СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОСИЛИКАТНЫХ ВОЛОКОН ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД, УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ "МОДУЛЬ КИБОЛ-S", ВЫСОКОСИЛИКАТНОЕ НЕПРЕРЫВНОЕ ВОЛОКНО, ВЫСОКОСИЛИКАТНОЕ РУБЛЕНОЕ ВОЛОКНО, ВЫСОКОСИЛИКАТНОЕ ГРУБОЕ ВОЛОКНО И ВЫСОКОСИЛИКАТНОЕ ШТАПЕЛЬНОЕ ВОЛОКНО, ПОЛУЧЕННЫЕ НАЗВАННЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2011 года по МПК C03B37/02 

Группа изобретений относится к средствам получения непрерывных, рубленых, грубых, штапельных неорганических волокон из таких природных минералов и горных пород, как пески, кварц, измельченный кварцевый песчаник, кварциты, а также к волокнам, изготовленным предлагаемыми средствами, а именно к высокосиликатному непрерывному волокну, высокосиликатному рубленому волокну, высокосиликатному грубому волокну, высокосиликатному штапельному волокну.

Использование неорганических волокон из природных материалов - песков - в качестве сырья дает возможность выпускать экологически чистые, устойчивые к атмосферным влияниям материалы, которые позволяют заменить во многих случаях асбест, стекло, металл, древесину и другие используемые в промышленности материалы. Поэтому потребность и технические требования к предлагаемым материалам возрастает. Особенно следует отметить возможность использования в качестве наполнителей различных строительных материалов волокон из песка вместо стеклянных волокон при производстве, например, материалов типа стеклофибробетона.

Известен способ производства непрерывного волокна из горных пород, включающий операции дробления породы, ее плавления в плавильной печи и вытягивания из расплава через фильеру непрерывного волокна /патент РФ №2102342, МПК 6 С03В 37/00, опубл. 20.01.1998/. В качестве горной породы в описанном способе используют породы базальтовой группы от основного до среднего состава, а температуру в плавильной печи устанавливают в пределах 1500-1600°С.

Получаемые по описанному способу волокна имеют недостаточную прочность на разрыв, обусловленную наличием в них инородных включений.

Наиболее близким к предлагаемому способу по количеству существенных признаков является способ производства высокосиликатных волокон из горных пород, включающий операции загрузки горной породы в плавильную печь, получение расплава, его гомогенизацию и стабилизацию, получения волокна из расплава, вытекающего из фильеры выработочного отверстия /патент РФ №2118300, МПК 6 С03В 37/02, 1998/.

Недостаток описанного способа состоит в недостаточной прочности и химической стойкости получаемых по описанному способу волокон из-за наличия в них инородных, в частности газообразных, включений.

Наиболее близкой к предлагаемой установке по количеству существенных признаков является установка для производства высокосиликатных волокон из горных пород, которая содержит печь для получения расплава, выход из которой соединен со входом фидера, на выходе которого установлена переходная камера, в стенке корпуса переходной камеры имеется выработочное отверстие, в котором установлен фильерный питатель, а на выходе из выработочного отверстия установлен механизм для получения волокон /патент РФ №62924 U1, МПК 6 С03В 37/02, опубл. 10.05.2007/.

Недостаток описанной установки состоит в недостаточной прочности и химической стойкости получаемых в ней волокон из-за наличия в них инородных, в частности газообразных, включений.

Известно высокосиликатное непрерывное волокно, полученное способом, описанным в патенте РФ №2233810 /МПК 6 С03В 37/06, опубл. 10.08.2004/.

Недостаток названного волокна состоит в его недостаточной прочности и химической стойкости из-за наличия в нем инородных, в частности газообразных, включений.

Известно высокосиликатное рубленое волокно, полученное способом, описанным в книге: «Непрерывное стеклянное волокно» /Под ред. М.Г.Черняка. - М.: Химия. - 1965. - 320 с. - С.214-215/.

Недостаток названного волокна состоит в его недостаточной прочности и химической стойкости из-за наличия в нем инородных, в частности газообразных, включений.

Известно базальтовое грубое волокно /Композиционные материалы на основе базальтовых волокон. - В сб. науч. тр. / Киев: АН УССР. Ин-т проблем материаловедения им. И.Н.Францевича; Редкол.: Сергеев В.П. и др. - 1989. - 165 с. - С.9-14; УДК 666.19/. Названное волокно получено путем вытягивания струи расплава с ее последующим дроблением на отрезки длиной 70…100 мм.

Недостаток названных волокон состоит в их недостаточной прочности и химической стойкости из-за наличия в них инородных, в частности газообразных, включений.

Известно высокосиликатное штапельное волокно, полученное способом, описанным в патенте РФ №223810 /МПК 6 С03В 37/06, опубл. 10.08.2004/.

Недостаток названных волокон состоит в их недостаточной прочности и химической стойкости из-за наличия в них инородных, в частности газообразных, включений.

В основу предлагаемой группы изобретений поставлена задача создания такого способа и установки для производства высокосиликатных волокон из горных пород, которые позволили бы существенно повысить прочность и химическую стойкость получаемых волокон за счет создания условий для уменьшения в них количества инородных, в частности газообразных, включений.

Поставленная задача решается путем выбора режимных параметров и такой горной породы, расплав которой еще до кипения имеет температуру, при которой большая часть инородных включений либо растворяется, либо сгорает, а образовавшиеся при этом газовые пузырьки могут быть легко удалены из расплава в специально созданной зоне разрежения воздуха на пути потока расплава к фильере.

Предлагаемый, как и известный, способ производства высокосиликатных волокон из горных пород включает операции загрузки горной породы в плавильную печь, получение расплава, его гомогенизацию и стабилизацию, получения волокна из расплава, вытекающего из фильеры выработочного отверстия, а согласно изобретению в качестве сырья используют породу на основе кремнезема, после получения расплава названной породы его температуру доводят до 1750…1850°С, а после гомогенизации и стабилизации расплава при указанной температуре на пути потока расплава к фильере выработочного отверстия создают зону разрежения, в которой потоку расплава придают форму полосы с толщиной 3,0…20,0 мм и пропускают ее через эту зону со скоростью V=(7…9)10^-4 м/с, а давление воздуха в зоне разрежения над потоком расплава поддерживают в пределах 0,10…0,30 Па.

Особенностью предлагаемого способа является и то, что в качестве сырья используют песок.

Особенностью предлагаемого способа является и то, что в качестве сырья используют кварцевый песок.

Особенностью предлагаемого способа является и то, что в качестве сырья используют или измельченный кварцевый песчаник, или кварциты.

Предлагаемая, как и известная, установка для производства высокосиликатных волокон из горных пород по способу, описанному выше, содержит печь для получения расплава, выход из которой соединен со входом фидера, на выходе которого установлена переходная камера, в стенке корпуса переходной камеры имеется выработочное отверстие, в котором установлен фильерный питатель, а на выходе из выработочного отверстия установлен механизм для получения волокон, а согласно изобретению между печью и фидером установлен гомогенизатор, выполненный в виде двух вертикально и соосно установленных с зазором один в другом стаканов, образующих внутреннюю приемную камеру и внешнюю камеру осветления, в которой установлена вертикальная перегородка, предназначенная для получения на ее верхнем ребре потока расплава в виде полосы, камера осветления снабжена средством для создания разрежения воздуха в ее полости, а между дном одного стакана и свободным торцом другого стакана имеется зазор для прохода потока расплава.

Особенностью предлагаемой установки является и то, что вертикальная перегородка в камере осветления гомогенизатора выполнена регулируемой по высоте.

Особенностью предлагаемой установки является и то, что гомогенизатор обеспечен системой нагрева, выполненной в виде, по меньшей мере, двух рядов газовоздушных форсунок, закрепленных под углом α=3…65° к вертикали и расположенных по радиусу в шахматном порядке на расстоянии H=(5…7)D от вертикальной оси гомогенизатора, где D - диаметр сопла форсунки, предназначенных для направления факела на внешнюю приемную камеру гомогенизатора.

Особенностью предлагаемой установки является и то, что гомогенизатор обеспечен устройствами для осуществления донного и бокового барботажа.

Особенностью предлагаемой установки является и то, что вход в гомогенизатор расположен ниже дна печи.

Предлагаемое, как и известное, высокосиликатное непрерывное волокно изготовлено из горных пород, а согласно изобретению оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом, описанным выше.

Предлагаемое, как и известное, высокосиликатное рубленое волокно изготовлено из горных пород, а согласно изобретению оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом, описанным выше.

Предлагаемое, как и известное, высокосиликатное грубое волокно изготовлено из горных пород, а согласно изобретению оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом, описанным выше.

Предлагаемое, как и известное, высокосиликатное штапельное волокно изготовлено из горных пород, а согласно изобретению оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом, описанным выше.

Авторами экспериментально выбраны горная порода и установлены оптимальные режимные параметры для осуществления способа получения высокосиликатных неорганических непрерывных, рубленых, грубых и штапельных волокон. Таким материалом оказалась горная порода на основе кремнезема. К кремнеземам относятся, в частности, пески, кварцевый песчаник, кварциты /Техническая энциклопедия. - М.: АО "Советская Энциклопедия". - T.11, с.581-583. - 1930/. Предлагаемая группа изобретений предусматривает использование в качестве сырья породы на основе кремнезема, в котором содержание окиси кремния равно или превышает 52%. Эта связано с тем, что увеличение содержания окиси кремния в сырье позволяет повысить температуру плавления породы, а это в свою очередь позволяет удалить из нее в процессе плавки большую часть твердых инородных включений - вредных примесей.

Температура ниже 1750°С для получения расплава из породы на основе кремнезема не обеспечивает удаления из расплава большинства твердых инородных включений и получения аморфного расплава. Нагрев же свыше 1850°С практически не сказывается на качестве получаемого продукта, поэтому экономически не оправдан. Кроме того, при температуре выше 1850°С отмечены случаи вскипания отдельных фрагментов расплава и, как следствие, образование новых газовых микропузырьков. Поэтому оптимальной оказалась температура расплава кремнезема 1750…1850°С.

Получение потока расплава в виде полосы более технологично, чем, например, в виде цилиндрического потока. Кроме того, именно форма полосы позволяет снизить градиент температур по толщине - по поперечному сечению потока расплава - сделать его равномерным. Толщина полосы зависит от вязкости расплава и скорости потока. Чем меньше толщина и выше скорость потока, тем более качественным получается в итоге процесса волокно, поскольку позволяет удалить из полосы в зоне разрежения большее количество пузырьков газов. Авторами экспериментально выявлены оптимальные значения толщины полосы расплава. Оптимальное значение толщины полосы расплава составляет 3,0…20,0 мм при скорости потока V=(7…9)10^-4 м/с. Так, для создания толщины расплава менее 3,0 мм и скорости потока более V=9·10^-4 м/с требуются дополнительные энергетические затраты на нагрев расплава и на повышение его скорости, что экономически не оправдано. Получение же расплава из породы на основе кремнезема толщиной более 20,0 мм, который движется со скоростью менее 7·10^-4 м/с, не позволяет удалить из него такое количество пузырьков и инородных включений, которые позволили бы существенно повысить качество получаемых волокон. Давление воздуха в зоне разрежения над потоком расплава поддерживают в пределах 0,10…0,30 Па, поскольку такой уровень разрежения в зоне создания полосы расплава с толщиной 3,0…20,0 мм оказался достаточным для удаления из расплава большей части пузырьков и инородных включений. Повышение же уровня разрежения экономически не оправдано.

Основная задача предлагаемого решения - создание однородного по составу расплава и, как следствие, однородного по составу волокна. Термин "гомогенный" происходит от греческого "homogenës" - однородный по составу [см. Словарь иностранных слов и выражений / Авт.-сост. Е.С.Зенович. - М.: ООО "Издательство "Астрель": ООО "Издательство ACT", 2004. C.158]. Поэтому использование термина "гомогенизатор" в качестве названия ключевого устройства предлагаемой установки правомерно.

Гомогенизатор обеспечен системой нагрева, геометрические параметры которой найдены экспериментально. Учитывая ограниченность пространства, система выполнена в виде двух рядов газовоздушных форсунок, закрепленных под углом α=3…65° к вертикали и расположенных по радиусу в шахматном порядке на расстоянии H=(5…7)D от вертикальной оси гомогенизатора, где D - диаметр сопла форсунки, предназначенных для направления факела на внешнюю приемную камеру гомогенизатора. Такая конструкция системы нагрева гомогенизатора обеспечивает получение равномерного нагрева гомогенизатора и, как следствие, потока расплава.

Предлагаемый способ реализуется в установке, которая схематически показана на прилагаемом чертеже.

Установка для производства высокосиликатных волокон из горных пород «Модуль Кибол-S» содержит загрузчик сырья 1, выход которого соединен с емкостью электрической печи сопротивления 2, предназначенной для получения расплава. Выход печи 2 соединен сливным теплостойким устройством 3 со входом внешней приемной камеры 4 гомогенизатора 5. Гомогенизатор 5 состоит из внешней приемной камеры 4 и внутренней камеры осветления 6. Приемная камера 4 снабжена системой нагрева в виде газовоздушных форсунок 7, расположенных в два ряда, закрепленных под углом α=45° к вертикальной оси гомогенизатора 5 и расположенных по радиусу и в шахматном порядке на расстоянии Н=6D от оси гомогенизатора 5, где D - диаметр форсунки 7. Форсунки 7 предназначены для создания и направления факела на внешнюю приемную камеру 4 гомогенизатора 5. Установка снабжена системой барботажа, включающей барботажные сопла 8, предназначенные для подачи через них подогретого воздуха для повышения интенсивности перемешивания расплава с целью повышения его однородности по химическому составу и по температуре. Выход приемной камеры 4 соединен со входом камеры осветления 6. Камера осветления 6 снабжена устройством для создания разрежения воздуха в полости над слоем расплава /не показано/. Устройство для создания разрежения воздуха в полости камеры осветления 6 над слоем расплава выполнено в виде ротационного механического насоса с масляным уплотнением типа ВН-1МГ, которое соединено с верхней частью полости камеры осветления 6 [Лозинский М.Г. Тепловая микроскопия материалов. - М.: Металлургия. 1976. - С.30-67]. В камере осветления 6 установлена вертикальная перегородка 9, предназначенная для получения на ее верхнем ребре полосы расплава требуемой толщины. Перегородка 9 изготовлена наборной из соосно установленных колец с возможностью регулирования ее высоты в зависимости от вязкости расплава. Уровень расплава в камере осветления 6 выше, чем в приемной камере 5 и в фидере 10. Выход камеры осветления 6 соединен с фидером 10. Установка снабжена четырьмя переходными камерами 11, 12, 13, 14. Между фидером 10 и гомогенизатором 5 установлен порог 15. Фидер 10 имеет выходы в каждую переходную камеру 11, 12, 13, 14. Каждая переходная камера 11, 12, 13, 14 имеет собственное выработочное отверстие 16 и обогреваемый питатель с фильерами 17, расположенный ниже выработочного отверстия 16. Каждая переходная камера 11, 12, 13, 14 предназначена для создания тонкослойного потока расплава. Каждая переходная камера 11, 12, 13, 14 снабжена нагревателем 18. Дно переходных камер 11, 12, 13, 14 имеет наклон, направленный в сторону выработочного отверстия 16. При этом значение угла наклона для каждой камеры 11, 12, 13, 14 выбирают экспериментально из условия производства того или иного вида волокна и изделий. Переходные камеры 11, 12, 13, 14 имеют разные объемы, что позволяет получать из каждой камеры требуемое количество (объем) от 1 тонны до 1000 тонн волокна в год и осуществлять их работу в независимом друг от друга режиме. На входе в каждую переходную камеру 11, 12, 13, 14 установлен порог соответственно 15, 19, а выше порога - регулируемый шибер 20, которые предназначены для получения потока расплава требуемой толщины и качества. Каждый регулируемый шибер 20 выполнен в виде гильотины, рабочая кромка которой горизонтальна и обеспечивает при необходимости полное перекрытие потока расплава в соответствующую переходную камеру 11, или 12, или 13, или 14. Каждый регулируемый шибер 20 установлен с возможностью в момент перекрытия входа в каждую переходную камеру 11, 12, 13, 14 касаться своей боковой плоскостью боковой поверхности порога 15, 19.

Дно приемной камеры 4, камеры осветления 6 и фидера 10 облицованы тугоплавкими и электропроводящими материалами из жаростойкого сплава или карбида кремния. Каждый канал фидера 10 обогревается факелами газовоздушных форсунок 21.

В каждой переходной камере 11, 12, 13, 14 установлена газовоздушная форсунка 21.

Ниже выработочного отверстия 16 установлены фильерные питатели 17, предназначенные для вытягивания через них волокон 22. Для обработки волокон 22 замасливателем установка снабжена емкостью с замасливателем (не показано), который подается на замасливающее устройство 23.

Пример 1. В качестве горной породы для получения непрерывного волокна использовали следующие пески:

- Безмеинского месторождения, пустыня Каракум, Туркменистан,

- Марыйского месторождения, пустыня Каракум, Туркменистан,

- грандиоритовые пески Корфовского карьера, Хабаровский край, Россия.

Для характеристики особенностей и свойств песков был проведен комплекс исследований, направленных на определение их структуры, формы и характера зерен, вещественного состава.

Структуру песков изучали под микроскопом в искусственных прозрачных шлифах и параллельно с помощью механического (гранулометрического) анализа, который проводили в комплексе с определением общей карбонатности песков. Для этих целей использовали широко распространенный в геологии метод Сабанина в комбинации с ситовым анализом.

При определении общей карбонатности и гранулометрического состава навеску песка в количестве 100 г помещали в цилиндрический стеклянный сосуд емкостью 500 мл, заливали 10%-ной соляной кислотой, перемешивали стеклянной палочкой и выдерживали в течение одних или нескольких суток до полного растворения карбонатов, определяемого визуально. При необходимости кислоту доливали. После полного прекращения выделения пузырьков газа (что свидетельствует о полном растворении карбонатов) кислоту максимально возможно сливали. Затем с целью отмывки от кислоты, а также отделения глинистых частиц пробу песка помещали в фарфоровую чашку диаметром 20 см, заливали дистиллированной водой и промывали до нейтральной среды по лакмусовой бумаге, растирая деревянным пестиком с резиновым наконечником для удаления глинистых частиц с поверхности зерен. После перемешивания и отстаивания в течение 42 секунд аккуратно сливали дистиллированную воду с глинистой взвесью в градуированный стакан емкостью 1 л. Навеску заливали новой порцией дистиллированной воды, оттирали пестиком и после отстаивания в течение 42 секунд взвесь сливали. Операцию повторяли до тех пор, пока вода не становилась совершенно прозрачной, таким образом, в стакане со сливными водами получали фракцию менее 0,05 мм.

Промытую же песковую фракцию помещали на бумагу, высушивали до воздушно-сухого состояния. Затем при помощи кисточки собирали с листа бумаги, взвешивали и классифицировали с помощью набора сит на следующие фракции: 1-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1; 0,1-0,071 и 0,071-0,05 мм. Далее ситовому анализу подвергали фракцию частиц менее 0,05 мм, находящихся в градуированном стакане емкостью 1 л.

Механический анализ позволил определить содержание песчаных, алевритовых и глинистых частиц, расчленить их на ряд групп или фракций различной крупности зерна. Песчаная фракция использовалась для определения минералогического состава в изготовленных на основе канадского бальзама искусственных прозрачных шлифах.

Для отделения акцессорных (редко встречающихся минералов и примесей) от главных, составляющих основную часть песков, производилось разделение тяжелой жидкостью частиц фракций 0,25-0,1; 0,1-0,071 и фракции 0,071-0,05 мм при помощи медицинской центрифуги.

Для этого навеска песка определенной фракции частиц вместе с тяжелой жидкостью Туле, представляющей собой водный раствор йодистого калия и двухйодистой ртути с удельным весом 2,9 г/см³; помещали в пробирку, не доливая до края 1 см. При вращении в центрифуге в течение 6-8 мин тяжелая фракция оседала на дно пробирки, а легкая всплывала наверх. После остановки центрифуги из пробирки осторожно сливали сначала легкую, а затем тяжелую фракцию.

Тяжелые и легкие фракции частиц размером от 0,25 до 0,071 мм просматривали под бинокулярной лупой. Некоторые минералы изучались в иммерсионных препаратах.

Подсчет зерен каждого минерала производился в объемных процентах, а затем с использованием средних значений плотности последние переводились в массовые.

При изучении вещественного состава песчаной фракции применялись минералогические и петрографические исследования алевритовой и глинистой фракций - рентгенофазовый анализ. Химический анализ песков проведен по методике, принятой для силикатного анализа /Химический анализ горных пород и минералов, под редакцией Н.П.Попова и И.А.Столяровой. - М.: Недра» - 1974/.

В результате разделения по описанной выше методике получен следующий гранулометрический состав названных выше песков (см. таблицу 1).

Таблица 1 Гранулометрический состав песков и содержание в них карбонатной части (мас.%) Месторождение Размер фракций, % Карбонатная часть 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,071 0,071-0,05 0,05-0,01 Безмеинское 1,3 39,8 31,0 10,9 2,0 14,7 Марыйское 0,78 37,1 37,3 7,9 1,4 15,6 Корфовское 0,9 37,8 38,9 8,5 1,7 14,9

Пески в основном (на 65-75%) состоят из песчаных частиц размером 0,25-0,071 мм. Глинистая часть в изученных песках составляет от 1 до 2% по весу. Естественная карбонатность колеблется от 11,0 до 15,3%. Минеральный состав песков исследованных фракций приведен в таблице 2.

Таблица 2 Минеральный состав песков пустыни Каракум и Корфовского карьера Фракция, минералы (породы) Месторождения Корфовское Безмеинское Марыйское Легкая фракция Кварц 66,16 64,85 65,72 Полевые шпаты 6,18 3,40 7,80 Карбонаты 14,9 14,7 15,6 Слюды 1,75 1,82 1,61 Обломки пород 2,51 2,24 1,21 Глины 8,95 12,11 9,25 Тяжелая фракция Ильменит 0,034 0,041 0,065 Гранат 0,029 0,058 0,045 Эпидот 0,048 0,039 0,055 Дистен 0,0016 0,002 - Амфибол 0,028 0,018 0,038 Магнетит 0,018 0,0021 0,0088 Лимонит - 0,0021 0,0077 Циркон 0,001 - -

Как видно из таблицы 2, главным породообразующими минералами исследованных песков пустыни Каракум и Корфовского месторождения являются кварц, полевые шпаты и карбонаты.

В группу кварца включены зерна самого кварца в виде монокристаллов, их обломков и мелкозернистых агрегатов. Сюда же отнесены зерна кристаллических модификаций кремнезема: халцедона и коллоидной разновидности опала. Кроме того, в состав этой группы включены также породы: кварциты, кремнистые образования и яшмы. Зерна кварца концентрируются в наиболее крупных фракциях и чаще имеют размеры от 0,05-0,08 до 0,6 мм.

В группу полевых шпатов включены все разновидности полевых шпатов в различной степени, главным образом слабоизмененных. Это как известково-натриевые (плагиоклазы), так и калиевые. Плагиоклаз представлен в виде мелких, от 0,01-0,03 до 0,08-0,1 мм, зерен изометричной, субугловатой, скатанной формы с более или менее выраженным двойникованием.

Обломки пород слагают отдельные относительно крупные, до 0,5-0,6 мм, кристаллы с четко проявленным двойникованием, а также полиморфные агрегаты кальцита. Форма обломков скатанная, реже субугловатая, изометричная. Размер обломков относительно большой - 0,04-0,05 мм. Отдельные обломки покрыты пленочками лимонита. Кроме того, среди обломков пород встречаются около 5% сростки кварца и полевого шпата, содержащие слюдистый минерал, эпидот, амфибол и обломки халцедона (до 1%). Отмечается также микроклин в виде субугловатых зерен размером 0,04-0,09 мм с более или менее четко выраженным решетчатым сдвойникованием.

В небольших количествах в песках (тяжелая фракция) встречаются ильменит, гранат, эпидот, амфибол и др. В отдельных пробах песков отмечается гипс белого и красновато-бурого цвета, представленный чаще всего агрегатами волокнисто-шестоватого строения. В виде единичных зерен в отдельных шлифах наблюдаются темноцветные минералы (авгит, роговая обманка, тремолит и др.). В песках Марыйского месторождения присутствует в виде отдельных скатанных зерен глауконит травянисто-зеленого цвета.

Материал глинистой (0,05-0,01 мм) и мелкой алевритовой (0,071-0,05 мм) фракций подвергался рентгенофазоваму анализу (РФА). Результаты РФА подтверждают, что главными породообразующими минералами песков пустыни Каракум и Корфовского месторождения являются кварц, полевые шпаты, карбонатные и глинистые породы (таблица 3).

Таблица 3 Результаты рентгенофазового анализа песков пустыни Каракум и Корфовского карьера Минерал Месторождения Корфовское Безмеинское Марыйское легкая фракция глинистая фракция легкая фракция глинистая фракция легкая фракция глинистая фракция Кварц + + + + + + Полевой шпат + + + + + + Каолинит сл. + + + сл. + Гидрослюды сл. + + + сл. + Хлориты сл. сл. сл. сл. сл. сл. Амфибол сл. - - - сл. - Кальцит в карбонатной части песков

Результаты химического анализа песков пустыни Каракум и Корфовского месторождения приведены в таблице 4. Анализ табличных данных показывает, что по химическому составу пробы песков исследованных месторождений отличаются друг от друга содержанием окислов алюминия (Al₂O₃), кальция (СаО). В них содержится приблизительно одинаковое количество оксидов железа (Fe₂O₃ и FeO). Характерным является повышенное количество СО₂.

Таблица 4 Химический состав песков пустыни Каракум и Корфовского месторождения Оксиды, мас.% Месторождения Корфовское Безмеинское Марыйское SiO₂ 65,31 65,15 67,79 TiO₂ 0,47 0,24 0,23 Al₂O₃ 15,02 10,01 8,71 Fe₂O₃ 1,46 1,35 1,32 FeO 2,33 1,92 1,84 CaO 3,84 7,85 7,55 MgO 1,96 1,72 2,09 Na₂O 3,37 2,03 1,68 K₂O 3,84 1,92 1,99 MnO - 0,11 0,09 SO₃ 0,10 0,09 0,10 P₂O₅ 0,11 0,09 0,10 п.п.п. - 2,20 1,71 CO₂ 3,84 4,99 5,61 H₂O 1,11 0,12 0,19

Таким образом, по данным минералогического и химического анализов возможно получение волокон из песков.

Перед загрузкой в печь 2 песок полностью заливают водой, перемешивают, оставляют песок в таком положении 5-10 минут до появления на поверхности воды легких загрязнений, удаляют легкие загрязнения, сливают воду и загружают очищенный песок в печь 2 отдельными порциями. При этом операции заливания исходного песка водой, перемешивания, выдерживания в таком положении 5-10 минут до появления на поверхности воды легких загрязнений, удаления легких загрязнений и сливания воды выполняют 3-5 раз. Легкие загрязнения, которые находятся в массе песка, при попадании в воду в процессе перемешивания массы песка отделяются от нее и под действием архимедовой силы всплывают на поверхность воды, где легко удаляются путем сливания поверхностного слоя воды вместе с легкими загрязнениями. Затем песок подвергают высушиванию и направляют на загрузчик сырья 1, который непрерывно и равномерно тонким слоем распределяет песок по всей площади электрической печи сопротивления 2.

Распределение песка по нагретой поверхности в полости печи 2 тонким слоем позволяет интенсифицировать процесс плавления и получение расплава при более высоком удельном его съеме, сократить время вынужденных простоев печи 2, связанных с выводом на рабочий режим и ее расхолаживанием при остановках. Чрезвычайно высокое тепловое напряжение плавильной печи 2 позволяет плавить горные породы при донной выдаче расплава в виде непрерывной струи с регулируемым дебитом за счет оптимизации диаметра сливного обогреваемого устройства 3. При этом время нахождения расплава в печи 2 также можно регулировать путем изменения высоты обогреваемого сливного устройства 3.

Песок непрерывно плавится в электрической печи 2 при температуре 1750…1850°С. При этом для разных перечисленных выше песков оптимальными температурами плавления были установлены следующие:

- Безмеинского месторождения пустыни Каракум, Туркменистан - 1750…1800°С,

- Марыйского месторождения пустыни Каракум, Туркменистан - 1750…1780°С,

- грандиоритовые пески Корфовского карьера, Хабаровский край, Россия - 1830…1850°С.

Образующийся расплав по сливному теплостойкому устройству 3 постоянным потоком непрерывно выливался с низа печи 2 и под воздействием силы тяжести поступал в приемную камеру 4 гомогенизатора 5, где его температуру поддерживали постоянной при помощи пламени газовоздушных форсунок 7, установленных в верхней части приемной камеры 4 в два ряда. При этом каждая форсунка 7 закреплена под углом α=3…65° к вертикали и на расстоянии H=(5…7)D от оси гомогенизатора, где D - диаметр сопла форсунки. Форсунки 7 в рядах расположены по отношению друг к другу в шахматном порядке. Кроме того, наклон форсунок в одном ряду противоположен наклону форсунок в другом ряду, т.е. они находятся под острым углом по отношению к осям форсунок первого ряда. Значение угла α=3…65° выбрано из следующих соображений: уменьшение угла менее 3° приводит к увеличению скорости перемещения потоков расплава, однако при этом форсунки быстро приходят в негодность из-за увеличения поверхности их нагрева. Увеличение угла более 65° ведет к уменьшению скорости перемещения потоков расплава и, как следствие, к уменьшению степени его гомогенизации. Кроме направленного воздействия высокотемпературными газовыми потоками на зеркало расплава для повышения качества гомогенизации имеет значение расстояние H=(5…7)D установки форсунок. Уменьшение этого значения менее 5D дает незначительный эффект и, кроме того, уменьшает срок службы форсунок. Увеличение же расстояния на величину более 7D приводит к снижению эффективности перемешивания слоев расплава по глубине. Значения угла α и расстояния Н определены авторами экспериментально и являются оптимальными для достижения технического результата - интенсификации процесса гомогенизации расплава. Кроме того, форсунки установлены в два ряда и направление одного ряда противоположно направлению смежных форсунок другого ряда. В результате на расплав воздействуют двумя потоками в противоположных направлениях, что значительно интенсифицирует гомогенизацию расплава и обеспечивает поддержание в гомогенизаторе стабильной рабочей температуры. Одновременно происходило перемешивание верхних слоев расплава за счет воздействия на него пламени газовоздушных форсунок 7, установленных под разными углами и навстречу друг другу. Для перемешивания расплава в средней и в нижней частях приемной камеры 4 установлены боковые (не показано) и донные 8 барботажные сопла, через которые подавали подогретый воздух. При этом из-за «короткой выдержки» расплава в приемной камере 4 гомогенизатора 5 расплав оказывается довольно загазованным, турбулентным, относительно неосветленным (неочищенным) и в основном непригодным для филаментации из-за наличия непроплавившихся комков сырой шихты и газовых пузырьков, что не позволяет получить из такого расплава тонкую и прочную непрерывную нить. Для осветления расплава его самотеком подают в камеру осветления 6, где давление воздуха в зоне разрежения над потоком расплава поддерживают в пределах 0,10…0,30 Па с помощью вакуумного насоса /не показан/. В камере осветления 6 установлена перегородка 9. Поток расплава, находящийся под разрежением в зоне перетекания через перегородку 9, образует на ее верхнем ребре тонкий слой, который в процессе перетекания освобождается от пузырьков газа - газообразных включений, которые уходят в атмосферу, и от твердых включений, например от непроплавившихся комков сырой шихты, опускающихся перед перегородкой 9 вниз на дно гомогенизатора 5, и, таким образом, осветляется. Из камеры осветления 6 поток расплава вытекает по нисходящему протоку и через порог 15 поступает в фидер 10, где благодаря малой толщине потока расплава удается избежать образования градиента температур по толщине расплава, неуправляемых конвекционных потоков и связанных с ними потерь тепла.

Печь 2 имеет небольшие габариты, поэтому позволяет легко осуществлять строгий контроль за соблюдением теплового режима и повысить коэффициент полезного действия печи 2 до 65% за счет сокращения времени пребывания расплава в печи 2 по сравнению с традиционной ванной стекловаренной печи более чем в 50 раз.

Фидер 10 сверху обогревают факелами горящего газа, поступающего из газовоздушных форсунок 21, и электрическими нагревательными элементами 18, которые совместно с высокоточным регулятором температуры (типа "ВРТ") (не показано) и датчиками температуры - термопарами типа платина-платина-родий (не показано) - обеспечивают поддержание температуры расплава в фидере 9 с точностью ±0,5°C. Далее расплав через порог 19 и регулируемый шибер 20, установленные на выходе из фидера 10 поступает в переходную камеру 11 и направляется на выработку через выработочные отверстия 16 к фильерным питателям 17. Благодаря обогреву переходной камеры 11 поддерживается достигнутое ранее состояние гомогенизированного расплава, что позволяет получать прочные тонкие волокна.

Подогретый расплав поступает на фильерные питатели 17, из которых вытягивают непрерывные волокна 22. Волокна 22 обрабатываются замасливателем, который подается из емкости, с помощью замасливающего устройства 23. Волокна 22 после замасливания подаются через систему механизмов на наматывающий аппарат 28, где они наматываются на бобину, а затем на переработку в соответствующие изделия.

В результате из названных выше песков получали высокосиликатные непрерывные волокна, основные свойства которых приведены в таблице 5. Прочность элементарных непрерывных волокон определяли на динамометре весового типа при рабочей длине образца 10 мм, а грубых волокон - на разрывной машине РМ-3 при длине образца 50 мм.

Предел прочности непрерывных волокон, изготовленных из горных пород на основе песков

Таблица 5 Месторождения Диаметр, мкм Предел прочности при растяжении, МПа Безмеинское 9,0 2090 Марыйское 11,1 1990 Корфовское 10,1 2010 Базальт (прототип) 9,5 1800

Рубленые высокосиликатные волокна из названных песков получали из расплава, который прошел через переходную камеру 12. Формирование струй расплава осуществлялось щелевым 2000-фильерным питателем, из которого непрерывные волокна подавались на рубочную машину 25.

Характеристики высокосиликатных рубленых волокон, полученных из названных выше песков, представлены в таблице 6.

Таблица 6 Наименование показателя Безмеинское месторождение Марыйское месторождение Корфовское месторождение Базальт (прототип) Длина отрезка, мм 6,0 6,2 6,0 6,1 Диаметр волокна, мкм 11,2 10,9 10,1 9,9 Непроруб, не более, % 3,0 3,0 3,2 3,5

Грубые высокосиликатные волокна из названных песков получали из расплава, который прошел через переходную камеру 13. Формирование струй расплава осуществлялось щелевым 600-фильерным питателем, изготовленным из жаростойкого сплава. При этом вытягивание струй расплава осуществлялось механическим способом со скоростью 5…10 м/мин. Сформированные грубые волокна дробились на отрезки с помощью устройства для рубки грубого волокна 26. Основные свойства грубых высокосиликатных волокон представлены в таблицах 7 и 8.

Таблица 7 Месторождения Диаметр, мкм Предел прочности на разрыв, кг/мм² Безмеинское 155,3 22,9 Марыйское 160,3 23,1 Корфовское 157,4 22,8 Базальт(прототип) 155,5 22,0

Химическая устойчивость грубых высокосиликатных волокон

Таблица 8 Месторождения Диаметр, мкм Устойчивость, %, к средам H₂O 0,5 н. NaOH 2,0 н. NaOH 2 н. HCl Безмеинское 160,5 99,5 99,3 98,9 99,5 Марыйское 165,5 99,6 99,4 98,9 99,7 Корфовское 163,4 99,4 99,2 98,4 99,4 Базальт (прототип) 159,5 99,3 99,1 98,0 99,1

Штапельные высокосиликатные волокна из названных песков получали из расплава, который прошел через переходную камеру 14, путем раздува первичных волокон потоком раскаленных газов по известной технологии /см. Китайгородский Н.И. Технология стекла. - М.: Госстройиздат, 1961. - 624 с./. Свойства полученного штапельного высокосиликатного волокна представлены в таблице 9.

Таблица 9 Месторождения Диаметр, мкм Устойчивость, %, к средам H₂O 0,5 н. NaOH 2,0 н. NaOH 2 н. HCl Безмеинское 0,85 94,5 83,0 79,0 80,0 Марыйское 0,83 94,6 82,6 78,8 80,5 Корфовское 0,82 94,4 82,9 78,9 80,5 Базальт (прототип) 0,72 94,0 52,8 15,4 27,5

Высокосиликатное непрерывное волокно, высокосиликатное рубленое волокно, высокосиликатное грубое волокно, высокосиликатное штапельное волокно, полученные в предлагаемой установке из названных выше песков, как показали исследования, по химической устойчивости превосходят базальты.

Пример 2. Горные породы - кварцевый песок Криушинского месторождения, Чувашская республика, Россия, и кварцевый песок Скугареевского месторождения, Ульяновской области, Россия. Химический анализ названных горных пород представлен в таблице 10. Содержание окиси кремния в названных породах равно или превышает 96%. Названные породы очищали от легких примесей путем их промывки водой, высушивали и подавали на загрузчик сырья 1, затем в электрическую печь 2, далее поступали, как в примере 1.

Таблица 10 Химический состав песков Криушинского и Скугареевского месторождения Оксиды, масс, % Месторождения Криушинское Скугареевское SiO₂ 98,05 97,9-99,2 TiO₂ 0,019 0,02-0,09 Al₂O₃ 0,35 0,25-0,6 Fe₂O₃ 0,39 0,03-0,25 СаО 0,35 0,05-0,11 MgO 0,5 0,05-0,19 Na₂O 0,4 0,05 K₂О 0,04-0,08 SO₃ 0,042 0,03-0,06 п.п.п. 0,15 0,05-0,18

В результате осуществления предлагаемого способа получали высокосиликатное непрерывное волокно. Характеристики прочности полученного высокосиликатного непрерывного волокна представлены в таблице 11.

Таблица 11 Месторождения Диаметр, мкм Предел прочности при растяжении, МПа Криушинское 10,2 2360 Скугареевское 11,1 2405

В результате осуществления предлагаемого способа получали высокосиликатное рубленое волокно с характеристикой волокон, представленной в таблице 12.

Таблица 12 Наименование показателя Криушинское месторождение Скугареевское месторождение Длина отрезка, мм 6,0 6,2 Диаметр волокна, мкм 10,9 11,3 Непроруб, не более, % 3,2 3,3

В результате осуществления предлагаемого способа получали высокосиликатное грубое волокно, характеристики прочности которого представлены в таблице 13.

Таблица 13 Месторождения Диаметр, мкм Предел прочности на разрыв, кг/мм² Криушинское 150,5 25,0 Скугареевское 160,1 28,0 Базальт (прототип) 155,5 22,0

В результате осуществления предлагаемого способа получали высокосиликатное штапельное волокно, химические свойства которого представлены в таблице 14.

Таблица 14 Месторождения Диаметр, мкм Устойчивость, %, к средам H₂O 0,5 н. NaOH 2,0 н. NaOH 2 н. HCl Криушинское 0,84 95,4 88,4 84,2 85,2 Скугареевское 0,85 95,8 89,1 84,8 85,9

Пример 3. Горная порода - измельченный кварцевый песчаник Черемшанского месторождения, Бурятия, Россия, химический состав которого представлен в таблице 15.

Таблица 15 Химический состав кварцевого песчаника Черемшанского месторождения и кварцитов Овручского месторождения Оксиды, мас.% Черемшанское месторождение Овручское месторождение SiO₂ 99,2 97,9 TiO₂ 0,024 0,14 Al₂O₃ 0,43 1,55 Fe₂O₃ 0,133 0,43 CaO 0,08 0,10 MgO 0,02 - Na₂O 0,02 0,07 K₂О 0,083 - MnO - 0,2 P₂O₅ - 0,02

Названную породу очищали от легких примесей путем ее промывки водой, высушивали и подавали на загрузчик сырья 1, затем в электрическую печь 2, далее поступали, как в примере 1.

В результате из фильерных питателей 17 переходных камер 11, 12, 13 и 14 получали соответственно высокосиликатное непрерывное волокно, высокосиликатное рубленое волокно, высокосиликатное грубое волокно и высокосиликатное штапельное волокно. Химические свойства штапельного волокна представлены в таблице 16.

Таблица 16 Месторождение Диаметр, мкм Устойчивость, %, к средам Н₂О 0,5 н. NaOH 2,0 н. NaOH 2 н. HCl Черемшанское 0,87 96,2 90,8 85,7 87,6 Овручское 0,85 94,8 88,3 83,2 84,5

Пример 4. Горная порода - измельченные кварциты Овручского месторождения, Украина, химический состав которых представлен в таблице 15.

Названную породу очищали от легких примесей путем ее промывки водой, высушивали и подавали на загрузчик сырья, затем в плавильную печь, далее поступали, как в примере 1.

В результате из фильерных питателей 17 переходных камер 11, 12, 13 и 14 получали соответственно высокосиликатное непрерывное волокно, высокосиликатное рубленое волокно, высокосиликатное грубое волокно и высокосиликатное штапельное волокно.

Химические свойства штапельного волокна представлены в таблице 16.

Таким образом, высокосиликатные непрерывные, рубленые, грубые и штапельные волокна, полученные из материалов на основе песков, благодаря распространенности этого сырья в мире, высоким физико-химическим показателям, которые превосходят базальтовые волокна, найдут широкое применение во многих отраслях промышленности, особенно в производстве строительных материалов, а также для изготовления конструкций и деталей машин, работающих в агрессивных средах.

Группа изобретений относится к средствам получения неорганических волокон из природных минералов и горных пород, а также к волокнам, изготовленным предлагаемыми средствами, а именно к высокосиликатным непрерывному, рубленому, грубому, штапельному волокнам. В качестве сырья используют породу на основе кремнезема, после получения расплава названной породы его температуру доводят до 1750-1850°С. После гомогенизации и стабилизации расплава на пути потока расплава к фильере выработочного отверстия создают зону разрежения, в которой потоку расплава придают форму полосы с толщиной 3,0-20,0 мм и пропускают ее через эту зону со скоростью V=(7-9)10^-4 м/с, а давление воздуха в зоне разрежения над потоком расплава поддерживают в пределах 0,10…0,30 Па. Установка содержит печь для получения расплава, фидер, на выходе которого установлена переходная камера. В стенке корпуса переходной камеры имеется выработочное отверстие, в котором установлен фильерный питатель, а на выходе из выработочного отверстия установлен механизм для получения волокон. Между печью и фидером установлен гомогенизатор, выполненный в виде двух вертикально и соосно установленных с зазором один в другом стаканов, образующих внутреннюю приемную камеру и внешнюю камеру осветления, в которой установлена вертикальная перегородка. Камера осветления снабжена средством для создания разрежения воздуха в ее полости, а между дном одного стакана и свободным торцом другого стакана имеется зазор для прохода потока расплава. Техническая задача группы изобретений - повысить прочность и химическую стойкость получаемых волокон за счет создания условий для уменьшения в них количества инородных, в частности газообразных, включений. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 16 табл.

1. Способ производства высокосиликатных волокон из горных пород, включающий операции загрузки горной породы в плавильную печь, получение расплава, его гомогенизацию и стабилизацию, получения волокна из расплава, вытекающего из фильеры выработочного отверстия, отличающийся тем, что в качестве сырья используют породу на основе кремнезема, после получения расплава названной породы его температуру доводят до 1750-1850°С, а после гомогенизации и стабилизации расплава при указанной температуре на пути потока расплава к фильере выработочного отверстия создают зону разряжения, в которой потоку расплава придают форму полосы с толщиной 3,0-20,0 мм и пропускают ее через эту зону со скоростью V=(7-9)10^-4 м/с, а давление воздуха в зоне разрежения над потоком расплава поддерживают в пределах 0,10-0,30 Па.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сырья используют песок.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сырья используют кварцевый песок.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сырья используют, или измельченный кварцевый песчаник, или кварциты.

5. Установка для производства высокосиликатных волокон из горных пород, способом, описанным в пп.1-4, которая содержит печь для получения расплава, выход из которой соединен со входом фидера, на выходе которого установлена переходная камера, в стенке корпуса переходной камеры имеется выработочное отверстие, в котором установлен фильерный питатель, а на выходе из выработочного отверстия установлен механизм для получения волокон, отличающаяся тем, что между печью и фидером установлен гомогенизатор, выполненный в виде двух вертикально и соосно установленных с зазором один в другом стаканов, образующих внутреннюю - приемную камеру, и внешнюю - камеру осветления, в которой установлена вертикальная перегородка, предназначенная для получения на ее верхнем ребре потока расплава в виде полосы, полость камеры осветления соединена с устройством, предназначенным для создания разряжения воздуха в ее полости над потоком расплава, а между дном одного стакана и свободным торцом другого стакана имеется зазор для прохода потока расплава.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что вертикальная перегородка в камере осветления гомогенизатора выполнена регулируемой по высоте.

7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что гомогенизатор обеспечен системой нагрева, выполненной в виде, по меньшей мере, двух рядов газовоздушных форсунок, закрепленных под углом α=3-65° к вертикали и расположенных по радиусу в шахматном порядке на расстоянии H=(5-7)D от оси гомогенизатора, где D - диаметр сопла форсунки, предназначенных для направления факела на внешнюю - приемную камеру гомогенизатора.

8. Установка по пп.5 и 6, отличающаяся тем, что гомогенизатор обеспечен устройствами для осуществления донного и бокового барботажа.

9. Установка по пп.5 и 6, отличающаяся тем, что вход в гомогенизатор расположен ниже дна печи.

10. Высокосиликатное непрерывное волокно, изготовленное из горных пород, отличающееся тем, что оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом по пп.1-4.

11. Высокосиликатное рубленое волокно, изготовленное из горных пород, отличающееся тем, что оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом по пп.1-4.

12. Высокосиликатное грубое волокно, изготовленное из горных пород, отличающееся тем, что оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом по пп.1-4.

13. Высокосиликатное штапельное волокно, изготовленное из горных пород, отличающееся тем, что оно изготовлено из породы на основе кремнезема способом по пп.1-4.