Ренат ПОЛЬОВИЙ
МОЯ БОРОТЬБА.
Спогади
АНАЛІЗ
ТЕХНОЛОГІЇ ТА УСТАТКУВАННЯ ВИРОБНИЦТВА БСТВ
Технологічний процес виробництва
базальтового супертонкого волокна (БСТВ) складається
з таких стадій:
Підготування сировини —
базальтового дрібняку (подрібнення, збагачення,
просівання)
*
Завантаження і дозування
дрібняку в плавильний агрегат
*
Одержання базальтового
розплаву в плавильній печі і надання йому потрібних
параметрів у фідері
*
Формування неперервних
первинних волокон на фільєрному живильнику
*
Витягування первинних волокон
і спрямування їх до роздувального сопла витягувальним
пристроєм
*
Одержання вторинного штапельного
волокна плавленням і роздуванням первинних волокон
роздувальним пальником
*
Формування волокнистої
полотнини на сітчастому барабані або сітчастому
конвеєрі
Примітки:
За кількістю волокноформувальних пристроїв існують
два типи установок БСТВ, а саме:
— малі установки на два формувальні пристрої з окремими
плавильними печами;
— великі установки з 10-ма формувальними пристроями
на одній спільній плавильній печі.
Малі установки більш поширені, оскільки мають кращі
умови обслуговування і вищу якість продукції, хоч
і займають більшу площу.
1. СТАДІЯ ПІДГОТУВАННЯ БАЗАЛЬТОВОГО
ДРІБНЯКУ
Для виробництва БСТВ необхідно
використовувати базальти, розплави яких за своїми
виробітковими властивостями (температури кристалізації,
інтервалу температур робочих в’язкостей та ін.)
придатні для підтримання сталого технологічного
процесу. Цим вимогам відповідають базальти Костопільських
родовищ (Іванова Долина, Берестовець). Проте багаторічний
досвід виробництва на Ірпінському комбінаті “Прогрес”
показує, що ці базальти мають несталі виробіткові
властивості, оскільки одні партії одержуваного з
Костопільського заводу дрібняку характеризується
високою сталістю процесу виробітку, а інші — підвищеною
обривністю, крихкістю первинного волокна і, як наслідок,
різким зменшенням продуктивності. Я неодноразово
звертався до керівництва комбінату з проханням виконати
порівняльні хімічні аналізи тих партій базальту,
щоб визначити ділянки кар’єрів чи й самі кар’єри
з кращим хімічним складом. Адже невідомо коли і
звідки надходить базальт до Костопільського заводу
дрібняку. Але розуміння важливості цієї проблеми
в керівництва не знайшов, і це питання залишається
відкритим.
Для механізованого завантаження дрібняку в плавильну
піч потрібна фракція його 5 — 12 мм. Недопустима
наявність у дрібняку часток інших гірських порід,
вивітреної породи й пилу. Пил містить багато тугоплавкої
вивітреної породи, тому перед завантаженням дрібняк
треба просівати.
Обкатаний дрібняк Костопільського заводу майже не
містить вивітреної породи, оскільки в процесі обкатування
вона, як м’якша від базальту, перетирається на пил
і відсівається. Тому обкатаний дрібняк є ідеальною
сировиною для виробництва БСТВ.
2. ЗАВАНТАЖЕННЯ ДРІБНЯКУ В ПІЧ
Спосіб завантаження дрібняку в
піч має велике значення, бо від цього залежить сталість
основних параметрів — температури й рівня розплаву,
що надходить до формувального пристрою. Впливає
він і на витрати палива.
На великих установках БСТВ з багатьма живильниками
завантаження дрібняку до плавильної печі здійснюється
в ручний спосіб (лопатою). Малі установки БСТВ устатковані
механічними завантажувачами.
Відомі два види завантажувача, що застосовуються
у виробництві БСТВ: роторний і поличковий.
Розроблений мною в 1974 році роторний завантажувач
має за робочий орган розташований під вихідним отвором
бункера з дрібняком ротор, що обертаючись скидає
дрібняк у піч. Дозування регулюється зміною розміщення
шибера на вихідному отворі. Серйозною вадою цього
завантажувача є інтенсивне зношування під абразивною
дією дрібняку робочих органів (ротора, шибера, країв
бункера біля вихідного отвору), від чого порушується
дозування.
Розроблений мною в 1984 році поличковий завантажувач
має за робочий орган розташовану перед вихідним
отвором бункера з дрібняком поличку. Насипаний з
бункера на поличку дрібняк через важіль і тягу рухом
стрижня електромагніту засипається в піч. Імпульс
для приведення в дію електромагніту надходить від
реле часу. Дозування здійснюється заданим на реле
часовим інтервалом між засипаннями. Такий інтервал
можна встановлювати в межах від 5 до 60 секунд,
що дозволяє достатньо рівномірно розподіляти потрібну
кількість дрібняку в часі. Такий завантажувач позбавлений
вад роторного завантажувача і тому тепер ним устатковані
всі діючі малі установки БСТВ.
Суттєвою вадою обох завантажувачів є відсутність
автоматичного зв’язку між дозуванням дрібняку і
рівнем розплаву в печі. Причиною цього є відсутність
конструкцій рівнемірів розплаву для базальтоплавильних
печей. На замовлення Ірпінського комбінату “Прогрес”
Київський інститут ВНДІАБМ у 1980-х роках займався
розробкою рівнемірів, але роботу не завершив.
Поличковий завантажувач описано в експрес-інформації
“Промышленность полимерных, мягких кровельных и
теплоизоляционных строительных материалов”, с. 6,
в. 10, Москва, 1986.
3. ОДЕРЖАННЯ БАЗАЛЬТОВОГО РОЗПЛАВУ
Для одержання розплаву з базальту
застосовуються плавильні ванні печі, що опалюються
природним газом.
Перша піч площею 2 м2 для виробництва БСТВ на великій
установці з 10-ма живильниками була сконструйована
мною в 1973 році і введена в дію на Білицькому комбінаті
“Теплозвукоізоляція”. Вона мала пальник дифузійного
типу і горизонтальний розвиток полум’я. Завантаження
дрібняку здійснювалося через отвір у боковій стіні
печі. Оскільки в зв’язку з нерухомістю купи дрібняку
на поверхні розплаву відомі завантажувачі скляної
шихти виявилися не придатними для завантаження базальту,
цю операцію довелось здійснювати вручну лопатою.
Такий спосіб для великих установок, у тім числі
й у виробництві неперервного волокна, залишився
й досі.
В тому ж році мною була розроблена і введена в дію
на тому ж підприємстві ванна піч з плавильною площею
0,4 м2 на 2 живильники. Новою була система опалювання:
плавильна частина і два фідери опалювалися газоповітряною
сумішшю, створюваною централізовано одним змішувачем,
через горизонтально розташовані в бокових стінах
пальники. Завантаження здійснювалось через два похилі
лотки, по яких дрібняк рухався самопливом. Суттєвою
вадою печі була утрудненість у дозуванні дрібняку,
що спричиняло коливання рівня розплаву.
Враховуючи досвід експлуатації цих печей і особливості
процесу плавлення базальту порівняно з процесом
варіння скла (описано в моїй статті “Пути интенсификации
процесса плавления основных горных пород в ванных
печах”, ж. “Стекло и керамика”, № 7, 1978, стр.
14 — 15), мною в 1976 році для великої установки
на 10 живильників Ірпінського комбінату “Прогрес”
була розроблена і введена в дію плавильна піч площею
0,8 м2 зі склепінною опалювально-завантажувальною
системою. Ця піч опалювалася газоповітряною сумішшю
через ряд розташованих на склепінні печі пальників,
полум’я від яких було направлене вертикально на
поверхню розплаву. Через ці ж пальники завантажувався
дрібняк, що подавався до них механічним завантажувачем
роторного типу. Така система (див. мою статтю “Сводовая
отопительно-загрузочная система камнеплавильной
ванной печи”, ж. “Стекло и керамика”, № 7, 1979,
стр. 5 — 6) дозволила інтенсифікувати процес плавлення,
зменшити плавильну площу печі і механізувати операцію
завантаження дрібняку.
Оскільки малі установки БСТВ виявили свої переваги
порівняно з великими установками, подальша робота
була зосереджена на удосконаленні з урахуванням
набутого досвіду роботи печей малих установок.
Досягнута можливість зменшення питомої площі плавильної
печі дозволила сконструювати малогабаритну піч на
один живильник. Така піч займає малу виробничу площу
і потребує менших витрат вогнетривів. Крім того,
є змога складати піч в зручних умовах майстерні
і швидко здійснювати заміну нею зношеної печі. Тепер
простоювання установки для заміни печі скорочено
в 10 — 12 разів і триває близько 4 годин.
Сучасна малогабаритна ванна піч (патент SU 1472889
А С 03 В 5/04) забезпечує розплавом один 300-фільєрний
живильник пластинчастого типу. Її плавильна площа
становить 0,12 м2 (400 мм х 300 мм). Габарити її
дорівнюють 1100 мм х 560 мм х 425 мм.
Вогнетривке мурування стін і склепіння плавильної
частини виконане з бакорових плит товщиною 100 мм,
дно — з шамотної цегли, а фідерна частина — з мулітових
брусів. Усе мурування вміщене в сталевий каркас
і має теплоізоляцію із базальтоволокнистого картону.
Опалюється піч газоповітряною сумішшю через один
пальник, полум’я від якого спрямоване вертикально
на поверхню розплаву. Повітря для пальної суміші
попередньо нагрівається теплом димових газів, проходячи
від вентилятора високого тиску через радіаційний
рекуператор щілинного типу. До рекуператора полум’я
надходить з печі через фідерний канал, обігріваючи
при цьому останній.
Завантаження дрібняку здійснюється поличковим завантажувачем,
що подає дрібняк через отвір у склепінні печі в
зону максимуму теплової дії полум’я.
З метою створення сприятливих умов для роботи пластинчастого
живильника у фідерній частині є мулітовий розсікач,
що розділяє потік полуменевих газів на два потоки,
спрямовуючи останні до бокових стінок каналу. Цим
додатково гріється розплав над кінцями живильника.
Конструкція фідерної частини печі (патент US 1248967
A1 C 03 B 37/09) уможливила одержати рівень розплаву
над фільєрами в межах 10-20 мм, необхідних для застосування
у виробництві БСТВ живильників пластинчастого типу.
Піч працює в режимі таких параметрів:
температура в печі — 14500 С;
температура димових газів на виході з рекуператора
~ 6500 C;
температура повітря після рекуператора ~ 3000 C;
рівень розплаву над фільєрами — 15 мм.
Максимальна продуктивність печі сягає 15 кг/год.
Витрати природного газу для нової печі становлять
5 нм/год, для печі зі зношеними вогнетривами — 15
нм/год.
Тривалість служби печі 8 — 12 місяців.
Вадами печі є:
1. Застосування бакорового вогнетриву, що є хоч
і найстійкішим з найпоширеніших вогнетривів, проте
під агресивною дією розплаву інтенсивно руйнується,насичуючи
розплав сполуками цирконію і надаючи йому підвищеної
здатності до кристалізації. Недостатня стійкість
вогнетриву змушує до мінімуму зменшувати теплоізоляцію
печі, що призводить до великих втрат тепла, а отже,
й до перевитрат палива.
2. Недостатня температурна однорідність розплаву
над фільєрним живильником.
Вважаю, що серед заходів із подальшого удосконалення
цієї конструкції печі слід передбачити такі:
а) застосування як вогнетривів металевих сплавів
(наприклад хрому чи MoSi2), з яких можна було виготовляти
всі стіни порожнини печі. Тоді можна було б при
тонких вогнетривких стінках застосовувати потужну
теплоізоляцію, наприклад каоліноволокнисту. Прикладом
може бути піч за а. с. 1567528 А1 С 03 В 5/42;
б) конструкцію фідера удосконалити таким чином,
щоб забезпечити надходження до живильника максимально
температурно однорідного розплаву;
в) збільшити теплосприймальну поверхню рекуператора.
4. ФОРМУВАННЯ НЕПЕРЕРВНИХ ПЕРВИННИХ
ВОЛОКОН
Є два види пристроїв для формування
волокон розплаву базальту:
1. Пристрій, що являє собою систему “струминний
живильник + фільєрний живильник типу “посудина”.
2. Пластинчастий фільєрний живильник.
У першому пристрої забір розплаву з фідера і подавання
його до фільєрного живильника здійснюється платинородієвою
трубкою — струминним живильником, а формування волокон
відбувається безпосередньо на фільєрах живильника-посудини,
виготовленого також із платинородію. Кожен з цих
живильників має свою окрему систему нагрівання,
що містить трансформатор і систему управління. До
переваг цього пристрою належить можливість отримання
температурно однорідного розплаву, оскільки забір
його відбувається з однієї точки фідерного каналу.
У виробництві БСТВ цей пристрій з 100-фільєрним
живильником було впроваджено в Білицькому НВО “Теплозвукоізоляція”
1973 року. Розробка його була здійснена на основі
діючого на той час у виробництві скловолокна формувального
пристрою т. зв. “одностадійки”. У порівнянні з попереднім
100-фільєрним пристроєм типу “плавильна посудина”
він працював нестабільно, випускаючи неякісну продукцію.
Протягом 1973 — 74 років лабораторія базальтових
волокон (тоді входила до складу БНВО “Теплозвукоізоляція”)
зробила кілька безуспішних спроб розробити 200-фільєрну
посудину. Наприкінці 1974 р. я запропонував свою
конструкцію 200-фільєрної посудини (а. с. 588198
С 03 В 37/02), особливості якої полягали у зменшенні
місткості посудини, зміні співвідношення її розмірів
і збільшенні діаметра фільєрного отвору з 1,8 до
2,2 мм. Посудина цієї конструкції виявилася настільки
вдалою, що цими живильниками було устатковано всі
виробництва БСТВ країни. Згодом ці живильники було
впроваджено у виробництво базальтового неперервного
волокна. Вони перебувають в експлуатації до цього
часу. Одною з вад формувального пристрою цього типу
є спосіб підтримання робочого рівня розплаву в посудині,
який становить приблизно 20 мм.
Потрібний для підтримання цього рівня дебіт розплаву
досягається ступенем охолодження розплаву на стінках
трубки струминного живильника, що досягається добором
значення сили гріючого електроструму. Отже, крім
необхідних факторів — температури і рівня розплаву
у фідері, — присутній додатковий фактор — сила струму
на струминному живильнику.
Фільєрні живильники другого виду — пластинчасті
— розроблені й виготовлені мною на Ірпінському комбінаті
“Прогрес” у 1975 році. Вони мали 200 фільєр діаметром
2,2 мм і виготовлялись із платинородію. Від попереднього
виду живильника цей живильник відрізняється простотою
конструкції. Розплав до нього надходить безпосередньо
з фідера.
Вадою є порівняно вища температурна неоднорідність
розплаву по площині фільєрного поля, допустима для
виробництва БСТВ, проте не достатня для виробництва
базальтового неперервного волокна. Воднораз за умов
однакової продуктивності пластинчастий живильник
має ряд суттєвих переваг, а саме:
— у 2 рази менша потреба платинородію;
— у 7 разів менші безповоротні витрати (вигорання)
платинородію;
— в 1,8 раза менші витрати електроенергії для нагрівання;
— у 2 рази менша кількість систем нагрівання, в
тім числі трансформаторів, мідних шин, пристроїв
управління;
— у кілька разів менша тривалість простоювання установки,
пов’язаного із заміною живильника.
На пластинчастих живильниках комбінат “Прогрес”
випускав найякісніше волокно порівняно з іншими
підприємствами. Комбінат спеціалізувався на випуску
ультратонкого волокна.
Удосконалений живильник (патент US 1308577 А2 С
03 В 37/09) на 300 фільєр був упроваджений на більшості
заводів. Маса його за платинородієм — 1406 г. Працює
в режимі 32 А електроструму на первинній обмотці
трансформатора. Продуктивність на ультратонкому
волокні становить 8 — 10 кг/год. Тривалість служби
4 — 6 місяців.
Простота конструкції пластинчастого живильника дозволила
для його виготовлення замість платинородію застосувати
сплави чорних металів.
На комбінаті “Прогрес”, починаючи з 1975 р., я випробовував
свої конструкції живильників з неплатинових жаростійких
сплавів Інституту ІПЛ АН УРСР і Московського інституту
якісних сталей. У 80-х роках сучасна конструкція
живильника (патент SU 1098917 A C 03 B 37/08) була
доведена до робочого зразка, але впровадженню його
у виробництво на комбінаті завадили негативні (порівняно
з платинородієм) властивості сплаву-замінника, а
саме — висока змочуваність розплавом, високе тепловипромінювання,
поступове зменшення в процесі експлуатації електропровідності,
мала тривалість служби (до 20 днів). Перші з перелічених
вад утруднюють обслуговування цих живильників і
змушують збільшити штат обслуговувального персоналу,
негативно впливають на перебіг технологічного прогресу
і якість продукції.
Але в 90-і роки зміни обставин (розбійні напади
з пограбуванням, крадіжки платинородію) змусили
підприємства переходити на ці живильники. В 1992
році я впровадив їх на Воткінському заводі (Удмуртія).
Подальше впровадження відбувалося без моєї участі.
Тепер всі виробництва БСТВ (крім комбінату “Прогрес”)
працюють на сплавах-замінниках.
Влітку 1999 року в машинобудівному Виробничому об’єднанні
ім. М. Фрунзе (м. Суми) я впровадив виробництво
БСТВ з неплатиновими живильниками (сталь 27Ю5Т).
Живильники мають 252 фільєри з внутрішнім діаметром
2,2 мм, розташовані на фільєрному полі в 6 рядів.
Міжцентрова відстань між фільєрами — 8 мм (у платинородієвих
— 6 мм). Живильник дає до 8 кг/год волокна, яке
відповідає вимогам стандарту. Сила струму на первинній
обмотці трансформатора — в межах 50 — 55 А.
5. ВИТЯГУВАННЯ ПЕРВИННИХ ВОЛОКОН
Механізм витягування разом з фільєрним
живильником бере участь у формуванні первинного
волокна, розтягуючи у неперервну волокнину наплив
розплаву — “цибулину”, що утворюється на зрізі фільєри
під час витікання з неї під дією своєї ваги розплаву.
Витягування здійснюється парою гумових валків, що
через систему ланцюгової та зубчастої передач дістають
обертальний рух від електродвигуна постійного струму.
Двигун забезпечує плавне регулювання швидкості обертання
валків у потрібному діапазоні швидкостей, чим забезпечується
потрібна швидкість подавання волокна в сопло роздувального
пальника. З кожної фільєри живильника витікає певна
кількість розплаву, яку, змінюючи швидкість обертання
валків, можна витягувати в тонку, що рухається швидко,
волокнину або в товщу, що рухається повільніше.
В процесі роботи залежно від якості роздування добирають
необхідне співвідношення швидкості й діаметра первинних
волокон.
Рівномірний розподіл усіх первинних волокон по довжині
обумовлює високу якість роздування їх на вторинні
штапельні. Важливе значення має стан гумової поверхні
валків і розташування їх відносно вхідної щілини
сопла.
Механізм витягування — це єдиний вузол, що не зазнав
жодних удосконалень за весь час існування установок
БСТВ. Є варіант передавання обертання валкам від
двигуна через редуктор, але він не набув належного
поширення. Швидкість подачі волокна 3,5 — 6,5 м/с,
що забезпечує товщину його в межах 120 — 200 мкм.
6. РОЗДУВАННЯ ПЕРВИННИХ ВОЛОКОН
Процес одержання супертонкого волокна полягає в
нагріванні неперервних первинних волокон до температури
плавлення у високошвидкісному (~ 300 м/с) потоці
гарячих (~ 1550 — 16000 C) продуктів згоряння газоповітряної
суміші і роздуванні їх цим же потоком на супертонкі
(2 мкм і тонші) штапельні. Цей процес здійснюється
за допомогою роздувального пальника, що складається
з камери згоряння й роздувального сопла. В камері
згоряння спалюється суміш природного газу із стисненим
повітрям, а продукти згоряння, виходячи через сопло,
здійснюють роздування.
Газоповітряну суміш одержують у змішувачах двох
типів, а саме:
а) дифузійному, що застосовується в установках БСТВ
спеціалізованих на випуску волокна діаметром 1 —
2 мкм (супертонкого); він працює на стисненому повітрі
0,5 кг/см2, що дорівнює тискові в цехових газопроводах;
б) ежекційний, що застосовується на установках БСТВ,
спеціалізованих на виробництві ультра- і мікротонкого
волокна, де потрібен вищий тиск суміші.
Інтенсивність процесу роздування прямо пропорційно
залежить від маси енергоносія і квадрату його швидкості,
тобто від витрати й тиску стисненого повітря (газ
додається в необхідній для утворення горючої суміші
кількості), а також від температури продуктів згоряння.
Велике значення в процесі роздування має конструкція
сопла. Є два види сопел:
а) сопло з приставною планкою, в якому первинне
волокно вводиться в потік продуктів згоряння після
виходу останнього із сопла. Таке сопло довговічніше,
але інтенсивно ежектоване в потік агента роздування
стороннього повітря погіршує параметри першого;
б) сопло з роздувальним каналом, утвореним нижньою
та верхньою губками сопла. Воно позбавлене вади
першого сопла, але складніше у виготовленні.
За роки моєї роботи на виробництві БСТВ я розробляв
багато оригінальних конструкцій роздувальних пальників
і сопел. Деякі з них захищенні авторськими свідоцтвами.
Але в заводських умовах я не мав змоги виготовляти
їх, випробувати й довести до робочого зразка. В
тих умовах я лише дещо удосконалив розроблені до
мене камери згоряння і сопла з метою використання
їх для роботи на 300-фільєрних та 500-фільєрних
живильниках.
На відомих малих установках БСТВ роздувальні пальники
розташовані горизонтально, і введення первинних
волокон в їхні сопла здійснюється вертикально вниз.
На великій же установці БСТВ (на Білицькому комбінаті
“Теплозвукоізоляція”), при проектуванні передбачалося
використання вертикальних роздувальних пальників
що працюють у виробництві супертонкого скляного
волокна Івотського заводу. Потоки штапельних волокон
з їхніх сопел направляються вертикально вниз через
вертикальні дифузори у спільну шахту. Коли ж через
крихкість базальтових первинних волокон працювати
на вертикальних пальниках виявилося неможливим,
то для виходу із ситуації (адже вже була змонтована
вся установка, включаючи металоконструкцію, піч
з фідерами, шахти та конвеєри) довелося розташувати
похило пальники й дифузори. Інших позитивних якостей
таке розташування не має.
У теперішній установці БСТВ порівняно з плавильною
піччю та фільєрним живильником, що мають запас продуктивності,
роздувальний пальник є вузьким місцем, що стримує
продуктивність установки в цілому. Подальше удосконалення
цього вузла повинне йти шляхом збільшення значення
параметрів агента роздування.
7. ФОРМУВАННЯ ВОЛОКНИСТОЇ ПОЛОТНИНИ
Кінцевою продукцією установки БСТВ
є волокниста полотнина. Вона формується із штапельних
супертонких волокон, що разом з продуктами згоряння
з роздувальних сопел через канали двох дифузорів
спрямовуються на рухому сітку формувального пристрою
— барабана або конвеєра. Пиловим вентилятором, з’єднаним
трубопроводом зі підсітковою камерою, гази просмоктуються
через сітку і видаляються, а осаджене волокно, рухаючись
разом із сіткою, змотується з останньої на барабан,
формуючи полотнину, яку періодично, по досягненні
заданої товщини, зрізають.
Є два види формувальних пристроїв, а саме:
а) Формувальний барабан, робочим органом якого є
обтягнутий сіткою-сім’янкою циліндр, що обертається
навколо своєї осі. Суттєвою вадою його є недостатня
просмоктувальна поверхня, внаслідок чого в надсітковій
камері виникає високий тиск, який спричинює викиди
волокна в приміщення цеху. Відсутність ущільнень
є причиною великих втрат волокна (близько 10%).
б) Формувальний конвеєр (патент України UA 42/ С1
С 03 В 37/06), сітчата поверхня якого в 4 рази більша,
і він має надійне ущільнення. Тому цей формувальний
пристрій не має вад першого. Тиск у його надсітковій
камері нейтральний. Втрати волокна менші за 1%.
Цей конвеєр впроваджений на багатьох заводах.
Для очищення відпрацьованих після роздування газів
застосовується камера мокрого очищення, що розроблена
мною і впроваджена на Ірпінському комбінаті “Прогрес”
1976 році і дотепер експлуатується на багатьох заводах
(див. “Сборник ВНИИЭСМ” серии “Промышленность полимерных,
мягких кровельных и теплоизоляционных материа лов”,
в. 12, 1976, стр. 12 — 13).
До Ренат
ПОЛЬОВИЙ МОЯ БОРОТЬБА.
Просвіта
