Способ производства непрерывных волокон из базальтовых пород и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области производства волокон из базальтовых, вулканических пород, к конструкции камнеплавильных печей. Техническим результатом изобретения является снижение расхода энергоносителей, увеличение производительности, повышение характеристик базальтовых волокон по прочности, эластичности и термической стойкости. Базальтовое сырье предварительно перед загрузкой подогревают до температур 250-400°С, загрузку базальта осуществляют непосредственно в зону максимальных температур 1450-2000°С пламени горелки-загрузчика, плавление базальтового сырья, дегазацию и гомогенизацию расплава производят при низких уровнях расплава 5-70 мм на плавильной площадке с последующим увеличением уровня до 80-300 мм в ванне печи. Устройство для производства непрерывных волокон из базальтовых пород содержит загрузчик базальта, систему отопления печи, включающую две и более горелок, которые последовательно соединены со смесителем газовоздушной смеси и рекуператором. Рекуператор через коллектор дымоудаления соединен с фидером печи. Устройство содержит дополнительный рекуператор с отводом для нагрева базальта в загрузчике, горелку-загрузчик, под которой на дне ванны размещена плавильная площадка, которые совместно создают локальную зону повышенных температур - зону плавления базальта, дегазации и гомогенизации расплава. Изобретение позволяет увеличить производительность устройства на 28-35%, снизить расход природного газа на 30% и электроэнергии на 55% на производство 1 тонны базальтового непрерывного волокна при обеспечении высокого качества волокон. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области производства волокон из базальтовых пород и конструкции печей для плавления базальтов.
Базальтовые породы, а именно базальты, андезитобазальты, амфиболиты, базаниты, диабазы, габбродиабазы, габбро, долериты, амфиболиты, порфириты, андезитовые порфириты и другие породы, относятся к породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость.
Волокна из базальтовых пород обладают высокой прочностью, химической и термической стойкостью, электроизоляционными свойствами. Базальтовые непрерывные волокна и материалы на их основе применяются в различных отраслях промышленности, строительстве, при производстве армирующих и композиционных материалов. Производство базальтовых волокон имеет доступную и практически неограниченную и сырьевую базу.
Однако широкое производство и применение базальтовых волокон сдерживается относительной сложностью технологий, низкой производительностью и высокой себестоимостью их производства. Поэтому особую актуальность представляют разработка и совершенствование технологий и технологического оборудования для производства базальтовых волокон.
Известны способ и устройство для производства базальтовых волокон РСТ. WO 98/22401 [1]. Способ состоит в измельчении базальтового сырья определенного химического состава, его подогреве и загрузке в плавильную печь, плавлении, стабилизации и выдерживании расплава в стабилизационной секции, подаче расплава в фидер и вытяжке непрерывных волокон через фильерные питатели. После плавления базальта температуру его расплава поднимают на 50-250°С до температуры изготовления волокон. Способ предусматривает проведение анализа соотношения химического состава основных компонентов базальтовой породы на стадии стабилизации расплава в фидере. Однако проведение анализа лучше выполнять предварительно на стадии выбора базальтовой породы, что соответствовало бы требованиям технологии производства непрерывных волокон и качеству волокон.
Устройство для осуществления способа включает последовательно соединенные достаточно сложные, массивные и габаритные основные элементы: плавильную печь, стабилизирующую секцию, фидер со сливными устройствами и фильерными питателями. Путь расплава от места загрузки и плавления базальта до места изготовления расплава длинный и проходит через плавильную печь, стабилизационную секцию и длинный фидер, что требует значительных расходов энергии для поддержания высоких температур расплава по всему пути его следования.
Как результат, такие технологическое и конструктивное решения способа и устройства не удовлетворяют требованиям экономичности производства базальтового волокна, обусловливают сложную, габаритную и массивную конструкцию устройства, которая требует значительных расходов энергоносителей, так как печь должна иметь несколько зон для плавления базальта, стабилизации и подготовки расплава, а фидер печи для выработки волокон значительно удален от печи плавления базальта.
Известны способ и устройство для производства базальтовых волокон RU 2193538 [2]. При этом способе и устройстве базальт загружают непосредственно в ванну печи. Однако базальт сразу тонет в расплаве. Поскольку температура в расплаве ниже, чем на его поверхности, плавление базальта происходит при низких температурах достаточно плохо. Поэтому для получения расплава базальта энергии газа недостаточно. Это требует применения электродов для дополнительного нагрева расплава базальтов. Поэтому данный способ и устройство сложны, требуют применения двух видов энергии и нагревателей для плавления базальтов, не отвечают требованиям экономичности плавления базальтов и выработки волокон.
Наиболее близким по совокупности признаков и достигаемому результату является способ и устройство для производства волокон из базальтовых пород UA 77861 [3].
Способ производства непрерывных волокон из базальтовых пород, который состоит в выборе базальтовой породы определенного химического состава и соотношения основных волокнообразующих окислов и сопутствующих оксидов, загрузке измельченного базальта непосредственно в расплав ванны плавильной печи, плавлении базальта в диапазоне температур на 150-260°С, превышающем температуру верхнего предела кристаллизации (Твпк), гомогенизации и стабилизации расплава в ванне печи при уровне расплава 80-250 мм до достижения степени аморфности 90-96%, стабилизации уровня расплава 20-80 мм над фильерным питателем в диапазоне температур 15-60°С выше температуры Твпк, вытяжке волокон через фильерный питатель, нанесении на волокна замасливателя и намотки волокон на бобины.
Данный способ требует дополнительно расхода газа для нагрева базальта в зоне загрузки, поддержания высоких температур в рабочем пространстве печи для плавления базальта и обеспечения требуемой степени аморфности расплава, не позволяет использовать андезито-базальты, андезиты, порфириты и другие базальтовые породы с высокими температурами плавления, а также базальтовые породы с высокотемпературными включениями, например, андезитов, кварца, слюды, а также не обеспечивает требуемой стабильности и безобрывности выработки непрерывных волокон.
Эти недостатки связаны с тем, что загрузка базальта в печь осуществляется при температурах окружающей среды, при этом базальт сразу тонет в расплаве и оседает на дне ванны на глубине 80-300 мм. Температура в расплаве базальта ниже, чем на его поверхности. Для плавления базальта на дне ванной печи и обеспечения требуемого качества расплава необходимо поддержание высокой температуры во всем рабочем пространстве печи, что требует большого расхода газа. Однако даже при этом в расплаве содержатся непроплавленные кристаллы базальтов и высокотемпературных минералов.
При попадании непроплавленных частиц, сгустков кристаллов в отверстия фильерного питателя вытяжка волокон сильно затрудняется, отверстия перекрываются сгустками кристаллов и непроплавов. Для прохождения сгустков непроплавленных кристаллов через отверстия фильерного питателя необходимо держать высокой температуру фильерного питателя на 15-60°С выше температуры верхнего предела кристаллизации (Твпк) расплава базальта. Это требует повышенного расхода электроэнергии на нагрев фильерного питателя. Кроме того, наличие кристаллов в аморфных волокнах существенно снижает их прочность и эластичность.
При плавлении базальтов в расплаве, в результате термохимических реакций и выделения межкристаллической влаги, содержатся пузырьки газов. Из вязкого расплава пузырькам газов сложно выйти на поверхность. Попадание пузырьков газов в отверстия фильерного питателя приводит к обрыву волокон и снижению производительности.
В целом указанный способ характеризуется повышенным расходом энергоносителей для поддержания высоких температур в рабочем пространстве печи и на фильерном питателе, не обеспечивает стабильность и безобрывность выработки непрерывных волокон, а также не позволяет использовать базальты с тугоплавкими включениями и базальтовые породы с повышенным содержанием SiO2, Al2O3 и других оксидов, обеспечивающих прочностные и термические характеристики волокон.
Технический результат состоит в снижении расхода энергоносителя, увеличении производительности, повышении характеристик базальтовых непрерывных волокон по прочности, эластичности и термической стойкости и достигается путем предварительного нагрева базальта и интенсификации его плавления в локальной зоне плавления - зоне высоких температур пламени горелки-загрузчика при низком уровне расплава, что позволит интенсифицировать переход базальтов из кристаллического состояния в расплавленное аморфное, высокую степень аморфности расплава, его дегазацию, плавление тугоплавких включений кварца, слюды, других минералов и базальтов, с повышенным содержанием SiO2, Al2O3 и других оксидов, обеспечивающих прочностные и термические характеристики непрерывных волокон, при снижении температуры в фидерной зоне и на фильерном питателе.
Технический результат достигается тем, что в способе производства непрерывных волокон из базальтовых пород, который состоит: в выборе базальтовых пород химического состава в диапазоне (%): SiO2 45-56, Al2O3 10-19, TiO2 0,9-2,0, Fe2O3 и FeO 7-18, CaO 6-15, MgO и MnO 3,0-7, Na2O и K2O 2,5-6 и соотношения основных волокнообразующих окислов и сопутствующих оксидов в пределах 3,2>(SiO2 + Al2O3)/(TiO2 + Fe2O3 + FeO + CaO + MgO + MnO + K2O + Na2O)>1,6; загрузке измельченного базальта непосредственно в расплав ванны плавильной печи; плавлении базальта в диапазоне температур Тп на 150-200°С выше температуры верхнего предела кристаллизации (Твпк) до достижения степени аморфности 90-96%; гомогенизации и стабилизации расплава в диапазоне температур Тс на 80-160°С выше Твпк; стабилизации уровня расплава в фидере печи на уровне 20-80 мм; при этом плавление, гомогенизация и выработка расплава производятся одностадийно в ванне и фидере печи, вытяжке волокон через фильерный питатель, нанесении замасливателя на волокна и намотке волокон на бобины, согласно изобретению
в качестве базальтового сырья используют основные базальты, которые могут иметь включения андезитов, кварца и другие высокотемпературные включения, а также андезито-базальты, андезиты, амфиболиты, диабазы, габбро, кислые базальтовые породы и минеральное сырье, имеющие повышенное суммарное содержание SiO2, Al2O3 и других оксидов, обеспечивающих прочностные и термические характеристики волокон;
базальтовое сырье предварительно перед загрузкой подогревают до температур 250-400°С и удаляют свободную влагу;
загрузку базальта осуществляют в локальную зону максимальных температур 1450-2000°С пламени горелки;
плавление базальтового сырья, дегазацию и гомогенизацию расплава производят на плавильной площадке при низких уровнях расплава 5-70 мм;
затем температура расплава в ванне и фидере печи снижается на 50-300°С, а уровень расплава в ванне печи увеличивается до 80-300 мм;
вытяжку волокон осуществляют при температуре фильерного питателя на 30-200°С ниже температуры верхнего предела кристаллизации расплава базальта (Твпк).
Для производства непрерывных волокон возможно использовать более широкий состав базальтовых пород: основные базальты, андезито-базальты, андезиты, андезитовые базаниты, диабазы, габбро, долериты, амфиболиты, имеющие повышенное содержание SiO2 и Al2O3 до 86%, а также базальты, имеющие тугоплавкие включения андезитов, кварца и другие тугоплавкие включения.
Данный способ предполагает использование базальтовых пород более широкого диапазона химических составов, включающих основные и кислые базальтовые породы, из которых возможно производить волокна с высокими прочностными и термическими характеристиками. Диапазон химических составов базальтовых пород и минерального сырья для производства волокон может быть существенно расширен до представленного в таблице.
| Химический состав | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3
FeO |
TiO2 | CaO | MgO MnO |
K2O | Na2O |
| Содержание, % | 45-67 | 4-24 | 5.0-16 | 2-5 | 5-21 | 5-15 | 1.5-4.5 | 3.5-12 |
Предварительный подогрев теплоемкой базальтовой породы позволяет снизить потребление энергоносителя в самой печи, исключить попадание в печь базальтов, содержащих свободную влагу. Предварительный подогрев базальтовой породы и поступающей в горелки газовоздушной смеси позволяет обеспечить плавление базальтов в зоне плавления при температурах до 2000°С.
Плавление базальтовой породы осуществляется в зоне действия наиболее высоких температур пламени горелки 1450-2000°С, при низких уровнях расплава 5-70 мм на плавильной площадке. При попадании базальта на плавильную площадку он не тонет в расплаве, а находится в зоне действия факела горелки. Факел горелки создает в зоне загрузки базальтовой породы на плавильной площадке зону наивысших температур - зону плавления. Пламя горелки обеспечивает интенсивное плавление базальта, догорает на поверхности расплава, отдавая всю энергию непосредственно расплаву. Более высокая скорость потока пламени по поверхности расплава создает разрежение, которое способствует выходу из расплава пузырьков газов - дегазации расплава.
Создание высоких температур в зоне плавления при низком уровне расплава позволяет в процессе плавления обеспечить: интенсивный переход базальтов из кристаллического состояния в расплавленное аморфное; требуемую степень гомогенизации и аморфности расплава более 96%; дегазацию расплава; плавление тугоплавких включений кварца, слюды и других минералов, требующих более высоких температур плавления, андезито-базальтов, андезитов, габбро, амфиболитов и кислых базальтовых пород, которые позволяют производить волокна с высокими характеристиками по прочности, эластичности и термостойкости.
Газы, образующиеся в результате термохимических реакций и закипания межкристаллической воды, легко выходят из более прогретого и менее вязкого расплава базальта.
Плавление подогретых до температуры 250-400°С базальтов в зоне действия пламени горелки при температурах 1450-2000°С, гомогенизация и дегазация расплава при уровне расплава 5-70 мм не требуют необходимости держать повышенные температуры во всем рабочем пространстве печи и фидере.
При подаче перегретого расплава в фильерный питатель нет необходимости нагревать его до высоких температур. При этом температуру фильерного питателя можно снизить на 30-200°С ниже температуры верхнего предела кристаллизации Твпк. Нагрев фильерного питателя обеспечивается в основном за счет тепловой энергии расплава базальта. Фильерный питатель обеспечивает только прохождение подготовленного расплава через фильеры в процессе выработки волокон.
Плавление при высоких температурах основных базальтов с тугоплавкими включениями, андезито-базальтов, андезитов, габбро, амфиболитов и кислых базальтовых пород позволяет производить волокна с высокими характеристиками по прочности, эластичности и термостойкости.
Высокие температуры плавления на плавильной площадке обеспечивают степень гомогенизации и аморфности расплава выше 96% и близкую к 100%, что необходимо при производстве качественных волокон диаметром 6-10 мкм, пригодных для текстильной переработки и производства тканей.
Исследования характеристик базальтовых непрерывных волокон показывают, что плавление базальтов при повышенных температурах до 2000°С обеспечивает образование прочных атомарных кремнекислородных, алюмокислородных и атомарных связей других оксидов, степень аморфности расплава свыше 96%, отсутствие кристаллических включений в элементарных волокнах, что позволяет повысить прочность и эластичность непрерывных волокон на 25-45%. Базальтовые непрерывные волокна становятся более прочными, эластичными и термостойкими, хорошо поддаются текстильной переработке, что позволяет производить крученые нити и ткани высокого качества.
Предлагаемый способ позволяет расширить сырьевую базу базальтовых пород для производства непрерывных волокон, при низком потреблении энергоносителей обеспечивает интенсивное плавление базальтов, гомогенизацию, аморфность расплава и удаление газов из расплава, обеспечить стабильный и безобрывный процесс вытяжки волокон, повысить производительность и качество непрерывных волокон.
Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков и достигаемому результату является устройство для производства непрерывных волокон из базальтовых пород, которое содержит загрузчик базальта, состоящий из бункера и дозатора и загрузочной воронки, систему отопления печи, которая состоит из двух или более горелок, расположенных в своде печи; горелки последовательно соединены со смесителем газовоздушной смеси и рекуператором, рекуператор через двухходовой коллектор дымоудаления соединен с фидером печи, плавильную печь, состоящую из печи и фидера, который является продолжением ванны, в фидере печи за порогом ванны установлен фильерный питатель, под фильерным питателем размещены механизм нанесения замасливателя и наматывающая машина UA 77861 [3].
Недостаток устройства заключается в том, что базальтовое сырье загружается в печь при температуре окружающей среды - холодным - и на его нагрев требуется дополнительная тепловая энергия, что снижает температуры в зоне загрузки и плавления базальта, загрузочная воронка удалена от места установки плавильной горелки, поэтому базальт попадает в расплав ванны печи вне зоны действия высоких температур пламени горелки. Расплав в зоне плавления имеет ту же глубину, что и в ванне печи, что обусловливает низкие температуры на дне ванны в зоне плавления. При этом холодный базальт в зоне загрузки сразу тонет в расплаве и оседает на дне ванны печи, что затрудняет плавление базальта, дегазацию и гомогенизацию расплава. Затем расплав, содержащий непроплавленные сгустки и пузырьки газов из ванны печи, попадает в фидер печи и на фильерный питатель, что приводит к обрывности волокон, снижению производительности выработки непрерывных волокон. Плавление базальта на дне ванны не обеспечивает полное плавление базальта и особенно высокотемпературных включений в базальт: андезитов, кварца, слюды и др. Это приводит к тому, что расплав содержит сгустки непроплавленных кристаллических структур базальта и других минералов. Однако даже при этом непроплавленные кристаллические структуры базальтов попадают в аморфные волокна, что приводит к снижению их прочности и эластичности. Величина кристаллов соизмерима с диаметрами волокон 6-21 мкм и в местах наличия кристаллов волокна легко ломаются.
Для исключения указанных отрицательных факторов при производстве непрерывных волокон нужно увеличивать температуру во всем рабочем пространстве печи в зоне плавления, ванной печи и фидере печи, нагревать фильерный питатель до высоких температур.
Сложности плавления базальта на дне ванны расплава ограничивают диапазон использования устройства определенными видами базальтовых пород с низкой температурой плавления и без высокотемпературных включений. Это также ограничивает интенсивность подачи базальтового сырья в зону плавления, что снижает производительность устройства в целом.
Поддержание высоких температур в рабочем пространстве печи и на фильерном питателе требует повышенного расхода энергоносителей, что не удовлетворяет требованиям экономичности и производительности процесса производства базальтовых непрерывных волокон.
Техническим результатом изобретения является производство непрерывных волокон с высокими характеристиками по прочности, эластичности и термостойкости, повышение производительности и снижение затрат энергоносителей, что достигается усовершенствованием устройства для производства непрерывных волокон из базальтовых пород, нагревом базальта в бункере загрузчика от дополнительного рекуператора, установкой на своде печи в зоне загрузки горелки-загрузчика, а под ней на дне ванны печи плавильной площадки, что обеспечивает высокие температуры плавления базальта, гомогенизацию, аморфность и дегазацию расплава в зоне плавления и тем самым создает оптимальные условия для подготовки расплава перед его выработкой на фильерном питателе.
Технический результат достигается тем, что устройство для производства непрерывных волокон из базальтовых пород, содержащее загрузчик базальта, состоящий из бункера и дозатора, плавильную печь с вытянутым в горизонтальном направлении рабочим пространством, включающим ванну и фидер печи, который является продолжением ванны, ванна и фидер печи перекрыты сводом, в своде размещены две или более горелки, горелки последовательно соединены со смесителем газовоздушной смеси и рекуператором, рекуператор через двухходовой коллектор дымоудаления соединен с фидером печи, в фидере печи за порогом ванны установлен фильерный питатель, под которым размещены механизм нанесения замасливателя и наматывающая машина, отличается тем, что совместно с рекуператором установлен дополнительный рекуператор, который патрубком соединен с загрузчиком базальта, горелка-загрузчик на своде печи, под которой на дне ванны размещена плавильная площадка, которая совместно с горелкой-загрузчиком создают локальную зону плавления базальта, дегазации и гомогенизации расплава.
Наличие плавильной площадки позволяет снизить уровень расплава в зоне плавления до 5-70 мм при уровне расплава в ванной печи 80-300 мм. Незначительная глубина расплава под горелкой-загрузчиком в зоне плавления обеспечивает высокие температуры расплава, а следовательно, малую вязкость расплава, что обеспечивает выход из расплава пузырьков газов - дегазацию расплава. А также полное плавление базальтов, включая плавление высокотемпературных включений и кислых базальтов с повышенным содержанием SiO2 и Al2O3. Высоту плавильной площадки выбирают в зависимости от фракции базальта его химического состава, наличия примесей и характеристик плавления базальтовой породы. При этом плавильная площадка может быть выполнена горизонтально плоской, или вогнутой, или наклонной.
Целесообразно объединить загрузочную воронку и газовую горелку в горелку-загрузчик, которая состоит из загрузочной воронки, расположенной по центру и охватывающей ее кольцом горелки. Загрузка базальта осуществляется через горелку-загрузчик на плавильную площадку в зону действия пламени горелки. Горелка-загрузчик устанавливается на своде печи, при этом горелок-загрузчиков может быть установлено как одна, так и несколько.
На площадке плавления под горелкой-загрузчиком происходит активное плавление базальта, его переход из кристаллической формы в расплавленную аморфную со степенью аморфности более 96%. Отсутствие непроплавленных кристаллических структур и пузырьков газов в расплаве базальтов обеспечивает стабильность и безобрывность выработки непрерывных волокон, повышение производительности устройства.
Целесообразно также оснащать устройство дополнительным рекуператором, совмещенным основным рекуператором, при этом выход дополнительного рекуператора через патрубок подсоединен с бункером загрузчика базальта.
Подогрев измельченной базальтовой породы в загрузочном бункере до температур 250-400°С позволяет исключить попадание базальта в печь со свободной влагой, обеспечить высокие температуры плавления базальта на плавильной площадке, повысить производительность устройства и снизить расход газа.
На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа плавления базальтовых пород.
Загрузчик-дозатор (1) базальта. Горелка-загрузчик (2). Горелка (3). Плавильная печь (4). Свод (5) печи. Ванна (6) печи. Плавильная площадка (7). Порог (8) печи. Фидер (9). Коллектор (10) дымоудаления. Рекуператор (11). Дополнительный рекуператор (12) с патрубком. Смеситель (13) газ-воздух. Фильерный питатель (14). Механизм (15) нанесения замасливателя. Наматывающая машина (16).
Устройство для реализации предлагаемого способа, производства волокон из базальтовых пород представлено на чертеже. Устройство содержит: загрузчик-дозатор (1) базальта, горелку-загрузчик (2), горелку (3), плавильную печь (4), свод (5) печи, ванну (6) печи, плавильную площадку (7), порог (8) печи, фидер (9), коллектор (10) дымоудаления, рекуператор (11), дополнительный рекуператор (12) с патрубком, смеситель (13) газ-воздух, фильерный питатель (14), механизм (15) нанесения замасливателя, наматывающую машину (16).
Устройство работает следующим образом. Измельченная базальтовая порода загружается в бункер загрузчика-дозатора (1), где происходит ее нагрев горячим воздухом от патрубка дополнительного рекуператора (12) до температуры 250-400°С. Базальт из загрузчика-дозатора (1) небольшими порциями по 50-300 грамм загружается в плавильную печь, с тем чтобы поддерживать постоянным 20-80 мм уровень расплава базальта над фильерным питателем. Базальт через горелку-загрузчик (2), расположенную на своде (5) печи, загружается на плавильную площадку (7) в зону плавления плавильной печи (4). При попадании базальтового сырья на плавильную площадку (7) он не тонет в расплаве, а находится на поверхности в зоне действия максимальных температур пламени горелки-загрузчика (2). На плавильной площадке (7) в зоне наивысших температур при низком уровне расплава 5-70 мм происходит активное плавление базальтов и тугоплавких включений, дегазация расплава. С площадки (7) расплав перетекает в ванну (6) печи, где уровень расплава составляет 80-250 мм, при этом происходит перемешивание и гомогенизация расплава. В ванне (6) печи происходит подготовка расплава в выработке в фидере (9).
Плавильная печь (4) имеет зону плавления с плавильной площадкой (7), ванну (6) и фидер (9) печи с фильерным питателем (14). Ванна (6) через порог (8) соединена с фидером (9) печи, за порогом (8) печи установлен фильерный питатель (14).
Поскольку плавление базальтов происходит при высоких температурах до 2000°С в зоне плавления, нет необходимости поддерживать высокие температуры в ванне (6) и фидере (9) печи. На пороге ванны (6) уровень расплава снова уменьшается и поддерживается на уровне 20-80 мм от уровня фильерного питателя. Поступление гомогенизированного с высокой степенью аморфности, дегазированного расплава в фильерный питатель позволяет снизить его температуру до температуры верхнего предела кристаллизации расплава базальта (Твпк) и даже на 30-200°С ниже Твпк, обеспечить стабильность и производительность производства непрерывных базальтовых волокон.
Дополнительный рекуператор (12) с патрубком устанавливается совместно с основным рекуператором (11). На рекуператор (11) и дополнительный рекуператор (12) из рабочего пространства плавильной печи (4) через коллектор (10) дымоудаления подаются высокотемпературные газы. Рекуператор (11) обеспечивает подогрев воздуха до температуры 400°С, который подается на смеситель (13) газ-воздух и на газовые горелки (2) и (3). Дополнительный рекуператор (12) служит для нагрева базальта в бункере загрузчика до температур 250-400°С.
Плавление базальта осуществляется горелкой-загрузчиком (2) и горелкой (3). Горелка-загрузчик (2) расположена на своде (5) печи, непосредственно над плавильной площадкой (7).
Горелка-загрузчик (2) состоит из загрузочной воронки, расположенной по центру и охватывающей ее кольцом горелки предварительного смешения. Горелок-загрузчиков (2) может быть установлено на своде печи (5) как одна, так и несколько.
Горелка-загрузчик (2) и плавильная площадка (6) совместно создают высокотемпературную локальную зону плавления базальта, дегазации и гомогенизации расплава. Горелка (3) обеспечивает дополнительный подогрев расплава базальта.
Загрузка подогретого базальтового сырья осуществляется через горелку-загрузчик (2) в зону действия пламени горелки на плавильную площадку. Пламя горелки позволяет создавать температуры от 1450°С до 2000°С в зоне плавления. Это обеспечивает наиболее благоприятный режим интенсивного плавления базальта на плавильной площадке - в локальной зоне плавления.
Плавление базальта при таких температурах позволяет производить прочные, эластичные и высокотемпературные волокна из андезито-базальтов, андезитов, амфиболитов, порфиритов, диабазов, габбро, базальтовых пород и минерального сырья, имеющих повышенное содержание SiO2, Al2O3 и других оксидов, обеспечивающих прочностные и термические характеристики волокон.
Для обеспечения интенсивного плавления базальтовой породы, гомогенизации и дегазации расплава в зоне плавления на дне ванны (6) плавильной печи (4) установлена плавильная площадка (7). Уровень расплава над плавильной площадкой (7) составляет 5-70 мм. Уровень расплава над плавильной площадкой зависит от величины фракции базальта, его химического состава, наличия примесей и характеристик плавления базальтовой породы. Уровень расплава в ванне печи находится в пределах 80-300 мм.
На площадке (7) плавления в зоне наивысших температур при низком уровне расплава происходит активное плавление базальта - переход его из кристаллического в расплавленное аморфное состояние, проплавление инородных включений и дегазация расплава. При этом расплав из зоны плавления перетекает в зону действия второй горелки (3) и ванну (6) печи. При стекании расплава базальта с площадки плавления в ванну (6) печи происходит перемешивание расплава, процессы гомогенизации и дегазации проходят более активно. В ванне (6) печи происходит гомогенизация расплава и подготовка расплава к выработке в фидере (9) печи.
За ванной (6) печи через порог (8) расположен фидер (9), в котором установлен фильерный питатель (14).
Из расплава через фильерный питатель (14) происходит вытяжка первичных волокон. Вытяжка волокон осуществляется наматывающей машиной (16), перед намоткой на волокно механизмом (15) наносится замасливатель.
Для простоты изложения на чертеже показана конструкция плавильной печи с одной горелкой-загрузчиком (2) и оводовой горелкой (3), однако количество горелок может установлено больше.
Данный способ и устройство позволяют использовать для производства волокон базальты более широкого диапазона химического состава и обеспечивают получение аморфных, гомогенизированных и дегазированных расплавов для производства непрерывных волокон диаметром 6-21 мкм.
Способ производства непрерывных волокон из базальтовых пород и устройство для его осуществления позволяют технологически и конструктивно реализовать технологические процессы активного плавления базальтовых пород и перехода их в аморфное состояние, гомогенизации и дегазации расплава, снизить энергопотребление, повысить производительность и обеспечить производство непрерывных волокон с высокими характеристиками по прочности, эластичности и термической стойкости.
Пример реализации изобретения.
В НПО «Вулкан» г.Оса Пермского края работают установки BCF 1C и BCF 2C в составе технологической линии ТЕ BCF-2000 для производства базальтового непрерывного волокна. При изготовлении установок BCF 1C и BCF 2C использованы технические решения данного изобретения.
Установки BCF 1C и BCF 2C имеют следующие основные технические характеристики.
| Основные технические характеристики | BCF 1C | BCF 2C |
| Производительность установок при производстве БНВ | ||
| диаметром (при фильерном питателе на 200 фильер): | ||
| 9 мкм | 10 кг/час | 20 кг/час |
| 13 мкм | 12 кг/час | 25 кг/час |
| Потребление природного газа (при калорийности 7900 кКал/м3) | 6-7 м3/час | 12-14 м3/час |
| Потребление электроэнергии на нагрев фильерного питателя | 3.5-4 кВт час | 7-8 кВт час |
| Вес бобины первичного непрерывного волокна | 3.5-5 кг | |
| Длина первичных непрерывных волокон на первичной бобине | 40-60 км |
По сравнению с установками BCF 1 и BCF 2, изготовленными на основе технических решений патента прототипа №77861 UK, у установок BCF 1C и BCF 2C удельный расход природного газа на производство 1 кг БНВ снижен на 30% до 0.6 м3 на кг базальтового непрерывного волокна (БНВ) электроэнергии - на 55% до 0.4 кВт на кг БНВ.
Производительность производства БНВ увеличена на 28-35%.
Характеристики производимого ровинга БНВ соответствуют техническим условиям (ТУ) на ровинг БНВ.
Для производства БНВ используются долериты с повышенным содержанием оксидов кремния и алюминия.
Источники информации
1. РСТ. WO 98/22401. 1998. Доманов Г.П., Асланова Л.Г. и др. Способ получения базальтового волокна и устройство для его осуществления.
2. RU 2193538. Способ и устройство для производства базальтовых волокон.
3. UA 77861. МПК G03B 37/00. Оснос С.П. Способ и устройство для производства волокон из базальтовых пород.
1. Способ производства волокон из базальтовых пород, который состоит в использовании основных базальтов диапазона (%): SiO2 45-56, Al2O3 10-19, TiO2 0,9-2,0, Fe2O3 и FeO 7-18, CaO 6-15, MgO и MnO 3-7, Na2O и K2O 2,5-6 и соотношения основных волокнообразующих оксидов и сопутствующих оксидов в пределах 3,2>(SiO2 + Al2O3)/(TiO2 + Fe2O3 + FeO + CaO + MgO + MnO + K2O + Na2O)>1,6, загрузке измельченного базальта в расплав ванны плавильной печи, плавлении базальта в диапазоне температур Тп на 150-200°С выше температуры верхнего предела кристаллизации Твпк до достижения степени аморфности 90-96%, гомогенизации и стабилизации расплава в диапазоне температур Тс на 80-160°С выше Твпк, стабилизации уровня расплава в фидере печи на уровне 20-80 мм над фильерным питателем, при этом плавление, гомогенизация и выработка расплава производится одностадийно в ванне и фидере печи, вытяжка волокон через фильерный питатель производится в диапазоне температур Тв на 15-60°С выше Твпк, нанесении замасливателя на волокна и намотке волокон на бобины, отличающийся тем, что базальт предварительно перед загрузкой подогревают до температур 250-400°С, а загрузку базальта осуществляют в зону максимальных температур 1450-2000°С пламени горелки-загрузчика, плавление, дегазацию и гомогенизацию расплава производят на плавильной площадке при низких уровнях расплава 5-70 мм с последующим увеличением уровня расплава до 80-300 мм в ванне печи.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вытяжку волокон осуществляют при температуре фильерного питателя на 30-200°С ниже температуры верхнего предела кристаллизации расплава базальта Твпк.
3. Устройство для производства непрерывных волокон из базальтовых пород, содержащее загрузчик базальта, состоящий из бункера и дозатора, плавильную печь с вытянутым в горизонтальном направлении рабочим пространством, включающим ванну и фидер печи, который является продолжением ванны, ванна и фидер печи перекрыты сводом, в своде размещены две и более горелки, горелки последовательно соединены со смесителем газо-воздушной смеси и рекуператором, рекуператор через двухходовой коллектор дымоудаления соединен с фидером печи, в фидере печи за порогом ванны установлен фильерный питатель, под которым размещены механизм нанесения замасливателя и наматывающая машина, отличающееся тем, что на своде в зоне загрузки базальта установлена горелка-загрузчик, под которой на дне ванны размещена плавильная площадка, обеспечивающая уровень расплава от 5 до 70 мм, с последующим увеличением уровня расплава в ванне печи до 80-300 мм.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что загрузочная воронка и горелка конструктивно объединены в одну горелку-загрузчик, состоящую из загрузочной воронки, расположенной по центру, и охватывающей ее кольцом горелки, горелка-загрузчик расположена в своде печи над плавильной площадкой, при этом горелка-загрузчик может быть установлена одна и более.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что верхняя поверхность плавильной площадки может быть выполнена наклонной в сторону ванны.
6. Устройство по любому из пп.4-5, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным рекуператором, совмещенным с основным рекуператором, при этом выход дополнительного рекуператора через патрубок подсоединен к бункеру загрузчика базальта.
