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

DIN_Innovation_Award_basalttoday

Контрольная аппаратура от Textechno награждена DIN Innovation Award

Очередной награды удостоилось оборудование DRAPE TEST для оценки композитных тканых и негофрированных полотен, а также ...