Главная » Технологии » Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна
Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна
Source image: textile-network.com

Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна

Даны характеристики сырья для производства непрерывного волокна из основных горных пород. Показана химическая и термическая стойкость непрерывных волокон из разных видов сырья. Сделаны выводы о применении сырья с соответствующими характеристиками для производства непрерывного волокна.

Развитие современной техники вызывает необходимость создания материалов, которые имеют малую объемную массу, хорошие прочностные характеристики, способные выдерживать температурные нагрузки, влияние агрессивных сред, а также высокую фильтрующую и поглощательную способности. Одним из видов таких материалов есть базальтовое непрерывное волокно.

Получение расплава происходит в температурном интервале от 1050-1070 °С – начало размягчения и интенсивном плавлении при 1400-1500 °С. В отличие от стеклянных и шлаковых шихт, которые состоят из смесей силикатных компонентов, базальтовые горные породы представляют собой физико-химическую систему, образованную в результате процессов прошедших при охлаждении и кристаллизации расплавленных силикатных масс – магмы.

Процесс плавления горной породы – базальта – следует рассматривать как гетерогенную систему, которая состоит из нескольких физически однородных различающихся между собою тел (кристаллы, стекло). Они имеют сложный состав, главным образом, в виде минеральных соединений – силикатов.

Стекло из базальта – неорганическое твердое аморфное тело, получаемое путем переохлаждения расплава и обладающее в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых кристаллических тел. Стекло занимает промежуточное место между жидкими и кристаллическими веществами. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим веществам, а размягчается, последовательно переходя из твердого состояния в пластическое, а потом в жидкое.

Отсутствие структурных элементов симметрии дальнего порядка и связанная с этим изотропность приближает его к жидкостям. При температурах от 700 до 900 °С происходит кристаллизация базальтового стекла, которая обусловлена минералогической памятью. Аморфность определяет изотропность стекла, что обуславливает свойства базальтовых волокон, которые имеют в своем соединении большую часть стекловидной фазы. Поскольку стекловидные системы получают путем переохлаждения расплавов, они являются метастабильными фазами.

Превращение расплава в стекло с понижением температуры сопровождается постепенным нарастанием вязкости и изменением других физико-химических свойств стекломассы, без появления в системе новой фазы, которая резко отличает этот процесс от кристаллизации. Процесс формирования непрерывного волокна происходит при температурах от 1450 до 1250 °С, температура верхней границы кристаллизации 1260 °С. В сравнении с процессом кристаллизации выделяется характерная для стекла переходная область температур, при которых оно существует в пластическом состоянии.

Стекло рассматривается как переохлажденный расплав высокой вязкости. Основные черты структуры стекла и особенности процесса стеклообразования имеют практическое значение для управления технологическим процессом производства базальтового непрерывного волокна с заданными свойствами. В расплаве возле температуры кристаллизации и стекле, которое образуется из него, отдельные фрагменты кристаллической решетки имеют уже достаточную длину, однако далекий порядок в расположении атомов отсутствует.

Выделение в самостоятельную фазу находящихся в расплаве газов и удаление последних составляет содержание стадии дегазации. Этот процесс происходит при выдержке расплава с температурой более 1450 °С при вязкости расплава приблизительно 150 пуаз некоторое время, в среднем это два часа. Начиная с плавления, вплоть до стадии гомогенизации, большое значение имеют кинетические явления, в первую очередь диффузия, скорость которой определяет полноту растворения кристаллов в расплаве, отделение газов, рост их пузырьков и, в конце концов, гомогенизация стекломассы.

Из других кинетических явлений важными являются увеличение размеров пузырьков газов и их подъем в расплаве, а также появление зародышей кристаллических фаз и скорость их роста в зависимости от переохлаждения расплава. Кварцевые зерна покрываются сетью трещин, в которых развивается изотропный кристобалит и тонкий слой тридимита. Дальнейшее преобразование приводит к развитию чешуйчатого кристобалита и утолщению слоёв зерен тридимита. В присутствии щелочей кристобалит постепенно замещается лейстовидным тридимитом с образованием копьевидных сращений.

В зонах стекла, обогащенного кремнеземом, выделяется дендритный (характерная форма кристаллизации из расплава) кристобалит[1]. Наиболее легко растворяются магнетит, другие рудные минералы, турмалин, слюды, более тяжело – кварц и еще тяжелее – циркон, кианит (что довольно часто бывает при вымывании сфутеровки печи циркона и его отрицательного влияния на качество производимого непрерывного волокна).

Согласно Д. Тамману, склонность расплавов к переохлаждению или кристаллизации определяется скоростью образования центров кристаллизации и линейной скоростью роста кристаллов. Обе эти величины являются функциями степени переохлаждения расплавов и дают в зависимости от неё максимумы, которые не совпадают между собой. Кристаллизационная способность минералов зависит от их структуры. Она снижается в ряде: шпиндель, магнетит, оливин, бронзит, гиперстен, геденбергит, авгит, щелочные плагиоклазы, нефелин, лейцит, альбит, ортоклаз, кварц.

В зависимости от атмосферы печи и степени переохлаждение расплавов (степени неравновесности процесса) возможны и реализуются разные направления кристаллизации. В плавленых базальтах выделяют три таких направления:

1) пироксен-плагиоклазовое — для случая равновесной кристаллизации, если весь алюминий идет на построение полевых шпатов;
2) практически мономинеральное пироксеновое — для резко неравновесных условий, пироксен включает железистые миналы и молекулы Чермака;
3) магнетит-пироксеновое — при кристаллизации с переохлаждением и в окислительной атмосфере, при этом железо связывается в магнетит, пироксен имеет маложелезистую кальциево-магниевое соединение[1].

Непрерывное волокно получают непрерывным вытягиванием из расплавленного стекла через фильеры на вращающийся барабан. Процесс формирования волокна из расплава через фильеры определяется вязкостью стекла и характером ее изменения от температуры, величиной верхней границы кристаллизации и её скоростью, а также поверхностным натяжением. Базальтовое стекло, пригодное для получения непрерывного волокна, должно характеризоваться малой скоростью кристаллизации, более всего подходит для формирования волокна при температурах, близких к температурам кристаллизации стекломассы.

Если склонность стекломассы к кристаллизации большая, процесс приходится вести при более высокой температуре, чем температура, которая отвечает необходимой вязкости, хотя это приводит к возникновению дополнительных технических трудностей. Если стекло имеет довольно низкую скорость кристаллизации, то из него можно формировать волокна при определенном соотношении вязкости и температуры и в том случае, если температура выработки отвечает температуре кристаллизации или даже ниже ее.

В таблице даны основные характеристики горных пород Украины [2]. Базальтовое стекло при температурах выработки должно характеризоваться определенной вязкостью. Интервал вязкости, в котором возможно изготовление волокна, составляет 103,2-103,8 пуаз. Чем ниже температура, которая отвечает этому интервалу, тем больше срок службы фильерных сосудов. Желательно, чтобы верхняя граница кристаллизации была как можно ниже.

Таблица
Характеристики горных пород месторождений Украины

№ п.п Месторождение Тн.пл Тк.пл Тв.п.к. Вязкость при температуре 0С Интервал выработки 0С
1450 1400 1350 1300 1250
1 Амфиболиты Кривого рога 1175 1350 1230 92 166 270 460 855 1340-1450
2 Диабазы Салтичия 1200 1450 1250 76 135 246 565 1150 1370-1450
3 Амфиболиты Степанцы 1180 1370 1250 96 165 300 530 1050 1360-1450
4 Амфиболиты Горишнеплавнянское 1170 1350 1240 136 204 380 680 1230 1350-1450
5 Андезито-базальты Подгорнянское 1165 1375 1240 155 220 490 945 1800 1370-1450
6 Андезито-базальты Сельцевское 1165 1400 1230 150 275 500 1000 2000 1390-1450
7 Андезито-базальты

Шаговское

1150 1350 1240 100 170 305 620 1240 1360-1450
8 Базальты Полицкое 1170 1350 1240 40 62 120 255 500 1360-1450
9 Базальты «Голубица» 1165 1320 1260 44 72 140 270 495 1380-1450
10 Стекло 1150 56 96 150 314 570

 

Базальтовое стекло должно иметь сравнительно широкий интервал выработки, то есть, температурный интервал, в котором технологические свойства стекла, главным образом вязкость, имеют определенные значения и не поддаются резкому изменению. Базальтовое стекло, имеющее широкий интервал выработки, не требует очень тщательного регулирования температуры, и процесс выработки более устойчив, что улучшает качество продукции.

Желательно чтобы разница между конечной и начальной температурами выработки составляла приблизительно 100 °С. Интервал формирования в основном определяется интервалом вязкости 103,6-107,6 пуаз, то есть изменением вязкости от состояния текучести стекломассы к состоянию затвердения. Графически это выражается крутым характером кривой (верхней части) вязкости стекла. Существует непосредственная связь между интервалом формирования и производительностью процесса выработки волокна. Чем в более узком диапазоне температур находится этот интервал, тем быстрее идет процесс выработки.

Струи базальтового расплава, вытекающие из фильер под действием гидростатического напора и поверхностного натяжения базальтового стекла, принимают форму луковиц. Когезионные силы, передающие вытягивающее усилие от волокна к луковице, определяются величиной вязкости стекломассы в луковице. Силы поверхностного натяжения базальтового стекла способствуют сужению струи и передаче вытягивающего усилия по периферии луковицы.

Стекломасса при высокой вязкости обладает повышенной сопротивляемостью при растяжении, что делает необходимым увеличивать вытягивающее усилие, и может привести к обрыву волокна. Потому андезиты, имеющие повышенную вязкость при температурах выработки, имеют соответственно повышенную обрывность волокна.

По мере увеличения температуры расплава его вязкость понижается и может достигнуть столь малых значений, при которых силы поверхностного натяжения способствуют формованию стекла в виде капель вместо вытягивания его в непрерывное волокно. В интервале между этими крайними состояниями стекломассы имеется область рабочей вязкости, в пределах которой существует процесс волокнообразования. Для разных пород согласно таблице, область рабочей вязкости разная. При низкой вязкости легче происходит затекание стекломассы на фильерную пластину, что усложняет заправку волокон.

В нижней части рабочего интервала вязкости стекло течет более свободно, и соотношение вязкости и поверхностного натяжения стекломассы становится неопределенным, что приводит к пульсирущему характеру истечения стекломассы.

Точный механизм формования стеклянного волокна при высоких скоростях труден для теоретического анализа, потому что малая по объему зона формования отличается высоким градиентом температуры и характеризуется быстрыми изменениями вязкости стекломассы.
Установлено, что происходят почти непрерывные колебания температуры порядка 150-210°С в пределах чрезвычайно коротких интервалов времени.

Отдача тепла от луковиц осуществляется как за счет излучения, так и за счет конвекции. Большая часть потерь тепла путем излучения происходит в области, расположенной непосредственно под фильерами, т.е. у основания луковицы, где стекломасса имеет наибольшую яркость, и что по мере приближения стекломассы к конечной точке зоны формования, всё большая часть ее тепла отводится за счет конвекции. Для обеспечения устойчивого процесса формования и получения равномерного по диаметру волокна необходимо достижение одинаковой скорости истечения и одинаковой вязкости стекломассы на всех фильерах стеклоплавильного сосуда.

Температура фильерного поля несколько выше около продольной оси сосуда. Интенсификация отбора тепла с поверхности луковице позволяет снизить среднюю температуру стекломассы в зоне формования и сдвинуть рабочий интервал вязкости в сторону меньшие ее значений, что снижает обрывность волокон и улучшает равномерность их по диаметру.

Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна

Таким образом, для производства качественного базальтового непрерывного волокна необходимо подбирать не только качественное сырье, но и хорошо управлять технологическими режимами. Хотя от сырья зависят основные свойства получаемого волокна и, соответственно, область применения волокна. В лаборатории ОАО «НИИ СВ» были проведенные исследования по химической и температурной стойкостях волокон из горных пород, по результатам составлены гистограммы: устойчивость волокна к кислоте (2N HCl), (рис. 1 а); устойчивость к щелочи (2N NaOH), (рис. 1 б); температуростойкость (рис 1 в).

Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна

Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна

Особенности получения непрерывного химически стойкого базальтового волокна

Рис. 1. Устойчивость волокон из горных пород к кислоте (а), щёлочи (б), температуроустойчивость (в): 1 – диабазы; 2 – андезито-базальты; 3 – базальты; 4 – стекло; 5 – амфиболиты.

По результатам исследований возможно сделать выводы, что наиболее температуростойкие волокна из андезито-базальтов, наименее – базальты. Холст из рубленного непрерывного андезито-базальтового волокна возможно использовать не только при высокой температуре, но и в кислотной среде, к щелочам стойкость низкая. Амфиболиты имеют другие химические свойства, стойкость к щелочам, но плохая стойкость к кислотам. Базальт имеет неплохую химическую стойкость, но самую низкую температуростойкость. Таким образом, возможно определить области применения волокон из разных видов сырья. Используя разное сырьё можно получить волокно с заведомо необходимыми свойствами.

Д.т.н., профессор М. В. Ефремов, А. Г. Новицкий.

Литература:

Миронов Н. Л., Портнягин М. В., Плечов П. Ю., Хубуная С. А. Экспериментальная и техническая петрология // Петрология 2001. №1. С.96-99.
Минерально-сырьевая база горных пород Украины для производства волокон./ Под. общ ред. к.т.н. М. Ф. Маховой. ВНИИТИЭПСМ аналитический обзор. Серия 6.Выпуск 2.1992.С.79-80с.

Источник: персональный сайт Новицкого Александра

О Irina Yaroslavna

Irina Yaroslavna
Главный редактор отраслевого портала Basalt.Today
x

Читайте также

На Index 17 представят технологию холстообразования нетканых материалов аэродинамическим способом

На Index 17 представят технологию холстообразования нетканых материалов аэродинамическим способом

Система Lap Formair может производить нетканые материалы из натуральных волокон или продуктов переработки промышленных и ...