Статьи

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ НАГРЕВ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН

 

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ НАГРЕВ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН

 

 

Исследование возможности применения высокочастотного (ВЧ) нагрева для плавления горных пород в целях получения базальтового супертонкого волокна (БСТВ) началось около 20 лет назад. Существующие в то время в СССР производства  БСТВ базировались на технологии дуплекс-процесса, разработанной украинскими учеными. Он включает в себя плавление базальтового щебня в ванных печах рекуперативного или регенеративного типа, обогреваемых газообразным или жидким топливом, вытяжку из расплава через платинородиевые фильеры грубых волокон и раздув их раскаленными газами до супертонких диаметром 1...4 мкм. Во избежание коррозии питателей из драгметаллов и для продления срока их службы требуется очень тщательный подбор сырья с определенным минералогическим и химическим составом, которому долгое  время соответствовало всего несколько грузинских и украинских месторождений. Переработке широкого спектра горных пород, в том числе более тугоплавких, чем породы базальтовой группы, препятствует и то, что для футеровки ванных печей используются огнеупоры, качество которых ограничивает повышение температуры более    1450...1500 °С.  Для ванных печей всех конструкций характерны низкий коэффициент полезного использования тепла, высокий расход топлива и низкая производительность (90...115 т/год). К числу недостатков данной технологии  следует отнести также частую периодичность ремонтных работ, связанную с выходом из строя огнеупоров, подвергающихся агрессивному воздействию базальтового расплава, охранные мероприятия из-за наличия изделий из драгметаллов и затраты на их восстановление (срок службы питателей не превышает 90 сут).

Технология плавления горных пород токами высокой частоты в водоохлаждаемом тигле с последующим раздувом струи расплава сжатым воздухом в супертонкие волокна разрабатывалась как альтернатива дуплекс-процессу в целях получения БСТВ без использования драгоценных металлов и природного газа, так как в  то время во многих регионах Сибири и Дальнего Востока его не было. Проведенные научно-исследовательские работы по изучению процесса плавления базальта с помощью ВЧ-генераторов с определением технологических и конструктивных параметров «холодных» тиглей, условий выдачи расплава базальта в виде непрерывной струи и  раздува ее сжатым воздухом обеспечили создание уникальной технологии получения БСВ.

Первые технологические линии с индукционным способом плавления производительностью 150 т/год были запущены в 1991 г. в НТЦ «Детонация» (г. Барнаул) и в 1992 г. в ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск). За последующие годы в разных регионах России и странах СНГ  были сданы в эксплуатацию 32 предприятия по выпуску базальтовой ваты (более 50 технологических линий производительностью от 150 до 700 т в год). Суммарный объем выпуска базальтового волокна на этих предприятиях  составляет ориентировочно 15 000 т/год.  Все оборудование технологических линий работает на электричестве, а драгоценные металлы в конструкциях не используются. Высокая температура расплава в «холодном» тигле (2000...2100 °С) допускает применение однокомпонентного сырья, в том числе с тугоплавкими примесями, обеспечивает высокую скорость плавления и гомогенизации стекломассы, что позволило значительно расширить список месторождений горных пород, пригодных для получения БСТВ. Индукционная печь с «холодным» тиглем полностью снимает проблему взаимодействия расплава с плавильным агрегатом, так как при плавлении породы стенки тигля, выполненные в виде ряда медных трубок, охлаждаемых водой, покрываются коркой застывшего стекла, образуя слой гарнисажа, предохраняющего их от высокотемпературного расплава.

Основным элементом технологических линий по производству БСТВ является плавильный комплекс, от которого зависят производительность процесса и его экономическая эффективность.  Комплекс состоит из индукционной печи и ВЧ-генератора. В качестве источника энергии для плавления сырья в «холодном» тигле используются ламповые генераторы различной мощности и частоты. Некоторые технические параметры плавильных комплексов «Базальт» приведены в таблице.

Основные технические параметры плавильных комплексов

Тип

комплекса

Тип

ВЧ-генератора

Установ-ленная

мощность,

кВт

Колеба-тельная

мощность,

кВт

Частота

тока,

МГц

Внутренний диаметр тигля,

мм

Производительность

по расплаву

Расход

электроэнергии

на 1 кг

расплава, кВт

Расход

охлаждающей

воды

(оборотной),

м3

кг/ч

т/год

«Базальт-5»

ВЧИ 11-60/1,76

110

60

1,76

240

30

230

З,1

12

«Базальт-10»

ВЧГ 3-100/1,76

170

100

1,76

280

50

390

2,8

12

«Базальт-15»

ВЧГ 8-160/1,76

260

160

1,76

370

90

660

2,7

16

«Базальт-20»

ВЧГ 12-160/0,44

260

160

0,44

400

100

780

2,4

16

«Базальт-30»

ВЧГ 13-250/0,44

420

250

0,44

480

190

1480

2,1

22

«Базальт-40»

ВЧГ 1-300/0,44

520

300

0,44

500

260

2030

1,9

22

 

Данные по выработке расплава, представленные в таблице, соответствуют однокомпонентной шихте из базальта. В зависимости от колебаний минералогического и химического состава горных пород конкретных месторождений и карьеров они могут несколько отличаться от приведенных величин.  

На протяжении ряда лет для комплектования плавильных комплексов использовались выпускаемые промышленностью ламповые ВЧ-генераторы с колебательной  мощностью 60, 100 и 160 кВт и частотой 1,76 МГц, предназначенные для получения низкотемпературной плазмы и выращивания монокристаллов методом направленной кристаллизации. Внося ряд конструкторских изменений, эти генераторы приспосабливали для плавления горных пород.

Опыт эксплуатации первых линий при непрерывной круглосуточной работе в разных климатических зонах  позволил не только усовершенствовать технологию и повысить надежность оборудования, но и создать основу для разработки оборудования с более высокой производительностью. Так, в настоящее время успешно функционируют заводы по выпуску базальтовой ваты с использованием плавильных комплексов «Базальт-20» и «Базальт-30», ведутся работы по созданию комплекса «Базальт-40».  Для них специально спроектированы ВЧ-генераторы мощностью 160, 250 и 300 кВт с частотой тока 0,44 МГц, выполненные в пылезащитном исполнении с дополнительным введением водовоздушного охлаждения отдельных блоков. В специализированных генераторах заложена схема управления технологическим процессом изготовления ваты. Проведены и другие изменения конструкции ВЧ-генераторов и индукционных печей. Весьма важным явилось снижение рабочей частоты тока в четыре раза. Плавильное оборудование стало работать более надежно, а ресурс работы водоохлаждаемых тиглей увеличился в несколько раз. Технологические линии с плавильными комплексами «Базальт-20» и «Базальт-30»  запущены в России, Казахстане, Узбекистане и Украине. Подобные линии быстро монтируются, не требуют больших капиталовложений и имеют хорошие экономические показатели.

При изготовлении базальтового волокна на мини-заводе с технологической линией ВМ-100 мощностью 700 т/год  большая часть затрат приходится на электроэнергию (см. рисунок). Поэтому для повышения эффективности производства базальтового волокна необходимо, в первую очередь, снизить  энергопотребление на стадиях плавления сырья и волокнообразования из расплава.  


__________________________________

Структура затрат на изготовление 1 т базальтового волокна: 1 – электроэнергия   (54 %); 2 – сырье и материалы (7 %); 3 – общепроизводственные расходы (9 %);  4 – содержание и эксплуатация оборудования (8 %);  5 – заработная плата (22 %)

__________________________________

 

Основным фактором, ускоряющим процесс плавления и повышающим коэффициент полезного действия печи, является высокая температура варки стекла. Повышение температуры обеспечивает более полную гомогенизацию расплава даже при наличии тугоплавких примесей,  способствует снижению его вязкости и тем самым позволяет вырабатывать очень тонкие волокна. Эффективное естественное перемешивание расплава в индукционной печи достигается при вязкости менее 1 Па·с, т.е. при температурах ниже точки агрегации. В этих условиях практически полностью проходит газовыделение и получаются стекла с высокой степенью однородности. Изложенное выше дает основание предполагать, что применение плавильных комплексов «Базальт» в технологических  линиях по выпуску тонкого непрерывного волокна позволит получать высококачественную продукцию.

В процессе плавления горную породу при необходимости можно подшихтовывать различными добавками для получения стекла требуемого химического состава. Плавление горной породы индукционным способом при изготовлении базальтовой нити может выполняться и как составная часть непрерывного технологического процесса, и как отдельная операция подготовки плавленой шихты с последующим ее дроблением до требуемой фракции. Исследование влияния температурно-временных условий плавления на склонность расплавов к волокнообразованию и прочность непрерывных волокон, выполненные в ИПХЭТ СО РАН, подтвердили перспективность применения индукционного способа при их производстве.

Проведенные научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по высокочастотному плавлению горных пород и многолетний опыт по внедрению и эксплуатации технологических линий для изготовления базальтовых штапельных волокон определили широкие возможности этого способа, а эксперименты по получению муллитокремнеземистой и циркониевой ваты с использованием ВЧ-нагрева позволяют смотреть на будущее этой технологии для получения различных высокотемпературных волокон с оптимизмом.

 

 

Назад