Ренат ПОЛЬОВИЙ
МОЯ БОРОТЬБА.
Спогади

АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ ОДЕРЖАННЯ НЕПЕРЕРВНИХ НИТОК ІЗ РОЗПЛАВУ БАЗАЛЬТУ З УРАХУВАННЯМ КОНСТРУКТИВНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ ОБЛАДНАННЯ

Технологічний процес виробництва базальтового неперервного волокна складається з таких стадій:

Підготування сировини — базальтового дрібняку (подрібнення, збагачення, просівання)

*

Дозування й завантаження щебеню (дрібняку) до плавильного агрегату

*

Одержання базальтового розплаву в плавильній печі

*

Надання розплавові потрібних виробіткових параметрів у фідері

*

Формування неперервних волокон фільєрним живильником

*

Замаслювання волокон і утворення нитки на ниткозбірнику

*

Намотування нитки на бобіну витягувальним механізмом

1. ПІДГОТУВАННЯ БАЗАЛЬТОВОГО ДРІБНЯКУ

Для виробництва неперервного волокна потрібно використовувати базальти, розплави яких за своїми виробітковими властивостями (температури кристалізації, інтервалу температур робочих в’язкостей та ін.) придатні для підтримання стабільного технологічного процесу. Оскільки товщина неперервного волокна на порядок менша товщини первинних волокон у виробництві БСТВ, до базальтів для його виробництва виставляються особливо високі вимоги стосовно чинників забезпечення стабільності технологічного процесу. До найважливіших вимог належать:
— однорідність за хімічним складом;
— якомога менша здатність розплаву базальту до змочування поверхні матеріалу фільєрного живильника;
— якомога більший температурний інтервал робочих в’язкостей розплаву (так зване “довге скло”).
Цим вимогам найбільше відповідають андезитобазальти Закарпатських родовищ (Сільце і Підгірне). Порівняно з базальтами Рівненських родовищ вони мають вищий вміст кремнезему, що “подовшує” їхні розплави, і низький вміст оксидів заліза, що зменшує змочуваність.
Базальти обох родовищ потребують збагачення-звільнення від вивітреної породи. Марнеульський базальт треба звільняти і від часток кальциту.
В залежності від способу завантаження до плавильного агрегату базальт повинен бути подрібненим на щебінь фракції 40 — 50 мм або на дрібняк фракції 8 — 12 мм з обов’язковим наступним відсіюванням пиловидних часток, оскільки останні містять в собі значну кількість тугоплавкої вивітреної породи.

2. ДОЗУВАННЯ Й ЗАВАНТАЖЕННЯ ДРІБНЯКУ В ПІЧ

На теперішніх установках виробництва базальтового неперервного волокна, устаткованих печами з кількома волокноформувальними пристроями, завантаження щебеню фракції 40 — 50 мм здійснюється ручним способом (лопатою), що утруднює дозування сировини, а отже, й стабільність підтримання заданого рівня розплаву над волокноформувальними пристроями.
Лише на експериментальній установці НДУ СВ (смт Буча) піч для одного волокноформувального пристрою устаткована поличковим завантажувачем конструкції Р. Польового (див. Експрес-інформація “Промышленность полимерных, мягких кровельных и теплоизоляционных строительных материалов”, с. 6, в. 10, Москва, 1986 г.). Завантажувач завантажує дрібняк фракції 8 — 12 мм, забезпечує задовільне його дозування і, отже, стабільність підтримування заданого рівня розплаву, що важливо для сталого перебігу технологічного процесу.
Використання механічних завантажувачів на печах з кількома волокноформувальними пристроями значно поліпшить умови усталення процесу.

3. ОДЕРЖАННЯ БАЗАЛЬТОВОГО РОЗПЛАВУ

Плавильний агрегат повинен безперебійно постачати волокноформувальні пристрої хімічно однорідним розплавом. Як плавильний агрегат застосовуються ванні печі.
Прикладом ванної печі для кількох волокноформувальних пристроїв є піч Білицького заводу “Теплозвукоізоляція”. Вона опалюється природним газом за допомогою пальників попереднього змішування газу з повітрям, що утворюють горизонтальний факел полум’я. Стіни басейну печі складені з бакору, мурування полуменевого простору виконані з динасу.
Піч працює в режимі 1450 — 14700 С.
Вадами цієї печі є:
— ручне завантаження сировини, що утруднює дотримання заданого рівня розплаву, спричинює коливання температурного режиму й неповне використання плавильної площі;
— нераціональне використання тепла внаслідок горизонтального руху полум’я;
— насичення розплаву баделеїтом (ZrO2) внаслідок руйнування стін басейну, що активізує кристалізаційні процеси в розплаві.
Ванна піч конструкції Р. Польового (патент СРСР № 1172889, патент України № 990) для одного волокноформувального пристрою значною мірою позбавлена цих вад. Вона має площу плавильного басейну 0,25 м2. Опалюється газоповітряною суміщю за допомогою одного пальника, полум’я якого спрямоване вертикально на плавильну поверхню басейну. Таке спрямування полум’я значно підвищує термообмін і, збурюючи розплав у басейні, сприяє усередненню останнього. Базальтовий дрібняк подається через склепіння печі в зону максимальної дії полум’я за допомогою поличкового завантажувача з автоматичним дозуванням. Басейн печі футерований динасовою цеглою і має водяне охолодження для утворення гарнісажного шару в місцях контакту з розплавом. Стіни полуменевого простору й склепіння змуровані з мулітокорудових брусів і мають теплоізоляцію з каолінового волокна.
Піч працює в режимі 14500 С, забезпечуючи продуктивність до 8 — 10 кг/год. Радіаційний рекуператор щілинного типу, утилізуючи тепло димових газів, нагріває повітря для газоповітряної суміші до 400 — 4500 С.
Доцільним є розробка на цьому принципі більших печей, устаткованих кількома волокноформувальними пристроями.

4. ПІДГОТУВАННЯ РОЗПЛАВУ ДО ВИРОБЛЕННЯ ВОЛОКОН

До волокноформувальних пристроїв одержаний у плавильній печі розплав надходить через фідер, що являє собою опалюваний природним газом вимурований із вогнетривких матеріалів канал. У дні каналу є отвори для спрямування розплаву до волокноформувальних пристроїв. У фідері розплав набуває заданих робочих температурно-в’язкісних та гідростатичнонапірних властивостей, що досягаються за допомогою температурного режиму в полуменевому просторі фідера та рівня розплаву в його каналі.
Залежно від типу волокноформувального пристрою є різні типи фідерів. Оскільки конструкції фідера і волокноформувального пристрою взаємозалежні, надалі розглядатимемо їх у поєднанні.

5. ФОРМУВАННЯ НЕПЕРЕРВНИХ ВОЛОКОН

Аналогічно до виробництва неперервних скляних волокон формування базальтових неперервних волокон здійснюється на спеціальних волокноформувальних пристроях — фільєрних живильниках. У зв’язку з особливістю властивостей базальтових розплавів порівняно з властивостями застосовуваних у виробництві неперервних волокон скломас волокноформувальні пристрої для базальтових волокон мають свої конструктивні особливості. Порівняно зі скломасою розплав базальту має значно вищу температуру кристалізації, промененепрозорість, малий інтервал виробіткових температур (“коротке скло”) та здатність інтенсивно змочувати поверхню матеріалу живильника — платинородію. Ці властивості значно ускладнюють процес волокноформування і вимагають нових конструкторсько-технологічних рішень.
На самому початку виникнення виробництва базальтових неперервних волокон (БНВ) і базальтового супертонкого волокна (БСТВ), першою стадією виробництва якого є формування неперервних первинних волокон, волокноформувальними пристроями були нагрівані електричним струмом плавильні фільєрні посудини, які одночасно і плавили дрібняк, і формували волокна з розплаву, що витікає з фільєр. Живильник мав розташовані в два ряди 100 фільєр з діаметром вихідного отвору 1,8 мм. Необхідність поєднувати температурні режими плавлення і формування утруднювали роботу цього живильника, зумовлювали високу обривність процесу і низьку продуктивність. Негативним фактором були значні витрати платинородію за рахунок великого вигару і значної маси живильника.
В той час у виробництві скляного супертонкого волокна вже застосовувалися прості й економічно доцільні пластинчасті живильники для формування неперервних первинних волокон. Проте наявні конструкції фідерів з товстим вогнетривким дном зумовлювали висоту шару розплаву над фільєрами до 200 мм, що унеможливлювало застосування таких живильників у виробництві БСТВ через промененепрозорість розплаву та його високу температуру верхньої межі кристалізації.
Тому 1972 року в Білицькому НВО “Теплозвукоізоляція” було випробувано і впроваджено волокноформувальний пристрій типу “одностадійки”, що до того часу вже працював на Сіверськодонецькому заводі склопластиків у виробництві склонитки. Він складається з двох платинородієвих елементів, кожен з яких має свою окрему систему електронагрівання, а саме — струминного живильника та фільєрного живильника-посудини.
Струминний живильник являє собою платинородієву трубку діаметром 13 мм, один кінець якої введений через отвір у дні фідерного каналу в розплав базальту, а другий — в горловину фільєрної посудини, що являє собою вищезгадану 100-фільєрну плавильну посудину з додатком конічної горловини. Через трубку струминного живильника розплав надходить до фільєр посудини, витікаючи з яких, утворює напливи — “цибульки”, які за допомогою витягувального механізму витягуються в неперервні волокна.
Такий волокноформувальний пристрій, працюючи зі значною обривністю, мав вищу продуктивність. Тому було взято курс на широке його впровадження. Для цього інженер Р. Польовий (тобто я) розробив для різних установок БСТВ і БНВ кілька конструкцій печей з фідерами для живильників цього типу.
Два фідери БСТВ2.03.00.000 на 5 живильників кожний були вповадженні в БНВО “Теплозвукоізоляція”. Вони опалювалися газоповітряною сумішшю за допомогою горизонтальних пальників, розташованих у шаховому порядку в бокових стінах з міжосьовою відстанню між ними 230 мм. Працювали в режимі 1370 — 13800 С.
З метою економії палива в 1976 році ці фідери були переобладнані на вертикальні пальники, що вводили пальну суміш до полуменевого простору фідера через отвори в його склепінні — фурми (Р. Полевой и другие. “Фидер для производства базальтового супертонкого волокна”. Сборник ВНИИЭСМ “Промышленность полимерных материалов”, в. 4, Москва, 1977 г). Аналогічний фідер тепер працює на установці виробництва неперервного волокна Білицького заводу “Теплозвукоізоляція”.

У 1973 — 74 роках з метою збільшення продуктивності волокноформувального вузла виробництва БСТВ в лабараторії базальтових волокон БНВО “Теплозвукоізоляція” провадилася розробка 200-фільєрної посудини. Був розроблений 4-рядний живильник 2-4-6-73 Пд-3, що мав висоту камери 90 мм, ширину 40 мм, діаметр фільєри 1,8 мм і масу 2773 г. Багаторазові випробування й коригування засвідчили його непридатність для експлуатації з огляду на несталість дебіту розплаву з фільєр по всьому фільєрному полю, інтенсивне запливання фільєрного поля і недовговічність (перегорав за кілька діб).
Запропонований інженером Р. Польовим малогабаритний живильник 2-4-БПд-74Р (патент СРСР № 588198) мав висоту 40 мм, ширину 32 мм, діаметр фільєри 2,2 мм і масу 1932 г. Маючи втричі менший обсяг камери, що обумовлює більшу швидкість проходження розплаву до фільєр, чим у поєднанні з оптимальним співвідношенням розмірів камери зберігається його температурна однорідність, живильник характеризується відносно високою сталістю роботи фільєр. Збільшення діаметра фільєри дозволило зменшити температуру фільєрного поля, що різко зменшило запливання останнього розплавом. Цей живильник виявився настільки вдалим, що без будь-яких конструкривних змін перебуває в експлуатації дотепер. Всупереч усталеній закономірності збільшення обривности зі збільшенням кількості фільєр, цей 200-фільєрний живильник за цим показником виявився кращим від попереднього 100-фільєрного. Слід зазначити, що подальше збільшення кількості фільєр спричиняло підвищення обривності, внаслідок чого 300- і 400-фільєрні посудини не набули поширення.
У виробництві базальтового неперервного волокна (БНВ) ще понад 10 років працювали лише 100-фільєрні посудини з діаметром фільєр 1,8 мм. Внаслідок панування в лабораторії базальтових волокон переконання, що зменшення товщини елементарного неперервного волокна можна досягти лише шляхом зменшенням діаметра фільєри, роботи над створенням 200-фільєрного живильника для БНВ велися в цьому напрямі. Але зменшення діаметра фільєри утруднювало рух розплаву в ній, що спричинювало обривність. Підігрівання фільєрного поля з метою зменшити опір рухові розплаву через фільєру посилювало змочуваність поля і інтенсифікувало його заливання розплавом. Досягти необхідного дебіту розплаву через фільєру при нормальній температурі фільєрного поля за рахунок збільшення напору шляхом збільшення висоти камери посудини позитивних наслідків не давало. Тільки випадкове випробовування вищезгаданої посудини 2-4-БПд-74Р з фільєрами діамтру 2,2мм, що застосовувалась у виробництві БСТВ, довело її придатність і для виробництва БНВ. З того часу і дотепер ця посудина незмінно використовується для виробництва БНВ.
Важливу функцію у волокноформувальному пристрої цього типу виконує струминний живильник. Він служить не лише для подавання розплаву з фідерного каналу до посудини, а й для регулювання витрати розплаву останньою. Це здійснюється регулюванням сили струму, що подається для нагрівання живильника. Помилковим є панівне уявлення про відповідність гідростатичного тиску розплаву на фільєрницю (фільєрну пластину) відстані від поверхні розплаву в фідері до верхньої площини фільєрниці. Насправді він у 30 — 60 разів менший, що підтверджується тотожністю дебітів розплаву пластинчастого живильника з висотою стовпа розплаву над його фільєрницею в 10 — 20 мм і посудини з відстанню між поверхнею розплаву в фідері та її фільєрницею, що приблизно дорівнює 650 мм. Це означає, що в струминному живильнику створюється сила тертя, яка нейтралізує гідродинамічний тиск розплаву. Ця сила тертя утворюється гарнісажним шаром розплаву, що вкриває внутрішню поверхню трубки живильника, чим зменшує площу його поперечного перерізу, обмежуючи тим самим дебіт розплаву для підтримання необхідного гідростатичного стовпа в межах 10 — 20 мм. Зменшенням сили електричного струму на живильнику збільшується товщина гарнісажного шару. Чим вища температура розплаву в фідері, тим товщий потрібен гарнісажний шар для підтримання необхідних дебіту розплаву і гідростатичного тиску в фільєрній посудині.
Таким чином, сила струму є своєрідним вентилем для регулювання видатності (дебіту) розплаву через струминний живильник. У разі неконтрольованого підвищення сили струму ганісажний шар змивається потоком розплаву, різко зростає гідродинамічний тиск і виникає бурхливе витікання розплаву з фільєр з припиненням процесу волокноформування. Неможливістю створити надійний гарнісажний шар можна пояснити неможливість відрегулювати роботу струминного живильника з трубкою діаметром 24 мм, який передбачалося застосувати в комплекті з розроблюваною в 1974 році 200-фільєрною посудиною.
Тепер для 200-фільєрної посудини застосовується струминний живильник з трубкою діаметром 13 мм, маса якого дорівнює 1240 г.
У роботі струминного живильника неприпустимим є коливання напруги в системі його електронагрівання. Збільшення сили струму викликає змивання гарнісажного шару, що викликає температурну неоднорідність розплаву і підвищення гідродинамічного тиску. Зменшення сили струму може призвести до повної закристалізованості розплаву в трубці, наслідком якої є тривалий простій волокноформувального пристрою для розкристалізації.
Заміна зношеного струминного живильника на новий — процес багатогодинний і трудомісткий.
Розглянутий вище волокноформувальний пристрій типу “струминний живильник + фільєрна посудина” понині є єдиним, що застосовується у виробництві БНВ.
На відміну від цього типу волокноформувальних пристроїв у виробництві скляного супертонкого волокна неперервні первинні волокна формуються на пластинчастих живильниках. До переваг пластинчастого живильника належать:
— значно менші потреба платинородію і його безповоротні витрати;
— значно менші витрати електроенергії;
— удвічі менше електроустаткування для нагрівання;
— простіше обслуговування;
— нетривалість і нетрудомісткість операції заміни зношеного живильника.
Оскільки надто високий (понад 200 мм) рівень розплаву над фільєрами в фідерах традиційної конструкції унеможливлює застосування пластинчастих живильників у виробництві неперервного волокна, на Ірпінському комбінаті “Прогрес” з 1975 року провадилися роботи зі створення умов, при яких живильники цього типу могли б формувати неперервні первинні волокна у виробництві БСТВ.
Тоді інженером Р. Польовим були розроблені і впроваджні фідер для пластичного живильника (а. с. № 504711) і сам живильник (а. с. № 675009), що дало можливість понизити рівень розплаву над фільєрами до 60 мм. Особливістю фідера був канал для розплаву, виготовлений із жаростійкої сталі ХН45Ю і теплоізольований кременеземисто-волокнистими плитками. Із цієї ж сталі виготовлене виробіткове вічко, через яке розплав надходить до фільєр. Верхні крайки стінок вічка, виступаючи над рівнем розплаву в полуменевий простір фідера, обігріваються полум’ям спалюваної в ньому газоповітряної суміші і, теплопровідністю передаючи тепло до нижніх шарів розплаву, запобігають його кристалізації. Рівномірність температури розплаву по довжині вічка досягається регулюванням витрат палива на пальниках, що розташовані вертикально на склепінні по осі живильника. В статті Р. Польового та інш. “Температурные поля в фидерах с пластинчатыми фильерными питателями” (ж. “Стекло и керамика”, № 11, 1981) описано дію цього фідера. На комбінаті “Прогрес” усе виробництво БСТВ (26 спарованих установок) було переведено на печі з такими фідерами для 200-фільєрних пластинчастих живильників. Конструкція установки описана в статті Р. та П. Польових “Установка с пластинчатым фильерным питателем для производства базальтового супертонкого волокна”, реф. информация ВНИИЭСМ, с. “Промышленность полимерных, мягких кровельных и теплоизоляционных строительных материалов”, М., 1977, в. 8.
Серйозними вадами цього фідера є недостатня температурна однорідність розплаву в ньому і низька тугоплавкість матеріалу виробіткового вічка (в разі неконтрольованого підвищення температури вічко розплавлялося і виводило з ладу живильник).
На цьому принципі в 1979 році згідно з розробкою інж. Р. Польового (а. с. № 1006398) під 200-фільєрні пластинчасті живильники на великій установці БСТВ комбінату “Прогрес” було переобладнано два фідери, кожен з яких до того часу був обладнаний п’ятьма волокноформувальними пристроями зі струминними живильниками. У зв’язку з низьким рівнем розплаву в каналі фідера, що є необхідним для нормальної роботи живильника, розплав не доходив далі третього живильника. Тому для роботи всіх п’яти живильників у процесі експлуатації довелося встановити фідери з нахилом на 20 мм у кінці. Ці фідери пропрацювали до зношення вогнетривкого мурування печі, після чого установку було демонтовано у зв’язку з реконструкцією цеху. Вони відзначалися великою різницею в показниках роботи окремих живильників.
Подальше удосконалення установки БСТВ для пластинчастих живильників на комбінаті “Прогрес” провадилося інженером Р. Польовим у напрямі подальшого пониження рівня розплаву над фільєрами. Фідер (патент СРСР № 1248967; патент України № 991), дном якого є рамочні холодильники, в які вмонтовано пластинчастий живильник, дозволив понизити рівень розплаву до 20 мм, а нова конструкція живильника (патент СРСР № 1308577) — до 10 мм. Ці заходи значно зменшили температурну неоднорідність розплаву по висоті його шару над фільєрами і сприяли уникненню кристалізації в ньому. Конструкція ванної печі (патент № 1172889; патент України № 990) з розсікачем, що, спрямовуючи потік продуктів згорання на ділянки максимальних тепловитрат над виробітковим отвором фідера, вирівнює температуру розплаву по довжині фільєрниці. При цьому фідерна частина печі опалюється відпрацьованим у процесі плавлення базальту паливом.
Забезпечивши значне поліпшення температурної однорідності розплаву, ці останні конструкторсько-технологічні рішення уможливили широке впровадження 300-фільєрного живильника П304.000 з масою 1406 г і успішне випробування 500-фільєрного живильника П508.000 з масою 2148 г, на заваді впровадженню якого стала невирішеність проблеми роздування збільшеної кількості первинних волокон.
Вирішальну роль вищезгадані розробки відіграли у впровадженні у виробництво БСТВ замінників платинородію — жаростійких залізохромистих сплавів. При відносно невисокій температурі плавлення ці сплави мають високу окалиностійкість, що є важливим чинником у роботі живильника. Роботи з їх впровадження у виробництво БСТВ проводилися лабораторією базальтових волокон разом з розробником цих сплавів — ІПЛ АН УРСР — з 1975 року. Через складність волокноформувального пристрою зі струминним живильником і неконструкційність сплавів роботи до позитивних результатів не просунулися.
В той же час на комбінаті “Прогрес” при епізодичних поставках відливок сплаву ІПЛ завдяки простоті конструкції пластинчастого живильника та вдалих конструкцій фідера уже в середині 70-х років було досягнуто позитивних результатів, а на початку 80-х років 250-фільєрний живильник конструкції інженера Р. Польового було доведено до робочого зразка (патент № 1098917). Але впровадженню його на комбінаті завадили негативні порівняно з пластинородієм властивості сплаву, а саме:
— дуже висока змочуваність розплавом базальту;
— високе тепловипромінювання;
— поступове зменшення в процесі експлуатації електропровідності;
— мала тривалість служби (до 20 діб).
Перші з перелічених вад утруднюють обслуговування цих живильників, що змушує подвоїти чисельність обслуговуючого персоналу, негативно впливають на перебіг технологічного процесу та якість продукції. Тільки посилення криміногенної обстановки довкола використовування в техніці благородних металів змусило все виробництво БСТВ (за винятком комбінату “Прогрес”) перейти на залізохромисті живильники. У виробництві ж базальтових неперервних волокон (БНВ) висока змочуваність унеможливлює використання таких сплавів.
Застосування платинородієвих пластинчастих живильників у виробництві БСТВ можливе завдяки великій товщині (понад 100 мкм) первинних волокон. Зі зменшенням діаметра волокон зростає обривність їх у зоні формування.
Займаючись у 1995 — 98 роках в Ізраїлі проблемою створення спрощенної конструкції волоконоформувального пристрою без струминного живильника, інженер Р. Польовий удосконалив 200-фільєрний пластинчастий живильник з метою вирівнювання температури фільєрного поля. Це дозволило досягти більшої температурної однорідності розплаву і, отже, сталого процесу виготовлення волокна діаметром близько 25 — 30 мкм. Одержанню тонших волокон завадили недостатня температурна і, до деякої міри, хімічна (через наявність у сировині породи) однорідність розплаву, що надходив до живильника. Для подолання цієї вади потрібне було комплексне удоско-налення фідера і живильника з його холодильниками.
Ці удосконалення здійснено Р. Польовим на експериментальній установці БНВ в Інституті скляного волокна (смт Буча), де з квітня 2000 року у сталому режимі працює платинородієвий 200-фільєрний живильник без струминного живильника і виробляє ровінг спеціального призначення, діаметр елементарного волокна якого 16 — 20 мкм. Продуктивність живильника до 7 кг/год.
Намічені подальші удосконалення.

6. СТАДІЯ НАМОТУВАННЯ НИТКИ

Удосконалення устаткування цієї технологічної стадії полягає у впровадженні намотувального механізму з регульованою змінністю швидкости витягування волокон.

До Ренат ПОЛЬОВИЙ МОЯ БОРОТЬБА.