УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ БАЗАЛЬТОВОГО СУПЕРТОНКОГО ВОЛОКНА

Полезная модель относится к производству теплоизоляционных материалов на основе базальтового супертонкого волокна (волокно диаметром от 1 до 3 мкм), используемых в качестве тепловой изоляции различных агрегатов, оборудования и трубопроводов в энергетической и нефтегазовой отраслях, строительстве и других областях.
Известны двухстадийные и одностадийные способы получения базальтового супертонкого волокна.
Двухстадийный способ получения базальтового супертонкого волокна, например, по патентам RU №2101237 С 03 В 37/06, 1998 и №2170218 С 03 В 37/06, 2001, заключается в плавлении базальтового сырья, гомогенизации полученного расплава, его переработке с помощью фильерных питателей из платины или ее сплавов в первичные нити (волокна) или струйки и последующего раздува их в супертонкие волокна энергоносителем. Основным недостатком указанного способа является его низкая производительность.
Патентуемая установка относится к установкам, в которых реализуется одностадийный, производительный способ получения базальтового супертонкого волокна, где в качестве плавильных агрегатов используются электропечи. Например, в патентах RU №2100299 С 03 В 37/06, 1997 и №2105734 С 03 В 37/06, 1998 используются индукционные печи. Для них характерна низкая производительность; так, по волокну она составляет от 17 до 23 кг/ч.
Более производительными являются установки с использованием электродуговых печей, например, по патентам SU 1806104 С 03 В 37/06, 1993 и RU №2149841 С 03 В 37/06, 2000.
В патенте RU 2149841 установка содержит электродуговую печь со сферическим днищем, с тремя электродами, с зонами плавления сырья в
верхней части печи (в топочном пространстве) и гомогенизации расплава в нижней части печи (в стабилизирующей камере с соотношением ее высоты к высоте печи, как 0,4-0,6:1), разделенными друг от друга колосниковой решеткой, а также с зоной выпуска расплава. Выпускаемый расплав раздувается энергоносителем с помощью волокнообразующего устройства. Полученный вертикальный поток волокон поступает в вертикально расположенный диффузор, непосредственно соединенный с камерой волокноосаждения, где он осаждается в виде ковра. Далее ковер подается на устройство для формирования теплоизоляционных изделий.
В зонах печи обеспечиваются неодинаковые температурные режимы: в верхней зоне - нагрев до 1300-1600°С; в нижней зоне - сначала перегрев до 1550-1850°С и выдержка, а затем охлаждение расплава до 1250-1350°С. Различие в температурных режимах приводит к периодичности работы печи, при этом значительно возрастают затраты электроэнергии. Выпуск расплава на установке осуществляется с достаточно высокой вязкостью, что значительно ухудшает переработку расплава раздувом с помощью волокнообразующего устройства. В результате полученные волокна имеют повышенные диаметр и плотность, что обусловливает более низкое качество теплоизоляционного материала.
Наиболее близким аналогом патентуемой установки является установка для непрерывного получения теплоизоляционного материала из базальтового супертонкого волокна, известная из ранее упомянутого патента SU 1806104, предназначенная для осуществления этого способа (эта установка также раскрыта в авт. св. SU №733299 С 03 В 37/14, 1987).
Такая установка содержит электродуговую печь, устройство для выпуска расплава, волокнообразующее устройство с подводом энергоносителя, диффузор и горизонтально расположенную камеру волокноосаждения с сетчатым конвейером.
Электродуговая печь выполнена с двумя плавильными пространствами: одно - в виде ванны цилиндрической формы с соотношением диаметра к
глубине, как 1:1, другое - в виде переливной камеры, соединенной с ванной. Печь снабжена пятью электродами, три из которых расположены по схеме треугольника в ванне, а два - в переливной камере. Ванна служит зоной плавления базальтового сырья, а переливная камера - зоной перегрева и гомогенизации расплава, а также зоной его выпуска. Футеровкой печи является гарниссаж.
В этой установке волокнообразующее устройство расположено по горизонтальной оси соосно с горизонтально расположенным диффузором, который непосредственно состыкован с горизонтальной камерой волокноосаждения. Установка позволяет получать теплоизоляционный материал в виде ковра.
Плавление сырья, перегрев расплава и его выпуск ведут в плавильных пространствах печи в различных температурных режимах: плавление при температурах 1350-1500°С; перегрев и гомогенизацию расплава - при температурах на 200-250°С выше температуры плавления сырья, выпуск расплава - при 1550; 1670; 1750°С.
В зоне плавления при температурах 1350-1500°С не достигается достаточного расплавления сырья. Для достижения полного расплавления сырья и гомогенизации полученного расплава последний направляют в зону перегрева (переливную камеру). Переливная камера обеспечивает гомогенизацию расплава только при условии высокой температуры перегрева, что приводит к ухудшению выработочных свойств расплава и получению волокон с недостаточно высокими показателями качества: высоким содержанием неволокнистых частиц, недостаточной длиной и нестабильным диаметром волокон, а также повышенной плотностью сформированного из них волокнистого ковра. Последовательное осуществление операций получения расплава в разных плавильных пространствах в различных температурных режимах вызывает необходимость установки большого числа электродов в каждой зоне и приводит к повышенным затратам электроэнергии.
Конструкция установки не предусматривает возможность отделения неволокнистых частиц от волокон до формирования ковра. Это обстоятельство приводит к высокому содержанию неволокнистых частиц в сформированном ковре. Кроме того, ассортимент теплоизоляционных материалов по прототипу ограничивается получением ковра.
Патентуемая полезная модель решает задачу повышения качества теплоизоляционных материалов из базальтового супертонкого волокна при высокой производительности производства.
Технический результат, который создается при этом, состоит в увеличении длины волокон, обеспечении стабильного малого диаметра волокон, уменьшении их плотности, снижении содержания неволокнистых частиц в получаемом материале, а также в расширении ассортимента теплоизоляционных материалов, получаемых на одной и той же установке, и снижении энергозатрат.
Указанный технический результат достигается в установке тем, что плавильное пространство электродуговой печи выполнено вытянутой формы в плане с соотношением длины, ширины и глубины, как 1:(0,5-0,7):(0,4-0,5), из электропроводящего материала и является одним и тем же пространством для плавления базальтового сырья, гомогенизации расплава и его выпуска, электроды печи расположены по длине плавильного пространства с противоположных сторон: один - со стороны загрузки базальтового сырья, другой - со стороны выпуска расплава, волокнообразующее устройство расположено по вертикальной оси соосно с вертикально расположенным диффузором, между которым и камерой волокноосаждения предусмотрена шахта для разделения вертикального потока волокон от неволокнистых частиц, при этом установка снабжена устройством для подачи органической добавки в струю расплава при его раздуве в волокна с целью обеспечения необходимого поверхностного натяжения расплава.
Выполнение плавильного пространства указанной формы с заявляемым соотношением размеров способствует продвижению расплавляемого
материала от узла загрузки базальтового сырья на одной стороне печи к узлу выпуска расплава на противоположной стороне. За счет этого удлиняются путь прохождения расплава и время протекания процессов плавления сырья и гомогенизации расплава, что способствует более полному расплавлению сырья и получению однородного расплава. Это приводит к высокому качеству получаемых волокон малого стабильного диаметра, большой длины, малой плотности, с низким содержанием неволокнистых частиц.
На это же направлено выполнение плавильного пространства печи из электропроводящего материала. При таком выполнении создаются условия более интенсивного прогрева расплавляемого материала во всем объеме за счет шунтирования токов не только в пространстве между электродами, но и токов между электродами и подиной, между электродами и стенками печи. Ведение процессов плавления сырья, гомогенизации расплава и его выпуска в одном и том же указанном плавильном пространстве печи предполагает одновременное протекание процессов плавления сырья и гомогенизации расплава, что также способствует наиболее полному расплавлению сырья, ускорению процесса завершения гомогенизации расплава и выпуска расплава из печи при температурах 1500-1650°С с вязкостью 2-6 Па·с. Это обеспечивает получение тонких длинных волокон малой плотности с небольшим содержанием неволокнистых частиц, а также снижает энергозатраты на проведение указанных процессов.
Электроды печи расположены по длине плавильного пространства с противоположных сторон печи. Указанное расположение электродов в одном плавильном пространстве создает условия для продвижения расплавляемого материала по длине плавильного пространства от загрузки сырья до выпуска расплава. В плавильном пространстве одновременно протекают процессы плавления сырья и гомогенизации расплава, что способствует более интенсивному объемному проплавлению и гомогенизации и более быстрому достижению однородности расплава. Все это способствует получению расплава с высокими выработочными свойствами, обеспечивающими получение
длинных базальтовых супертонких волокон стабильного диаметра, невысокой плотности и с низким содержанием неволокнистых частиц.
Технический результат достигается при плавильном пространстве печи вытянутой формы с соотношением длины, ширины и глубины, как 1:(0,5-0,7):(0,4-0,5). При увеличении ширины и/или глубины по отношению к длине плавильного пространства ухудшается равномерное и быстрое расплавление сырья во всем объеме и не достигается однородности расплава, что приводит к снижению качества получаемого волокна: увеличению содержания неволокнистых частиц и повышению плотности волокна. При уменьшении глубины и/или ширины по отношению к длине не обеспечивается необходимое погружение электродов в плавильном пространстве печи, не достигаются режимы, необходимые для получения качественного теплоизоляционного материала.
Волокнообразующее устройство расположено по вертикальной оси соосно с вертикально расположенным диффузором, между которым и камерой волокноосаждения предусмотрена шахта для отделения неволокнистых частиц от вертикального потока волокон. Образованный при раздуве вертикальный поток волокон поступает в вертикально расположенный диффузор и затем в расположенную под ним шахту. В шахте вертикальный поток волокон перемещается к низу шахты. Под действием гравитационных сил происходит отделение от потока волокон неволокнистых частиц, как более тяжелых.
Подача органической добавки в струю расплава при его раздуве в волокна обеспечивает необходимое поверхностное натяжение расплава, что способствует улучшению процесса волокнообразования. При этом облегчается дробление и расщепление расплава на более мелкие капли и их вытягивание в волокна с получением более тонких и длинных волокон с небольшим количеством неволокнистых частиц.
По п.2 формулы шахта со стороны, противоположной камере волокноосаждения, сообщена с регулируемым подводом воздуха для отделения вертикального потока волокон от неволокнистых частиц и одновременной
подачи волокон горизонтальным потоком в камеру волокноосаждения. За счет регулируемого подвода воздуха с помощью вентилятора создается горизонтальный воздушный регулируемый поток, который воздействует на вертикальный поток волокон. При этом неволокнистые частицы, как более тяжелые, продолжают падение вниз шахты, а волокна воздушным потоком отдуваются в горизонтальный поток и направляются на формирование теплоизоляционного материала в горизонтально расположенную камеру волокноосаждения. В результате происходит более полное разделение волокон от неволокнистых частиц, что уменьшает их содержание в получаемом теплоизоляционном материале. Объем горизонтального воздушного потока регулируется в зависимости от производительности установки и параметров раздува расплава.
Согласно п.3 формулы под шахтой предусмотрено пространство для сбора отделенных неволокнистых частиц. Собранная масса неволокнистых частиц может быть возвращена на плавление в электродуговую печь для организации безотходного производства.
Согласно п.4 формулы установка дополнительно снабжена прошивной машиной для производства прошивных матов, что расширяет ассортимент получаемых теплоизоляционных материалов.
Согласно п.5 формулы установка дополнительно снабжена устройством для подачи кремнийорганического связующего в струю расплава при его раздуве в волокна, что позволяет расширить ассортимент теплоизоляционных материалов на одном и том же потоке технологической линии. Орошение горячей поверхности раздуваемых волокон кремнийорганическим связующим приводит к образованию прочносвязанного ковра и последующему получению из него на потоке прочного эластичного, гибкого изделия в виде плит. Для изготовления прошивных матов введения кремнийорганического связующего не требуется, так как форма и прочность изделия обеспечивается за счет прошива матов, например, стеклонитями с помощью прошивной машины.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично изображена в общем виде установка для получения теплоизоляционных материалов из супертонкого базальтового волокна; на фиг.2 показано плавильное пространство электродуговой печи в плане.
Патентуемая установка представляет из себя непрерывную поточную линию и включает электродуговую печь 1, встроенное в нее устройство для выпуска расплава в виде водоохлаждаемой летки 2, волокнообразующее устройство 3 в виде эжекционного сопла, состыкованный с ним диффузор 4, горизонтально расположенную камеру волокноосаждения 5 с сетчатым конвейером 6 и расположенную между диффузором и камерой волокноосаждения шахту 7.
Электродуговая печь снабжена двумя погружными электродами 8, 9 и имеет одно плавильное пространство 10 для плавления базальтового сырья, гомогенизации расплава и его выпуска. Плавильное пространство выполнено вытянутой формы в плане с соотношением длины L, ширины В и глубины Н, как 1:(0,5-0,7):(0,4-0,5). Стены и подина, образующие плавильное пространство печи, выполнены из электропроводящего материала -графитовых блоков. Корпус электродуговой печи имеет секционное водоохлаждение с независимым подводом и отводом воды из каждой секции (на чертеже не показано). Электроды печи расположены по длине плавильного пространства с противоположных сторон: электрод 8 - со стороны загрузки базальтового сырья, а электрод 9 - со стороны выпуска расплава.
Волокнообразующее устройство расположено по вертикальной оси соосно с вертикально расположенным диффузором 4. По трубопроводу 11 в волокнообразующее устройство подается энергоноситель - сжатый воздух для раздува струи расплава в волокна. Установка снабжена устройством для подачи органической добавки (индустриального масла) по трубопроводу 12 в струю расплава при раздуве его в волокна для обеспечения необходимого поверхностного натяжения расплава. Для производства плит предусмотрено
устройство для подачи по трубопроводу 13 кремнийорганического связующего в струю расплава при раздуве его в волокна.
Шахта 7 выполнена рамной конструкции. В ее верхней части установлен диффузор. Одна из боковых сторон шахты соединена с торцем 14 камеры волокноосаждения, а противоположная ей боковая сторона 15 шахты сообщена с устройством для регулируемого подвода воздуха посредством вентилятора (на чертеже не показан). В результате со стороны 15 шахты подается горизонтальный регулируемый воздушный поток. Нижняя сторона шахты выполнена открытой. Под шахтой предусмотрено пространство 16 для сбора отделенных неволокнистых частиц.
На выходе из камеры волокноосаждения установлено подпрессовочное устройство 17 в виде верхнего прижимного и нижнего барабанов.
Установка заканчивется узлом 18 резки (поперечной и продольной) теплоизоляционного материала и его рулонирования.
Для изготовления прошивных матов установка дополнительно снабжена прошивной машиной 19, которая встроена между сетчатым конвейером 6 и узлом 18 резки и рулонирования.
Сетчатый конвейер и прошивная машина имеют общий привод 20 (двигатель и цепные передачи). Для загрузки в электродуговую печь базальтового сырья служит бункер с питателем 21.
Теплоизоляционный материал из базальтового супертонкого волокна получают на установке следующим образом.
Базальтовое сырье фракции не более 15 мм подают через бункер с питателем 21 на плавление в электродуговую печь 1 со стороны загрузки сырья перед электродом 8 по продольной оси плавильного пространства 10 печи.
Плавление сырья ведут при температурах 1500-1650°С. При тех же температурах происходит гомогенизация расплава. Плавление сырья и гомогенизация расплава происходят интенсивно во всем объеме плавильного пространства, как по глубине и ширине, так и по длине печи. Интенсивность протекающих процессов связана, с вытянутой формой и указанным
соотношением размеров плавильного пространства, а также шунтированием электрической дуги не только в пространстве между электродами 8 и 9, но и между электродами и электропроводящими стенками и подиной печи.
При загрузке сырья и выпуске расплава в непрерывном режиме работы печи создаются условия перемещения массы расплавляемого сырьевого материала и продвижения получаемого расплава по длине печи. За счет продвижения расплава при указанных температурах по длине плавильного пространства от электрода 8 к электроду 9 до выпуска расплава удлиняется время протекания, как плавления сырья, так и гомогенизации расплава, и достигается высокая степень однородности расплава без перегрева.
Выпуск расплава через летку 2 осуществляется при тех же температурах 1500-1650°С из того же плавильного пространства печи со стороны электрода 9. Расплав выпускают с вязкостью 2-6 Па·с в виде вертикальной непрерывной струи стабильного диаметра в пределах 8-10 мм и подают на раздув волокнообразующим устройством 3.
При раздуве в струю расплава по трубопроводу 12 вводят органическую добавку - индустриальное масло по ТУ 38.101808-91 в количестве 0,4-0,6% от массы получаемого волокна. Раздув струи расплава производят энергоносителем - сжатым воздухом давлением 0,5-0,7 МПа. Образовавшийся при раздуве вертикальный поток волокон поступает в диффузор 4, а затем в расположенную под ним шахту 7. Вертикальный поток волокон перемещается к низу шахты. Более тяжелые неволокнистые частицы под действием гравитационных сил падают вниз и отделяются от потока волокон.
Одновременно на вертикальный поток волокон воздействуют горизонтальным воздушным потоком. Волокна, как более легкие в сравнении с неволокнистыми частицами, отдуваются и ориентируются в горизонтальный поток, который направляется в камеру волокноосаждения 5. Таким образом происходит более эффективное разделение волокон и неволокнистых частиц. Горизонтальный воздушный поток создается посредством вентилятора с боковой стороны 15 шахты. Объем подаваемого горизонтального воздушного
потока регулируется в зависимости от производительности установки и параметров раздува расплава. Неволокнистые частицы собираются под шахтой в пространстве 16 для сбора отделенных неволокнистых частиц.
В горизонтально расположенной камере волокноосаждения происходит осаждение волокон на сетку конвейера 6 с помощью вентиляционноотсасывающей системы (на черт. не показано). Осажденные волокна формируются на сетке конвейера в теплоизоляционный материал в виде волокнистого слоя - непрерывного ковра, транспортируемого конвейером. При выходе из камеры волокноосаждения ковер подпрессовывается устройством 17, уплотняясь до требуемой плотности. При необходимости он режется и рулонируется с помощью узла 18.
При изготовлении прошивных матов сформированный и уплотненный ковер необходимой толщины и плотности направляется на прошивную машину 19. На прошивной машине производится прошив ковра прошивным материалом, например, стеклонитями. Далее прошитый ковер направляется на резку, где он с помощью ножей разрезается на маты определенных форматов.
Для получения другого вида теплоизоляционного материала - плит - в струю расплава при его раздуве дополнительно по трубопроводу 13 вводят кремнийорганическое связующее, в частности органосилоксан в виде модификатора (полифенилэтоксисилоксана) по ТУ 6-01-20-52-90, в количестве 2-5% от массы получаемого волокна. При раздуве расплава кремнийорганическое связующее распыляется и орошает горячие волокна, покрывая их тончайшим слоем. При осаждении орошенных волокон на сетке конвейера происходит их склеивание друг с другом и формирование ковра достаточной связности. При выходе из камеры волокноосаждения ковер с помощью устройства 17 подпрессовывается и уплотняется в прочносвязанный ковер необходимой плотности, а затем направляется на узел резки и рулонирования, где ковер режется на плиты необходимого формата. Конструкция прошивной машины предусматривает возможность свободного прохождения ковра на
резку и рулонирование в случаях, когда нет необходимости в прошиве, например, при производстве плит.
Теплоизоляционный материал, получаемый из базальтового супертонкого волокна на патентуемой установке характеризуется показателями свойств: средний диаметр не превышает 2,5 мкм (в прототипе от 1,5 до 4 мкм), длина волокон составляет 55-75 мм (в прототипе до 20-40 мм), плотность волокна в сравнении с прототипом в 2,4 раза ниже, содержание волокнистых частиц уменьшается в 5-10 раз. Энергозатраты снижаются на 20-30%. По предложению ассортимент, кроме ковра, расширяется с получением прошивных матов и плит.
Таким образом, разработана поточная линия с электродуговой печью в качестве плавильного агрегата для получения теплоизоляционных материалов различного ассортимента на основе базальтовых супертонких волокон, характеризующихся стабильным малым диаметром, повышенной длиной, невысокой плотностью и низким содержанием неволокнистых частиц.