СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО АЛЮМОСИЛИКАТНОГО ВОЛОКНА Российский патент 2002 года по МПК C01B33/26 C03B37/02 

Изобретение относится к области химической технологии неорганических материалов, в частности к получению волокон из алюмосиликатных горных пород.

Перспективными для использования в качестве горных пород являются, в частности, базальты, диабазы, амфиболиты, адезиты и порфириты.

Предшествующий уровень техники
Известен способ получения алюмосиликатных волокон путем расплава базальта в печи, формования волокон в фильерах через струйную питательную трубку при соотношении расплава базальта через трубку и расхода через фильеры не менее 1,05 (RU 2111181, 20.05.98).

Недостатком способа является невысокая степень осветления расплава, особенно при переработке пород, содержащих значительное количество оксидов железа.

Известен способ получения волокон из базальтсодержащей породы, включающей ее плавление в электродуговой печи донного типа с углеродными электродами, в котором перед охлаждением расплав перегревают на 50-250^oС и выдерживают до получения определенного усредненного состава стекломассы и расплава железа, после чего расплав железа удаляют, а стекломассу формуют в волокна через фильеру (RU 2149841, 2000).

Однако способ является энергоемким.

Известен также способ изготовления непрерывных минеральных волокон из базальта и устройство для его осуществления.

Способ заключается в расплавлении базальта и подаче расплава в зону выработки, причем отбор базальтового расплава из зоны выработки струйными питателями для подачи к фильерам производится из области с границами от 0,8 до 0,2 уровня расплава в зоне выработки (Заявка WO 92/21628 от 10.12.92).

Известен способ получения базальтового волокна, который включает подачу базальтовой породы в зону плавления, нагрев ее при температуре 1500-1600^oС с получением расплава и подачей его в зону гомогенизации, откуда с вязкостью более 100 Пуаз расплав поступает в зону формирования волокна, где его вытягивание ведут со скоростью, превышающей 3500 м/мин (Заявка WO 93/17975, публ. 16.09.1993).

Известен также метод производства базальтового волокна и устройство для его осуществления, характеризующиеся тем, что базальт нагревается перед его загрузкой в печь, расплавленная стекломасса содержится в зоне стабилизации стекловаренной печи до достижения требуемой температуры нагрева, стабилизация в фидере осуществляется с получением химического состава стекломассы с соотношением основных компонентов, исходя из формулы

и модулем вязкости
(2Аl₂O₃+SiO₃)/(2Fe₂O₃+СаO+MgO+K₂O+Na₂O≥1,5
(Заявка ЕВП 0957068 А1, публ. 28.05.1998).

Известен способ и устройство для производства минеральных волокон из горных пород, стеклосодержащих промышленных или технических стеклянных отходов, по которому после механического разделения нестеклосодержащих и преимущественно стеклосодержащих материалов преимущественно стеклосодержащие материалы с размером частиц не более 80 мм расплавляются в плавильной печи при температурах от 1050 до 1480^oС, причем плавильная печь соединена с фидером таким образом, что в области поверхностного слоя расплава между плавильной печью и фидером обеспечивается течение расплава из плавильной печи в фидер, при этом из фидера расплав отбирается питающим устройством, причем из питающего устройства расплав поступает в фильерное устройство, расположенное ниже. Из которого он при одновременном застывании вытягивается в нити. Подача расплава к питающему устройству осуществляется из области отбора расплава, в которой расплав отвечает следующим требованиям:
а) область выработки расплава составляет от 40 до 100 К,
б) вязкость расплава при температуре 1450^oС составляет от 30 до 160 дПа•с,
в) вязкость расплава при температуре 1300^oС составляет от 200 до 1500 дПа•с,
г) отношение вязкости в (дПа•с) к поверхностному натяжению (в Н/м) лежит в пределах от 10 до 100,
д) энергия активации вязкого течения расплава составляет не более 290 кДж/моль,
е) отношение высоты расплава в фидере (h_s) к высоте расплава в плавильной ванне (h_w) составляет (h_s):(h_w)=(0,8-1,1):(2-6), и
ж) отношение площади поверхности расплава в плавильной печи F_w к площади поверхности расплава в фидере F_s составляет от 0,5 до 1,5 (Евроазиатский патент 0006000, оп. 29.12.1999 г.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения непрерывного алюмосиликатного волокна, включающий плавление базальтовой породы в электропечи, барботаж расплава в зоне плавления и/или гомогенизации, дегазацию и формование волокон за счет подачи расплава на фильерный питатель с мощностью не менее 5 кВт.

В известном способе барботаж проводят любым агентом для устранения термической неоднородности расплава (RU 2104250, 1998 г.)
Однако при переработке базальтовых пород с повышенным содержанием железа, а также при наличии в породе примесей Cr, Mn 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.

Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение качества продукта за счет устранения термической неоднородности расплава, замедления процесса восстановления оксидов металлов до металлов, оседания последних на электродах и в данном слое печи, а также увеличение срока службы фильерных платиновых питателей за счет уменьшения отрицательного воздействия металлического железа на платину.

Поставленная задача решается способом получения непрерывного алюмосиликатного волокна, включающим плавление базальтсодержащей горной породы в зоне плавления ванной печи, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу расплава из фидера на фильерный питатель, формование волокон и отбор расплава через донную часть фидера со скоростью отбора 0,5-5,0 кг/мин, причем барботаж расплава осуществляют путем подачи кислородсодержащего газового агента через сопла, установленные в донной части зоны плавления, в количестве, определяемом по формуле:

где А - эмпирический коэффициент, характеризующий содержание металлических примесей в расплаве горной породы, равный 0,01÷0,5,
объем подаваемого кислородсодержащего газового агента, м³;
C_Fe ⁺² - массовая концентрация _Fe ⁺² в расплаве горной породы, мас.%;
C_Fe ⁺³ - массовая концентрация _Fe ⁺³ в расплаве горной породы, мас.%;
k - 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.

Для осуществления способа используют базальтсодержащую горную породу с силикатным модулем более 2,5, модулем вязкости более 1,3 и размером частиц не более 100 мм.

Плавление породы осуществляют при температуре в зоне плавления 1450-1600^oС.

При этом соотношение толщины слоя расплава в фидере в зоне его отбора h к толщине слоя в зоне плавления Н поддерживают равным 1:(5÷10) соответственно.

Обогрев плавильной печи осуществляют газовым и/или жидким топливом, расположенным над зеркалом расплава породы и подаваемым с торца плавильной ванны.

При этом над донной частью плавильной ванны дополнительно располагают не менее двух молибденовых электродов.

На барботаж расплава подают кислород, содержащий газовый агент, выбранный из группы: осушенный воздух, газоокислительная смесь с содержанием кислорода не менее 10% объемных.

Технический результат обеспечивается следующим механизмом.

Обычно при расплаве алюмосиликатной породы с наличием примесей оксидов Cr, Mn, Fe в плавильных печах с электродами из молибдена резко увеличивается растворимость электродов. При содержании вышеуказанных примесей более 1,5 мас.% срок службы электродов резко уменьшается. При этом содержание примесей Fe₃O₄ > 5 мас.%. Использование печей с металлическими электродами практически невозможно, т. к. для сохранения электродов в этом случае необходимо их интенсивное охлаждение, что вызывает технологические осложнения.

Проведение процесса получения алюмосиликатного волокна описанным выше способом приводит к снижению концентрации восстановленного железа в расплаве базальта, проходящего через варочную часть бассейна печи, и ликвидации условий образования железных осадков в донной части печи за счет подачи дополнительного окислительного агента в расплав в виде О₂, который предотвращает восстановление Fe₂O₃ до чистого металлического железа.

Краткое описание фигур чертежей
На чертеже изображена установка для осуществления способа получения непрерывного алюмосиликатного волокна.

Лучший вариант осуществления способа
Способ получения непрерывного алюмосиликатного волокна осуществляется следующим образом.

Природная горная базальтосодержащая порода 1 подается на расплавление в плавильную печь 2 через загрузочное устройство 3. Плавильная печь 2 снабжена молибденовыми электродами 4. В донную часть печи 2 через расплав 5 барботируют осушенный воздух 6. Расплав 5 подается в фидер 7, а затем в фильерный питатель 8, где вытягиваются нити волокна 9, которые затем проходят через замасливающее устройство 10 и наматываются на бобинодержатель 11. Через трубку 12 из донной части фидера производят отбор расплава.

Природная горная базальтосодержащая порода состава, мас.%: SiO₂ - 48, Аl₂O₃ - 16, CaO - 10, MgO - 7, R₂O - 4, TiO₂ - 1,5, Fe₂O₃ - 12,5, Mn₃O₄ - 0,2, с ппп - 0,8, силикатным модулем 3,8, модулем вязкости 1,7 и размером частиц 90±10 мм через загрузочное устройство 3 подается на расплавление в плавильную печь 2. В донной части плавильной печи установлены барботажные сопла, через которые в расплав 5 подается кислородосодержащий газовый агент 6, например осушенный воздух. Количество подаваемого осушенного воздуха определяют по формуле:

При этом расчет ведут исходя из следующих замеряемых параметров.

А - коэффициент, равен 0,1;
C_Fe ⁺² - массовая концентрация _Fe ⁺², определенная методом количественного анализа в исходной базальтосодержащей породе, составляет 5 мас.%;
C_Fe ⁺³ - массовая концентрация _Fe ⁺³ в расплаве на стадии формования волокна в фильерном питателе, замеряемая путем отбора пробы и определенная методом количественного анализа, составляет 7,5 мас.%;
k - коэффициент потери кислорода эмпирический, равен - 0,5, б/р;
Р - удельный расход кислородсодержащего агента на кг расплава, равен 0,6 м³/кг;
М - масса расплава в объеме плавильной печи, составляет 1700 кг.

Таким образом, количество подаваемого осушенного воздуха составляет:

Одновременно отбор расплава осуществляют через донную часть фидера через трубку 12 при удельной скорости отбора расплава 1,1 кг расплава в минуту и температуре 1500^oС.

Массовое соотношение толщины слоев расплава в зоне его отбора перед подачей на фильерный питатель и в плавильной печи составляет 1:7 соответственно.

Соотношение площадей расплава в зоне его отбора перед фильерным питателем 7 и в плавильной печи составляет 2,8:2,5 соответственно.

Обогрев плавильной печи 2 осуществляется газовым топливом, например природным газом, и/или жидким топливом, например углеводородным конденсатом или фракциями перегонки нефти. Топливо подается с торца плавильной печи над зеркалом расплава. Плавильная печь 2 оборудована двумя молибденовыми электродами 4, которые располагают над донной частью плавильной печи 2. После плавления полученный расплав 5 поступает в зону гомогенизации плавильной печи, где происходит его дегазация и осветление. Через трубку 12 в донной части фидера 7 проводят отбор расплава при скорости 1,1 кг в минуту. Осветленный расплав подают в фидер 7, затем на фильерный питатель 8, где под воздействием гидростатического давления происходит формование непрерывного алюмосиликатного волокна 9, которое протягивается через замасливающее устройство 10 и наматывается на бобинодержатель 11.

Данные примеров 1-3 по осуществлению способа представлены в таблице.

Промышленная применимость
Изобретение может найти свое применение:
- в строительстве, в частности, для производства армирующих сеток, бетонов, кровельных материалов, водопроводных и канализационных базальтопластиковых труб, теплоизоляционных материалов, стержней, гибких связей, огнеупоров;
- в нефтяной и газовой промышленности, для изготовления труб для нефте- и газопроводов;
- в автомобилестроении, в частности, для изготовления тормозных колодок автомобилей, наполнителей для красок и огнезащитных составов;
- в химической промышленности для изготовления фильтрующих материалов;
- в дорожном строительстве при армировании дорожных полотен, укреплении откосов, шумо- и звукоизоляции;
- для производства электроизоляционных и огнестойких материалов.

В результате осуществления способа получения непрерывного алюмосиликатного волокна срок службы молибденовых электродов и платиновых фильерных питателей возрастает в 2 раза.

При этом обеспечивается возможность использования природных базальтосодержащих пород с повышенным содержанием железа, марганца для получения непрерывного базальтового волокна, что значительно расширяет ассортимент исходного сырья при соблюдении высокого качества целевого продукта.

Изобретение относится к химической технологии неорганических материалов, в частности к получению волокон из алюмосиликатных горных пород. Способ включает плавление базальтсодержащей горной породы в ванной печи, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу расплава из фидера на фильерный питатель и формование волокон, барботаж расплава осуществляют путем подачи расчетного количества кислородсодержащего газового агента через сопла, установленные в донной части зоны плавления. Приведена расчетная формула для определения объема кислородсодержащего агента. Плавление осуществляют при удельной скорости отбора расплава, равной 0,5-5,0 кг/мин. В результате осуществления способа получения непрерывного алюмосиликатного волокна срок службы молибденовых электродов и платиновых фильерных питателей возрастает в 2 раза. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ получения непрерывного алюмосиликатного волокна, включающий плавление базальтсодержащей горной породы в зоне плавления ванной печи, барботаж расплава, дегазацию, гомогенизацию, подачу расплава из фидера на фильерный питатель и формование волокон, отличающийся тем, что барботаж расплава осуществляют путем подачи кислородсодержащего газового агента через сопла, установленные в донной части зоны плавления, в количестве, определяемом по формуле

где А - эмпирический коэффициент, характеризующий содержание металлических примесей в расплаве горной породы, равный 0,01-0,5;
объем подаваемого кислородсодержащего газового агента, м³;
массовая концентрация _Fe ⁺² в расплаве горной породы, мас. %;
массовая концентрация _Fe ⁺³ в расплаве горной породы, мас. %;
k - 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 0,5-5,0 кг/мин. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют базальтсодержащую горную породу с силикатным модулем более 2,5, модулем вязкости более 1,3 и размером частиц не более 100 мм. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что температуру в зоне плавления поддерживают равной 1450-1600^oС. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что отношение толщины слоя расплава в фидере в зоне его отбора к толщине слоя расплава в зоне его плавления поддерживают равным 1: (5-10) соответственно. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что обогрев печи осуществляют газовым и/или жидким топливом, расположенным над зеркалом расплава породы и подаваемым с торца плавильной ванны. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что над донной частью плавильной ванны дополнительно располагают не менее двух молибденовых электродов. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что на барботаж расплава подают кислородсодержащий газовый агент, выбранный из группы: осушенный воздух, газоокислительная смесь с содержанием кислорода не менее 10 об. %.