СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НЕПРЕРЫВНОГО МИНЕРАЛЬНОГО ВОЛОКНА Российский патент 2020 года по МПК C03B37/02 

Изобретение относиться к химической технологии неорганических материалов, в частности к получению волокон из алюмосиликатных горных пород, и может быть использовано на заводах по производству стеклянного волокна и волокна из природного базальта.

Известен способ производства непрерывных волокон из базальтовых пород и устройство для его осуществления [1]. Способ заключается в предварительном подогреве измельченного базальта до температур 250-400°С, загрузке подогретого базальта в расплав ванны плавильной печи в зону максимальных температур 1450-2000°С пламени горелки-загрузчика, плавление, дегазацию и гомогенизацию расплава производят на плавильной площадке при низких уровнях расплава 5-70 мм с последующим увеличением уровня расплава до 80-300 мм в ванне печи.

К недостатку способа следует отнести необходимость поддержания высоких температур в рабочем пространстве печи для плавления базальта и обеспечение требуемой аморфности расплава, что требует большого расхода газа и снижает срок эксплуатации футеровки печи. В зоне высоких температур пламени горелки до 2000°С, интенсивно размывается плавильная площадка, особенно при нарушениях подачи базальта на плавильную площадку в зону пламени горелки.

Известна установка для изготовления базальтовых волокон [2]. В патенте реализован способ производства непрерывного минерального волокна, включающий подачу измельченной горной породы в тигель высокочастотной индукционной печи, ее плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы, выдачу расплава из тигля в фидер, из которого он поступает на фильерный питатель, формирование волокна, нанесение замасливателя и намотку волокна на бобину.

Установка содержит бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в тигель высокочастотной индукционной печи, при этом, тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы в фидер, в нижней части которого установлен, по меньшей мере, один фильерный питатель, смонтированный над механизмом для приема волокон.

Однако известный способ и устройство, не предусматривают возможность регулирования и поддержания уровня расплава в выработочной зоне над фильерными питателями для обеспечения стабильного гидростатического давления расплава базальта в фидере.

Известен способ получения непрерывного базальтового волокна [3], включающий загрузку порции базальта в индукционную печь, имеющую холодный тигель, индукционный нагрев порции базальта до температуры, по меньшей мере, 2500°С с образованием гомогенного расплава, имеющего вязкость менее 500 сП, охлаждение гомогенного расплава до температуры ниже примерно 1500°С путем пропускания расплава через лоток с водяным охлаждением, формирование непрерывного базальтового волокна через втулку (фильеру). Индукционная печь с холодным тиглем работает с частотой около 0,22 мегагерц, 0,32 мегагерц, 0,44 мегагерц или 1,76 мегагерц.

Известный способ не предусматривает возможность регулировать дебит расплава из индукционной печи в зависимости от уровня расплава в волокнообразующем блоке, что не обеспечивает стабильного гидростатического давления расплава в этом блоке и негативно сказывается на качестве вырабатываемого непрерывного волокна.

Недостатком способа является формирование непрерывного базальтового волокна сразу после охлаждение гомогенного расплава до температуры ниже примерно 1500°С путем пропускания расплава через лоток с водяным охлаждением, что может приводить к обрыву волокна при его формировании. На лотке с водяным охлаждением струя расплава контактирует одной стороной сечения с поверхностью лотка или гарнисажем, а другой стороной с воздухом, в результате чего температура по окружности, стекающей с лотка струи, оказывается разной. Градиент температуры по сечению струи расплава, подаваемого в блок формирования волокон, не обеспечивает температурной однородности расплава в этом блоке, может приводить к разной вязкости расплава в объеме блока формирования волокон и, как следствие, к обрыву волокон. Кроме этого, согласно патенту [3], плавление базальта в холодном тигле индукционной печи осуществляется только на четырех фиксированных частотах с номинальным значением частоты: 0,22 мегагерц, 0,32 мегагерц, 0,44 мегагерц или 1,76 мегагерц с допустимым отклонением от номинального значения ±10%, т.е. только для конкретных составов базальта. Базальт каждого конкретного состава имеет свой химический и минералогический состав, и характерную температурную зависимость электропроводности. Оптимальные режимы плавления базальта и параметры работы высокочастотного источника питания при плавлении базальта в холодном тигле индукционной печи на этих режимах могут не совпадать с четырьмя фиксированными частотами. Технологический процесс плавления минерального сырья, в том числе и базальта, в холодном тигле индукционной печи включает в себя три стадии. Первая стадия - получение в холодном тигле из засыпанного базальта первоначального расплава. Вторая стадия - добавление в тигель новых порций базальта до достижения необходимого объема расплава в тигле. Третья стадия - полное плавление базальта, и установление равновесного состояния, которое может поддерживаться длительное время. Первую и вторую стадию актуально проводить, имея возможность изменять частоту тока с максимального значения до оптимального для конкретного состава минерального сырья.

Известно автоматическое поддержание постоянного уровня расплава в стеклоплавильном сосуде при производстве непрерывного стеклянного волокна [4]. Автоматическое регулирование осуществляется автозагрузчиком стеклошариков, позволяющим поддерживать уровень расплава в стеклоплавильном сосуде.

Автозагрузчик состоит из расходного бункера для стеклошариков, дозатора, загрузочных ручьев, датчика высоты уровня расплава, установленного в стеклоплавильный сосуд, задатчика высоты уровня. Для осуществления автоматического поддержания уровня расплава в стеклоплавильном сосуде необходимы заранее изготовленные стеклянные шарики. Изготовление стеклянных шариков требует значительных затрат на плавление составляющих стекла, получение гомогенизированного расплава, формование из расплава шариков, а также расхода энергии на расплав шариков в стеклоплавильном сосуде.

Известен способ контроля уровня расплава [5], в котором на поверхность расплава направляют луч лазера и получают его отражение на фотодетекторе. Положение, в которое попадает луч лазера на фотодетектор, зависит от уровня расплава. Фотодетектор связан с системой непрерывной подачи сырья в тигель, чем обеспечивается постоянство уровня расплава. Недостатком способа является невысокая точность измерения, вследствие использования сигнала от поверхности расплава, покрытого частицами загружаемого в тигель минерального сырья.

В ряде патентов для управления уровнем расплава используют видеокамеру, которую направляют на поверхность расплава и опорную точку, находящуюся вне расплава. Регулирование осуществляют по измерению расстояния между ними, которое анализируют с помощью компьютера.

Известен способ регулирования уровня расплава [6], в котором над поверхностью расплава закрепляют тепловой экран типа «колодец» с прорезью на отбортовке в нижней части, на таком расстоянии от расплава, чтобы на нем отражалась прорезь (метка). Видеокамеру направляют на поверхность расплава и метку, получают изображение на дисплее компьютера. На основании различной светимости поверхности расплава и метки определяют расстояние между ними путем компьютерной обработки полученного изображения. Рассчитанное значение сравнивают с заданным и на основании этого сравнения производят управляющее воздействие.

Недостатком способа является необходимость использования дополнительного конструктивного элемента - теплового экрана с меткой и точного фиксирования его на заданном расстоянии от поверхности расплава. Из-за непрерывно загружаемых в тигель частиц минерального сырья, а также не расплавившихся частиц, находящихся на поверхности постоянно движущегося расплава, вызванного электродинамическими силами и конвекцией, точность измерения не достаточно высокая.

Известен способ и устройство для производства непрерывного минерального волокна [7].

Способ включает дозируемую подачу измельченного минерального сырья в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, его плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы, и выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, после чего на волокно наносят замасливатель и наматывают на бобину. Плавление горной породы в индукционной печи осуществляют в диапазоне частот 0,05-2,0 МГц, в окислительной среде при температуре от 1900 до 2200°С до вязкости расплава менее 1 Па⋅с с постоянным электродинамическим перемешиванием расплава. Выдачу расплава из тигля в фидер с одновременным его охлаждением производят с поверхности ванны расплава в тигле в виде непрерывной струи, свободно падающей до поверхности ванны расплава в фидере, плавно понижая температуру струи по ее сечению в процессе падения на 250-500°С выше температуры кристаллизации расплава породы путем ее динамического перемешивания.

Устройство содержит бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, при этом тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы, и расположенные под ними, устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон

Недостатком способа и устройства, является выдача расплава из тигля в фидер, которая производится с поверхности ванны расплава в виде непрерывной струи. Подаваемая в тигель горная порода находится в твердой фазе, и за счет исходной пористости, имеет плотность меньше, чем плотность расплава. Частица горной породы не тонут в расплаве, а удерживаются на его поверхности. Часть частиц горной породы может попадать в расплав, выдаваемый из тигля с поверхности ванны расплава в виде непрерывной струи. Попадание не расплавившихся частиц в фидер и далее в фильерный питатель приведет к обрыву волокна при его выработке.

Технической задачей и целью предложенных изобретений, является интенсификация процесса получения гомогенных расплавов минерального сырья, расширение технологических возможностей производства непрерывного минерального волокна с тугоплавкими включениями, горных пород с повышенным содержанием SiO₂ и Al₂O₃, минерального модифицированного сырья, содержащего высокотемпературные оксиды и выработки из этих расплавов непрерывного минерального волокна высокого качества с повышенными физико-механическими характеристиками, обеспечение возможности полной автоматизации технологического процесса получения непрерывных минеральных волокон.

Для решения поставленной задачи, предлагаются следующие варианты способов производства непрерывного минерального волокна.

СПОСОБ, 1-вый вариант:

в способе производства непрерывного минерального волокна, включающем дозируемую подачу измельченного минерального сырья в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, его плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы, и выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, после чего на волокно наносят замасливатель и наматывают на бобину, согласно изобретению, плавление минерального сырья осуществляют в секционном холодном тигле в зоне тигля не превышающей от поверхности ванны расплава в тигле, а выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, производят в виде струи через отверстие в боковой секции тигля из зоны ванны расплава, находящейся на глубине от до от поверхности ванны расплава (где Н - полная глубина ванны расплава в тигле), с регулированием дебита, путем изменения площади выпускного отверстия и с температурой струи на 250-600°С выше температуры кристаллизации расплава, причем, корректировку температуры выдаваемого расплава производят, изменяя расстояние между выпускным отверстием и нижней ветвью индуктора, при этом, непрерывно выполняют контроль и регулирование уровня расплава в тигле. Кроме того: устройство для формирования волокна, выполнено в виде, по меньшей мере, одного фильерного питателя; устройство для формирования волокна, выполнено в виде фидера, оборудованного, по меньшей мере, одним фильерным питателем; контроль и регулирование уровня расплава в тигле, осуществляют с помощью инфракрасной видеокамеры, одновременно фиксирующей положение поверхности расплава в тигле и положение торца витка индуктора, после чего путем компьютерной обработки полученного изображения, определяют расстояние между этими положениями, затем вычисленное значение сравнивают с регламентным значением и осуществляют управление дозированием количества минерального сырья подаваемого в единицу времени на поверхность ванны расплава в тигле, и управление параметрами работы высокочастотного источника питания, путем повышения или понижения активной мощности подводимой к индуктору; контроль и регулирование уровня расплава в тигле, выполняют путем измерения массы холодного тигля, с содержащимся в нем расплавом и не расплавившимся измельченным минеральным сырьем, затем вычисленное значение сравнивают с регламентным значением и осуществляют управление дозированием количества минерального сырья подаваемого в единицу времени на поверхность ванны расплава в тигле, и управление параметрами работы высокочастотного источника питания, путем повышения или понижения активной мощности подводимой к индуктору.

СПОСОБ, 2-ой вариант:

в способе производства непрерывного минерального волокна, включающем дозируемую подачу измельченного минерального сырья в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, его плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы, и выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, после чего на волокно наносят замасливатель и наматывают на бобину, согласно изобретению, плавление минерального сырья осуществляют в секционном холодном тигле в зоне тигля не превышающей от поверхности ванны расплава в тигле, а выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, производят с температурой соответствующей среднему значению температурного интервала выработки волокна для данного минерального сырья, и осуществляют посредством трубчатого питателя через боковую секцию тигля и/или посредством трубчатого питателя с донным выпуском расплава. Кроме того: трубчатый питатель нагревают до температуры равной верхнему значению температурного интервала выработки волокна; трубчатый питатель нагревают до температуры превышающую на 200-300°С температуру кристаллизации расплава; уменьшение дебита выдачи расплава или полное прекращение выдачи расплава, осуществляют путем понижения мощности нагрева трубчатого питателя и его охлаждением газообразной средой; устройство для формирования волокна, выполнено в виде, по меньшей мере, одного фильерного питателя; устройство для формирования волокна, выполнено в виде фидера, оборудованного, по меньшей мере, одним фильерным питателем.

Основной особенностью метода прямого высокочастотного плавления минерального сырья в холодном тигле является непосредственный нагрев материала энергией высокочастотного поля, причем сам материал при этом находится в охлаждаемом водой металлическом тигле. Вследствие этого, распределение температур, и вязкости в расплаве имеет свои максимумы и минимумы. Распределение температур в расплаве является важным технологическим параметром, оказывающим большое влияние на гомогенизацию расплава и выбор слоя в ванне расплава, из которого осуществляется отбор расплава в отверстие боковой секции тигля и/или в донный трубчатый питатель. От распределения температур в расплаве зависит неоднородность вязкости расплава, которая в свою очередь определяет направление и интенсивность потоков в объеме расплава и условия выдачи расплава из холодного тигля для его дальнейшей переработки. В объеме расплава в холодном тигле создается градиент температур, как по радиусу, так и по глубине расплава. Область максимальной температуры в зоне расположения индуктора имеет вид кольца. В этой же кольцевой области происходит достаточно интенсивное перемешивание расплава, вызванное индуктированными индуктором электродвижущими силами в расплаве и конвективным движением расплава. Уменьшение температуры расплава наблюдается около охлаждаемых водой стенок тигля. Слой расплава, прилегающий к стенкам тигля, содержит частицы минерального сырья, непосредственно контактирующие со стенками холодного тигля и слоем вязкого расплава. В объеме расплава в холодном тигле наблюдается уменьшение температуры расплава по его глубине, то есть, чем ниже от индуктора расположен слой расплава, из которого осуществляется его выпуск, тем меньше температура расплава. При приближении отверстия, предназначенного для выпуска расплава из тигля, к индуктору, температура расплава, выдаваемого через отверстие в тигле, повышается. Индуктор индукционной печи имеет механизм перемещения относительно тигля в вертикальном направлении. Это позволяет регулировать положение выпускного отверстия в боковой секции тигля, а также верхнего конца трубчатого питателя, установленного в донной части тигля и осуществляющего забор расплава, относительно индуктора, тем самым регулировать температуру расплава, выдаваемого в боковой трубчатый питатель через отверстие в боковой секции тигля и/или в донный трубчатый питатель, установленный в донной части тигля.

Непрерывная и равномерная подача измельченного минерального сырья в тигель на поверхность расплава, имеющего температуру 2000°С и выше, позволяет интенсифицировать процесс плавления частиц минерального сырья, полностью гомогенизировать расплав, сохранять постоянное количество расплава в тигле и обеспечивать неизменный дебит расплава с требуемой температурой через отверстие в боковой секции тигля, и/или через донный трубчатый питатель, проходящий через донную часть тигля. При изначально одинаковом химическом и минералогическом составе минерального сырья, вязкость расплава практически зависит только от его температуры.

Подаваемое сырье находится в твердой фазе, и за счет исходной пористости, имеет плотность меньше, чем плотность расплава. Частицы подаваемого сырья не тонут в расплаве, а удерживаются на его поверхности. В зоне расположения индуктора в кольцевой области расплава происходит достаточно интенсивное перемешивание расплава, вызванное индуктированными (наводимыми) индуктором электродвижущими силами в расплаве и конвективным движением расплава.

При падении электромагнитной волны на поверхность электропроводящего расплава в последнем индуктируются токи, которые взаимодействуют с магнитным полем индуктора. В результате к каждому элементу объема расплава, по которому течет индуктированный ток, приложена сила, под действием которой расплав приходит в движение. В холодном тигле это вызывает выдавливание расплава вдоль оси тигля вверх и вниз, перетекание к краям на поверхности расплава и внизу области расположения индуктора, и возвращение к средней горизонтальной плоскости вдоль стенок. В этой области интенсивного движения расплава на его поверхности находятся как частицы не расплавившегося минерального сырья, так и вновь подаваемого в тигель сырья. При электродинамической циркуляции расплава в тигле более мелкие частицы минерального сырья перемешиваются с расплавом, за счет сил жидкостного трения захватываются им и движутся с расплавом в зоне расположения индуктора. Более крупные частицы могут оставаться на поверхности ванны расплава до тех пор, пока их масса за счет плавления не уменьшиться настолько, что они начнут перемешиваться с расплавом и перемещаться с ним не только по поверхности, но и в глубину, в зоне расположения индуктора. Выдача расплава, предназначенного для выработки непрерывного минерального волокна, из этой зоны тигля не целесообразна, так как может привести к попаданию в фильерный питатель не гомогенизированного расплава, содержащего не расплавленные частицы, и, как следствие, к обрыву волокна при его выработке.

Зона расположения индуктора, с интенсивным движением расплава, находится в верхней части ванны расплава в тигле от поверхности расплава на глубине до где Н - полная глубина ванны расплава в холодном тигле. Ниже зоны расположения индуктора с увеличением глубины, температура расплава уменьшается, что обусловлено уменьшением эффективности нагрева слоев расплава, находящихся ниже индуктора, а также отводом тепла через водоохлаждаемые боковые стенки и дно тигля. Ниже зоны расположения индуктора увеличивается толщина гарнисажа на боковых секциях тигля. Увеличивается в этой зоне и толщина вязкого слоя расплава. Чем больше слой гарнисажа на боковых секциях тигля, тем сложней обеспечить выдачу расплава с требуемой вязкостью и температурой через отверстие в боковой стенке тигля. Из-за относительно низкой температуры в придонной части объема ванны расплава, большой величины гарнисажа на боковой стенке тигля и значительной толщины вязкого слоя расплава, обеспечивать выдачу струи расплава через отверстие в боковой секции тигля на глубине объема расплава ниже также не целесообразно.

Выдачу расплава через отверстие в боковой секции тигля осуществляют из зоны ванны расплава, расположенное ниже нижней ветви индуктора, то есть ниже зоны плавления минерального сырья и где отсутствует электродинамическое перемешивание расплава. Такая зона ванны расплава находится на глубине от до от поверхности ванны расплава, где Н - полная глубина ванны расплава в тигле. Расплав, выдаваемый через отверстие в боковой секции тигля, полностью гомогенизирован. Выдача расплава из тигля через отверстие, расположенное ниже индуктора, исключает попадание в этот расплав не расплавившихся частиц. Выдаваемый расплав полностью гомогенизирован. При увеличении расстояния между выпускным отверстием в боковой секции тигля и нижней ветвью индуктора температура струи расплава, выдаваемого из тигля, будет снижаться, а при приближении этого отверстия к индуктору - повышаться.

Изменение дебита струи расплава осуществляют следующим образом: при уменьшении уровня расплава в фидере ниже допустимого, одновременно автоматически увеличивают площадь выпускного отверстия в боковой секции тигля, увеличивают количество шихты, подаваемой в тигель в единицу времени, увеличивают активную мощность на индукторе; при увеличении уровня расплава в фидере выше допустимого, одновременно автоматически уменьшают площадь выпускного отверстия в боковой секции тигля, уменьшают количество шихты, подаваемой в тигель в единицу времени, уменьшают активную мощность на индукторе.

Для плавления минерального сырья в холодном тигле индукционной печи используются одновитковые, двухвитковые или многовитковые индукторы, охватывающие тигель. Многовитковые индукторы позволяют увеличивать глубину ванны расплава (и уменьшить температурный градиент по ее глубине). Исследования и эксплуатация оборудования для плавления горных пород показали, что при производстве базальтового волокна целесообразнее использовать двухвитковые индукторы. Плоскость верхнего торца нижнего витка индуктора устанавливают на 10-15 мм ниже поверхности ванны расплава в тигле. Верхний виток индуктора устанавливают на 20-25 мм выше поверхности ванны расплава. При плавлении минерального сырья в холодном тигле, установленном внутри двухвиткового или многовиткового индуктора, имеется область в боковой секции тигля, где поверхность ванны расплава находится напротив зазора между двумя соседними витками индуктора, и в эту область направляется объектив инфракрасной видеокамеры для контроля положения поверхности ванны расплава относительно витка индуктора. Плоскость торца витка, который расположен напротив поверхности ванны расплава, может быть выбрана за опорную точку для контроля текущего положения поверхности ванны расплава при плавлении минерального сырья в холодном тигле индукционной печи. Изменение положения поверхности ванны расплава относительно индуктора приводит к рассогласованию системы «высокочастотный источник питания - тигель» и изменению режимов работы высокочастотного источника питания с нагрузкой. Нагрузкой является объем расплава в холодном тигле. При рассогласовании снижается активная мощность, подводимая к расплаву, нарушается тепловая устойчивость плавки. Индуктированный ток при этом в расплаве не достаточен для создания мощности способной, не только компенсировать потери от зоны нагрева, но и обеспечить плавление дополнительного объема сырья. Ширина вертикальной прорези в секции тигля, куда направлен объектив инфракрасной видеокамеры, выбирается из условия, чтобы расплав удерживался от вытекания силами «поверхностного натяжения. В объеме ванны расплава, примыкающего к боковым секциям холодного тигля, имеется слой вязкого расплава. В зоне расположения индуктора слой вязкого расплава обычно составляет 3-5 мм и зависит от химического состава минерального сырья и режима работы высокочастотного источника питания. В контролируемой прорези находится вертикальный слой жидкой фазы маловязкого расплава или твердая фаза расплава с температурой, близкой к температуре верхнего предела кристаллизации расплава. В процессе плавления при понижении поверхности ванны расплава в тигле часть вертикального слоя расплава, находящегося в прорези, и оказавшаяся выше поверхности расплава, не контактирует с расплавом ванны, и его температура резко понижается за счет охлаждения от водоохлаждаемых секций. Градиент температур в контролируемой прорези между поверхностью ванны расплава и выше этого уровня достигает несколько сот градусов. Контролируя инфракрасной видеокамерой, по температуре, положение поверхности расплава в прорези, и по температуре положение плоскости верхнего торца ветви индуктора, определяют положение поверхности ванны расплава относительно индуктора. Сравнивая полученное значение поверхности ванны расплава с требуемым значением, производят управляющее воздействие на дозирующий механизм для коррекции количества минерального сырья, подаваемого в единицу времени на поверхность расплава. Также производят управляющее воздействие на параметры высокочастотного источника питания, для увеличения или уменьшения активной мощности, подводимой к индуктору, с целью увеличения или уменьшения поступающей в расплав мощности от переменного электромагнитного поля.

При плавлении в холодном тигле высокотемпературных окислов, рекомендуется использовать одновитковый индуктор, у которого плоскость верхнего торца индуктора всегда должна быть над поверхностью ванны расплава, но не выше половины высоты индуктора.

Для решения поставленной задачи, также предлагаются следующие варианты устройств для производства непрерывного минерального волокна.

УСТРОЙСТВО, 1-вый вариант:

в устройстве для производства непрерывного минерального волокна, содержащем бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, при этом тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы, и расположенные под ними, устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон, согласно изобретению, летка для выдачи расплава породы из тигля, представляет собой сквозное отверстие в боковой секции тигля, расположенное на глубине от до от поверхности ванны расплава (где Н - полная глубина ванны расплава в тигле), а устройство дополнительно снабжено автоматическим дозатором-регулятором выдачи расплава породы из тигля через летку. Кроме того: автоматический дозатор-регулятор выполнен в виде водоохлаждаемой пробки, подвижной в горизонтальной и вертикальной плоскостях и установленной напротив летки, причем, пробка и боковая секция тигля изготовлены из одного и того же материала и электрически соединены между собой; индуктор индукционной печи, снабжен механизмом его перемещения в вертикальной плоскости относительно холодного тигля; боковая секция тигля дополнительно снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора; устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора; при использовании одновиткового индуктора, виток индуктора снабжен сквозной выемкой равной где В - высота витка индуктора.

УСТРОЙСТВО, 2-ой вариант:

в устройстве для производства непрерывного минерального волокна, содержащем бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, при этом тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы, и расположенные под ними, устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон, согласно изобретению, летка для выдачи расплава породы из тигля, представляет собой сквозное отверстие в боковой секции тигля, расположенное на глубине от до от поверхности ванны расплава (где Н - полная глубина ванны расплава в тигле), а устройство дополнительно снабжено боковым трубчатым питателем установленным верхним концом в летку тигля с зазором от 0,5 до 1,5 мм, причем, зазор между леткой тигля и наружной поверхностью трубчатого питателя, заполнен гарнисажем расплава из той же горной породы, а нижний конец трубчатого питателя, состыкован с устройством для формирования волокна. Кроме того: между боковой секцией тигля с леткой для выдачи расплава породы и верхним концом трубчатого питателя, установлен переходник с отверстием, выполненный из высокотемпературного и неэлектропроводного материала, одним концом переходник состыкован с боковой секцией тигля, а другим, с верхним концом трубчатого питателя, создавая совместно с трубчатым питателем общий канал для выдачи расплава из тигля в устройство для формирования волокна; индуктор индукционной печи, снабжен механизмом его перемещения в вертикальной плоскости относительно холодного тигля; боковая секция тигля дополнительно снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора; устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора; при использовании одновиткового индуктора, виток индуктора снабжен сквозной выемкой равной где В - высота витка индуктора.

УСТРОЙСТВО, 3-ий вариант:

в устройстве для производства непрерывного минерального волокна, содержащем бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, выполненный с возможностью выдачи расплава породы, и расположенные под ними, устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон, согласно изобретению, донная часть холодного тигля, снабжена вкладышем с отверстием, который состоит из огнеупорного и теплоизоляционного материалов, причем огнеупорный материал вкладыша контактирует с расплавом породы тигля, а устройство дополнительно снабжено донным трубчатым питателем, установленным верхним концом в отверстие вкладыша, а нижним концом в устройство для формирования волокна. Кроме того: индуктор индукционной печи, снабжен механизмом его перемещения в вертикальной плоскости относительно холодного тигля; боковая секция тигля дополнительно снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора; устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора; при использовании одновиткового индуктора, виток индуктора снабжен сквозной выемкой равной где В - высота витка индуктора.

Перемещение индуктора относительно тигля осуществляется с целью выдачи из холодного тигля расплава с оптимальной для выработки волокна температурой. Перемещение индуктора обеспечивает возможность выдавать расплав из слоев, имеющих различную температуру, расположенных на разном расстоянии от индуктора, то есть от зоны интенсивного нагрева расплава. В ходе перемещения индуктора относительно тигля, должны быть согласованы режим нагрева (плавления сырья), интенсивность подачи сырья и скорость перемещения индуктора. Критерием согласованности, является постоянное положение уровня расплава относительно плоскости индуктора. Перемещение индуктора осуществляют с периодическими остановками, во время которых измеряют температуру расплава, выдаваемого из тигля, корректируют интенсивность подачи сырья и изменяют активную мощность, подводимую к индуктору источником высокочастотного питания. При движении индуктора относительно тигля вверх, увеличивается расстояние между местом выдачи расплава из тигля и плоскостью индуктора (зоной расплава с максимальной температурой, находящейся в области расположения индуктора). Температура расплава, выдаваемого из тигля, снижается. Количество подаваемого в тигель минерального сырья и его плавление, превосходит дебит расплава из тигля. Поэтому, интенсивность подачи сырья уменьшают и корректируют активную мощность индуктора. При движении индуктора относительно тигля вниз, температура расплава выдаваемого из тигля, повышается. При этом, сокращают подачу минерального сырья в тигель и корректируют активную мощность, подводимую к индуктору источником высокочастотного питания. Когда температура выдачи расплава из тигля достигает оптимального значения, количество сырья подаваемого в тигель и дебит выдачи расплава из тигля, выравнивают, приводя их в соответствие при котором положение уровня расплава относительно плоскости индуктора не изменяется.

В устройстве с целью контроля уровня расплава в холодном тигле, боковая секция тигля снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

В устройстве инфракрасная видеокамера направлена на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который в свою очередь связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

Изобретения поясняются графически.

На фиг. 1 - изображена структурная (конструкционная) схема устройства для реализации способа производства непрерывного минерального волокна;

на фиг. 2 - показана конструктивная схема изменения площади выпускного отверстия в боковой секции тигля дозатором-регулятором в виде водоохлаждаемой пробки;

на фиг. 3 и 4 - изображен вариант структурной схемы с использованием для плавления минерального сырья одновиткового индуктора;

на фиг. 5 - показана структурная схема выдачи расплава из холодного тигля посредством бокового трубчатого питателя;

на фиг. 6 - показана структурная схема выдачи расплава из отверстия в боковой секции холодного тигля посредством бокового трубчатого питателя в фильерный питатель;

на фиг. 7 - показана структурная схема выдачи расплава из донной части холодного тигля в донный трубчатый питатель.

Способ реализован в следующем устройстве.

Устройство для осуществления способа производства непрерывного минерального волокна показано на фиг. 1. Устройство содержит смонтированный на общей рамной конструкции (не показана) бункер 1, оборудованный дозирующим механизмом 2. Бункер 1 с дозирующим механизмом 2 расположены с возможностью подачи предварительно измельченного минерального сырья, например, горной породы - базальта в холодный (водоохлаждаемый) тигель 3 с донной частью и с расплавом 4 базальта 5. Дозирующий механизм 2 обеспечивает непрерывную и равномерную подачу базальта 5 на поверхность 6 ванны расплава 4. Базальт 5, непрерывно и равномерно подаваемый на поверхность расплава 4, находится в твердой фазе, и за счет наличия в нем газовых включений и легкоплавких соединений, имеет плотность меньше плотности расплава. Фракции (частицы) подаваемого сырья не тонут в расплаве, а удерживаются на его поверхности. Тигель 3 установлен внутри катушки индуктора 7, который электрически связан с высокочастотным источником питания 8. Индуктор имеет нижний виток 9, и верхний виток 10. Нижний виток 9 индуктора 7 своей верхней плоскостью витка установлен на 10-15 мм ниже поверхности 6 расплава 4 в тигле 3. Верхний виток 10 индуктора 7 на 20-25 мм установлен выше поверхности 6 расплава 4. Тигель 3 состоит из донной части (позицией не выделена) и боковых секций 11, охлаждаемых водой. Между секциями 11 имеются зазоры-щели шириной 1-3 мм, которые препятствуют замыканию вихревых токов. По крайней мере, в одной из секций 11 тигля 3 имеется отверстие 12, которое предназначено для выдачи расплава 4 из тигля 3. Отверстие 12 расположено ниже нижнего витка 9 индуктора 7. Струя расплава 13, непрерывно вытекающая из отверстия 12 тигля 3 направляется в приемную зону 14 фидера 15. Фидер 15 конструктивно и функционально связан с тиглем 3. Датчик уровня 16 контролирует уровень расплава в выработочной зоне фидера 15. В нижнюю часть фидера встроен один или несколько фильерных питателей 17 для выработки расплава базальта методом механического вытягивания. Фильерные питатели 17 установлены с возможностью подачи непрерывных волокон в устройства для приема волокон, например, замасливающие приспособления 18, предназначенные для исключения склеивания (слипания) элементарных непрерывных волокон между собой, и наматывающих устройств с бобинами 19. При изменении уровня расплава в фидере больше допустимого или меньше допустимого значения датчик уровня 16 выдает соответствующий сигнал на управляющий компьютер 20. Компьютер 20 по программе выдает сигнал на управляющий механизм 21, который, используя дозатор-регулятор в виде водоохлаждаемой пробки 22, изменяет площадь отверстия 12 в боковой секции 11 тигля 3, соответственно, в зависимости от сигнала компьютера 20, увеличивая или уменьшая площадь отверстия 12. Изменение площади отверстия 12 приводит к изменению дебита струи 13 расплава 4, вытекающего через отверстие 12 и попадающего в фидер 15. При изменении дебита струи 13 из тигля, уровень расплава 4 в тигле 3 будет изменяться. Поверхность 6 ванны расплава 4 постепенно начнет подниматься или опускаться относительно ветвей индуктора 7, в зависимости от уменьшения или увеличения дебита струи 13 из тигля 3, вызванного корректировкой площади отверстия 12. Датчиком контроля уровня расплава в тигле 3 является инфракрасная видеокамера 23, установленная по горизонтали от поверхности 6 ванны расплава 4, сбоку от тигля 3 и своим объективом 24 направлена на вертикальную прорезь 25 шириной 1-3 мм и длиной 30-60 мм, выполненную в одной из секций 11 тигля и расположенную между нижним 9 и верхним 10 витками индуктора 7. Изображение прорези и верхней плоскости нижнего витка 9 получают на дисплее компьютера 20. На основании различной светимости границы поверхности расплава 4 в контролируемой вертикальной прорези 25 и верхним торцом витка 9 индуктора 7 определяют расстояние между ними путем компьютерной обработки полученного изображения. Рассчитанное положение уровня расплава сравнивают с заданным (необходимым) положением уровня. На основании этого сравнения, подается сигнал на компьютер 20, который производит управляющее воздействие на дозирующий механизм 2 для коррекции количества минерального сырья, непрерывно подаваемого в единицу времени на поверхность расплава 4. Одновременно компьютером 20 по программе подается управляющее воздействие на параметры работы высокочастотного источника питания 8 для изменения активной мощности, подводимой к индуктору 7. При увеличении количества минерального сырья, непрерывно подаваемого дозирующим механизмом 2 в тигель 3, активная мощность на индукторе 7 увеличивается, а при уменьшении количества подаваемого сырья - уменьшается.

Как вариант, в устройстве для осуществления способа производства непрерывного минерального волокна, инфракрасную видеокамеру 23 устанавливают сбоку от секционного тигля 3, на уровне плоскости верхнего торца витка 9 индуктора 7, и направляют на зазор между соседними боковыми секциями 11 и на верхний торец нижнего витка 9 индуктора 7, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между двумя секциями 11, а контроль положения поверхности 6 ванны расплава 4 относительно индуктора осуществляет компьютер 20. Компьютер в свою очередь связан с дозирующим механизмом 2 бункера 1 и с высокочастотным источником питания 8.

Выдача расплава в виде струи с температурой на 250-600°С выше температуры верхнего предела кристаллизации производится в приемную зону 14 фидера 15, из которой расплав перетекает к узлам выработки, с фильерными питателями 17, устройством замасливания 18 волокна и наматывающими устройствами 19. Температура струи 13 расплава 4, выдаваемого через отверстие 12, выбирается на 250-600°С выше температуры верхнего предела кристаллизации и выше температуры верхнего интервала выработки волокна. Для горных пород, пригодных к выработке непрерывного волокна, температура верхнего интервала выработки волокна составляет 1370-1450°С. Температура верхнего предела кристаллизации этих пород в зависимости от химического и минералогического состава находится в пределах 1215-1315°С.

На фиг. 2 изображен участок сечения А фиг. 1, поясняющий изменение площади выпускного отверстия в боковой секции тигля. Отверстие 12 в одной из боковых секций 11 тигля имеет, например, форму прямоугольника с двумя полуокружностями по вертикали. Водоохлаждаемая пробка 22 торцовой поверхностью перекрывает верхнюю часть отверстия 12. При этом торцевая поверхность пробки 22 может не доходить до наружной плоскости боковой секции 11 на 0,5…3,5 мм. Эта величина зазора позволяет сохранять между боковой стенкой секции 11 и торцевой поверхностью пробки 22, вязкий слой расплава, который позволяет перемещать водоохлаждаемую пробку 22 относительно отверстия 12 с незначительным усилием, «без залипания», изменяя площадь выпускного отверстия в боковой секции, и тем самым регулировать дебит струи расплава из тигля.

Как вариант, на фиг. 3 показано устройство с одновитковым индуктором для осуществления способа регулирования поверхности ванны расплава в холодном тигле индукционной печи в процессе плавления минерального сырья. Индуктор 7 имеет один виток. Верхняя плоскость индуктора, находится выше поверхности 6 ванны раплава 4. В витке индуктора 7, напротив контролируемой прорези 25 в одной секции 11 тигля 3 (или контролируемого зазора между соседними секциями), куда направлен объектив 24 инфракрасной видеокамеры 23, выполнена сквозная вырезка (выемка, углубление) высотой (глубиной) 1/3 В, где В - высота индуктора (см. фиг. 4). Объектив инфракрасной видеокамеры направлен на эту вырезку в индукторе. Изображение контролируемой прорези в секции 11 тигля 3 (или контролируемого зазора между соседними секциями) в области сквозной вырезки в витке индуктора 7 получают на дисплее компьютера 20. На основании различной светимости поверхности 6 ванны расплава 4 в контролируемой прорези секции 11 тигля 3 и светимости плоскости поверхности индуктора 7 определяют расстояние между ними путем компьютерной обработки полученного изображения. Рассчитанное положение уровня расплава сравнивают с заданным (необходимым) положением уровня. На основании этого сравнения, производят управляющее воздействие на дозирующий механизм для коррекции количества минерального сырья, непрерывно подаваемого в единицу времени на поверхность 6 ванны расплава 4 и управляющее воздействие на параметры работы высокочастотного источника питания 8 для изменения активной мощности, подводимой к индуктору 7.

Важным этапом получения качественного волокна является процесс выдачи гомогенизированного расплава с требуемыми параметрами из тигля и сохранение этих параметров до подачи расплава к отверстиям фильерного питателя.

На фиг. 5 показана структурная схема выдачи расплава из холодного тигля посредством бокового трубчатого питателя.

В отверстие 12 боковой секции 11 тигля 3 установлен боковой трубчатый питатель 26. Вокруг наружной поверхности бокового трубчатого питателя 26 установлен нагревательный элемент 27, подключенный к трансформатору (не показан).

Трубчатый питатель 26 с нагревательным элементом 27 расположены внутри теплоизолирующего корпуса 28, имеющего два штуцера 29 и 30 для подачи газовой среды для охлаждения трубчатого питателя 26. Трубчатый питатель может быть изготовлен из металла, например, платинородиевого сплава или из высокотемпературной керамики, например, диоксида циркония. В отверстие 12 боковой секции 11 тигля 3 боковой трубчатый питатель 26 установлен с зазором 0,5-1,5 мм между наружной поверхностью трубчатого питателя и отверстием в боковой секции тигля. Конструктивные элементы крепления трубчатого питателя 26 к боковой секции 11 тигля 3 не показаны. Зазор заполнен гарнисажем 31 расплава 4 этого же минерального сырья. Гарнисаж 31 между наружной поверхностью трубчатого питателя 26 и поверхностью отверстия 12 секции 11 образуется при наведении ванны расплава в тигле и с появлением расплава в зазоре между отверстием и трубчатым питателем. Нагревательный элемент 27 при стартовых режимах предназначен для нагрева трубчатого питателя до температуры, при которой расплав требуется подать из тигля 3, то есть до температуры на 250-600°С выше температуры верхнего предела кристаллизации. В процессе эксплуатации нагрев бокового трубчатого питателя 26 осуществляется, в основном, за счет теплопередачи от расплава, протекающего из тигля 3 по каналу трубчатого питателя, а нагревательный элемент 27 способствует поддержанию требуемой конкретной температуры наружной поверхности трубчатого питателя. Фиксация температуры наружной поверхности трубчатого питателя и поддержание этой температуры в требуемых пределах осуществляется известным способом, например, с использованием термопар и системы автоматического регулирования трансформатора. Гарнисаж 31 расплава в зазоре 0,5-1,5 мм между наружной поверхностью трубчатого питателя 26 и поверхностью отверстия 12 в боковой секции 11, охлаждаемой водой, обеспечивает достаточную теплоизоляцию, чтобы расплав, протекающий по боковому трубчатому питателю, практически не подвергался охлаждению в этом месте.

Для прекращения дебита расплава, проходящего через боковой трубчатый питатель 26, или для уменьшения дебита снижают температуру нагревательного элемента 27, осуществляя обдув трубчатого питателя газовой средой. В один из штуцеров 29 или 30 теплоизолирующего корпуса 28 подают газообразную среду, нагретую до температуры равной или ниже температуры кристаллизации расплава для принудительного охлаждения трубчатого питателя. Это приведет к уменьшению температуры расплава, протекающего по трубчатому питателю, возрастанию вязкости расплава у внутренних стенок трубчатого питателя, и как следствие, к уменьшению дебита расплава, протекающего через трубчатый питатель, или к прекращению выдачи расплава через трубчатый питатель. В качестве газообразной среды может использоваться, например, инертный газ, воздух.

На фиг. 6 изображена структурная схема выдачи расплава из отверстия в боковой секции холодного тигля посредством бокового трубчатого питателя в фильерный питатель.

В отверстие 12 боковой секции 11 тигля 3 установлен верхний конец бокового трубчатого питателя 26 с равномерным зазором 0,5-1,5 мм между наружной поверхностью трубчатого питателя и отверстием 12 в боковой секции 11 тигля 3, а нижний конец бокового трубчатого питателя 26, стыкуется с фильерным питателем 17. Струя расплава, непрерывно вытекающая из отверстия 12 тигля 3 по каналу трубчатого питателя 26, перетекает в фильерный питатель 17, предназначенный для выработки расплава в непрерывное волокно методом механического вытягивания. Фильерный питатель 17 установлен с возможностью подачи непрерывных волокон в устройство для приема волокон, например, замасливающее приспособление 18, предназначенное для исключения склеивания (слипания) элементарных непрерывных волокон между собой, и наматывающее устройство с бобинами 19.

На фиг. 7 изображена структурная схема выдачи расплава в донный трубчатый питатель, проходящий через донную часть холодного тигля.

Устройство содержит холодный тигель 3 с донной частью (позицией не выделена) и с расплавом 4. В донную часть тигля 3 установлен вкладыш 32, состоящий из совокупности огнеупорного материала, например, хромкорунда, и теплоизоляционного материала. Во вкладыше 32 имеется сквозное отверстие, в которое вставлен верхний конец донного трубчатого питателя 33. Донный трубчатый питатель 33 проходит через окно 34 в донной части тигля 3 и своим нижним концом стыкуется с фильерным питателем 17.

В условиях локального нагрева расплава индуктором объем ванны расплава ограничен и легко регулируется. Индукционный нагрев с электродинамическим перемешиванием позволяет получить глубокую ванну с достаточно равномерным распределением температуры по высоте от зоны расположения индуктора до его придонных слоев. Максимум температуры наблюдается около поверхности в зоне расположения индуктора. С увеличением глубины расплава температура уменьшается вследствие отвода тепла через стенки тигля и снижения интенсивности нагрева из-за удаления от индуктора. В придонной части объема ванны находится зона кристаллизации расплава. Благодаря механизму перемещения индуктора и тигля в вертикальной плоскости относительно друг друга в процессе эксплуатации регулируется расстояние между индуктором 7 и верхним концом донного трубчатого питателя 33, тем самым изменяется температура расплава 4, поступающего в донный трубчатый питатель 33.

Степень раскрытия устройств и реализованных в них способов для производства непрерывного минерального волокна, достаточна для использования предложенных изобретений в промышленности с достижением заявленного технического результата.

Пример осуществления способа производства непрерывного минерального волокна.

Разработанный способ производства непрерывного минерального волокна реализован на опытной установке, состоящей из высокочастотного генератора, индукционной печи с холодным (водоохлаждаемым) тиглем и индуктором, дозирующего механизма, направляющих водоохлаждаемых лотков, электрообогреваемого фидера, фильерного питателя и аппарата для намотки нити.

В качестве горной породы для изготовления непрерывного минерального волокна использовано габбро Малетинского месторождения Алтайского края. Химический состав габбро:

SiO₂ - 46,53%; Al₂O₃ - 16,59; TiO₂ - 2,18; FeO - 7,20; Fe₂O₃ - 4,58; CaO - 10,41; MgO - 4,37; MnO - 0,17; P₂O₅ - 0,28; K₂O - 2,44; Na₂O - 2,02.

Для плавления горной породы использовали высокочастотный генератор ВЧИ11-60/1,76 (колебательная мощность 60 кВт, рабочая частота 1,76 МГц), охлаждаемый водой секционный тигель с медными секциями и двухвитковый индуктор. Диаметр тигля 230 мм, площадь зеркала расплава 0,04 м². Внутри водоохлаждаемого тигля, состоящего из вертикальных изолированных друг от друга секций, наведена ванна расплава. Стенки тигля прозрачны для электромагнитного поля индуктора, который концентрически охватывает тигель, поскольку поле проникает внутрь тигля через щели между секциями. Величина зазоры щелей составляет 1-1,5 мм. Нижний виток индуктора своей верхней поверхностью витка установлен на 12 мм ниже поверхности наведенной в тигле ванны расплава. Верхний виток индуктора своей нижней поверхностью установлен на 20 мм выше поверхности ванны расплава. Поверхность наведенной ванны расплава находится между двумя витками в индукторе и в процессе плавления горной породы и выдачи расплава из тигля должна сохраняться на этом уровне. Глубина ванны расплава 210 мм. Область интенсивного движения расплава расположена напротив зоны индуктора и составляет от поверхности расплава вглубь приблизительно 50 мм.

В одной из секций тигля, имеется отверстие. Отверстие расположено на расстоянии (глубине) 120 мм от поверхности ванны расплава, ниже нижнего витка индуктора. Отверстие имеет форму прямоугольника с двумя полуокружностями по вертикали. Площадь отверстия 55 мм². Это отверстие в боковой секции тигля может полностью или частично перекрываться водоохлаждаемой пробкой, что позволяет регулировать дебит струи расплава из тигля, а также позволяет полностью перекрывать его и прекратить истечение расплава из тигля. В одной из секций тигля выполнен вертикальный разрез шириной 2,5 мм и длиной 50 мм. Разрез расположен между нижней и верхней ветвями индуктора.

Индукционная печь опытной установки оснащена тепловизионной инфракрасной системой, предназначенной для измерения пространственного распределения радиационной температуры объектов по их собственному тепловому излучению. Система состоит из инфракрасной видеокамеры FLIR A645sc в защитном корпусе с водяным охлаждением, соединенной с персональным компьютером, имеющим встроенную плату управления. Инфракрасная видеокамера установлена в шкафу индукционной печи напротив вертикального разреза в секции тигля на уровне верхней поверхности нижнего витка индуктора. Принцип действия системы основан на измерении разницы радиационной температуры охлаждаемого проточной водой витка индуктора и расплавом, видимым выше нижнего витка индуктора в вертикальном разрезе секции. Нижний виток индуктора и расплав, находятся при разной физической температуре, из-за чего излучательная способность расплава, как материала, значительно больше, чем излучательная способность охлаждаемого проточной водой металла индуктора. Измеряемые радиационные температуры различаются. Тепловое излучение от индуктора и расплава через оптическую систему инфракрасной видеокамеры передается на приемник, представляющий собой матрицу (размером 640×480 пикселей) инфракрасных высокочувствительных детекторов фокальной плоскости (FPA). Далее полученный сигнал, посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране персонального компьютера. С помощью специального программного обеспечения, устанавливаемого на персональный компьютер, и платы управления система сообщает оператору о положении поверхности ванны расплава в тигле относительно индуктора и, при необходимости, подает сигналы (управляющее воздействие):

- на дозирующий механизм для коррекции количества сырья, подаваемого в единицу времени на поверхность расплава в тигле;

- на параметры работы высокочастотного источника питания для повышения или понижения активной мощности, подводимой к индуктору.

Опытная установка работает следующим образом.

В секционный холодный тигель индукционной печи непрерывно подают природный базальт с фракционным составом до 2,5 мм. Подачу осуществляют из бункера дозирующим механизмом. Производительность дозатора задается частотой вращения двигателя, управляемого электроприводом и может меняться в диапазоне от 5 до 150 кг/час. Под действием передачи тепловой энергии, от находящегося в тигле расплава, фракции базальта плавятся. Температура расплава базальта, находящегося в холодном тигле, поддерживается за счет активной мощности передаваемой в расплав посредством индуктора, подключенного к высокочастотному источнику питания. В режиме стабилизации плавления горной породы, дебит струи расплава непрерывно истекающей из отверстия в боковой секции тигля, обеспечивается подачей необходимого количества горной породы, непрерывно подаваемой дозатором в тигель. При истечении струи из отверстия тигля измеряется температура расплава. Для измерения температуры струи расплава использован инфракрасный термометр «Кельвин КБ Диполь», имеющий диапазон измерения температур 800…2200°С и разрешение по температуре 1°С. Измеряемая температура струи расплава передается в управляющий компьютер. В управляющем компьютере имеются параметры зависимости вязкости конкретной горной породы от ее температуры. Программным обеспечением компьютера рассчитывается вязкость струи расплава и ее дебит.

Струя расплава, истекающая из отверстия тигля, подается на охлаждающие лотки и далее стекает в приемную зону фидера. Фидер выполнен в виде специального электротермического устройства содержащего в теплоизолированном корпусе средства нагрева - высокотемпературные нагреватели сопротивления, предназначенные для использования в электрических печах сопротивления с воздушной температурой до 1800°С, подключенных к трансформатору и имеющих систему управления. Фидер содержит приемную и выработочную зоны, оснащенные средствами контроля параметров расплава (датчики температуры, датчиком уровня). Уровень расплава в фидере контролируется с помощью датчика уровня. В качестве датчика уровня расплава в фидере используется бесконтактный радарный уровнемер УЛМ-11, который обеспечивает непрерывное измерение уровня расплава в фидере. При изменении уровня расплава в фидере ниже или выше допустимого, датчик уровня подает соответствующий сигнал на управляющий компьютер. Программное обеспечение управляющего компьютера позволяет обрабатывать полученные данные, поступающие с датчика уровня, и на основе этих данных управлять механизмом перемещения водоохлаждающей пробки, изменяя дебит струи расплава из отверстия тигля, производить управляющее воздействие на дозирующий механизм для коррекции количества горной породы, непрерывно подаваемой в тигель в единицу времени. Одновременно управляющим компьютером по программе подается управляющее воздействие на параметры работы высокочастотного источника питания для изменения активной мощности, подводимой к индуктору.

Для формирования непрерывного волокна из расплава, находящегося в выработочной зоне фидера, применяется устройство для формирования непрерывного волокна, состоящее из комплекта платинородиевых питателей: трубчатого и фильерного на 200 отверстий. Вытяжка непрерывного минерального волокна и намотка его на бобины после замасливающего устройства производится наматывающим станком НАС-3.

В результате проведения работ по предлагаемому способу и устройству для производства непрерывного минерального волокна на опытной установке из горной породы (габбро) Малетинского месторождения получено волокно, с характеристиками, представленными в таблице:

Источники патентно-технической информации:

1. Патент РФ 2421408 от 23.11.2009 г.

2. Патент РФ на полезную модель №162546 от 15.05.2015 г.

3. Патент США 9771294 от 26.09.2017 г.

4. Непрерывное стеклянное волокно. Основы технологии и свойства. Под редакцией М.Г. Черняка. М., издательство Химия, 1965, стр. 131-136, рис. 59.

5. Патент Германии 3904858, МКИ С30В 15/20.

6. Патент Германии 4231162 С2, МКИ С30В 15/26.

7. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2018142737/03(069479). Дата подачи заявки 26.11.2018.

Группа изобретений относится к способам производства минерального волокна и устройствам для производства непрерывного минерального волокна. Техническим результатом является интенсификация процесса получения гомогенных расплавов минерального сырья. Способ производства непрерывного минерального волокна включает дозируемую подачу измельченного минерального сырья в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, его плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы и выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна. На волокно наносят замасливатель и наматывают на бобину. Плавление минерального сырья осуществляют в секционном холодном тигле в зоне тигля, не превышающей от поверхности ванны расплава в тигле. Выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна производят в виде струи через отверстие в боковой секции тигля из зоны ванны расплава, находящейся на глубине от до от поверхности ванны расплава, с регулированием дебита, путем изменения площади выпускного отверстия и с температурой струи на 250-600°С выше температуры кристаллизации расплава. Корректировку температуры выдаваемого расплава производят изменяя расстояние между выпускным отверстием и нижней ветвью индуктора. Непрерывно выполняют контроль и регулирование уровня расплава в тигле. Устройство для производства непрерывного минерального волокна содержит бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, при этом тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы, и расположенные под ними устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон. Летка для выдачи расплава породы из тигля представляет собой сквозное отверстие в боковой секции тигля, расположенное на глубине от до от поверхности ванны расплава. Дополнительно снабжено автоматическим дозатором-регулятором выдачи расплава породы из тигля через летку. Также устройство может дополнительно содержать в донной части холодного тигля вкладыш с отверстием, который состоит из огнеупорного и теплоизоляционного материалов. Огнеупорный материал вкладыша контактирует с расплавом породы тигля. Также устройство снабжено донным трубчатым питателем, установленным верхним концом в отверстие вкладыша, а нижним концом - в устройство для формирования волокна. 5 н. и 23 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Способ производства непрерывного минерального волокна, включающий дозируемую подачу измельченного минерального сырья в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, его плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы и выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, после чего на волокно наносят замасливатель и наматывают на бобину, отличающийся тем, что плавление минерального сырья осуществляют в секционном холодном тигле в зоне тигля, не превышающей от поверхности ванны расплава в тигле, а выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна производят в виде струи через отверстие в боковой секции тигля из зоны ванны расплава, находящейся на глубине от до от поверхности ванны расплава (где Н - полная глубина ванны расплава в тигле), с регулированием дебита, путем изменения площади выпускного отверстия и с температурой струи на 250-600°С выше температуры кристаллизации расплава, причем корректировку температуры выдаваемого расплава производят изменяя расстояние между выпускным отверстием и нижней ветвью индуктора, при этом непрерывно выполняют контроль и регулирование уровня расплава в тигле.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устройство для формирования волокна выполнено в виде по меньшей мере одного фильерного питателя.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устройство для формирования волокна выполнено в виде фидера, оборудованного по меньшей мере одним фильерным питателем.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль и регулирование уровня расплава в тигле осуществляют с помощью инфракрасной видеокамеры, одновременно фиксирующей положение поверхности расплава в тигле и положение торца витка индуктора, после чего путем компьютерной обработки полученного изображения определяют расстояние между этими положениями, затем вычисленное значение сравнивают с регламентным значением и осуществляют управление дозированием количества минерального сырья, подаваемого в единицу времени на поверхность ванны расплава в тигле, и управление параметрами работы высокочастотного источника питания путем повышения или понижения активной мощности, подводимой к индуктору.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль и регулирование уровня расплава в тигле выполняют путем измерения массы холодного тигля с содержащимся в нем расплавом и нерасплавившимся измельченным минеральным сырьем, затем вычисленное значение сравнивают с регламентным значением и осуществляют управление дозированием количества минерального сырья, подаваемого в единицу времени на поверхность ванны расплава в тигле, и управление параметрами работы высокочастотного источника питания путем повышения или понижения активной мощности, подводимой к индуктору.

6. Способ производства непрерывного минерального волокна, включающий дозируемую подачу измельченного минерального сырья в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, его плавление с одновременной гомогенизацией и дегазацией расплава породы и выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна, после чего на волокно наносят замасливатель и наматывают на бобину, отличающийся тем, что плавление минерального сырья осуществляют в секционном холодном тигле в зоне тигля, не превышающей от поверхности ванны расплава в тигле, а выдачу расплава из тигля в устройство для формирования волокна производят с температурой, соответствующей среднему значению температурного интервала выработки волокна для данного минерального сырья, и осуществляют посредством трубчатого питателя через боковую секцию тигля и/или посредством трубчатого питателя с донным выпуском расплава.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что трубчатый питатель нагревают до температуры, равной верхнему значению температурного интервала выработки волокна.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что трубчатый питатель нагревают до температуры, превышающей на 200-300°С температуру кристаллизации расплава.

9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что уменьшение дебита выдачи расплава или полное прекращение выдачи расплава осуществляют путем понижения мощности нагрева трубчатого питателя и его охлаждением газообразной средой.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что устройство для формирования волокна выполнено в виде по меньшей мере одного фильерного питателя.

11. Способ по п. 6, отличающийся тем, что устройство для формирования волокна выполнено в виде фидера, оборудованного по меньшей мере одним фильерным питателем.

12. Устройство для производства непрерывного минерального волокна, содержащее бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, при этом тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы, и расположенные под ними устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон, отличающееся тем, что летка для выдачи расплава породы из тигля представляет собой сквозное отверстие в боковой секции тигля, расположенное на глубине от до от поверхности ванны расплава (где Н - полная глубина ванны расплава в тигле), а устройство дополнительно снабжено автоматическим дозатором-регулятором выдачи расплава породы из тигля через летку.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что автоматический дозатор-регулятор выполнен в виде водоохлаждаемой пробки, подвижной в горизонтальной и вертикальной плоскостях и установленной напротив летки, причем пробка и боковая секция тигля изготовлены из одного и того же материала и электрически соединены между собой.

14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что индуктор индукционной печи снабжен механизмом его перемещения в вертикальной плоскости относительно холодного тигля.

15. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что боковая секция тигля дополнительно снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой, направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который, в свою очередь, связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

16. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что устройство снабжено инфракрасной видеокамерой, направленной на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который, в свою очередь, связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

17. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что при использовании одновиткового индуктора виток индуктора снабжен сквозной выемкой, равной где В - высота витка индуктора.

18. Устройство для производства непрерывного минерального волокна, содержащее бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, при этом тигель снабжен леткой для выдачи расплава породы, и расположенные под ними устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон, отличающееся тем, что летка для выдачи расплава породы из тигля представляет собой сквозное отверстие в боковой секции тигля, расположенное на глубине от до от поверхности ванны расплава (где Н - полная глубина ванны расплава в тигле), а устройство дополнительно снабжено боковым трубчатым питателем, установленным верхним концом в летку тигля с зазором от 0,5 до 1,5 мм, причем зазор между леткой тигля и наружной поверхностью трубчатого питателя заполнен гарнисажем расплава из той же горной породы, а нижний конец трубчатого питателя состыкован с устройством для формирования волокна.

19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что между боковой секцией тигля с леткой для выдачи расплава породы и верхним концом трубчатого питателя установлен переходник с отверстием, выполненный из высокотемпературного и неэлектропроводного материала, одним концом переходник состыкован с боковой секцией тигля, а другим - с верхним концом трубчатого питателя, создавая совместно с трубчатым питателем общий канал для выдачи расплава из тигля в устройство для формирования волокна.

20. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что индуктор индукционной печи снабжен механизмом его перемещения в вертикальной плоскости относительно холодного тигля.

21. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что боковая секция тигля дополнительно снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой, направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который, в свою очередь, связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

22. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что устройство снабжено инфракрасной видеокамерой, направленной на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который, в свою очередь, связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

23. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что при использовании одновиткового индуктора виток индуктора снабжен сквозной выемкой, равной где В - высота витка индуктора.

24. Устройство для производства непрерывного минерального волокна, содержащее бункер с дозатором для подачи измельченной горной породы в холодный тигель высокочастотной индукционной печи, выполненный с возможностью выдачи расплава породы, и расположенные под ними устройство для формирования волокна и механизм для приема волокон, отличающееся тем, что донная часть холодного тигля снабжена вкладышем с отверстием, который состоит из огнеупорного и теплоизоляционного материалов, причем огнеупорный материал вкладыша контактирует с расплавом породы тигля, а устройство дополнительно снабжено донным трубчатым питателем, установленным верхним концом в отверстие вкладыша, а нижним концом - в устройство для формирования волокна.

25. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что индуктор индукционной печи снабжен механизмом его перемещения в вертикальной плоскости относительно холодного тигля.

26. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что боковая секция тигля дополнительно снабжена сквозной вертикальной щелью-прорезью шириной от 1 до 3 мм и длиной от 30 до 60 мм, расположенной на уровне витка индуктора, а устройство снабжено инфракрасной видеокамерой, направленной на щель-прорезь и связанной с компьютером, который, в свою очередь, связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

27. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что устройство снабжено инфракрасной видеокамерой, направленной на зазор между соседними боковыми секциями холодного тигля и на торец индуктора, расположенный на одной вертикальной прямой с контролируемым зазором между соседними боковыми секциями холодного тигля, инфракрасная видеокамера связана с компьютером, который, в свою очередь, связан с дозирующим механизмом бункера и с высокочастотным источником питания индуктора.

28. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что при использовании одновиткового индуктора виток индуктора снабжен сквозной выемкой, равной где В - высота витка индуктора.