СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛОКНА ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД, УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ПОЛУЧАЕМЫЙ ПРОДУКТ
METHOD FOR PRODUCTION OF CONTINUOUS FIBRE FROM ROCKS, INSTALLATION FOR ITS REALISATION AND PRODUCED PRODUCT

Изобретение относится к области химической технологии неорганических материалов, в частности к получению волокон из тугоплавких горных пород, в том числе из базальта. Волокна могут быть использованы в машиностроении, электронике, строительной, текстильной, химической и других отраслях промышленности.
Получение непрерывного минерального волокна традиционно включает плавление горной породы и подачу расплавленной породы в зону формирования волокна. Качество получаемого волокна определяют в первую очередь однородностью расплава, поступающего на фильеры. Однородность расплава зависит от температуры и реологических свойств расплава по ходу движения от печи к фильерам.
Известен способ изготовления непрерывного минерального волокна, когда расплав, получаемый при температуре 1450°С, непосредственно из печи направляют на обогреваемую фильерную пластину [РФ 2068814]. Устройство, в котором осуществляют данный способ, включает ванну из огнеупорного материала для получения расплава, снабженную круглым проточным отверстием в дне, под которым расположена фильерная пластина, причем отношение площади проточного отверстия к суммарной площади отверстий фильер пластины составляет 10:50.
При использовании этого способа и устройства не удается достигнуть высокой однородности расплава и соответственно получения качественного волокна, поскольку при выбранном температурном режиме и отношения площадей проточного отверстия к суммарной площади отверстий фильер и таком перемещении расплава к фильерам сохраняются центры кристаллизации.
Известен способ выработки непрерывного волокна из базальта, когда расплав из печи сначала направляют сначала в фидер, в котором охлаждают расплав в придонном слое, заканчивающийся проточным отверстием. В проточном отверстии сверху обогревают зеркало расплава и подают расплав на электрообогреваемую фильерную пластину [авт. св. СССР 1248967]. Устройство для осуществления данного способа включает печь с протоком, к которому примыкает фидер в виде Т-образного канала с обогреваемой камерой над ним. Проточное отверстие имеет прямоугольную форму и под ним размещена электрообогреваемая фильерная пластина, установленная между нижним и верхним рамочными холодильниками, примыкающими к печи. В результате при реализации этой технологии не получают волокно желаемого качества из-за температурной неоднородности расплава, растекающегося по фильерной пластине.
Известен способ изготовления непрерывного минерального волокна, когда расплав из фидера отбирают в виде струи для подачи на фильерную пластину, причем производят только отбор расплава, обладающего заданными реологическими свойствами [Евразийский пат. №00600]. Соответствующее способу устройство включает питающую систему, обеспечивающую отбор именно такого расплава из фидера, причем питающая система выполнена в виде встроенных в дно фидера цилиндров в различных вариантах. Однако, несмотря на то, что согласно способу на расплав наложены жесткие ограничения, значительно снизить обрывность получаемого волокна не удается.
Наиболее близким к предлагаемому способу получения непрерывного волокна из горных пород по технической сути и достигаемому результату является способ получения непрерывного волокна, когда расплав из печи последовательно направляют из фидера в питающую систему, состоящую из нагреваемого сливного устройства и фильерного питателя, а затем на фильерную пластину, по площади которой поддерживают равномерное распределение температуры в узком интервале и формируют волокна [RU 2303005]. Соответствующее способу устройство включает питающую систему, состоящую из нагреваемого сливного устройства, выполненного в виде трубки, и фильерного питателя, снабженного электрообогреваемым перфорированным экраном, размещаемым над фильерной пластиной [RU 0041304]. Согласно данному способу получают волокно с невысокой обрывностью, но используемая в устройстве питающая система ограничивает производительность процесса.
Технической задачей настоящего изобретения является значительное снижение обрывности непрерывного волокна, получаемого из горных пород, и повышение производительности процесса.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения непрерывного волокна из горных пород, включающем плавление горной породы в зоне плавления ванной печи, подачу расплава из фидера через питающую систему на фильерную пластину и вытягивание волокна, согласно изобретению температуру поверхности расплава в печи поддерживают в интервале 1550-1600°С, температуру поверхности зеркала расплава в фидере поддерживают в интервале 1480-1530°С, отбор расплава со дна фидера осуществляют в виде ленты расплава с температурой 1350-1400°С, который в питающей системе пропускают через набор перфорированных экранов, многократно разделяющих расплав на множество струй, движущихся под разными углами, а температуру расплава при прохождении через питающую систему в любой точке поддерживают в интервале 1280-1320°С вплоть до поверхности фильерной пластины.
В заявляемом способе для плавления горной породы в качестве ванной печи может быть использована регенеративная ванная печь.
В заявляемом способе для плавления горной породы в качестве ванной печи может быть использована рекуперативная печь.
Известно, что верхний предел кристаллизации горных пород находится в интервале 1240-1280°С. Таким образом, поддержание температуры зеркала расплава в печи в интервале 1550-1600°С гарантирует термическое разрушение центров кристаллизации, снижает время нахождения расплава в печи и обеспечивает вязкость расплава, достаточную для равномерного поступления расплава в фидер со скоростью, коррелирующей скорость отбора расплава из фидера, в виде ленты, повышая тем самым производительность. В фидере температуру зеркала расплава поддерживают в интервале 1480-1530°С с целью обеспечения температуры на дне фидера в интервале 1350-1400°С. Однако при понижении температуры расплава в фильерном питателе до температуры волокнообразования возрастает риск кристаллизации расплава. Чтобы разрешить это противоречие, гомогенность расплава согласно заявляемому способу поддерживают, разрушая механически зародыши центров кристаллизации путем многократного дробления расплава, поступающего из фидера на набор перфорированных нагревательных экранов питающей системы с образованием множества струй, движущихся под разными углами, что при заданном общем расходе расплава обеспечивает уменьшение его массы в каждой струе по сравнению с массой в общем потоке и температуру расплава при прохождении через питающую систему в любой точке поддерживают в интервале 1280-1320°С вплоть до поверхности фильерной пластины. Сочетание этих приемов в данном способе является новым и при этом удается достичь величины гидростатического давления расплава, обеспечивающей снижение обрывности волокон в процессе вытяжки комплексной нити.
Реализацию заявляемого способа получения непрерывного волокна из горных пород осуществляют в установке, которая включает ванную печь, фидер, питающую систему, состоящую из сливного устройства и фильерного питателя, имеющего корпус, образованный торцевыми и боковыми стенками, соединенными с токоподводами, электрообогреваемый перфорированный экран, размещенный внутри корпуса над дном, выполненным как фильерная пластина, и оборудования, вытягивающего волокно, причем согласно изобретению сливное устройство выполнено в виде щели в дне фидера, где к наружной поверхности дна фидера примыкает керамический держатель для фильерного питателя, снабженный продольным проемом, размеры которого соответствуют размерам щели и поперечный профиль которого соответствует поперечному профилю фильерного питателя, причем керамический держатель заключен в металлический каркас, крепящийся к наружной поверхности дна фидера, и в объеме керамического держателя по периметру продольного проема выполнен зазор, соответствующий размерам крепящей пластины корпуса фильерного питателя, и под зазором размещен нижний рамочный холодильник, а верхний рамочный холодильник, размещенный в объеме керамического держателя, примыкает к наружной поверхности дна фидера, а фильерный питатель дополнительно содержит три электрообогреваемых перфорированных экрана, один из которых выполнен плоским, расположен параллельно перфорированному экрану над фильерной пластиной и на него установлены два других электрообогреваемых перфорированных экрана, тождественных друг другу, выполненных рельефными и выступающими над корпусом фильерного питателя, причем высота рельефа, заполняющего продольный проем, соответствует расстоянию от зазора в керамическом держателе до наружной поверхности дна фидера. Каждый из двух тождественных рельефных перфорированных электрообогреваемых экранов выполнен в виде фигуры, образующей в сечении совместно с дополнительным плоским перфорированным экраном треугольник. Образованный в сечении треугольник может быть равнобедренным или равносторонним, а расстояние между основаниями тождественных рельефных перфорированных электрообогреваемых экранов может быть или равным размеру их оснований, или быть больше, или меньше.
В связи с тем, что отличительной особенностью технологии получения минерального непрерывного волокна является поддержание низкого уровня расплава в печи и на фидере необходимо для обеспечения устойчивого процесса вытяжки с достаточной производительностью создать дополнительный гидростатический напор расплава на фильерный питатель.
В целях обеспечения необходимого гидростатического напора расплава часто используют нагреваемые снаружи струйные трубки для подачи по ним расплава в виде струи в фильерный питатель [RU 0041304].
В предлагаемом техническом решении при выполнении сливного устройства в виде щели в фидере для подачи расплава дополнительный гидростатический напор расплава на фильерный питатель создают за счет примыкания снизу к щели фидера керамического держателя для фильерного питателя, в котором сделан продольный проем, являющийся фактически продолжением щели, но этого очевидно недостаточно для увеличения гидростатического напора в расплаве. Важно, что при этом поперечный профиль продольного проема соответствует поперечному профилю фильерного питателя, который содержит четыре электрообогреваемых перфорированных экрана, нижний из которых расположен над фильерной пластиной параллельно ей, а верхний плоский электрообогреваемый перфорированный экран также выполнен плоским и расположен параллельно нижнему. На верхний плоский электрообогреваемый перфорированный экран установлены два других электрообогреваемых перфорированных экрана, тождественных друг другу, которые выступают над ним, частично заполняя своим рельефом продольный проем в керамическом держателе и обеспечивая тем самым нагрев расплава горной породы изнутри объема продольного проема. Наличие верхнего рамочного холодильника в керамическом держателе заподлицо с его поверхностью, неохваченной металлическим каркасом, и наличие нижнего рамочного холодильника в керамическом держателе заподлицо с нижней поверхностью зазора для крепящей пластины корпуса фильерного питателя создает захолаживающие зоны в керамическом держателе, которые исключают возможного утечку расплава в нежелательном направлении. После прохождения расплавом электрообогреваемого плоского перфорированного экрана, расположеного параллельно перфорированному экрану над фильерной пластиной, направление движения расплава ограничивают стенки корпуса фильерного питателя.
Сочетание перечисленных конструктивных элементов в установке для получения непрерывного волокна из горных пород является новым и неожиданно приводит одновременно и к повышению производительности, и к снижению обрывности волокон в процессе их формования.
Пристенные вязкие слои расплава, поступающие на плоский экран со стороны стенок щели фидера и стенок продольного проема, попадая в зоны под рельефными экранами, получают значительно больше тепла по сравнению с центральными менее вязкими потоками, проходящими через верхний плоский экран между этими зонами за счет контактной теплопередачи и получения лучистого тепла с больших площадей в ограниченном пространстве. За счет этого значительно поднимается температура расплава на выходе из этих зон, что приводит к уменьшению вязкости практически до одинакового значения с центральным потоком на выходе из плоского верхнего горизонтального перфорированного нагревательного экрана.
Таким образом, посредством сочетания щели в фидере и продольного проема в керамическом держателе, использования комбинации перфорированных нагревательных экранов, обеспечивающих равномерный по сечению нагрев расплава изнутри объема продольного проема, получают расплав с высоким гидростатическим напором и на выходе из фильерного питателя поток расплава, характеризующийся в поперечном сечении практически одинаковыми физическими свойствами. Достигнутый эффект является результатом нетривиального подхода к конструкции заявляемого устройства - дополнительные электрообогреваемые перфорированные рельефные экраны, выступающие из корпуса фильерного питателя, размещены внутри продольного проема с керамическими необогреваемыми снаружи стенками, что обеспечивает необходимую температуру расплава за счет его нагрев изнутри на пути от фидера к фильерному питателю.
На чертеже представлен разрез фидера и питающей системы для частного случая выполнения согласно изобретению двух дополнительных рельефных электрообогреваемых перфорированных экрана, тождественных друг другу, которые в сечении представляют собой два равнобедренных треугольника.
В дне фидера 1 выполнена щель 2, к наружной поверхности дна фидера прикреплен металлический каркас 3 (элементы крепления на схеме не показаны) для керамического держателя 4 фильерного питателя 5. Керамический держатель 4 примыкает к наружной поверхности дна фидера 1 и снабжен продольным проемом 6, размеры которого соответствуют размерам щели 2 фидера. В продольном проеме 6 керамического держателя 4 пластиной 7 в зазоре 8 закреплен корпус 9 фильерного питателя 5. Внутри корпуса 9 над дном, выполненным как фильерная пластина 10, размещен электрообогреваемый перфорированный экран 11. На плоском дополнительном электрообогреваемом перфорированном экране 12 установлены два рельефных электрообогреваемых перфорированных экрана, тождественных друг другу 13 и 14, которые в сечении представляют собой два равнобедренных треугольника. Система электрообогрева перфорированных экранов на схеме не показана. Верхний рамочный холодильник 15 в керамическом держателе 4 установлен заподлицо с его поверхностью, неохваченной металлическим каркасом, и нижний рамочный холодильник 16 в керамическом держателе 4 установлен заподлицо с нижней поверхностью зазора 8.
Работу установки при осуществлении способа иллюстрирует следующий пример.
Андезито-базальтовую породу плавят в ванной печи при температуре поверхности зеркала расплава в печи в интервале 1570°С. При поступлении расплава в фидер температуру поверхности зеркала расплава поддерживают при 1500°С. Расплав отбирают через щель 2 в дне фидера в виде ленты расплава с температурой 1370°С. Ленту расплава в продольном проеме 6 керамического держателя рельефные электрообогреваемые перфорированные экраны 13 и 14 разделяют на три части. Каждую из частей, используя отверстия электрообогреваемых перфорированных экранов 13, 14, 12, 11, разделяют на множество струй, движущихся под разными углами, и поддерживают температуру расплава в 1300С° в любой точке внутри питающей системы. Затем расплав практически в изотермическом состоянии поступает на фильерную пластину 10 и оттуда на вытягивающий аппарат.
Полученные элементарные волокна имеют следующие качественные показатели:
- обрывность волокна в процессе вытяжки комплексной нити составляет менее 1 обрыва на 20 кг вытянутого волокна;
- интервал отклонений микронажа хорошо описывается Гауссовым распределением со среднеквадратичным отклонением 1 мкн,
- модуль Юнга (ASTM D2043) - 95 ГПа,
- прочность на растяжение (ASTM D2040) - 3250 МПа.
Свойства волокна, полученного из андезитобазальта согласно заявляемому изобретению и прототипу, представлены в таблице 1.
Таблица 1Свойства волокна, полученного из андезитобазальта
Способ получения
Силикатный модуль
Микронаж, мкм
N<sup>*</sup> <sub>ф</sub> кг/сут
Обрывность на кг
Удельная разрывная нагрузка, мН/текс
Кислотостойкость<sup>**</sup>
Изобретение
6,4
13
800
1/20
720
5
Прототип
6,4
13
400
1/10
650
5
*N<sub>ф</sub> - производительность процесса вытяжки волокна с одной фильеры,N<sub>ф</sub>=/n, где N<sub>общ</sub> - общая производительность питателя в сутки, кг; n - число фильер на фильерной пластине питателя.** - процент потери веса за 2 часа кипячения в 2 N растворе H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>,
Волокна, производимые согласно изобретению, подходят для изготовления отдельных волокон, шнуров, прядей, ровинга, крученой нити.