УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БАЗАЛЬТОВЫХ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН С ФИДЕРНОЙ ПЕЧЬЮ Российский патент 2011 года по МПК C03B37/09 

Изобретение относится к области производства волокон из базальтовых пород и конструкции печей для плавления базальтов.

Базальтовые породы относятся к породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость.

Волокна из базальтовых пород обладают высокой прочностью, химической и термической стойкостью, электроизоляционными свойствами. Базальтовые непрерывные волокна и материалы на их основе применяются в различных отраслях промышленности, строительстве, при производстве армирующих и композиционных материалов. Производство базальтовых волокон имеет доступную и практически неограниченную сырьевую базу.

Однако увеличение объемов производства и широкого применения базальтовых непрерывных волокон сдерживается низкой производительностью их производства. Поэтому особую актуальность представляет разработка и совершенствование технологического оборудования для производства базальтовых волокон.

Известно устройство для производства непрерывных волокон из базальтовых пород [1]. Устройство содержит загрузчик-дозатор базальта, загрузочную воронку, расположенную на своде печи в зоне загрузки, систему отопления печи, которая состоит из двух или более горелок, расположенных в своде печи; горелки последовательно соединены со смесителем газо-воздушной смеси и теплообменником-рекуператором, рекуператор через двухходовой коллектор дымоудаления соединен с фидером печи; плавильную печь, состоящую из продолговатой в горизонтальном направлении ванны печи и фидера, который является продолжением ванны и соединяется с ней через порог; в фидере печи за порогом ванны установлен фильерный питатель, под фильерным питателем размещены устройство нанесения замасливателя и наматывающая машина.

Недостатком устройства является то, что базальт в зоне загрузки сразу тонет в расплаве и оседает на дне ванны. Так как температура внутри расплава ниже, чем на его поверхности, базальт плавится при более низких температурах. Это затрудняет плавление, дегазацию и гомогенизацию расплава. Попадание пузырьков воздуха и непроплавленных частиц и кристаллов в фильерный питатель приводит к обрывности волокон и снижению производительности выработки непрерывных волокон. Основным недостатком данной плавильной печи является возможность установки в ее фидере только одного ФП, что не позволяет обеспечить высокую производительность устройства.

Известно устройство для производства базальтовых волокон [2] RU 2193538. В этом устройстве базальтовое сырье, загружаемое в ванну печи, сразу тонет в массе расплавленного базальта. Плавление базальта происходит при низких температурах достаточно плохо, и энергии газа оказывается недостаточно для получения качественного расплава базальта. Это требует применения электродов для дополнительного нагрева расплава базальтов. Поэтому данное устройство сложно, требует применения двух видов энергии и нагревателей для плавления базальтов, не отвечает требованиям экономичности плавления базальтов и выработки волокон.

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков и достигаемому результату является устройство для получения базальтового волокна [3] РСТ WO 98/22401, [4] RU 2118300.

Устройство содержит загрузчик-дозатор базальта, снабженный теплообменником, который соединен с топочным пространством плавильной печи, плавильную печь со стабилизационной секцией для выдержки расплавленной стекломассы, при этом стабилизационная секция последовательно соединена с фидером со сливными приспособлениями, в фидере установлены питатели и фильеры, под которыми размещены механизмы нанесения замасливателя и намотки волокна на бобины.

Недостатками устройства являются сложная конструкция, которая имеет значительные теплопотери, большое потребление энергоносителя на поддержание высоких температур в плавильной печи, стабилизирующей секции и длинном фидере. Плавильная печь, стабилизирующая секция и фидер со сливными устройствами соединены последовательно, что делает путь расплава от места загрузки и плавления базальта до места выработки расплава через фильерные питатели достаточно длинным. Это требует значительных расходов энергии для поддержания высоких температур расплава по всему пути его следования.

Загрузка базальта осуществляется в расплав ванны печи, где он тонет или образует горку, что затрудняет плавление базальта, приводит к увеличению длины самой печи и к необходимости стабилизационной секции. При такой загрузке для плавления базальта в печи требуются высокие температуры. Однако при этом из топочного пространства печи дополнительно отбирают тепловую энергию на теплообменник дозатора базальта. Для дегазации и гомогенизации расплава требуется дополнительная обогреваемая горелками стабилизационная секция с низким уровнем расплава.

Такие конструктивные решения устройства не удовлетворяют требованиям экономичности производства базальтового непрерывного волокна, обуславливают сложную, габаритную и массивную конструкцию устройства, требующую значительных расходов энергоносителей, так как плавильная печь последовательно соединена со стабилизирующей секцией и длинным фидером.

Технический результат состоит в том, чтобы упростить и сделать более компактной конструкцию фидерной печи, снизить энергопотребление и увеличить производительность. Технический результат достигается путем размещения одной и более плавильных площадок в зонах загрузки и плавления базальта, созданием более высоких температур в топочном пространстве печи, что обеспечивает интенсивное плавление базальта, дегазацию и гомогенизацию расплава, при этом фидер отделен от печи коллектором дымоудаления и присоединен к ней через порог ванны Т-образно перпендикулярно оси печи в виде двух рукавов фидера, а теплообменник-рекуператор размещен в фидере печи за коллектором дымоудаления и соединен с горелками и бункером загрузчика.

Технический результат достигается тем, что устройство для производства непрерывных волокон содержит бункер с дозатором и загрузчиком базальта, теплообменник, плавильную печь с ванной и фидер, печь и фидер перекрыты сводом, в котором размещены горелки, в фидере установлены фильерные питатели, под которыми размещены механизмы нанесения замасливателя и намотки волокна на бобины, согласно изобретению один и более бункеров с дозаторами и горелки соединены с теплообменником-рекуператором, который установлен за коллектором дымоудаления в фидере, в печи на дне ванны в зонах загрузки и плавления базальта установлена одна и более плавильных площадок, топочное пространство печи имеет соотношение высоты к ширине 1/2 - 1/5 и отделено от фидера коллектором дымоудаления, при этом фидер через порог ванны примыкает к печи перпендикулярно ее оси и выполнен в виде двух рукавов, образуя с печью Т-образное соединение.

Рукава фидера могут быть наклонены от оси печи в сторону мест установки фильерных питателей.

Для повышения производительности на одной печи могут быть установлены один, два и более бункера с дозаторами и загрузчиками.

Базальт в бункере и дозаторе подогревают горячими газами из теплообменника-рекуператора. Теплообменник-рекуператор также соединен с горелками и осуществляет подогрев воздуха, подаваемого на горелки. Тем самым обеспечивается экономия энергоносителя (природного газа или других углеводородов) и повышается температура пламени горелок. Теплообменник-рекуператор установлен в фидере печи за коллектором дымоудаления. При таком расположении на теплообменник-рекуператор из топочного пространства печи и фидера поступают газы, уже отдавшие свою основную тепловую энергию базальту и расплаву в ванной печи и расплаву в фидере. Такое расположение теплообменника-рекуператора позволяет более полно использовать тепловую энергию в печи и фидере и дополнительно использовать тепловую энергию уже отработанных дымовых газов из топочного пространства печи и двух рукавов фидеров, что позволяет снизить потребление энергоносителя.

Плавильная площадка или нескольких плавильных площадок устанавливаются на дне ванны в зоне загрузки и плавильной зоне печи. Загрузка базальта осуществляется на плавильную площадку, при этом базальт не тонет в расплаве, а находиться в зоне действия высоких температур пламени горелок, что способствует интенсивному плавлению базальта и повышению производительности плавильной печи.

Непроплавленные высокотемпературные включения, например кварц, андезиты, граниты и другие включения, стекают с плавильной площадки и оседают на дне ванны, так как имеют более высокую плотность, чем расплав базальта.

Высокие температуры в зоне плавления при низком уровне расплава на плавильных площадках способствуют активному выходу из расплава пузырьков газов - дегазации расплава. При плавлении базальтов газы образуются в расплаве в результате закипания межкристаллической влаги и термохимических реакций. Попадание пузырьков газа с расплавом в фильерный питатель приводит к обрывности волокон и снижению производительности. Поэтому дегазация расплава на плавильных площадках способствует повышению производительности устройства. По мере плавления базальта, гомогенизации и дегазации расплав с плавильной площадки перетекает в ванну печи. При этом плавильная площадка может быть выполнена плоской, вогнутой или наклонной в сторону ванны.

Топочное пространство плавильной печи вытянуто в горизонтальном направлении в сторону фидера и по порогу ванны ограничено и отделено от фидера коллектором дымоудаления. Длина топочного пространства печи определяется требуемой производительностью печи по расплаву. При соотношении высоты топочного пространства к его ширине 1/2 - 1/5 свод печи, в котором установлены горелки, находится близко к уровню расплава. Базальт и расплав находятся в зоне действия пламени горелок, что позволяет создавать в топочном пространстве плавильной печи на уровне расплава более высокие температуры. Это обеспечивает активное плавление базальта, дегазацию и гомогенизацию расплава, что способствует повышению производительности печи. Коллектор дымоудаления имеет каналы для отвода продуктов сгорания из топочного пространства печи на уровне расплава, тем самым позволяет максимально использовать тепловую энергию от сгорания энергоносителя (природного газа, попутного нефтяного газа или других углеводородов) и позволяет создать в топочном пространстве зону высоких температур. Скоростной поток пламени горелок по поверхности расплава до каналов коллектора дымоудаления создает разрежение на поверхности расплава, что способствует его дегазации.

Высокие температуры до 1600°С в пламенном пространстве плавильной печи позволяют повысить производительность печи и подготовить расплав без непроплавленных частиц и кристаллов, дегазированный, гомогенизированный, с высокой степенью аморфности. Получение качественного расплава на пороге ванны печи способствует снижению обрывности непрерывных волокон и повышению производительности устройства.

Выработка непрерывных волокон из расплавов в фидерной зоне производится из расплавов определенной вязкости при более низких температурах, чем в зоне плавления. Поэтому разделение топочного пространства печи и фидера коллектором дымоудаления позволяет получить в фидере свою температурную зону, а следовательно, расплавы требуемой вязкости. Это способствует созданию благоприятных условий для производства непрерывных волокон и повышению производительности устройства.

Для поддержания требуемых температур расплава в фидерах на их своде установлены фидерные горелки.

Два симметричных рукава фидера позволяют установить в них два, четыре, шесть и более фильерных питателей, но при этом путь расплава до фильерных питателей сокращается, а общее количество фильерных питателей, установленных в фидере, может быть увеличено. Это сокращает путь расплава к питателям, снижает его теплопотери и расход газа на поддержание температур расплава в фидере.

Рукава фидера могут быть установлены как горизонтально, так и с наклоном от оси печи в сторону фильерных питателей. Наклон фидеров позволяет ускорить продвижение расплава к фильерным питателям и увеличить дебит фидера, что способствует увеличению производительности устройства.

В фидере могут устанавливаться как струйные, так и щелевые фильерные питатели.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для производства непрерывных волокон из базальтовых пород.

На фиг.2 представлен вид в плане устройства для производства непрерывных волокон из базальтовых пород.

На фиг.3 представлен вид сбоку устройства для производства непрерывных волокон из базальтовых пород.

Устройство содержит: бункер с дозатором и загрузчиком базальтового сырья с загрузочным устройством (1), плавильную печь (2), ванну (3) печи, плавильную площадку (4), порог (5) ванны, коллектор дымоудаления (6), горелки печи (7), теплообменник-рекуператор (8), фидер (9), фидерные горелки (10), фильерные питатели (11), механизм (12) нанесения замасливателя, механизм (13) намотки волокна на бобины.

Устройство работает следующим образом. Измельченная базальтовая порода предварительно подогревается в бункере (1), затем дозируется и загружается в плавильную зону ванны печи (3) на плавильную площадку (4). Дозировка загрузки базальта осуществляется так, чтобы уровень расплава в ванне печи и фидере был стабильным на заданном уровне.

Плавление базальта осуществляется на плавильной площадке (4) в ванне (3) печи горелками (7). Горелками (7) также осуществляется нагрев и гомогенизация расплава в ванне (3).

Хорошему плавлению и подготовке расплава к выработке способствует то, что ванна (3) вытянута вдоль своей оси и ограничена коллектором (6) дымоудаления. В ванне (3) печи под воздействием высоких температур горелок (7) происходит также окончательное плавление кристаллических сгустков базальта и гомогенизация расплава.

Продукты сгорания из печи через каналы коллектора (6) дымоудаления поступают в теплообменник-рекуператор (8), который осуществляет нагрев базальта в бункере загрузчика и воздуха для горелок.

Из ванны (3) расплав через порог (5) перетекает в фидер (9) к местам установки фильерных питателей (11). Фильерные питатели устанавливаются в дно фидера (9). Поддержание требуемых температур в фидере осуществляется фидерными горелками (10). Вытяжка непрерывных волокон из расплава осуществляется через фильерные питатели (11) механизмом (13) намотки волокна на бобины. Замасливатель на первичные волокна наносится механизмом (12) нанесения замасливателя.

Пример реализации изобретения.

Плавильная печь и ее фидер выполнена из огнеупорных материалов.

Для выработки базальтового непрерывного волокна были использованы базальты Селецкого месторождения.

Температуры в пламенном пространстве печи составляют от 1530 до 1570°С. Температуры расплава в выработочных фидерах составляют 1450-1510°С.

Производительность плавильной печи составляет от 1.5 до 2.5 тонн в сутки расплава, пригодного для производства непрерывного волокна.

В рукавах фидерах установлено 6 фильерных питателей, возможна установка еще двух питателей дополнительно.

Характеристики производимого ровинга базальтового непрерывного волокна соответствуют техническим условиям.

Источники информации

1. UA 77861. МПК G03B 37/00. Оснос С.П. Способ и устройство для производства волокон из базальтовых пород.

2. RU 2193538. Способ и устройство для производства базальтовых волокон.

3. РСТ. WO 98/22401. 1998. Доманов Г.П., Асланова Л.Г. и др. Способ получения базальтового волокна и устройство для его осуществления.

4. RU 2118300 С1. Асланова Л.Г. Способ получения базальтового волокна и устройство для его осуществления.

Изобретение относится к области производства волокон из базальтовых пород, и в частности, к конструкции устройств и плавильных печей для производства непрерывных базальтовых волокон. Технический результат изобретения - снижение энергопотребления и увеличение производительности устройства. Устройство для производства непрерывных базальтовых волокон содержит один и более бункеров с дозаторами и горелки, которые соединены с теплообменником-рекуператором, установленным за коллектором дымоудаления в фидере. Увеличение производительности плавильной печи достигается установкой в зоне загрузки и плавления базальта на дне ванны плавильных площадок, удлинением топочного пространства печи при соотношении его высоты к ширине 1/2-1/5, ограничением топочного пространства печи коллектором дымоудаления и подсоединением непосредственно к печи двух фидеров, расположенных перпендикулярно к оси печи. В двух рукавах фидера устанавливаются два, четыре, шесть или более щелевых или струйных фильерных питателей, через которые наматывающей машиной происходит вытяжка и намотка на бобины первичных непрерывных волокон. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для производства базальтовых непрерывных волокон с фидерной печью, содержащее бункер с дозатором и загрузчиком базальта, теплообменник, плавильную печь с ванной и фидер, печь и фидер перекрыты сводом, в котором размещены горелки, в фидере установлены фильерные питатели, под которыми размещены механизмы нанесения замасливателя и намотки волокна на бобины, отличающееся тем, что один и более бункеров с дозаторами и горелки соединены с теплообменником-рекуператором, который установлен за коллектором дымоудаления в фидере, в печи на дне ванны в зонах загрузки и плавления базальта установлена одна и более плавильных площадок, топочное пространство печи имеет соотношение высоты к ширине 1/2-1/5 и отделено от фидера коллектором дымоудаления, при этом фидер через порог ванны примыкает к печи перпендикулярно ее оси и выполнен в виде двух рукавов, образуя с печью Т-образное соединение.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что два рукава фидера могут быть выполнены наклонно от оси печи в сторону мест установки фильерных питателей.