РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ВОЛОКНООБРАЗОВАНИЯ И МАТЕРИАЛОВ
2.1 Сырьевые материалы и характеристики процессов производства
Как указывалось выше, основные горные породы широко распространены и имеют
сходный химический состав (таблица 2.1). Проведенные рядом специалистов
исследования показали, что в качестве сырья для производства базальтовых
волокон, используются базальтовые горные породы, средний химический состав
которых следующий (в % по массе): SiO2- 44,5-56,0; TiO2-1,36-2,0;
Al2O3-l4,0-20,0; Fe2Oз + FeO -5,38-13,5; MnO-0,25-0,5; MgO-3,0-8,5;
CaO-7,0-11,0; Na2О-2.7-7,5; К2О - 2,5-7,5; P2O5-не более 0,5; SO3- не более
0,5; п.п.п.- не более 5. А средний минеральный состав магматических горных
пород приведен в таблице 2.2. Процентное соотношение химических элементов в
базальтовых породах, а так же минералогический состав оказывает значительное
влияние на свойства расплава и как следствие на качественные характеристики
получаемого минерального волокна, что необходимо учитывать в ходе дальнейших
исследований.
Получение расплава происходит в температурном интервале от 1050-10700С - начало
размягчения и интенсивном плавлении при 1450-1480 0С. Процесс плавления
протекает без стадий силикатообразования. В отличие от стеклянных и шлаковых
шихт, которые состоят из смесей силикатных компонентов, базальтовые горные
породы представляют собой физико-химическую систему, образованную в результате
процессов прошедших при охлаждении и кристаллизации расплавленных силикатных
масс – магмы [16].
Большая часть плавильных агрегатов используемых для получения расплава ванные
печи. Основные характеристики печи это удельный съём расплава с м2 плавильной
зоны от 400 до 2500 кг/сутки, температура в печи 1450-1500 0С, глубина расплава
в печи от 100 до 300 мм, в фидере до 120 мм. В конструкции плавильного агрегата
предусмотрена рекуперация воздуха[16].
Таблица 2.1
Химический состав (% по массе) горных пород различных месторождений[16,50,55].
№ п.п
Месторождение
SiO2
TiО2
А12Оз
Fе2О3
FеО
MgO
CaO
Na2O
K2O
Сельцевское
Украина
55,6
0,66
19,4
7,54
3,84
7,91
1,86
1,56
Подгорнянское
Украина
54,1
1,02
17,23
5,7
5,03
2,6
7,99
2,18
1,56
Мяндуха
Россия
51,42
1,04
11,82
12,25
10,58
8,84
2,52
Берестовецкое
Украина
49,03
2,85
12,59
3,88
10,15
5,47
9,54
2,34
0,66
Иваново-Долинское
Украина
48,8
2,75
15,0
8,47
6,39
5,13
8,34
1,5
0,75
Карнобат
Болгария
48,2
0,60
11,8
4,12
6,20
9,15
13,3
1,45
2,25
Сулу-Терек
Киргизия
48,11
2,2
18,9
9,41
1,48
4,32
8,58
2,95
1,84
Васильевское
Россия
47,88
1,91
15,48
12,5
3,0
9,5
4,5
Базальт Мичурин
Болгария
46.05
0,32
10,95
7,55
4,22
9,95
10,3
1,98
6,92
Таблица 2.2
Средний минеральный состав магматических горных пород.
Минералы
Содержание, %
Плагиоклаз
Оливин
Пироксен
Рудные минералы
(магнетит, гематит, ильменит)
Карбонат
Стекло
32,5
0,9
23
9,2
1,4
33
Сумма
100,0
В качестве узла волокнообразования применяют фильерные питатели в виде сосуда
либо пластины в зависимости от типа вырабатываемого волокна. При получении
непрерывного волокна и первичного волокна, при «дуплекс» процессе БСТВ,
фильерный платино-родиевый питатель имеет 200 фильерных отверстий. В литературе
и патентах встречаются питатели с более чем 400 отверстий. Для подачи расплава
в питатель используют струйный питатель выполненный также из платино-родиевого
сплава с внутренним диаметром трубки от 12 до 22 мм.
Непрерывное волокно диаметром от 9 до 18 мкм получают механическим вытягиванием
из расплава через фильеры (диаметр отверстия от 1.6 до 3.2 мм) на вращающийся
барабан (скорость намотки до 6000 м/мин). Для получения комплексной нити
используют наматывающие устройства типа НАС, с возможностью намотки до 15 кг
волокна на катушки. Процесс формирования волокна определяется вязкостью от 5 до
2000 пуаз и характером ее изменения от температуры (температурный интервал
выработки от 1250 до 14500С, величиной верхней границы кристаллизации (от 1200
до 13000С) и её скоростью, а также поверхностным натяжением (от 200 до 800
дин/см).
При производстве штапельного волокна процесс получения расплава аналогичен
процессу выработки непрерывного волокна. Процесс получения тонкого базальтового
волокна диаметром от 3 до 15 мкм вертикальным раздувом воздухом характеризуется
дебитом расплава через фильерное отверстие (от 15 до 25 кг/час при диаметре
фильерного отверстия от 5 до 8мм), давлением в сопле раздува (0,4-0,6 мПа)
расходом воздуха на волокнообразование более 10 м3/мин.
При производстве супертонкого базальтового диаметром от 1 до 3 мкм имеется две
стадии процесса. Первая получение первичного непрерывного волокна диаметром от
150 до 350 мкм, и последующее вторичное волокнообразование, за счет плавления
первичной нити, в сопле Лаваля скоростным до 500 м/с, высокотемпературным до
17500С газовым потоком.
2.2. Методики физико-химических исследований горных пород, их расплавов,
волокон и свойств материалов на их основе
Выбор сырьевых материалов для производства различных видов волокон производили
по методике разработанной автором [37]. Химический анализ основных горных пород
проводили по методике химического контроля сырья [122]. Температурный интервал
плавления горных пород определяли по методике [123]. Устойчивость волокна к
кислоте, щелочи и воде определяли по методике [122]. Вязкость расплава, её
изменение с температурой определяли по методике [124]. Метод является
относительным в основу его положен ротационный способ. Градуировку вискозиметра
производили по эталонному стеклу С-10. Относи
- Київ+380960830922