Одним из ключевых параметров силикатных расплавов является модуль кислотности (Мк), определяющий структуру и эксплуатационные свойства минеральной ваты. В современной литературе Мк представлен формулой:
, (1)
Считается, что увеличение модуля кислотности благоприятно сказывается на прочностные характеристики индивидуальных минеральных волокон. Данное заключение справедливо при выполнении условий хорошей подготовки расплава в плавильном агрегате. Рассмотрим данный вопрос комплексно и сделаем интегральную оценку данного вывода. Исходя из представлений современной физической химии Мк прямым образом влияет на связанность кремний-кислородного каркаса [1]. При этом чем выше модуль кислотности, тем больше размер анионных комплексов в структуре стеклообразующих оксидов SiO₂, Al₂O₃, что положительно сказывается на структурообразующей сетке, обеспечивающей высокие прочностные характеристики.
Для производства штапельного минерального волокна с высокими эксплуатационными характеристиками необходимо строго контролировать химический состав расплавов. Одним из ключевых физико-химических параметров, определяющих пригодность силикатных расплавов для волокнообразования, является вязкость, которая напрямую связана со значением модуля кислотности. При этом чем больше Мк, тем больше вязкость.
Определение вязкости инструментальными методами затруднено рядом проблем [2, с. 11-14]. Основными факторами ограничивающим применение данного подхода, ограничивающим действие данного подхода относятся: высокая стоимость специального оборудования, сложность его эксплуатации, а также ограниченная доступность приборов на рынке Российской Федерации. Ввиду сложности определения вязкости силикатных расплавов предпринимаются попытки разработки математических методов ее расчета на основе данных о химическом составе. Наиболее точная аппроксимация вязкости силикатных расплавов достигается с помощью предложенного в работе [3, с. 220-223] многофакторного уравнения регрессии, отражающего как индивидуальный, так и суммарный вклад расплавообразующих оксидов:
, (2)
При моделировании расчета вязкости по химическому составу (2), авторами был использован массив данных базальтовых расплавов, полученных на ротационном вискозиметре в диапазоне температур 1200...14500 С. Плавление и последующая переработка расплавов с высоким модулем кислотности сопряжена с рядом технологических сложностей. С увеличением Мк возрастает вязкость расплава, увеличивается энергия плавления сырьевых материалов [4, с. 262-265], усложняется гомогенизация и повышается риск образования дефектов в структуре волокна.
В современной промышленности для переработки горных изверженных пород в штапельное минеральное волокно применяются следующие типы плавильных агрегатов:
- кокосовые и коксогазовые вагранки;
- газовые вагранки;
- рекуперативные и регенеративные ванные печи;
- электродуговые (рудотермические) печи;
- специальные газовые ванные печи с электроподогревом и барботажем.
Каждый из указанных плавильных агрегатов обладает своими специфическими достоинствами и недостатками, а также характеризуется оптимальным диапазоном модуля кислотности, при котором достигается максимальное качество минерального волокна (табл. 1).
Таким образом, выбор плавильного агрегата должен осуществляться с учетом требуемого модуля кислотности исходного сырья и целевых характеристик конечного продукта. Это позволяет обеспечить стабильность технологического процесса и высокое качество изделий из минеральной ваты. Или в случае наличия определенного плавильного агрегата, нужно правильно делать выбор по подбору сырьевых материалов и конечному уровню Мк.
Таблица 1
Тип плавильного агрегата | Рекомендуемый диапазон Мк |
Рекуперативные и регенеративные ванные печи | 1,65–1,75 |
Вагранки (кокосовые, коксогазовые, газовые) | 1,80–1,90 |
Электродуговые (рудотермические печи) | 2,00–2,10 |
Специальные газовые печи с ДЭП и барботажем | 2,1–2,40 |
Сделаем анализ приведенных выше плавильных агрегатов, более широко затронув их достоинства и недостатки на основании данных теоретических процессов плавления, а также практических результатов исследований макро- и микроуровня минерального штапельного волокна.
В приводимом анализе рассмотрим три основных типа плавильных агрегата представляющих собой наибольший интерес: коксовые вагранки, ванные газовые печи с дополнительным электроподогревом (ДЭП) и барботажем, электродуговые (рудотермические) печи.
1-й тип – вагранки [5]. Главным преимуществом и причиной большой популярности вагранок явилась простота обслуживания, минимальные затраты на капитальные и текущие ремонты оборудования. Помимо этого, вагранки обеспечивают высокую производительность, не соизмеримую с другими плавильными агрегатами. Именно производительность и является неким краеугольным камнем как положительных, так и отрицательных факторов подготовки качественного расплава. Несмотря на то, что вагранки являются одним из самых применяемых плавильных агрегатов, они имеют ряд существенных недостатков:
- Недостаточность прохождения твердофазных реакций при температурах до начала плавления материалов, что обусловлено крупной фракцией компонентов сырья;
- Быстротечность процесса от момента начала плавления до момента выхода расплава из сифона;
- Короткий промежуток времени нахождения материала в жидкой фазе (расплавленном состоянии) отрицательно сказывается на полном перемешивании, дегазации и гомогенизации расплава;
- Восстановление железа из оксидов железа входящих в состав горных изверженных пород;
- Образование большого количества вредных дымовых газов.
Рассматривая имеющиеся недостатки процесса плавления, можно выделить три основных:
- Плохая гомогенизация расплава ввиду ограниченного времени его нахождения в расплавленном состоянии;
- Слабая дегазация расплава ввиду ограниченного времени состояния нахождения расплава в жидкой фазе и отсутствия возможности барботирования;
- Восстановление оксидов FeO и Fe2O3 до металлического железа.
Таблица 2
Типичный химический состав для вагранок
Содержание оксидов, мас.% | |||||||
SiO2 | TiO2 | Al2O3 | FeхOу | MgO | CaO | Na2O+ K2O | Мк |
43-46 | 1,0-1,5 | 12-15 | 4,5-9 | 9,0-10,5 | 20- 23 | 2,5-3,1 | 1,8-1,9 |
2-й тип – ванные печи с электроподогревом и барботажем. Современные печи 2-го типа представляют собой газовую рекуперативную печь с дополнительным электроподогревом непрерывного действия и барботажем.
Данная технология плавления, дополненная электроподогревом и барботажем позволяет плавить шихту, имеющую высокий модуль кислотности 2,1...2,4.
Таблица 3
Типичный химический состав для ванных печей
Содержание оксидов, мас.% | |||||||
SiO2 | TiO2 | Al2O3 | FeхOу | MgO | CaO | Na2O+ K2O | Мк |
45-46 | 1,0-1,5 | 12,0-12,6 | 12,5-13,5 | 9,5-10,5 | 15,5- 17 | 2,5-3,1 | 2,1-2,4 |
Ключевым преимуществом данной технологии является наличие дополнительного электроподогрева. Данная система обеспечивает эффективный подогрев нижних слоев расплава, расположенных в районе пода печи, что позволяет довести расплав до требуемой вязкости, обеспечивающей его оптимальное движение и гомогенизацию [6].
Не менее важную роль играет барботаж – процесс продувки расплава воздухом. Барботаж способствует интенсивному перемешиванию всех масс расплава, что дополнительно повышает степень гомогенизации. Кроме того, данный процесс обеспечивает удаление газовой фазы, находящейся в расплаве, что способствует снижению дефектности и повышению стабильности физико-механических свойств готового продукта.
К отличительным, положительным особенностям ванных печей относится возможность одновременного размещения значительного объема расплава, что обеспечивает стабильность технологического процесса и конечных свойств получаемого волокна.
Совокупность указанных технологических решений позволяет получить гомогенизированный силикатный расплав, максимально советующий оптимальным характеристикам, необходимым для его качественной последующей переработки в штапельное волокно.
3-й тип - электродуговые (рудотермические) печи. Электродуговые рудоплавильные печи постепенно обретают свою вторую жизнь.
Данная технология обладает рядом существенных преимуществ, определяющих ее растущую популярность в современной промышленности. Ключевым достоинством этой технологии является возможность достижения сверхвысоких температур в локальной зоне плавления. Этот фактор создает благоприятные условия для формирования гомогенного расплава. К преимуществам данного типа оборудования также относятся простота конструкции, возможность плавки различных видов тугоплавкого сырья, гибкость управления технологическим процессом.
С точки зрения физико-химических процессов, протекающих в печи, интенсивный термический режим способствует эффективной диффузии элементов в ионных расплавах. Это дополнительно обеспечивает высокую степень гомогенизации силикатного расплава, что является критически важным фактором для получения качественного штапельного волокна.
Важной особенностью процесса плавки в электродуговых печах является возможность поддержания слабо-восстановительной среды. Это условие предотвращает нежелательное восстановление оксидов железа (Fe2+ и Fe3+) до металлического состояния. Сохранение железа в оксидной форме положительно сказывается на стабильности и прогнозируемости химического состава получаемого расплава [7, с. 96-109].
Помимо всего, высокие энергетические возможности электродуговых печей позволяют получать расплавы с повышенным модулем кислотности, Мк = 2,0...2,1, что повышает физико-механические и эксплуатационные характеристики конечных продуктов из штапельного минерального волокна.
Таблица 4
Типичный химический состав для электродуговых печей
Содержание оксидов, мас.% | |||||||
SiO2 | TiO2 | Al2O3 | FeхOу | MgO | CaO | Na2O+ K2O | Мк |
45-46 | 1,0-1,5 | 12,0-14,6 | 4,5-10,5 | 9,5-10,5 | 18,0-20,0 | 2,0 – 2,6 | 2,0-2,1 |
Проведенный анализ современных технологий плавления силикатных расплавов для производства штапельного волокна позволяет сделать вывод о целесообразности выбора плавильного агрегата в зависимости от производственных задач и экономических возможностей предприятия.
Технологии 1 типа остаются востребованным решением для предприятий, ориентированных на массовое производство изделий из минерального штапельного волокна. Их главное преимущество – простота обслуживания, минимальные капитальные вложения и высокая производительность, значительно превышающая показатели печей других типов. Тем не менее, данная технология обладает рядом существенных недостатков:
- недостаточная полнота прохождения твердофазных реакций из-за крупной фракции сырья (80...150мм), и кратковременности пребывания материала в жидкой фазе,
- восстановление оксидов железа до металлического состояния, что негативно влияет на получаемый химический состав расплава,
- образование большого количества вредных дымовых газов, требующих дорогостоящих систем газоочистки.
Технология 2-типа обеспечивает одни из лучших условий для гомогенизации расплава за счет сочетания газового нагрева, дополнительного электроподогрева и барботажа. Это позволяет получать сырье с высоким Мк = 2,1...2,4, что обеспечивает высокие физико-механические характеристики, необходимые для штапельного волокна. Тем не менее данная технология не является массовой из-за высокой стоимости инвестиционных и капитальных затрат на строительство и эксплуатацию. Кроме того, данные печи уступают ваграночным печам по производительности.
Технология 3-типа демонстрирует значительный потенциал и перспективы дальнейшего совершенствования. Ключевым преимуществом данной технологии является возможность достижения высоких температур, что позволяет работать с композицией сырья обеспечивающей высокий модуль кислотности (Мк = 2,0...2,1), а также производительностях приближенных к ваграночным печам.
Таким образом, выбор оптимальной технологии плавки должен основываться на балансе между требованиями к качеству конечного продукта, необходимой производительностью и экономическими факторами.
