СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛОКНА ИЗ РАСПЛАВА БАЗАЛЬТОВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1998 года по МПК C03B37/00 

Изобретение относится к производству непрерывных волокон из расплава базальтовых горных пород, которые могут быть использованы для получения химически стойких, высокотемпературных фильтров, тканей как облицовочного материала при изготовлении прошивных теплозвукоизоляционных изделий, для создания различных композитов конструкционного назначения, армирования полимерных связующих и цементо-гипсовых вяжущих, а также взамен асбеста, например, в тормозных колодках.

Известен способ изготовления волокна из горных пород, включающий дробление, плавление породы, выработку волокна [1]
К недостаткам этого способа следует отнести использование только одного вида сырья пироксенового порфирита Хавчозерского месторождения Карелии, а также сравнительно невысокая прочность волокна.

Наиболее близким является способ изготовления волокна из расплава горных пород с использованием базальтовых горных пород [2] По этому способу используют тонкоизмельченный базальт и выработку волокна производят при температуре расплава 1200-1300^oC при вязкости 100 пз(10 Па•с).

Недостатком этого способа является нестабильность процесса и узкий интервал выработки непрерывных волокон, так как в указанном температурном режиме имеет место первичная кристаллизация расплава, приводящая к обрывности нити. Практика показывает, что температура выработки должна быть не менее, чем на 80^oC выше температуры верхнего предела кристаллизации.

Кроме того, при вязкости 10 Па•с при указанном содержании оксидов железа (15-20) мас. отмечается высокая омачивающая способность расплава по отношению к платинородиевому сплаву, вследствие чего происходит затекание фильерного поля. Следует также отметить, что указанные температуры плавления (1200-1350)^oC низки, так как в таком расплаве содержатся нерасплавленные частицы.

Кроме того, здесь используется только базальт, тогда как класс базальтовых пород включает множество горных пород, характеризующихся различными текстурно-структурными особенностями и разнообразием химического состава.

Целью изобретения является удлинение температурного интервала выработки, повышение прочности и температуроустойчивости волокна и расширение класса горных пород от основного до среднего составов.

Поставленная цель предполагаемого изобретения достигается путем изменения технологических параметров ведения процесса. Породу фракции 5-15 мм плавят без корректирующей добавки при температуре в печи 1500-1600^oC в окислительной среде. С повышением температуры расплава до 1600^oC увеличивается степень его аморфности, т.е. происходит полный переход из кристаллического состояния в стеклообразное. Это обусловливает увеличение предела прочности при растяжении (табл.1). Степень аморфности волокон определяли двумя методами: ИК спектроскопии в области 400-4000см^-1 по полосам поглощения и микрофотографическим методом. Отмечается хорошее совпадение результатов, полученных этими методами. В табл. 1 приведена степень аморфности и прочность непрерывных волокон, полученных из базальтовых расплавов при различных температурах в печи.

Как следует из табл.1, существенное увеличение степени аморфности и показателя прочности волокон отмечается после пребывания расплава в интервале температур 1500-1600^oC, дальнейшее повышение температуры нецелесообразно как экономически, так и из-за деструкции расплава (разрушение отдельных составляющих).

Плавление базальта осуществляется в окислительной среде в газообогреваемой печи. Коэффициент избытка воздуха при подаче на горение должен быть в пределах 1,15-1,25. Это требование необходимо, исходя из следующего.

В базальтовых породах железо в минералах содержится в двух формах: Fe²⁺, Fe³⁺. Как правило, в породе превалирует двухвалентное железо. При плавлении породы в окислительной среде проходит реакция окисления по схеме:
4FeO+O₂ 2Fe₂O₃
Содержание Fe₂O₃ в волокне увеличивается и достигается соотношение Fe₂O₃: FeO не менее 1,2. Такое соотношение оксидов железа позволяет в условиях эксплуатации при высоких температурах, когда происходит кристаллизация волокон, обеспечить меньшую потерю прочности. Объясняется это тем, что в данном случае вначале образуется мелкокристаллический гематит, вокруг которого кристаллизуются пироксены. При соотношении Fe₂O₃:FeO <1,2 первой фазой образуется крупнокристаллический магнетит (при более низких температурах, чем гематит), а затем пироксены. Остаточная прочность волокон при кристаллизации гематита выше, особенно при высоких температурах (табл.2).

Примечаниe: исходная прочность волокон при соотношениях Fe₂O₃:FeO в МПа соответственно 2020, 2140, 2300, 2500.

Анализ табличных данных показывает, что эффект меньшего снижения прочности для волокон с соотношением Fe₂O₃:FeO особенно очевиден, начиная с 500^oC и выше. Так, остаточная прочность волокон при 600^oC с соотношением Fe₂O₃: FeO 1 составляет 18,3% тогда как при соотношениях более 1,2 она при температуре на 100^oC выше находится в пределах 20,1-28,6% Для волокон с заявляемым соотношением Fe₂O₃:FeO прочность при 750^oC еще сохраняется (9,5-12,2)% в то время как при соотношении равном 1 волокна полностью разрушаются.

Таким образом, плавление базальтовых пород в предлагаемом режиме (температура в печи 1500-1600^oC и окислительная среда) позволяет повысить исходную прочность волокон в сравнении с прототипом (температура плавления 1350^oC) в 1,4-1,6 раза. Обеспечение оптимального соотношения Fe₂O₃:FeO (не менее 1,2) позволяет повысить температуру применения более чем на 100^oC (до 800^oC).

Для получения непрерывного волокна пригодны базальтовые породы примерно следующего химического состава, мас. SiO₂ 47-57; AL₂O₃ 13-18; TiO₂ 1,2-2,0; Fe₂O₃+FeO- 8-12; CaO 6-12; MgO 3-8; K₂O +Na₂O 3-6. Модуль кислотности (М_к), определяемый по формуле должен быть в пределах 4,7-6,5, а сумма оксидов железа 8-12%
Для расширения температурного интервала выработки волокон (ТИв.в.) важными свойствами являются вязкость ( η ) и температура верхнего предела кристаллизации расплава (Тв.п.к.). При этом следует учитывать соотношение вязкости к диаметру фильеры (d_ф ) во второй степени определяющие стабильность и непрерывность процесса волокнообразования.

В табл.3 показана зависимость интервала выработки.

В зависимости от вязкости расплава, а следовательно вида породы, диаметр фильеры варьировали от 1,6 до 2,2 мм. При соотношении более 5, но менее 25 в интервале температур выработки (температура на фильерной пластине) 1310-1370^oC предельный температурный интервал выработки (разность между предельными верхней и нижней температурой формования волокон) удлиняется и составляет 70-110^oC. Этот показатель для прототипа 40^oC. Температура верхнего предела кристаллизации (Тв. п.к.) не превышает 1250^oC (прототип - 1275^oC). Вязкость при температуре выработки находится в пределах 12-85 Па•с.

Указанные параметры ведения процесса изготовления непрерывного волокна установлены в результате исследований широкого класса базальтовых горных пород от основного до среднего состава (базальты, базаниты, долериты, габбро, базальтовые, диабазовые, андезитовые порфириты, андезитобазальты и др. ), характеризующихся текстурно-структурными особенностями и различным химическим составом.

Предлагаемый способ планируется использовать на строящихся линиях по производству непрерывных волокон из базальтовых пород.

Использование: для получения химически стойких, высокотемпературных фильтров, тканей, конструкционных изделий. Сущность изобретения: базальтовую породу фракцией 5-15 мм и модулем кислотности 4,7-6,5 плавят без корректирующей добавки при температуре в печи 1500-1600^oC в окислительной среде. С повышением температуры расплава до 1600^oC увеличивается степень его аморфности. Соотношение Fe₂O₃:FeO составляет не менее 1,2, а сумма оксидов железа - 8-12%. Выработку волокна производят при температуре 1310-1370^oC и вязкости 12-85 Па•с. при соотношении . Предельный температурный интервал выработки волокна - не менее 70^oC, температура верхнего предела кристаллизации - не более 1250^oC. 3 табл.

Способ изготовления непрерывного волокна из расплава базальтовых горных пород, включающий дробление породы, плавление и выработку волокна через фильеры, отличающийся тем, что при дроблении используют базальтовую горную породу с модулем кислотности 4,7 6,5, плавление осуществляют в окислительной среде при температуре печи 1500 1600^oС, а выработку волокна производят при 1310 1370^oС при отношении вязкости расплава к диаметру фильеры во второй степени, равном
л