивает практически 100% сгорание газо-воздушной смеси и высокий КПД печи.
Основной проблемой при круглосуточной выработке НБВ по длине достигающей десятки километров - это обеспечение стабильных постоянных по величине параметров, характеризующих эксплуатационные свойства волокна: физико-механические характеристики, стойкость к кислотным и щелочным средам, к влаге, термостойкость и т.д.
Для этого необходим равномерный прогрев расплава базальта с постоянной температурой по всему объему расплава базальта в фидере плавильной печи.
В основном это зависит от газовых горелок установки по производству НБВ, размещенных в печи плавления.
Известны горелка регулируемая ГГР-2, горелка газовая ГГ-1, горелка газовая регулируемая ГГРМ-1, горелка газовая ГФ-1 (см., например, 1997-2009, «Стеклогаз» г.Гусь-Хрустальный, ул. Рудницкой, 6, а/я 5, E-mail:steklogaz@list.ru) Основной недостаток этих горелок заключается в том, что они передают тепловую энергию только излучением от которых получаются, местные перегревы расплавов (не одинаковая по величине температура по всему объему расплава). Это приводит к выработке волокна, которое имеет переменную по значению величину прочности по его длине (разброс прочности достигает до 100%). При этих горелках малоэффективно используется тепловая энергия от продуктов сгорания газо-воздушной смеси. Объясняется это также тем, что продукты сгорания газо-воздушной смеси истекают с выходных отверстий горелок струйным ламинарным потоком и передают тепловую энергию только излучением.
Известны также горелка газовая плоскопламенная ГПП (см. «Стеклогаз» г.Гусь-Хрустальный, ул. Рудницкой, 6, а/я 5, E-mail: steklogaz@list.ru) и вихревая реверсивная горелка (см. Справочное издание «Горелочные устройства промышленных печей и топок» авторы Винтовкин А.А. и др., «Типография «Наука» 121090 г.Москва, Шубинский переулок, 6, 1999 г.)
Эти горелки обеспечивают равномерный прогрев расплава базальта излучением и конвекцией без направленных газовых потоков, от которых получаются местные нагревы.
Горелка газовая плоскопламенная передает тепловую энергию излучением и обеспечивает равномерный прогрев расплава базальта за счет установки ее на боковой поверхности печи. В этом случае продукты сгорания газо-воздушной смеси истекают параллельно зеркала расплава, что исключает его местные перегревы.
Однако применение таких горелок существенно усложняет конструкцию печи и установки по выработке НБВ в целом.
Вихревая реверсивная горелка обеспечивает равномерный прогрев расплава за счет конвективной передачи тепловой энергии расплаву, но для этого необходимо вращение печей, что неприемлемо в производстве НБВ.
Наибольшей конструктивной простотой обладают установки, газовые горелки которых находятся на верхней крышке плавильной печи.
Известно такое физическое явление как взаимодействие когерентных крупномасштабных вихревых структур (колец) газового потока с собственным акустическим полем давления, скорости и температуры частиц газа газовой среды в камерах сгорания (см. книгу «Гидродинамические источники акустических колебаний в камерах сгорания», авторы В.Ф.Ахмадеев, Л.Н.Козлов, С.В.Сухинин и др. Центральный НИИ научно-технической информации, г.Москва 1990 г.).
Данное физическое явление использовано для равномерного прогрева расплава базальта в печи заявленной установки по производству НБВ при расположении горелок на верхней крышке печи. При соотношении площади кольцевого зазора для газо-воздушной смеси загрузочной горелки равной 0,24÷0,26 от площади прохода смесителя в системе подачи газ-воздух установки по производству НБВ продукты сгорания распространяются в виде крупномасштабных вихревых структур (колец) параллельно поверхности (зеркала) расплава базальта находящихся в резонансе с собственным акустическим полем давления, скорости и температуры частиц газа в газовой среде плавильной печи, и, тем самым, обеспечивается равномерный прогрев расплава базальта с высокоэффективной отдачей тепла (КПД 80%) от продуктов сгорания газо-воздушной смеси к расплаву базальта
Так как прямые эксперименты провести невозможно с визуализацией процесса истечения продуктов сгорания из газовой горелки в виде когерентных (крупномасштабных) структур (колец) были проведены многочисленные исследования газодинамических параметров потока продуктов сгорания из горелок на быстродействующей современной компьютерной станции в Институте математики и механики УрО РАН по методике Хайруллиной О.Б. (см. Расчет стационарных дозвуковых вихревых потоков идеального газа в осесимметричных каналах сложных геометрий. - ВАНТ. Сер.: Математическое моделирование физических процессов. 1990, вып.3)
При площади кольцевого зазора для газо-воздушной смеси загрузочной горелки менее 0,24 от площади прохода смесителя продукты сгорания истекают в виде струи и передают тепловую энергию расплаву базальта только излучением (струя поджата). При площади кольцевого зазора для газовоздушной смеси загрузочной горелки более 0,26 от площади прохода смесителя истечение продуктов сгорания происходит в виде вихревой пелены, которая не взаимодействует в режиме резонанса с собственным акустическим полем давления, скорости и температуры частиц газа в газовой среде печи. В результате этого не обеспечивается эффективная отдача тепловой энергии расплаву базальта в печи установки.
Вторая газовая горелка с цилиндрической формой канала площадью прохода газо-воздушной смеси 0,09-0,11 от площади прохода смесителя в системе подачи газ-воздух установки по производству НБВ обеспечивает дополнительную передачу тепловой энергии к расплаву базальта только излучением, не допуская его местного перегрева.
При соотношении площади цилиндрического канала горелки для газовоздушной смеси менее 0,09 от площади прохода смесителя в системе подачи газ-воздух установки по производству НБВ газовая горелка неэффективна в плане передачи тепловой энергии из-за малого расхода газо-воздушной смеси через отверстие горелки. При соотношении площади цилиндрического канала горелки для газо-воздушной смеси более 0,11 от площади прохода смесителя в системе подачи газ-воздух установки по производству НБВ происходит местный перегрев расплава базальта из-за достаточно большого расхода газовоздушной смеси.
Характер истечения продуктов сгорания газо-воздушной смеси зависит от перепада давлений газо-воздушной смеси между давлениями в горелках и смесителе, а значит от соотношения площадей прохода газо-воздушной смеси в смесителе и горелках.
На фиг.1 изображена схема разработанной установки по производству НБВ длиной нити до 50 км диаметром 4-24 мкм.
Установка имеет плавильную печь 1 с рекуператором, 2загрузочную горелку 3 телескопической формы, газовую горелку 4 с цилиндрической формой канала, смеситель в системе подачи газ-воздух 5 в виде цилиндрической трубы для смешения газа с воздухом, загрузчик-дозатор 6, фильерный питатель 7, трубопровод для подачи газа 8, трубопровод для подачи воздуха 9, регулятор соотношения давлений газ-воздух 10.
На фиг.2 показаны загрузочная горелка 3 в виде двух трубок - одна в другой с кольцевым зазором и газовая горелка 4 с цилиндрической формой канала.
Предложенная установка внедрена на заводе ООО «НПО «Вулкан» в г.Нытва, Пермский край.
На предложенной авторами изобретения установки получают непрерывное волокно следующим образом. Через загрузчик-дозатор 6, установленный на своде печи строго над загрузочной горелкой 3, подается базальтовый щебень каждые 10 минут через внутреннюю трубку загрузочной горелки 3 в плавильную печь 1. По трубопроводу для подачи газа 8 и трубопроводу для подачи воздуха 9 газ и воздух поступают в смеситель 5, где образуется газо-воздушная смесь. Газо-воздушная смесь поступает в кольцевой зазор загрузочной горелки 3 и в газовую горелку 4 с цилиндрической формой канала. От тепловой энергии продуктов сгорания газо-воздушной смеси в горелках 3 и 4 в печи 1 плавится базальтовый щебень. Расплав базальта проходит через 200 фильер фильерного питателя 7 и получается базальтовое волокно.