Изменение свойств расплава в зависимости от состава шихты при производстве теплоизоляционного волокна

Поиск и разработка новых способов получения теплоизоляционного волокна являются актуальной задачей, так как в настоящее время существует постоянно растущая потребность отраслей промышленности в минеральных волокнистых материалах.

В Российской Федерации имеются неограниченные ресурсы горных пород, таких как базальт, габбро, диабаз, порфирит и др., представляющих ценность не только в качестве облицовочных материалов, но и как потенциальное односоставное сырье для производства минеральных волокон с уникальными свойствами [1].

При производстве теплоизоляционного волокна одной из основных задач является достижение необходимых и по возможности максимальных качественных характеристик продукции. Теплоизоляционные свойства волокна во многом зависят от количественного содержания корольков и толщины волокон, а стойкость к механическим воздействиям и способность к сохранению формы – от длины волокон [2, 3, 4, 5].

Данные характеристики зависят как от технологических особенностей производственной линии, так и от характеристик расплава, который возможно получить в плавильном агрегате, используемом в определенной технологической линии. При этом также следует учитывать химический состав шихты.

Для получения силикатных расплавов в минераловатном производстве применяют различные типы плавильных печей, различающиеся по принципу сжигания топлива, зависящего от его вида, шахтные, вагранки, ванные, электродуговые, индукционные. Одним из перспективных направлений в этой области является применение электротермического метода для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов [1].

Экспериментальная установка и режимы работы

Эксперименты по плавке шихты проводились на лабораторной копии электромагнитного технологического плазменно-дугового реактора, схема которого представлена на рисунке 1 [6].

Рисунок 1 – Схема электромагнитного технологического плазменно-дугового реактора для получения теплоизоляционного волокна: 1 – водоохлаждаемые стенки; 2 – водоохлаждаемая крышка; 3 – днище; 4 – графитовые стержневые электроды; 5 – центральный стержневой запирающий электрод;

6 – полюсные наконечники; 7 – обмотки; 8 – патрубок для ввода сырья; 9 – футеровочное основание реакционной камеры; 10 – устройство вывода расплава (летка)

Для гомогенизации расплава используется электромагнитная сила, создаваемая сериесными обмотками. Сырье подается в реактор сверху через патрубок в крышке реактора. Внизу под реактором расположен узел раздува минеральной ваты (в данном примере – это центробежно-дутьевой способ). Он предназначен для формирования течения расплава из реактора, который вытекает по лотку для транспортировки расплава на рабочую поверхность вращающегося диска и вытягивания из нее минеральных волокон с последующей подачей волокна в камеру осаждения. Вращающийся диск выполнен в форме полого диска и представляет собой полую цилиндрическую конструкцию, установленную на подшипниках в корпусе. Диск приводится во вращение электродвигателем со скоростью вращения до 6000 об./мин.

Методы исследования и рабочие режимы

Выбор данного типа реактора обусловлен его конструктивными особенностями, позволяющими получать относительно чистый расплав, свободный от восстановленных металлов, дающий возможность производства более качественной продукции (толщина волокон соответствует необходимым требованиям, а длина составляет 25-35 см, что обеспечивает превосходную стойкость к механическим воздействиям и к погодным условиям в процессе эксплуатации). Определенная на практике затрачиваемая мощность, необходимая для получения расплава объемной массой до 10 кг, составляет 1,5-2,0 кВт/кг (затрачиваемая мощность работающих индукционных печей - около 6 кВт/кг) [7].

Рабочий режим при проведении экспериментов лабораторной копии данного реактора следующий: кратковременный пусковой ток составляет в среднем 570 А; рабочий ток до образования зеркала расплава – 180 А, после образования зеркала расплава – 200 А. Пусковое напряжение составляет 5-15 В. Рабочее напряжение до образования зеркала расплава – около 220 В, после образования зеркала расплава – 180 В. То есть мощность лабораторного реактора составляет около 40 кВт, что более чем в два раза меньше промышленной установки.

Результаты исследований и их обсуждение

В данной работе проводилось изучение вещественного состава расплава двух шихт – ду-нитовой и дунит-базальтовой с концентрацией 50/50. На рисунке 2 приведены снимки некоторых спектров, в который проводился анализ.

Рисунок 2 – Спектры проб на анализ элементного состава шихты: слева – дунит/базальт с концентрацией 50/50; справа – дунит

На рисунке 3 изображены спектрограммы дунит-базальтовой шихты – слева, и дунито-вой шихты – справа.

Рисунок 3 – Спектрограммы состава шихт

На рисунке 4 показаны спектральные линии элементов и их массовое содержание. Процесс плавления проходил с небольшим количеством выделения газа. Время получения расплава рабочей температуры (1570 °С) дунитовой шихты составило 22 мин. Время получения расплава дунит-базальтовой шихты составило 26 мин. При сливании расплава дунитовой шихты остывание струи расплава происходило быстрее, чем при сливании дунит-базальтовой шихты, что является отрицательным качеством, так как при снижении температуры теряется необходимая вязкость струи и вытянуть достаточно длинные волокна становится труднее.

Количественные результаты

Количественные результаты

Рисунок 4 – Спектральные линии распределения элементов и их массовые концентрации: слева – дунит/базальт с концентрацией 50/50; справа – дунит

Элементный состав дунит-базальтовой шихты представлен в таблице 1. В таблице 2 представлен элементный состав дунитовой шихты.

Таблица 1

Элементный состав дунит-базальтовой шихты

Элемент	O	Mg	Si	C	Al	Na	Fe	Ca	K
Спектральная величина	60,68	14,76	12,16	7,76	2,39	1,20	0,50	0,32	0,22

Таблица 2

Элементный состав дунитовой шихты

Элемент	O	Mg	Fe	Cr	Si	C	Al	Ca	Ti	Br
Спектральная величина	44,2	14,0	12,5	10,6	8,8	4,4	3,5	1,5	0,3	0,2

Согласно полученным значениям в составе дунитовой шихты можно выделить сравнительное высокое содержание примесей металлов и их соединений и, соответственно, меньший процент содержания кремния, как правило, находящегося в виде оксида в составе горных пород.

Заключение

При работе на представленном электромагнитном плазменно-дуговом реакторе использование комбинированного состава дунит-базальтовой шихты является более приоритетным перед дунитовым составом шихты. В первую очередь это связано с улучшением вязкости и текучести струи расплава, причиной которого является снижение удельного содержания металлических соединений. Затраты на получения состава рабочей температуры увеличиваются незначительно. Есть все основания предполагать, что данные затраты в полной мере перекро-ются улучшением качества конечной продукции.