ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЛАВЛЕНИЯ БАЗАЛЬТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ НЕПРЕРЫВНЫХ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН С.П. Оснос
“Basalt Fiber & Composite Materials Technology Development Co.”. Hong Kong
В статье приведены данные исследований процессов плавления базальтов, проведенные специалистами «BF&CM TD» на опытно-промышленных и промышленных установках по производству непрерывных базальтовых волокон (НБВ) на Украине и в Китае.
Целью данных исследований является определение основных закономерностей и оптимальных параметров процессов плавления базальтовых пород для производства непрерывных волокон, отработка технологий плавления базальтов и гомогенизации расплавов, совершенствование конструкции плавильных печей. Результаты исследований представляют теоретический интерес и носят сугубо практический характер. На их основе разработаны конструкции плавильных печей и установок для производства НБВ нового класса с пониженным потреблением энергоносителей (газа и электроэнергии).
Исследования процессов плавления базальтов были проведены на базальтах различных месторождений Украины: Иванова долина, Берестовецкого, Исачковского, Селецкого и Китая: Sichuan, Heilongjiang, Jiangsu, Hebei. Исследования проводились на опытно-промышленных и промышленных ванных печах. Отдельные исследования характеристик расплавов базальтов проводились в тигельных электрических печах. Опытно-промышленные печи НБВ-1 и BCF-1C, применялась для отработки технологий производства НБВ, исследования процессов плавления и волокнообразования базальтов, отработки конструкции плавильных печей новой серии BCF-1GM. Установки BCF-2х10С являются модульными промышленными установками, которые в настоящее время применяются для промышленного производства НБВ. Основные характеристики установок BCF-1C и BCF-2х10 представлены в [1].
Кратко технологический процесс производства непрерывных базальтовых волокон (НБВ) можно представить в виде следующей последовательности: нагрев и плавление базальтовой породы; гомогенизация расплава; подготовка расплава к выработке; вытягивание волокон через фильеры фильерного питателя. Относительная простота технологии производства НБВ связана с тем, что базальты однокомпонентное уже готовое сырье. В природных условиях расплавы базальтов в процессе вулканической деятельности и медленного остывания лавы полностью перешли в кристаллическое состояние. Однако технологии производства НБВ имеют ряд особенностей, определяемых химическим составом базальтов и их природной структурой.
Процессы плавления базальтовой породы в печи и подготовка расплава для выработки являются основными и самыми энергоемкими при производстве НБВ. В процессе плавления решаются следующие технологические задачи:
- нагрев и плавление базальта, и получение аморфного расплава;
- перегрев расплава базальта для получения требуемой степени аморфности и плавления более высокотемпературных включений (кварцитов, слюды, магнезитов и др., обеспечения процессов эвтектики);
- получение гомогенизированного расплава требуемой вязкости перед выработкой.
Исследования и опыт производства НБВ показывают, что плавление базальтовой породы в ванной плавильной печи необходимо производить в температурном интервале на 150 – 280 С превышающем температуру верхнего предела кристаллизации базальтовой породы (Твпк). Твпк базальта различных месторождений находится в пределах от 1215 до 1280 С и зависит в основном от его химического состава.
На порцию базальта, загружаемую в печь, одновременно воздействуют: конвенционные тепловые потоки пламени газовой горелки, энергия расплава, тепловое радиационное излучение свода и стен печи. В плавильных печах под воздействием высоких температур в расплавах базальтов проходят сложные термохимические реакции, которые связаны с химическим составом базальтов, процессами горения газов, атмосферой печи и температурой пламенного пространства печи. В процессе активного плавления базальтов в зоне плавления часто наблюдается такое явление, как «закипание» вновь загруженного базальта в расплаве, что связано с активным протеканием термохимических реакций. При производстве НБВ пузырьки газов из расплавов базальтов необходимо удалять – производить дегазацию расплава. Что достигается снижением вязкости расплавов при повышении температуры в пламенном пространстве печи.
Были проведены исследования термохимических реакций непосредственно под газовыми горелками при различной длине пламени горелки и давлении газо-воздушной смеси и результатов термохимических реакций в зоне выработки на фильерном питателе. Работы проводились на природном газе (NG) и LPG (сжиженном нефтяном газе). Данные исследований подтверждают влияние окислительно-восстановительных термохимических реакций на процесс выработки НБВ на фильерном питателе. Это требует управления термохимическими реакциями и атмосферой печи в процессе плавления базальтовых пород. Наличие окиси Fe2O3 и закиси FeO железа в расплавах базальтов во многом определяет особенности процессов плавления базальтов и характеристиках базальтовых волокон. Окислы железа в базальтовых волокнах в основном определяют их термические характеристики.
При нагреве базальтового волокна до 7000С происходят окислительные процессы железа. Внешне волокно меняет свой цвет до цвета окислов железа. Происходит кристаллизация волокна, образуются крупнокристаллические магнезиты, при этом волокно становится хрупким и легко разрушается.
Расплавы базальтов непрозрачны для теплового излучения. При этом по мере погружения в расплав базальта его температура существенно уменьшается. Ранее были проведены опыты по определению скорости охлаждения термопары, погруженной в расплав базальта на глубину 17 – 19 мм от поверхности [3]. Зависимости изменения вязкости базальтовых расплавов на глубине 17 – 19 мм по сравнению со стеклянным расплавом показаны на рис. 1. Представленные зависимости свидетельствуют о том, что базальтовые расплавы затвердевают 1.5 – 2 раза медленнее, чем расплав Е-стекла. Это явление вызвано образованием на поверхности расплава слоя, плохо пропускающего тепловые лучи, что обуславливает пониженную скорость затвердевания внутренних слоев. Показания термопар, погруженных в расплавы на 1 – 1.5 мм свидетельствуют о падении температуры поверхностного слоя базальтового расплава значительно больше, чем у расплава стекла. Это приводит к более быстрому охлаждению поверхностного слоя базальтового расплава.
Эффект непропускания тепловых лучей расплавом базальта существенно влияет на конструкцию камнеплавильной печи. Плавление базальтов в печах происходит при температурах 1450 – 1600 С. При таких температурах основной нагрев до 96 % происходит за счет теплового радиационного излучения. Поскольку расплав базальта непрозрачен для тепловых лучей, прогреть толщу базальта довольно сложно. Излучением производится разогрев поверхностного слоя расплава базальта, тепло в нижние слои передается за счет теплопередачи расплава.
Рис.1. Рис. 2.
Проведены исследования распределения температур в толще расплава базальта в ванной плавильной печи (рис. 2). Из представленной зависимости видно, что при температуре в пламенном пространстве печи 15000С при толщине расплава в 150 - 180 мм на дне ванны печи температура близка к температуре верхнего предела кристаллизации расплава базальта 1230 - 12800С. Эта особенность расплавов базальтов во многом определяет конструкцию печи для плавления базальтов. Ясно, что ее конструкция существенно отличается от конструкции стекловаренных печей.
При производстве НБВ важным является получение аморфного расплава. Одним из основных условий достижения стабильности процесса вытяжки волокон и получения качественного НБВ является полное плавление кристаллической структуры, инородных включений в базальтах и получение аморфного гомогенизированного расплава.
При проведении исследований режимов плавления базальтовых пород в плавильных печах производились также оценки степени аморфности расплавов и пределов прочности на растяжение производимого НБВ. Степень аморфности базальтовых волокон определяли известным методом ИК-спектроскопии в области 0.4 – 4 м-1 по полосам поглощения и вновь разработанным для применения на практике методом анализа волокон.
В таблице 1 приведены данные по степени аморфности и прочности непрерывных волокон с диаметрами элементарных нитей 9 мкм, полученных из расплавов базальтов при различных температурах пламенного пространства плавильной печи. Таблица1.
Температура расплава, 0С |
Степень аморфности, % |
Диаметр волокна |
Предел прочности при растяжении, МРа |
1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 |
25.3 26.5 35.0 50.0 80.0 95.0 96.0 |
8.3 8.4 8.6 8.5 8.7 8.6 8.7 |
1600 1620 1870 2010 2300 2500 2550 |
Анализ представленных данных показывает:
- с повышением температуры расплава увеличивается степень аморфности;
- существенное увеличение степени аморфности и показателей прочности волокон отмечается при перегреве расплава в интервале температур 1500 – 1600 С.
Температурный интервал плавления 1500 – 1600 С обеспечивает более полный переход базальта из кристаллического состояния в аморфное со степенью аморфности расплава до 96%. Это необходимо для производства НБВ высокого качества, повышенной прочности.
Выводы.
1. Процессы плавления базальтов, гомогенизации и подготовки расплавов к выработке являются основой процесса производства НБВ - обеспечивают стабильность выработки и качество производимого НБВ.
2. Плавление базальтов и гомогенизация их расплавов непрозрачных для радиационного теплового излучения определяют ряд особенностей конструкции камнеплавильных печей.
3. Основными процессами при плавлении базальтов являются: - нагрев базальта до точки плавления; - разрушение кристаллической структуры и получение аморфного расплава;
- перегрев расплава базальтов для получения требуемой степени аморфности и плавления более высокотемпературных включений в базальтовую породу, удаления пузырьков газов из расплава; - получение гомогенизированного расплава требуемой вязкости перед выработкой.
4. Соблюдение требуемых температурных параметров плавления базальтовых пород способствует стабильности процесса производства НБВ и обеспечению его качества.
Практические результаты.
На основе проведенных исследований были разработаны и успешно эксплуатируются камнеплавильные печи усовершенствованных конструкций зон плавления, ванны, выработочной части и фидера печи. В печах серии BCF -1GM, BCF-2G для обеспечения процесса плавления применены специальные горелки и созданы зона плавления, зона повышенных температур. Это позволило добиться интенсивного плавления базальтов и получение гомогенизированных, качественных расплавов базальтов при снижении потребления газа и электроэнергии [1].
Список литературы.
- «Технологии и оборудование для производства непрерывного базальтового волокна». Информация сайта www.basaltem.com
- Дубровский В.А., Махова А.Ф., Рычко В.А. и др. «Свойства расплавов основных магматических горных пород Украины и волокон на их основе». Сб. статей «Волокнистые материалы из базальтов Украины». Киев – 1971 г.
- Оснос С.П. «Исследование выработочных свойств расплавов базальтов при производстве непрерывных базальтовых волокон».