Работа высокочастотной индукционной печи основана на поглощении энергии электромагнитного поля расплавом. При плавлении породы стенки тигля, выполненные в виде ряда медных трубок, охлаждаемых водой, покрываются коркой застывшего расплава, образуя слой гарнисажа, предохраняющего их от взаимодействия с высокотемпературным расплавом. Гарнисаж обладает низкой теплопроводностью и высокой плотностью, обеспечивая тем самым эффективное плавление с небольшими тепловыми потерями без загрязнения расплава материалом тигля. В режиме стабилизации плавления породы непрерывно истекающая из выпускной зоны тигля струя расплава подается на направляющий водоохлаждаемый лоток и втягивается в дутьевую головку, где высокоскоростным турбулентным потоком воздуха перерабатывается в супертонкие волокна. Отработанный энергоноситель вместе с волокном и неволокнистыми включениями попадает в камеру волокноосаждения, внутри которой находится конвейер с транспортерной лентой из металлической сетки. Волокна, оседая на сетке конвейера, образуют слой ваты, которая за счет движения конвейера вырабатывается непрерывным ковром и рулонируется на свободной скалке. Поскольку плавление сырья осуществляется токами высокой частоты, а раздув ведется обычным атмосферным воздухом, каких-либо дополнительных веществ в состав волокон и окружающее пространство не вносится, то есть обеспечивается экологическая безопасность производства, а экологическая чистота волокон обусловливается только химическим составом горных пород. [4].
Важным фактором, определяющим устойчивость производство непрерывного волокна, является обрывность элементарных волокон. На обрывность волокна в зоне формования влияет температура выработки, которая должна соответствовать определенной (рабочей) вязкости, а также и равномерность распределения температур по длине фильерной пластины, однородность сырья по химическому составу и др.
Влияние температуры фильерного поля на обрывность определялась в интервале температур 1200-1240°С через каждые 10°С при температуре струйного питателя 1230°С. В качестве замасливателя применяли парафиновую эмульсию. Обрывность определялась количеством обрывов на 1 кг выработанного волокна. Полученные волокна имеют следующий химический состав, мас. %: оксид кремния - 50,6 ; оксид алюминия -16,2; оксид железа - 14,5; оксид кальция - 9,6; оксид магния - 5,2.
Технологический процесс производства данных волокон из горных пород заключается в следующем: дробленная горная порода подается с помощью загрузочного устройства в плавельную печь, где плавится. Из печи расплав попадает в выработочную часть- фидер с установленными в донной части струйными питателями, с помощью которых расплав попадает в фильерные сосуды. Из расплава, вытекающего из фильер-сосуда, с помощью специального механизма вытягиваются первичные волокна, которые затем подаются на раздув. Волокна вместе с потоком горячих газов попадают в камеру волокноосаждения и собираются на движущейся сетки приемного конвейера, а газы отсасываются через слой волокна и сетку с помощью вентиляционной системы и удаляются в атмосферу. На сетке конвейера образуется тонкий слой волокна - «ковер», который наматывается на уравновешенный противовесом барабан, и по достижению определенной толщины срезается и снимается с барабана в виде прямоугольного холста.
В качестве сырья используют распространенные в природе горные породы, для получения волокон их необходимо только расплавить. Плавильными агрегатами служат печи, которые отапливаются природным газом с помощью горелок работающих как на нагретом, так и на холодном воздухе. Существует опыт отопления печи с помощью многосопловой диффузионной горелки. Отопление фидера осуществляется предварительно приготовленной в специальных смесителях газовоздушной смесью, которая с помощью системы трубопроводов подается в горелки. Вытягивающий механизм, предназначенный для получения первичных волокон, состоит из привода, распределительного устройства пары гуммированных валиков. Для обеспечения высокого качества волокон важное значение имеет равномерное распределение первичных волокон перед подачей в поток раскаленных газов, что достигается с помощью рифленого распределительного ролика. Расстояние между первичными волокнами должно быть минимальной, поскольку от него зависит ширина выходной щели сопла камеры сгорания. При ее увеличении возрастает расход топлива. При слишком малом расстоянии возможно слипание отдельных волокон друг с другом в газовом потоке и образование большого количества не волокнистых включений.
Камера сгорания предназначена для получения скоростного высокотемпературного потока газов и представляет собой горелку туннельного типа. Она работает на смеси природного газа и сжатого воздуха., предварительно смешанных в реакционном или другом смесители.
Одним из способов повышения производительности установки является интенсификация процесса раздува первичных волокон за счет повышения температуры и скорости газового потока, выходящего из сопла камеры сгорания. Кроме того, повысить производительность можно путем увеличения количества фильер сосуда и повышения до определенных пределов диаметра первичных волокон.
Производство базальтовых тонких волокон значительно дешевле по сравнению с базальтовым супертонким волокном из-за отсутствия дорогостоящих платинородиевых питателей и применение высокопроизводительной технологии раздува или разбивки мощных струй расплава.
На заводах-изготовителях базальтового тонкого волокна для придания большей текучести в расплав добавляют от 10 % до 35 % известняка или заменяющего его материала (шихты), что делает волокно ослабленным к воздействиям агрессивных сред и высоких температур. Такое волокно уже нельзя называть базальтовым и зачастую его называют минеральным волокном или минватой. Волокно получается короче и толще, что дает возможность скреплять его в плиты или картоны, применяя для связки большое количество фенолформальдегидных смол.
Однако, если в расплав не добавлять известняк, а правильно выбрать режим работы печи и раздувочного устройства в зависимости от характеристик природного базальта, можно получить базальтовое длиннонитевое волокно, химостойкое, с температурой применения до +700° С.
В настоящее время ведется активная работа по усовершенствованию технологии получения базальтовой нити, супертонкого базальтового волокна, холста из базальтового волокна [4].
Свойства БВ
Базальтовые волокна и изделия на их основе обладают более высокими теплозвукоизоляционными и конструкционными свойствами. Базальтовые волокна превосходят стеклянные по температуроустойчивости. Так температурный интервал применение базальтовых волокон составляет от -260°С до + 700° С, в то время как для стеклянных волокон от -60°С до +450 ° С. Гигроскопичность базальтовых волокон составляет 1 %, а стеклянных волокон до 10-20 %. Базальтовые волокна относятся к первому гидролитическому классу, по кислотоустойчивости и пароустойчивости превосходят стеклянные волокна.
Базальтовые нити отличаются высокой химической стойкостью (потеря веса при кипячении в течение 3-х часов в воде и в 2н NaOH составляет 0,46% и 6,8% соответственно), потеря веса при кипячении в течении 3-х часов в 2н HCL составляет 26%. В первые 2 часа обработки волокон в 0,5 н и 2н растворах NaOH прочность при растяжении снижается на 6-20%, а затем повышается до исходного значения. При более длительном воздействии щелочи прочность БН уменьшается на 25-40%, при обработке кислотой в течении первых 20-40 минутах наблюдается упрочнение волокон на 15-20% в результате удаления поверхностного дефектного слоя волокна, при более длительном пребывании в кислоте прочность снижается на 50% за 100 часов.
При нагреве до 700°С БВ уплотняются, их длина уменьшается на 0,5 %, плотность увеличивается на 0,8 % и возрастает стойкость к кислотам (потеря веса за 10 минут в 2Н HCL снижается до 8 %). Нагрев до 600°С и последующие охлаждения БВ снижает плотность при растяжении на 5-20%, в то время как СВ в этих условиях разрушаются. При нагреве до 700°С и охлаждении до 20° С прочность БВ уменьшается на 40%, а до 800°С с последующим охлаждением на 60-70%. Прочность при растяжении базальтового волокна, определенная при 700°С составляет 80% от начального значения.
Базальтовая вата обладает следующими свойствами:
· высокий уровень изоляции;
· устойчивость к деформации;
· огнеустойчивость;
· сопротивление воде;
· звукоизоляция и звукорегуляция.
Одним из важных свойств теплоизоляционного волокнистого материала является его упругость. Коэффициент возвратимости (упругости) базальтовой ваты составляет более 90 % [6].
Базальтовая вата БВРВ в исходном состоянии без нагрузки имеет массу 35 – 40 кг/м3, а вата БСТВ – 15 – 20 кг/м3, т.е. является весьма легким материалом. При нагреве даже без нагрузки происходит уплотнение и, следовательно, увеличение объемной массы: для БВРВ при 850 °С - в три раза, а для БСТВ при 800 °С - в 2,5 раза.
Поскольку при использовании волокнистых материалов в качестве изоляции действуют нагрузки, важно знать, как изменяется объемная масса при приложении к базальтовой вате той или иной нагрузки. Выполненные ранее исследования показали, что при увеличении нагрузки до 30 кг/см2 объемная масса возрастает для БВРВ в 3,7 раза, а для БСТВ в 5,6 раза.
Изменение упругих свойств волокон ваты при нагревании характеризуется усадкой, которая зависит от исходной объемной массы (плотности) ваты. Усадка базальтовой ваты при нагреве обусловлена, прежде всего, ее кристаллизацией. Как правило, усадка является крайне нежелательным и недопустимым явлением, так как в процессе эксплуатации при высоких температурах это может привести к образованию пустот между изолируемой поверхностью и теплоизоляционным материалом. На практике допустимой считается усадка до 2 %. Для базальтовой ваты БВРВ при плотности 150 кг/м3 это соответствует 660 °С, а для ваты БСТВ - 700 °С.