Оснос С.П.
“Basalt Fiber & Composite Materials Technology Development Co. , Ltd”.
О характеристиках базальтовых волокон и областях их применения.
Введение
Настоящая статья является несколько обзорной, в ней приведены основные результаты большой работы специалистов по исследованию характеристик базальтовых волокон, предстален опыт производства и применения непрерывных базальтовых волокон в различных отраслях промышленности.
В статье представлена информация о характеристиках и основных преимуществах непрерывных базальтовых волокон (НБВ), приведены некоторые сведения об особенностях технологий их производства по сравнению со слеклянными волокнами.
На конкретных примерах показаны особенности и перспективы применения базальтовых волокон и материалов на их основе в различных отраслях промышленности.
В настоящее время в мире наблюдается огромныйинтерес к непрерывным волокнам из базальтовых пород (НБВ). Этот интерес связан с рядом факторов:
- базальтовые волокна обладают характеристиками по многим показателям превышающими стеклянные волокна;
- сырьевая база для производства базальтовых волокон практически неограничена;
- технологические достижения последних лет позволили существенного снизить себестоимость производства НБВ до уровня производства стеклянных волокон.
Стекловолокно имеет определенные ограничения по своим характеристикам: удельной прочности, температуре применения, химической стойкости, особенно в щелочных средах. При производстве стекловолокна используются химически чистые компоненты и особо дефицитный компонент – окись бора (В2 О3)).
Поэтому к настоящему времени выполнен ряд работ по разработке современных технологий производства НБВ, на основе которых организованы производства по выпуску НБВ и материалов.
Историческая справка.
Первые исследования возможнойстей производства базальтовых волокон были начаты в Советском Союзе, в начале 60-х годов были получены первые образцы НБВ. Затем последовали длительные исследования характеристик базальтовых волокон, материалов разработанных на их основе. Промышленные технологии и оборудование для производства НБВ были запушены к средине 80-х годов. В 90-х годах НБВ производилось уже на двух предприятиях. К концу 90-х годов были построены еще два производства в Грузии и Казахстане. Однако эти технологии были энергоемкие и оборудование достаточно сложное и дорогое, но поскольку базальтовое волокно производилось в основном для нужд оборонной промышленности СССР о его себестоимости особенно не задумывались.
В конце 90-х годов были разработаны новая технология и принципиально новое технологическое оборудование для производства НБВ, позволившие значительно в 2.5 раза снизить расходы энергоносителей и соответсвенно снизить себестоимость производства НБВ. Себестоимость производства НБВ стала сопоставимой и даже ниже себестоимости производства стекловолокна. Эти разработки дали новый импульс в развитии производства базальтовых волокон и позволили существенно расширить потенциальный рынок их применения.
На основе новых технологий в 2000 году построено самое крупное в мире предприятие по производству НБВ. Вся продукция предприятия используется для производства материалов для автомобильной компании «TOYOTA». Строятся и уже пущены еще несколько заводов по производству НБВ.
Опытно-промышленные установки для производства НБВ были построены и запущены в Китае приглашенными специалистами из бывшего Советского Союза. Установки были разработаны с использованием китайских материалов и комплектующих. Запуск установок прошел более чем успешно, было получено НБВ с применением базальтов Китая.
Базальтовые породы относятся к породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость. Базальтовое породы – однокомпонентное сырье, обогащение, плавление и гомогенизация, которых произведены в результате древней вулканической деятельности. В отличии от сырья для производства стекла базальт это уже готовое природное сырье для производства волокон.
К настоящему времени проведена большая работа по исследованию и подбору базальтовых пород, пригодных для производства волокон. Для производства базальтовых волокон с заданными характеристиками по прочности, химической и термической стойкости, электроизолирующими свойствами необходимо использовать базальтовые породы с требуемыми характеристиками по химическому составу и выработочными свойствами. Так для производства непрерывных базальтовых волокон используют базальтовые породы следующего диапазона химического состава, представленные в таблице 1.
Таблица 1.
| Химический состав | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 FeO |
CaO | MgO | TiO2 | Na2O K2O |
Прочие примеси |
| Минимальный % | 45 |
12 |
5 |
6 |
3.0 |
0.9 |
2.5 |
2.0 |
| Максимальный .% | 60 |
19 |
15 |
12 |
7 |
2.0 |
6.0 |
3.5 |
К сожалению до настоящего времени в Китае не уделяли должного внимания исследованию базальовых пород, как исходного сырья для производства базальтовых волокон. Базальты рассматривали как щебнь для дорожного строительства - отсыпка железнодорожных насыпей, подсыпка полотна автомобильных дорог, наполнитель для бетонов. Анализ имеющихся данных по химическим составам базальтов показали, что во многих провинциях Китая имеются залежи базальтовых пород пригодных для производства НБВ (1).
К настоящему времени разработана методика выбора базальтового сырья, имется большой практический опыт выбора базальтовых пород для производства НБВ, известны химические составы базальтовых пород из которых производятся базальтовые волокна в течении многих лет.
Практические исследования базальтов показали, что провинция Сычуань, Юнан, Херумзиян, Дзедцян, Хубей, острова Хайнан и Тайвань имеют залежи хороших базальтов пригодных для производства НБВ. Из некоторых базальтов Китая уже на промышленных установках получено НБВ.
Базальтовые породы пролежали на поверхности Земли многие миллоны лет под воздействием климатических факторов. Базальтовые породы являются одними из самых прочных природных силикатных пород. Волокна из базальтовых пород обладают высокой природной исходной прочностью, стойкостью к воздействию агрессивных сред, долговечностью, электроизоляционными свойствами, являются природным, экологически чистым сырьем.
Ранее широкое применение базальтовых волокон сдерживалось относительной сложностью, новизной и неосвоенностью промышленных технологий их производства. Технологии производства базальтовых волокон при всем внешнем подобии отличаются от производства стеклянных волокон, что связано с рядом факторов:
- химический состав базальтов существенно отличается от стекла;
- базальты содержат большое колическтво окислов железа FeO, Fe2O3 и не прозрачны для теплового излучения;
- базальты – это уже готовые природные расплавы, как правило, гомогенизированные по химическому составу;
- в процессе плавления базальтов нет операций присущих при варке стекла, осветления и остужения и др.
Эти особенности базальтов определяют специфику технологии производства и соответственно технологического оборудования для производства НБВ.
Первые печи для плавления базальтов старались делать по подобию стекловаренных, это дало свой эффект для начала производства базальтовых волокон. Однако себестоимость производства базальтовых волокон оказывалась значительно выше стеклянных.
При оценке себестоимости НБВ нужно учитывать следующий фактор - технологии производства стекловолокна развиваются более 70 лет, а технологии производства базальтовых волокон получили свое развитие только в последние годы. Для сравнения количество отверстий в фильерных питателях для производства стекловолокна составляет 2000 и более, а для базальтов промышленно применяются пока только ФП только на 200 фильер. Сейчас ведутся интенсивные разработки и проходят испытания ФП большей производлительности на большее количество фильер. Однако даже при этом себестоимость производства НБВ сопоставима со себестоимостью стекловолокна. В чем причина ? Базальтовое сырье доступное и очень дешевое – это цена обыкновенного щебня для укладки дорог. Стоимость базальтового сырья в себестоимости производства базальтового волокна составляет от 3 до 5%. Для производства базальтового волокна базальт нужно просто расплавить в камнеплавильной печи и пропустить через фильеры ФП. Это предусматривает минимум энергозатрат по сравнению с технологиями производства стекловолокна. Поэтому печи для плавления базальта имеют значительно более компактную конструкцию и требует меньше энергозатрат для производства базальтовых волокон. Основные энергозатраты по подготовке базальта выполнила природа. Уже в природных условиях базальт прошел обогащение, гомогенизацию по химическому составу и плавление в недрах Земли. Природа даже позаботилась о том, чтобы доставить базальт на поверхность земли в виде гор. Для справки: 1/3 земной земной коры составляют базальтовые породы.
Пришло время воспользоваться дарами природы. Однако, как известно, природа не просто отдает свои богатства. Для производства базальтовых волокон необходимы современные технологии и совершенное оборудование.
Основные характеристики базальтовых волокон и их преимущества перед другими типами волокон (2).
1. Относительно высокая удельная прочность волокон на разрыв.
В таблице 2 представлены данные по удельной прочности базальтовых волокон на разрыв.
Таблица 2.
| Диаметр элементарных волокон, mkm | 5.0 |
6.0 |
8.0 |
9.0 |
11.0 |
| Удельная прочность элементар-ных волокон на разрыв, kg/mm2. | 215 |
210 |
208 |
214 |
205 |
В таблице 3 представлены данные по разрывным нагрузкам ровингов марки RB 10 из базальтового непрерывного волокна.
Таблица 3.
Диаметр элементарных волокон, mkm |
Количество ТЭКС |
Разрывная нагрузка: (Н) |
10 |
600 |
400 |
10 |
1200 |
700 |
2. Высокая коррозионная и химическая стойкость к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот, щелочей.
В таблице 4 представлены данные по химической стойкости базальтовых волокон.
Таблица 4.
Тип образца НБВ |
Н2О |
0.5 н Na OН |
2 н Na OН |
2 н HCl |
№ 1 |
99.63 |
98.3 |
92.8 |
76.9 |
№ 2 |
99.7 |
98.9 |
90.7 |
49.9 |
№ 3 |
99.6 |
94.6 |
83.3 |
38.8 |
Как видно из таблицы 4 базальтовые волокна обладают уникальной химической стойкостью в растворах щелочей. Это свойство базальтовых волокон открывает широкие перспективы их применения для армирования бетонных конструкций при строительстве мостов, тоннелей, плотин, конструкций перекрытий, армирования асфальтобетонных покрытий дорог, взлетно-посадочных полос и других ответственных строительных конструкций, где воздействие влаги, растворов солей и щелочных бетонных сред приводит к коррозии металлической арматуры.
Базальтовое волокно совместимо с неорганическими связующими. Это позволяет производить новый класс негорючих композиционных материалов на неорганических связующих.
Базальтовые волокна являются незаменимым материалом для изготовления фильтров для очистки промышленных стоков и очистных сооружений городов.
3. Высокая термическая стойкость базальтовых волокон. В таблице 5. представлены данные по термической стойкости базальтовых волокон.
Таблица 5.
Температура 0С |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
Исходная удельная прочность, 100% |
|||||
№ 1 234 kg/mm2 |
98.7 |
88.7 |
58,9 |
38,4 |
25,0 |
№ 2 240 kg/mm2 |
99.0 |
89.0 |
61.0 |
39.0 |
27.0 |
№ 3 254 kg/mm2 |
100 |
90,0 |
65,0 |
38,8 |
28,6 |
Как видно из приведенной таблицы материалы из базальтовых волокон могут применяться при температурах до 600 С.
Теплоизоляционные изделия из базальтовых волокон на основе неорганических связок могут применяться при температурах до 7000С. Кроме того, существует ряд составов на основе базальтовых пород, обладающих более высокой термостойкостью до 8000С. Базальтовые волокна успешно применяются для изготовления фильтров для очистки отходящих газов от пылевых частиц на обогатительных и металлургических комбинатах, химических заводах, предприятиях промышленности строительных материалов и энергетики. Так на основе базальтовых волокон эксплуатируются фильтры для очистки воздуха с диапазоном рабочих температур 300 – 6500С.
Базальтовые волокна применяются для очистки и стерилизации технологического воздуха при производстве антибиотиков. Длительная эксплуатация фильтров из базальтовых волокон в производственных условиях показала, что они выдерживают стерилизацию острым паром.
4. Высокая стойкость и долговечность к знакопеременным нагрузкам. Профильные пластики – прутки на основе непрерывных базальтовых волокон после многих лет эксплуатации (более 9 лет) под воздействием знакопеременных нагрузок практически не имеют следов усталостных разрушений – трещин и других признаков разрушения.
5. Высокие электроизоляционные характеристики, радиопрозрачность для электромагнитного излучения. НБВ используется для производства электроизоляционных материалов как высоковольтной (до 250 кV) так и низковольтной (500 V) аппаратуры, при строительстве высоковольтных линий электропередач, для производства обтекателей и конструкций антенн, локаторов и другого радиотехнического оборудования.
6. Высокие термо- и звукоизоляционные характеристики.
Данные по теплопроводности материалов из тонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 9 – 11 мкм приведены в таблице 6.
Таблица 6.
Удельная плотность материала, кг/м3 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
160 |
Коэффициент теплопроводности |
ккал/м ч град |
||||||
Перепад температуры, 500С |
0.052 |
0.050 |
0.047 |
0.044 |
0.041 |
0.040 |
0.041 |
Данные по теплопроводности материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм представлены в таблице 7.
Таблица 7.
Удельная плотность материала, кг/м3 |
20 |
30 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
Коэффициент теплопроводности |
ккал/м ч град |
||||||
Перепад температуры, 500С |
0.0405 |
0.0375 |
0.0345 |
0.0340 |
0.0360 |
0.0380 |
0.041 |
Базальтовое волокно применяется как эффективный изоляционный материал при низких температурах в криогенной технике. Коэффициент теплопроводности супернтонких волокон диаметром 1 – 3 мкм изоляционного материала плотностью р = 140 кг/м3 при температуре -1960С составляет – 0.026 ккал/м ч град. При этом прочность волокон после длительного пребывания в среде жидкого азота при температуре – 1960С не снижается.
Изоляция из базальтовых волокон длительно применяется в установках для производства жидкого кислорода на металлургических комбинатах.
В таблице 8 представлены данные по звукоизоляционным характеристикам материалов из супертонкого базальтового волокна с диаметром элементарных волокон 1 - 3 мкм.
Таблица 8.
Плотность материала р=15 кг/м3. Толщина материала 30 мм. Величина зазора между материалом и изолируемой стенкой 0.0 мм. |
|||
Диапазон частот, Гц |
100 - 300 |
400 - 900 |
1200 - 7000 |
Нормальный коэффициент звукопоглощения |
0.05 – 0.15 |
0.22 – 0.75 |
0.85 – 0.93 |
Плотность материала р=15 кг/м3. Толщина материала 30 мм. Величина зазора между материалом и изолируемой стенкой 100 мм. |
|||
Диапазон частот, Гц |
100 - 200 |
300 - 900 |
1200 - 7000 |
Нормальный коэффициент звукопоглощения |
0.15 |
0.86 – 0.99 |
0.74 – 0.99 |
Звукоизоляционные базальтовые материалы широко применяются в авиации, судостроении, машиностроении. Кроме того представляется возможность создания широкого спектра композиционных материалов, совмещающих конструкционные и термо-звукоизоляционные свойства. При этом эти материалы абсолютно не горючи, при нагреве нет вредных выделений и могут быть применены на температуры до 600 - 7000С, а в сочетании с другими материалами до 10000С. Это противопожарные – брандмауэры, ограждающие и огнепреграждающие конструкции, двери, кабельные проходки и другие изделия для ответственных промышленных объектов и многоэтажных зданий.
7. Низкая гигроскопичность в 6-8 раз ниже, чем у стекловолокон. Поэтому только термо- и звукоизоляционные материалы из базальтовых волокон традиционно применяются в самолето и ракетостроении, в судостроении, где очень важны низкие масса и гигроскопичность таких материалов.
8. Высокая совместимость с другими материалами: металлами, пластмассами, пластиками. Это открывает широкую перспективу производства целого спектра армированных композиционных материалов и материалов с новыми свойствами.
9. Высокие эксплуатационные качества материалов и изделий из базальтовых волокон: высокая стойкость к воздействию окружающей среды и агрессивных сред, долговечность.
Технико-экономический анализ показывает, что базальтовые волокна и материалы на их основе, имеют наиболее предпочтительный показатель соотношения цены и качества по сравнению со стеклянными волокнами. НБВ не следует рассмартивать как конкурента стеклянным волокнам. Как видно из настоящей статьи базальтовые волокна имеют свои области применения, где не может применяться стеклянное волокно с силу своих характеристик. Имеено в этих отраслях промышленности применение базальтовых волокон имеет особую перспективу.
Исходя из перечисленных свойств базальтовые волокна имеют необычайно широкую перспективу применения в различных отраслях промышленности и строительстве. Классификация и области применения базальтовых волокон и материалов на их основе представлены в таблице 9.
Классификация и области применения НБВ
Таблица 9.
Непрерывное базальтовое волокно (НБВ) |
||
НБВ |
Параметры волокон: диаметр d = 6 – 9 мкм; длина L> 10 км. |
|
Исходные материалы на основе БВ |
Производимые материалы и изделия на основе БВ |
Отрасли промышленности |
Ровинги, комплексная крученая нить для текстильной переработки |
Тонкие ткани, электроизоляционные ткани, сетки, трикотажные материалы. Производство электроизоляционных материалов (плат, пластиков), рулонных пластиков, облицовочных и пожаростойких материалов, обоев. |
Электротехническая, электронная промышленность, химическая промышленность. Производство пластиков и строительных материалов. |
НБВ |
Параметры волокон: диаметр d = 10 - 15 мкм; длина L> 10 км. |
|
Ровинги, ровинговые ткани и сетки, холсты, рубленое волокно, иглопробивные материалы. |
Ровинги для производства профильных стеклопластиков - прутков, профилей, базальтопластиковой арматуры, труб и емкостей. Армирующих ровинговых тканей для производства стеклопластиков, облицовочных пластиков. Рубленого волокна для армирования пластмасс, пластиков. Геотекстильные материалы – сетки, ткани для армирования дорожных покрытий, укрепления насыпей, земляных валов и антиэрозийного укрепления почв. Иглопробивные материалы для тепло- звукоизолирующих изделий. |
Электротехническая, химическая промышленность. Производство пластиков различного назначения и строительных материалов. Энергетика, машиностроение, автомобилестроение, судостроение, другие отрасли промышленности. |
НБВ |
Параметры волокон: диаметр d = 15 - 19 мкм; длина L> 10 км. |
|
Ровинги, холсты рубленое волокно. |
Производство армирующих сеток. Ровинговых тканей для производства пластиков. Рубленных волокон для армирования пластмасс, бетонов, растворов, покрытий в строительстве. Армирующий материал для тормозных колодок, фрикционных дисков. Геотекстильные материалы – сетки, ткани для армирования дорожных покрытий, укрепления насыпей, земляных валов и антиэрозийного укрепления почв. |
Промышленность строительных материалов. Машиностроение, автомобилестроение, другие отрасли промышленности. Промышленное и дорожной строительство. |
НБВ |
Параметры волокон: диаметр d > 19 мкм; длина L> 10 км. |
|
Рубленое волокно. |
Материал для армирования бетонных и асфальтобетонных дорожных покрытий. |
Промышленное и дорожной строительство. |
Области применения материалов из базальтового волокна.
Машиностроение – теплоизоляция термического оборудования, тепловых магистралей. Авиационная промышленность - теплозвукоизолирующие холсты, обшитые гидроизолирующей тканью для теплозвукоизоляции двигателей и фузеляжа, звукоизоляция выхлопного тракта газодинамических установок.
Судостроение - теплозвукоизоляция оборудования, конструкционные материалы; малое судостроение – конструкции корпусов, надстроек.
Вагоностроение – теплозвукоизоляция вагонов, армирование конструкционных пластиков, негорючие композиционные материалы.
Автомобилестроение – теплозвукоизоляционный материал для производства автомобильных глушителей, панелей, теплоизоляционных прокладок, экранов, пластиков, армирующий материал для производства тормозных колодок и дисков сцепления, конструкционных пластиков, негорючие композиционные материалы, корд для автомобильных покрышек и другие материалы.
Энергетика. Теплоизоляция термического оборудования паровых котлов, турбин. Электроизоляционные материалы, несущая жила для высоковольтных линий электропередач. Материалы для атомной энергетики – негорючие теплоизоляционные и конструкционные материалы, базальт также является хорошей антирадиактивной защитой.
Химическая и нефтехимическая промышленность – производство химически стойких труб, защитных покрытий, негорючих композиционных материалов.
Фильтры из НБВ для очистки отходящих газов от пыли и промышленных стоков.
Электронная промышленность – армирующий материал для производства плат, корпусов электронной аппаратуры.
Коммунальное хозяйство – материалы для фильтров сточных вод очистных сооружений.
Металлургия – теплоизоляционные материалы для теплоизоляции, термического оборудования, рекуператоров, трубопроводов, коммуникаций. Фильтры для очистки отходящих газов от пыли на горнообогатительных и металлургических комбинатах, фильтры очистки сточных вод..
Криогенная техника и оборудование – теплоизоляционные материалы при производстве сжиженных газов, жидкого кислорода и др.
Производство строительных материалов:
строительные конструкционные и облицовочные пластики; армирующие сетки;
базальтопластиковая арматура для строительства мостов тонненей, шпал железных дорог, метро.
Армирующие материалы: при производстве асфальтобетонных покрытий дорог, строительных блоков и пенобетонных материалов.
Гидротехническое строительства – армирующие материалы для строительства плотин, материалы для ирригации земель.
Строительство портовых сооружений, морских платформ – армирующие и конструкционные материалы из базальтопластиков.
Хочется еще раз подчеркнуть, что базальтовые волокна в отличии от стекловолокна позволяют производить композиционные материалы на основе неорганических связующих, т.е. материалов трудногорючих и негорючих. Это новый класс композиционных материалов. Применение именно таких материалов важно при строительстиве ответственных промышленных объектов с повышенной пожарной безопасностью, атомных электростанций, химических и нефтехимических производств, высотных зданий, в судостроении, вогоностроении и автомобильной промышленности.
Некоторые особенности технологий производства НБВ в Китае.
Опыт работы в Китае при производтве НБВ выявил некоторые особенности, которые хотелось бы отметить отдельно.
1. Базальтовые породы Китая в геологическом плане достаточно «молодые» по сравнению с базальтами Европы. Они не имеют ярко выраженной, так называемой, корки выветренных пород. Исследованные месторождения базальтов Китая провинций Сычуань, , Херумзиян, Юнан, Дзядзян, Хубей, среднее и нижнее течение реки Яндзы, остров Хайнан показали, что на базальтовых породах практически отсутствует выветренная порода, на их поверхности имеется только характериный желтый налет окислов железа. Это в целом положительно сказывается на производстве НБВ, снижает затраты на подготовку базальтового сырья.
2. В химическом составе китайских базальтов присутствуют в больших количествах окислы железа FeO и Fe2O3 до 15 – 16%. Наличие значительного количества окислов железа потребовало внесения некоторых корректировок в технологический регламент производства НБВ.
3. Стоимость энергоносителей природного газа и электроэнергии в Китае значительно превышает их стоимость по сравнению с Россией и Украиной и даже несколько превышает уровень мировых цен в Европе и Америке. Для обеспечения требуемой себестоимости производства НБВ потребовались изменения конструкции камнеплавильных печей, газовоздушного тракта и газовых горелок, применения новых технологий энергосбережения и огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Эти задачи были успешно решены на практике с применением материалов и комплектующих выпускаемых китайской промышленностью.
В настоящее время производство НБВ только начинает развиваться. Задача настоящей статьи:
- привлечь внимание специалистов китайских предприятий к базальтовым волокнам и перспективам их применения;
- совместными усилиями развить широкое производство базальтовых волокон и материалов, что по сути продолжит процесс, который начала природа Китая, предоставив в огромных количествах десятки и сотни миллионов тонн такого прекрасного сырья как базальт.
Данная статья является обзорной и не может охватить всех возможностей, особенностей и специфики применения базальтовых волокон в промышленности, строительстве, при производстве материалов и изделий. Поэтому в последующих статьях будут представлены конкретные примеры их применения.
Экономические аспекты производства и применения непрерывного базальтового волокна О.А. Микрюкова
Basalt Fiber & Composite Materials Technology Development Co”. Вопросы широкого применения непрерывного базальтового волокна (НБВ) определяются двумя основными факторами: характеристиками НБВ и материалов на их основе и стоимостными показателями - себестоимостью производства и ценой продажи НБВ и материалов.
Известно, что базальтовые волокна имеют достаточно высокие характеристики по прочности, химической стойкости, обладают высокой стойкостью к воздействию кислот и особенно щелочей, термической стойкостью, негорючестью [1].
По своим характеристикам НБВ занимают промежуточное положение между стекловолокнами и углеродными волокнами.
Сравнительные характеристики волокон представлены в таблице 1. Таблица 1.
Capability |
CBF (continues basalt fiber) |
E-glass fiber | S-glass fiber | Carbon fiber | Aramid fiber |
| Tensilestrength, mPa | 3000 ~ 4840 | 3100 ~ 3800 | 4020 ~ 4650 | 3500 ~ 6000 | 2900~ 3400 |
| Elastic modulus, gPa | 79.3 ~ 93.1 | 72.5 ~ 75.5 | 83 ~ 86 | 230 ~ 600 | 70 ~ 140 |
| Elongation at break, % | 3.1 | 4.7 | 5.3 | 1.5~2.0 | 2.8 ~ 3.6 |
| Diameter of filament, mµ | 6 ~ 21 |
6 ~ 21 | 6 ~ 21 | 5 ~ 15 | 6 ~ 15 |
| Tex | 60 ~ 4200 | 40 ~ 4200 | 400 ~ 4200 | 600 - 2400 | 600 - 1800 |
| Temperature of application, 0C | -260 ~ +500 | -50 ~ +380 | -50 +300 | -50 ~ +700 | -50 ~ +290 |
| Price, USD/kg | 2,5 – 3.0 | 1,1 – 1.4 | 2,5 – 3.5 | 25 - 50 | 25 |
Наибольше распространение для производства композиционных материалов получило стекловолокно. История промышленного производства стекловолокна составляет 60 лет. Производство стекловолокна начиналось с 50–ти фильерных питателей, затем применяли 200, 400, 600, 800, 1200 и 2000 фильерные питатели. Применяли двухстадийную технологию производства (шихта – шарики – волокно) и одностадийную технологию (шихта – волокно). По мере освоения производства происходил существенный рост объемов производства стекловолокна, а соответственно снижалась себестоимость производства. Объемы производства современных заводов по производству стекловолокна составляют до 100 тонн в сутки. В настоящее время объемы производства стекловолокна достигли 2200 - 2500 тысяч тонн в год. Ежегодный рост объемов производства стекловолокна за последние 10 – 15 лет составляет 8 – 10%. Факторы, определяющие рост объемов производства и применения стекловолокна: снижение себестоимости производства; широкое применение композиционных материалов во всех отраслях промышленности; замена традиционных материалов из металла на композиционные.
Углеродные волокна до недавнего времени считались экзотическими из-за своих уникально высоких прочностных характеристик и стоимости. Поэтому находили применение при производстве военной техники, где традиционно применяются и в настоящее время. Углеродные волокна входят в перечень стратегических товаров. Однако материалы из углеродных волокон (углепластики) начали широко и активно применяться при производстве товаров широкого применения. Например, спортивного инвентаря (ракетки, лыжные палки, детали для спортивных автомобилей и мотоциклов и т.д.), но и при производстве рыболовных удочек, зонтиков и других массовых товаров.
История освоения промышленного производства НБВ составляет 20 лет. Первые исследования возможностей производства базальтовых волокон были начаты в Советском Союзе, в начале 60-х годов были получены первые образцы НБВ. Затем последовали длительные исследования характеристик базальтовых волокон и материалов, разработанных на их основе. Промышленные технологии и оборудование для производства НБВ были запушены к средине 80-х годов. Промышленное производство начато в 1985 году на Украине. В 90-х годах НБВ производилось уже на двух предприятиях: Беличанском заводе «Теплозвукоизоляция» и ОАО «Судогодское стекловолокно». Однако, эти технологии очень энергоемкие, а оборудование достаточно сложное и дорогое. Себестоимость производства НБВ относительно высока, даже при условиях низкой стоимости энергоносителей.
В конце 90-х годов были разработаны новая технология и принципиально новое технологическое оборудование для производства НБВ, позволившие значительно в 2 - 2.5 раза снизить расходы энергоносителей и соответственно снизить себестоимость производства НБВ. Себестоимость производства НБВ стала сопоставимой с себестоимостью производства стекловолокна. Эти разработки дали новый импульс в развитии производства базальтовых волокон и позволили существенно расширить потенциальный рынок их применения.
На основе новых технологий в 2000 году построено самое крупное в мире предприятие по производству НБВ. Вся продукция предприятия используется для производства материалов для автомобильной компании «TOYOTA». Строятся и уже запущены еще несколько заводов по производству НБВ.
Следующим шагом стали разработки промышленных установок НБВ серии BCF. Установки BCF -1G, BCF-1GМ, BCF-2G, BCF-2GМ с пониженным потреблением энергоносителей были построены и запущены в Китае специалистами «BF&CM TD» при выполнении программы Министерства технологии и науки КНР «Непрерывные базальтовые волокна и композиционные материалы на их основе» [1].
Сравнительные характеристики технологий и технологического оборудования для производства НБВ представлены в таблице 2.
Таблица 2
Тип технологии и оборудования Диаметр элементарных нитей НБВ, d (мкм). |
Удельный расход на производство 1 kg НБВ, |
|||
Природный газ, m3 |
Э/энергия kWt h |
Масса бобины первичной нити (g) |
Масса ФП (g), К-во фильер |
|
Фидерная печь (d = 9 - 13 мкм) |
3.1 – 3.2 |
9.3 |
700 - 900 |
3200, (200 ф) |
Модульная НБВ – 10 (d = 15 - 17 мкм) |
1.0 – 1.1 |
6.0 |
1000 - 1300 |
1800, (200 ф) |
Модульная BCF-1G (d = 10 - 12 мкм) |
0.9 |
2.8 |
2500 - 3500 |
1650, (200 ф) |
Модульная BCF-1GМ (d = 10 - 13 мкм) |
0.65 |
1.5 |
2500 - 3500 |
1680, (266 ф) |
Модульная BCF-2GМ (d = 10 - 13 мкм) |
0.6 |
1.2 |
3000 - 3500 |
1680, (266 ф) |
В таблице 3 приведены данные расчета прямых затрат на производство 1 тонны НБВ с диаметром элементарных нитей 13 мкм. Для условий России: стоимость природного газа 45 USD – 1000 m3; электроэнергии 0.04 USD – 1 kWt h. Таблица 3
Статьи затрат Производство НБВ на технологической линии TE BCF 500 |
Расход за час работы | Стоимость за 1 единицу,($) | Стоимость за час работы,($) | Расходы на 1 ton BCF, ($) |
| Газ | 65м3 | 45/1000м3 | 3,0 | 45 |
| Электроэнергия | 140 кВт/ч | 0.04кВА/ч | 5,6 | 86 |
| Трудозатраты производственных рабочих основного состава | 218 | |||
| Базальтовое сырье, замасливатель | 80 кг | 39,5/тонна | 53 | |
| Прочие затраты | 9 | |||
| Себестоимость производства тлнны НБВ | 411 |
Применение современных технологий и оборудования для производства НБВ позволяет существенно снизить себестоимость производства.
Для условий России экономически целесообразно производить НБВ даже при небольших объемах производства 550 тонн в год. При этом полная себестоимость производства НБВ (ровинг, рубленое волокно) составляет 968 долларов за тонну.
Расчет полной себестоимости готовой к реализации продукции Таблица 4
Состав калькуляционных затрат |
Расход на 1 т НБВ |
% в общей |
|
USD |
себестоимости |
Сырье и материалы (базальт с доставкой) |
53 |
5,5 |
Природный газ $ 45 -1000m3 |
45 |
4,6 |
Энергия на технологические цели 1 kWth – 0.04 $ |
86 |
8,8 |
Вода |
0,2 |
0,1 |
Работы и услуги производственного характера |
8,8 |
0,9 |
Основная и дополнительная з.плата производствен. состава |
218 |
22,5 |
Начисления на заработную плату 27% |
59 |
6,1 |
Общепроизводственные расходы |
365 |
37,8 |
Затраты будущих периодов |
5 |
0,5 |
Производственная себестоимость |
840 |
Х |
Административные расходы |
119 |
12,3 |
Полная себестоимость готовой продукции |
959 |
Х |
Расходы на сбыт и реализацию |
9 |
0,9 |
Полная себестоимость реализованной продукции |
968 |
100% |
Анализ статей показывает, что основные затраты при производстве НБВ составляют основная, дополнительная заработная плата и общепроизводственные расходы, что составляет 60,3%. Они же определяют резервы снижения себестоимости производства НБВ. Повышение производительности выработки НБВ на одного оператора установки, повышение производительности фильерных питателей, увеличение массы бобин с первичной нитью, увеличение объемов производства.
В настоящее время увеличена масса намотки первичных нитей НБВ на бобину с 700 – 900 грамм до 2.5 – 3.5 кг. Отработаны технологические процессы производства НБВ из различных типов базальтов, андезито-базальтов, габбро. Снижена степень обрывности волокон. Увеличена производительность фильерных питателей. Проводятся работы по разработке новых фильерных питателей более высокой производительности.
Увеличение объемов производства НБВ до 1500 – 3000 тонн в год, позволяет существенно снизить административные расходы. При указанных объемах производства себестоимость одной тонны НБВ составит 648 – 760 USD. Рентабельность производства НБВ достаточно высока, особенно при производстве материалов на основе НБВ.
Снижение себестоимости производства НБВ открывает новые области применения материалов из НБВ. Одной из наиболее емких сфер применения материалов из НБВ является строительство: производство строительных материалов и композиционных материалов, армирование бетонных конструкций, арматура, армирующие сетки, геотекстильные материалы для дорожного строительства. Возможно широкое применение НБВ при производстве электроизоляционных и конструкционных материалов для энергетики. Например, стержней для подвески изоляторов и проводов ЛЭП. При прочих равных условиях материалы из НБВ в 1.5 раза прочнее материалов из стекловолокна.
Емкости этих областей применения НБВ просто огромны.
Выводы.
1. Технологии производства НБВ позволяют добиться их себестоимости на уровне производства стекловолокна (Е-стекла) и имеют резервы еще более значительного снижения себестоимости.
2. Важным фактором снижения себестоимости НБВ является организация производства НБВ в промышленных объемах с производством материалов из НБВ.
3. Рентабельность производства НБВ высока, особенно при производстве материалов на основе НБВ.
4. Снижение себестоимости производства материалов из НБВ расширяет области их применения.
Список литературы.
1. Информация сайтов компании «BF&CM TD»: www.basaltfm.com