Способ получения непрерывного минерального волокна повышенного качества

Изобретение относится к химической технологии неорганических материалов, в частности к получению волокон из минеральных горных пород. Способ включает дробление горной породы, мойку, сортировку, магнитную сепарацию, предварительный подогрев, загрузку в ванную плавильную печь, плавление породы, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу расплава из фидера на фильерный питатель и формование волокон. Плавление горной породы ведут в регенеративной ванной печи с подковообразным направлением пламени с точностью поддержания температуры в контрольных точках расплава по ходу его движения к фильерному питателю ±10°С и равномерность распределения температур по длине фильерной пластины питателя составляет ±5°С. Обогрев печи осуществляют газовым и/или жидким топливом, процесс ведут в ванной печи площадью не менее 8 м², при съеме расплава с одного м не более 0,4 т и длительного времени нахождения расплава в ванной печи - не менее 5 часов. Подачу расплава из ванной печи в фидер осуществляют через разделительный порожек. Техническая задача изобретения - повышение качества получаемого волокна, производительности процесса, а также снижение энергоемкости процесса за счет предварительного прогрева породы перед загрузкой в печь отходящими газами и их использования для подогрева воздуха на горение природного газа. Удельная разрывная нагрузка вытянутого волокна составляет не менее 650 мН/текс, обрывность волокна менее 1 обрыва на 10 кг волокна, производительность процесса вытяжки волокна с одной фильеры - не менее 0,9 кг/сутки. 1 н. и 4 з.п. ф-лы. 1 табл.

 

Изобретение относится к области химической технологии неорганических материалов, в частности к получению волокон из минеральных горных пород. Волокна могут быть использованы в строительной, текстильной, химической промышленности, машиностроении, электронике и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления непрерывных минеральных волокон из базальтовых пород путем плавления базальта, подачи базальтового расплава в зону выработки для струйной подачи к фильерам, характеризующийся тем, что отбор расплава ведут в зоне, расположенной на высоте уровня расплава в зоне выработки (SU 1823958, С03В 37/00, 2002).

Известен также способ получения минеральных волокон путем плавления породы с размером частиц менее 80 мм при Т=1050-1480°С, при вязкости расплава 30-160 d*Pa*s при 1450°С, энергией активации вязкого течения не более 290 кДж/моль, причем отношение высоты расплава в питающем канале к высоте в плавильной ванне составляет (0,8-1,1)/(2-6), а отношение ширины питающего канала к ширине плавильной ванны составляет (0,8-1)/(5-12) (ЕР 0869922, С03В 37/08, 1998).

Известен также способ получения непрерывного алюмосиликатного волокна, включающий плавление базальтовой породы в электропечи, барботаж расплава в зоне плавления и/или гомогенизацию, дегазацию и формование волокон за счет подачи расплава на фильерный питатель с мощностью не менее 5 кВт. Однако при переработке базальтовых пород с повышенным содержанием железа, а также при наличии в породе примесей хрома и марганца снижается производительность процесса и срок службы используемых молибденовых электродов и фильерных платиновых питателей за счет их разрушения от воздействия металлического железа, а также снижается качество целевого продукта (RU 2104250, С03В 37/02, 1998).

Наиболее близким к предложенному способу получения непрерывного минерального волокна по технической сути и достигаемому результату является способ получения непрерывного алюмосиликатного волокна, включающий плавление базальтосодержащей горной породы в зоне плавления ванной печи, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу расплава из фидера на фильерный питатель и формование волокон, причем барботаж расплава осуществляется путем подачи кислородсодержащего газового агента через сопла, установленные в донной части зоны плавления, в количестве, определяемом по формуле

Vo₂=(А(С_Fe ⁺²/С_Fe ⁺³)+кР)М,

где А - эмпирический коэффициент, характеризующий содержание металлических примесей в расплаве горной породы, равный 0,01-0,5;

Vo₂ - объем подаваемого кислородсодержащего газового агента, м³;

С_Fe ⁺² - массовая концентрация Fe⁺² в расплаве горной породы, мас.%;

C_Fe ⁺³ - массовая концентрация Fe⁺³ в расплаве горной породы, мас.%;

К - коэффициент потери кислорода, равный 0,1-1,0, безразмерный;

Р - удельный расход кислородсодержащего агента, равный 0,15-1,1 м³/кг;

М - масса расплава в объеме плавильной печи, кг.

При этом дополнительно проводят отбор расплава через донную часть фидера со скоростью отбора 0,5-5 кг/мин(RU 2180892, 27.03.2002).

Недостатком известных способов является невысокая разрывная нагрузка получаемых волокон, высокая обрывность волокна и недостаточно высокая производительность процесса.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение качества волокна за счет стабилизации температуры в ванной плавильной печи и на фильерной пластине питателя; повышение производительности процесса, а также снижение энергоемкости процесса получения непрерывного базальтового волокна.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения непрерывного базальтового волокна, включающем дробление, мойку, магнитную сепарацию, загрузку, плавление горной породы, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу из фидера на фильерный питатель. Плавление горной породы осуществляется в регенеративной ванной печи с подковообразным направлением пламени, с точностью поддержания температур в контрольных точках расплава ±10°С, равномерность распределения температуры на фильерной пластине питателя ±5°С, при этом температура в n-точке определяется в соответствии с формулой, позволяя стабильно вести технологический процесс и обеспечивая равномерность распределения температуры на фильерном питателе в соответствии с формулой

T_n=G·T_зад(1+К·L),

где T_n - температура в n-точке фильерной пластины;

T_зад - заданная минимальная температура в центральной точке фильерной пластины;

L - удаленность n-точки от центра фильерной пластины, мм;

К - эмпирический коэффициент, зависящий от градиента температур подаваемого расплава, равный (0,001-0,013), 1/мм;

G - коэффициент, учитывающий качество подготовки расплава, зависящий от времени нахождения расплава в печи, определяемый по формуле

G=1-e^-t/10, причем значение t по величине численно равно или превышает время нахождения расплава в печи, которое составляет не менее 5 часов.

Непрерывное минеральное волокно, полученное по данному способу, имеет следующие качественные показатели:

- микронаж полученного волокна - 13±1 мкм;

- удельная разрывная нагрузка составляет не менее 650 мН/текс;

- обрывность волокна - менее 1 обрыва на 10 кг вытянутого волокна.

Производительность процесса вытяжки волокна составляет не менее 0,9 кг/сутки с одной фильеры.

Обогрев печи осуществляют газовым и/или жидким топливом, обеспечивая равномерность распределения температуры по контрольным точкам ±10°С.

Подачу расплава из ванной печи в фидер осуществляется через разделительный порожек.

Для осуществления способа используют горную породу с силикатным модулем более 2,5, а в качестве горной породы используют базальт, диабаз, амфиболит, андезит, андезитобазальт, диорит, порфирит, габбро.

Способ получения непрерывного минерального волокна осуществляют следующим образом

Поступившая порода предварительно проходит стадию дробления до фракции не более 80 мм, моется от пылевидных частиц и частиц вскрышной породы в моечном барабане. На технологической линии подготовки породы установлен металлодетектор, исключающий возможность попадания металлических частей в бассейн ванной плавильной печи. Подача породы к загрузочному устройству производится по ленточному транспортеру. Производится предварительный подогрев породы перед загрузкой в ванную печь до температуры около 200°С за счет использования тепла отходящих газов, что позволяет избежать температурных скачков при загрузке в печь, а также использовать отходящие газы, снижая энергозатраты на плавление минерала.

Плавление породы ведут при температуре 1300-1600°С, поддерживая температуру по заданным контрольным точкам ±10°С.

Плавление ведут в ванной регенеративной печи с подковообразным направлением пламени, что дает возможность равномерного обогрева поверхности расплава в печи и подогрева воздуха, подаваемого на горение природного газа, что также снижает энергозатраты на килограмм получаемого непрерывного базальтового волокна.

В связи с тем, что химическая однородность породы даже в пределах одного месторождения невелика, для получения гомогенного расплава процесс ведут в ванной печи площадью не менее 8 м², при съеме расплава с одного м² не более 0,4 т/м² и длительного времени нахождения расплава в ванной печи - не менее 5 часов. Порода плавится при температуре 1300-1600°С и дополнительно барботируется воздухом, подаваемым с донной части печи с целью получения однородного расплава по вязкости. В зависимости от применяемой породы вязкость полученного расплава 30-110 Па·с. Высокая однородность расплава обеспечивает технологический процесс вытяжки нити с пониженной обрывностью - не более 1 обрыва на 10 кг вытянутой нити, что обеспечивается за счет высокой температуры плавления породы, длительности нахождения расплава в печи и дополнительного барботажа.

Расплав из ванной печи поступает к сливным устройствам, расположенным в донной части фидерного канала, и по ним подается на фильерные питатели. Узкий интервал равномерности распределения температуры на фильерной пластине питателя позволяет поддерживать постоянство диаметра элементарного волокна по длине фильерной пластины питателя при минимальном среднеквадратичном отклонении.

Подача расплава через разделительный порожек обеспечивает предохранение расплава от возможных включений разрушаемого в процессе эксплуатации огнеупора и, как следствие, однородность подаваемого на питатель расплава.

Предложенный способ позволяет получить следующие показатели качества при вытяжке волокна.

1. Удельная разрывная нагрузка 13 мкм элементарного волокна составляет

P_уд=P/T≥650 мН/текс,

где P - нагрузка на нить, Н;

T - текс полученного волокна.

2. Обрывность волокна в процессе вытяжки комплексной нити составляет менее 1 обрыва/10 кг.

3. Производительность процесса вытяжки волокна с одной фильеры при 13 мкм волокне составляет не менее 0,9 кг/сутки с 1 фильеры:

N_ф=N_общ/n,

где N_общ - общая производительность питателя в сутки, кг;

n - число фильер на фильерной пластине питателя.

Свойства полученных волокон по заявленному способу представлены в таблице.

Таблица
	Горная порода	Силикат. модуль	Произв. Кг/сутки с 1 фильеры	Обрывность на 10 кг	Удельн. разрыв. нагрузка, мН/текс	Микронаж. мкм
Пример 1	Андезитобазальт	6,4	0,96	1/10 кг	690	13,2
Пример 2	Базальт	5,6	0,98	отсут.	670	13,4
Пример 3	Габбро	6,9	0,9	отсут.	700	13,1
Пример 4	Диабаз	3,5	0,8	отсут.	650	10,9

1. Способ получения непрерывного минерального волокна, включающий дробление горной породы, мойку, сортировку, магнитную сепарацию, предварительный подогрев, загрузку в ванную плавильную печь, плавление породы, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу расплава из фидера на фильерный питатель и формование волокон, отличающийся тем, что плавление горной породы ведут в регенеративной ванной печи с подковообразным направлением пламени с точностью поддержания температуры в контрольных точках расплава±10°С и равномерность распределения температуры на фильерной пластине питателя составляет ±5°С, при этом температура в n-точке пластины определяется по формуле

Tn=G·T_зад(1+K·L),

где Tn - температура в n-точке фильерной пластины;

Т_зад - заданная минимальная температура в центральной точке фильерной пластины;

L - удаленность n-точки от центра фильерной пластины, мм;

К - эмпирический коэффициент, зависящий от градиента температур расплава, равный (0,001-0,013) 1/мм;

G - коэффициент, учитывающий качество подготовки расплава, зависящий от времени нахождения расплава в печи, определяемый по формуле G=1-e^-t/10, где t≥5 ч,

причем удельная разрывная нагрузка волокна составляет не менее 650 мН/текс, обрывность волокна - менее 1 обрыва на 10 кг вытянутого волокна, а производительность вытягивания волокна с одной фильеры питателя составляет не менее 0,9 кг/сут.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут в ванной печи площадью не менее 8 м², при съеме расплава с одного м² не более 0,4 т и длительного времени нахождения расплава в ванной печи - не менее 5 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обогрев печи осуществляют газовым и/или жидким топливом, обеспечивая равномерность и точность поддержания температуры по контрольным точкам ванной печи ±5°С.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что используют горную породу с силикатным модулем более 2,5.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве горной породы используют базальт, диабаз, амфиболит, андезит, андезитобазальт, диорит, порфирит, габбро.