Новости компании Вопросы и ответы
Галерея Статьи и публикации
Главная страница / Статьи и публикации / Базальт и изделия из него

 Базальт и изделия из него 

 

 

Сегодня очень много говорят о базальтовой тематике. И это правильно, видимо пришло время. Базальтовые породы появились в результате извержений магмы, которая миллионы лет варилась во чреве планеты. А. С. Ферсман, А.Н. Виноградов С. Тейлор оценочно установили, что в 16- километровом слое земной коры содержится 95% изверженных горных пород, базальтов и гранитов, последних в два раза больше. В СНГ базальты распространены практически повсеместно. В связи с этим в годы СССР получило широкое распространение производство базальтовых волокон и материалов на их основе.

В конце прошлого столетия изделия из базальта показали, что могут заменить металл, который продержался на службе у человека несколько тысячелетий и более того они с успехом могут заменять другие материалы, и имеют свойства, которых не имеет ни кто. Я считаю это только малая доля которую мы узнали о базальте, ведь плотно исследованиями занимались около сорока лет (металл в начале нам открылся только как режущий инструмент, оружие, посуда и пр.)

На основе базальтовых волокон развивается широкий ассортимент теплозвукоизоляционых и звукопоглащающих материалов: прошивные маты, рулонная теплоизоляция, плиты, шнуры, картон взамен асбестового, и др. плотностью от20 до 200 кг/м3; коэффициентом теплопроводности от 0,0279 до 0,0337 Вт/(м К) при средней температуре 00С; коэффициент звукопоглощения 0,80-0,98 при частотах (200-1800)Гц.

Фильтрационные материалы: базальтоволокнистые фильтрующие маты гидротехнических дренажных систем с коэффициентом фильтрации 0,58-0,93 см/с, фильтры для очистки и стерилизации воздушных и газовых сред с коэффициентом фильтрирующего действия от 0,681 до 0,912, эффективностью фильтрации до 990,99725%.
Конструкционные и армирующие материалы: базальтопластики листовые, профильные, трубы и т. п.; мелкодисперсная фибра как армирующий заменитель асбестовых волокон и других композиционных материалов; крупнодисперсная фибра заменитель металлической арматуры в стоительных конструкциях на минеральных вяжущих; то же рулонные и пакетированные базальтоволокнистые армокаркасы; износостойкие детали (валы, шестерни); смазки.

Базальтовые чешуйчатые материалы, как антикорозионные покрытия; защитная посыпка рулонных кровельных материалов на битумной основе; теплоизоляционные, электроизоляционные и композиционные материалы.

В отечественной и зарубежной практике в качестве армирующего материала для композиционных материалов, в том числе и строительного назначения, применяются стеклянные непрерывные волокна, которые обладают высокой прочностью, устойчивостью к знакопеременным нагрузкам и тепловым ударам, коррозионной стойкостью, долговечностью.

Однако существенным недостатком производства стеклянных непрерывных волокон следует считать необходимость использования шихты из дорогих в настоящее время материалов, таких как кварцевый песок, сода, сульфат натрия, борсодержащие компоненты и другие ( стоимость одной тонны сырья более 900$).

В настоящее время имеется технология получения непрерывных волокон из широко распространённых горных пород типа базальтов. Непрерывные волокна получают одностадийным способом. Подготовка сырья сводится только к его дроблению до фракций 3-70 мм. и магнитной сепарации. Стоимость сырья с доставкой, даже в очень удалённые места, не более 100$.

Технологический процесс производства непрерывных волокон из горных пород сравнительно прост и заключается плавлении породы в ванных печах с последующей переработкой расплава в волокна из много фильерных платино- родиевых питателей способом намотки на бобины.

По данной технологиии образуется в достаточной степени гомогенизированный расплав, что приводит к улучшению процесса формования волокон. Кроме того, обеспечение фильерного питателя однородным расплавом позволяет уменьшить температурные перепады,неизбежные при загрузке холодного сырья.

По проведенным исследованиям Джигириса Д.Д. и Маховой М.Ф. для производства непрерывных базальтовых волокон рекомендованы в качестве однокомпанентного сырья горные породы: базальты Марнеульского (Грузия) и Сулу-Терекского (Киргизия) месторождений; базаниты Золакарского (Армения) и андезито-базальты Подгорнянского (Украина) месторождений.

Анализ данных показывает, что исследованные горные породы отличаются содержаниями оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия.

Конечная температура плавления всех выделенных из горных пород разновидностей не превышает 14000С, что дает возможностьполучать однородный расплав при 14500С в существующих плавильных печах. Одним из важных критериев оценки пригодности горных пород для производства волокон является вязкость расплавов, особенно при температуре 13000С, близкой к температуре выработки волокон. Наиболее вязкие расплавы образуют андезито-базальты яяяяяяяяяяподгорнянского месторождения, обладающие повышенным содержанием SiO2, Al2O3 и меньшей суммой CaO и MgO.

Наряду с вязкостью важными критериями, определяющими пригодность сырья для получения непрерывных волокон, является температура верхнего предела кристаллизации (Тв.п.к.) и температурный интервал выработки волокон (Ти.в.в.).

Наиболее широкий интервал выработки и более низкие значения Тв.п.к. характерны для расплава базанита Золокарского месторождения, что обусловлено меньшим содержанием оксида железа и магния. Расплавы всех этих горных пород удовлетворяют требованиям для получения непрерывных волокон (Тв.п.к.- не более 12500С; Ти.в.в.-не менее 700 С).

Характеристики продукции из непрерывного волокна:

1. Диаметр волокон 6-25 мкм
2. Температура применения, C -200...+600
3. Плотность, кг/куб. м. 2800
4. Модуль упругости, кг/кв. мм. 9100...1100
5. Прочность при растяжении (после термообработки 1 ч.), %
20 град. C    - 100%
200 град. C  -   94%
400 град. C  -   65%


6. % потеря веса после 3-х часового кипячения в
H2O - 0.16%
2N NaOH - 5.0%
2N HCl - 2.1%


7. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*м 1*10^13
8. Нормальный коэффициент звукопоглощения 0.9...0.99

Продукция производимая из непрерывного волокна:
Ровинги для производства профильных стеклопластиков прутков ф 4 - 60 мм, профилей различной конфигурации, базальтопластиковой арматуры, труб и емкостей (методом намотки), армирующих ровинговых тканей для производства стеклопластиков, подложек для производства мягких кровель, кровельных и облицовочных материалов, геотекстильные материалы (сетки, полотна) для армирования дорожных покрытий, укрепления насыпей, земляных валов, иглопробивные материалы для теплозвукоизоляции.


Области применения непрерывного базальтового волокна

  • Химическая промышленность.
  • Строительство.
  • Промышленное и дорожное строительство, рекультивация и укрепление земель.
  • Производства стеклопластиков различного назначения.
  • Энергетика.
  • Автомобилестроение.
  • Судостроение и другие отрасли.

 

Физико-химические особенности плавления горных пород

Процесс плавления горных пород (базальтов и др.) протекает в обстановке создаваемой рядом химических, физических и технологических факторов.

В реальных производственных условиях отдельные этапы этого процесса трудно выделить изолировано. Однако, для ясного освоения процесса плавления в целом, знание элементов, из которых он слагается, необходимо и важно.

В отличие от стекольных шихт, составленных из физической смеси силикатных компонентов, изверженные горные породы (базальты, порфириты, амфиболиты и др.) представляют собой физико-химическую систему, полученную в результате физико-химических процессов, прошедших при застывании и кристаллизации расплавленных силикатных масс, имеющих весьма сложный состав, главным образом, застывающий в виде минерального агрегата силикатов. В данном случае компонентами в этих превращениях являються не составные части минералов -окислы Na2O, CaO, MgO, Al2O3, SiO2 и др., а их соединения: альбит NaAlSi3O8,анортит CaAl2Si2O8,диоксид CaMgSi2O6 и др. Именно эти соединения при плавлении переходят из одной фазы в другую.

Известно, что процесс стекловарения состоит из пяти стадий: силикатообразования, стеклообразования, дегазации, гомогенизации, студки, имеющих свои особенности. Для проведения каждой из них существуют свои оптимальные условия.

Процесс плавления базальта, как физико-химической системы, образованной в результате застывания расплавленной магмы, следует рассматривать как гетерогенную систему, состоящую из нескольких физически однородных различающихся между собой тел (кристаллы, расплав).

Даже когда однородная магма застывает в стекло, она выделяет газы, становясь, таким образом, гетерогенной системой.

Для того, чтобы раскрыть все стороны процесса плавления горных пород необходимо детально изучить:

  1. Явления химического, физического и физико-химического порядка, происходящие в процессе образования стекла, т. е.:
    • химические реакции, протекающие при нагревании стеклообразующих
    • физико- химических соединений горных пород;термофизику процессов, т.е. физическое состояние отдельных стеклообразующих соединений при их нагревании;
    • физико-химические взаимодействия в расплаве, а также между расплавом и атмосферой печи и между расплавом и огнеупором.
  2. Влияние различных факторов, ускоряющих процесс образования расплава на отдельных его этапах и в целом.


По предложенной в 1920 г. В.Тернероми классификации, явления происходящие в процессе образования расплава из горных пород возможно классифицировать следующим образом:


Физические изменения:

  1. Испарение влаги;
  2. Нагревание горной породы;
  3. Плавление ее соединений;
  4. Изменение кристаллической формы.


Химические реакции:

  1. Удаление химически связанной воды;
  2. Взаимодействие с кислородом при нагревании.


Физико-химические процессы:

  1. Взаимодействие между расплавом и газообразными компонентами атмосферы печи;
  2. Взаимодействие между расплавом и огнеупорами.


Рассмотрим подробно каждый из этапов:


Стеклообразование

Гоная порода (базальты и др.) -характерезуется тем, что в процессе их образования из расплавленной магмы не осталось отдельных составляющих ее компонентов, газообразные улетучились, основные химические реакции, присущие силикатообразованию стекольных шихт, между компонентами закончены. Стеклообразование _ характерезуется тем, что к его концу расплав освобождается от видимых газовых включений и тем, что устанавливается разновесное состояние между расплавом ( жидкой фазой) и газами, оставшимися в расплаве (газовая фаза).
Для горных порд ( базальтов, порфиритов) этот процесс завершается при 1400-1450 градусов по С.Вязкость расплава при этом составляет 100 пуаз. При плавлении горных пород определенное значение имеет равновесие между валентностями окислов железа.Как распространяется кислород между окислами железа ( FeO Fe2O3 )?
Кинетика реакции зависит от температуры и времени нагрева. Распределение кислорода оказывает влияние на свойства расплава вязкость,кристаллизацию.


Процесс осветления

В процессе осветления расплава горной породы обнаруживаются следующие газы:
Водяной пар.В расплаве остается определенное количество воды, вносимой через горную породу и атмосферой печи. Пары воды удерживаются в капилярах породы и с трудом удаляются при высоких температурах. Реакционная способность воды велика.


Фракционный состав  базальта

 

Фракционный состав горной породы влияет на скорость образования расплава, а следовательно на производительность плавильной печи.
Скорость образования расплава существенно зависит от способа загркзки величины кусков и толщины загружаемого в печь слоя.

Периодическая загрузка породы, крупные куски или загрузка кучами вызывает колебания уровня расплава. При загрузке высокими кучами в печь засасывается холодный воздух, который нарушае установившийся температурный режим. Периодические термические толчки разрушают печи. Процесс образования расплава в куче породы протекает замедленно и завершается при дополнительном пребывании кучи крупного куска бассена ванной печи.
При этом создаются весьма неблагоприятные условия теплопередачи верхнего слоя породы.
Внутренние части кучи или крупного куска не получаю тепла ни конвекцией ни излучением. Процесс плавления замедляется. Тонкое распределение кусочков горной породы на поверхности зеркала расплава изменяет тепловой режим плавления частиц. Частицы породы получают тепло и излучением, и конвекцией, и теплопроводностью при контакте с расплавом. Каждая отдельная частица породы энергично поглощает тепло, неоьбходимое для получения расплава.
Явления прилипания?(применения), обусловленные избыточной свободной энергией поверхностных слоев на разделе фаз, влияют на распределениея тонкого слоя кусочков горной породы по зеркалу ванной печи.
Удерживанию кусочков породы на поверхности расплава способствуют те же явления, которые происходят при флотационных процессах, а именно - прилипание твердых частиц к поверхности раздела жидкость-газ.
Неудерживание частиц на поверхности следует об яснить высокой смачиваемостью их жидкой средой и малой вызкостью расплава. Благодаря этому большие куски породы не удерживаются на поверхности расплава и погружаются в расплав. Это благоприятно отражается на стойкость огнеупоров, качестве нижних слоев расплава.
Механизация загрузки породы и переход на непре рывный способ питания печей значительно увеличивает их плавильную способность.Применяемый способ тонкослойной загрузки шихты на стеколных заводах не приемлем для загрузки горных пород. Шнековая загрузка шихты, применяемая за рубежом, также непригодна для эффективной загрузки горных пород

 

Наблюдения за загрузкой и поведением плавления горных пород в ванных печах показали, что:
  1. Процесс плавления горных пород интенсивно протекает при тонкослойной загрузке в сочетании с донным интенсивным барботажом расплава в зоне загрузки печи с снижением интенсивности в бассейне печи. Такая загрузка способствует резкому усилению теплообмена между частицами породы и расплавом, продвижению потоков не до конца расплавившихся частиц, за счет механических потоков расплава, вызываемых барботажом в зонах высоких температур, Интенсивность плавления возрастает при этом до 6т расплава с 1м кв. пода печи.
  2. Интенсивность процесса плавления увеличивается также с использованием непрерывной сводовой загрузки по длине бассейна печи.


Дегазация и гомогенизация расплава заключается в удалении газовых включений и повышении температурной и структурной его однородности и практически «условно» осуществляется в условной части плавильного бассейна печи.

Студка характеризуется тем, что температура расплава, поступающего на переработку в волокна, снижается на 100-140 град.С для создания необходимой его рабочей вязкости. В промышленных условиях осуществляется за счет уменьшенного уровня расплава в фидерах ив основном теплоотдачи его поверхности.


Переработка раслава в волокна

Одним из главных критериев выбора способа переработки расплава в волокна является его рабочая вязкость.
Исследования вязкости базальтовых расплавов различных месторождений показали, что вязкость является функцией их минералогического и химического составов.
По вязкости при температурах 1450-1300 0 С расплавы горных пород нами подразделены на: высоковязкие, вязкие, средневязкие и низковязкие. Существенным является также и кристаллизационная способность расплава. Базальтовые расплавы обладают повышенной кристаллизационной способностью. Верхний предел кристаллизации для различных составов находится в пределах 1230-1275 0 С.
Смачиваемость платино-родиевого и других используемых сплавов для переработки базальтовых расплавов также в сравнении с алюмоборосиликатным стеклом в 2-5 раз выше.

Базальтовые штапельные микро-, ультра- и супертонкие волокна

Разработанный и освоенный процесс производства микро-, ультра-, супертонких волокон из средневязких и вязких расплавов базальтовых горных пород основан на известном «дуплекс» -процессе раздува первичных волокон (РПВ).
Особенности его предопределяются оптимизацией процесса плавления горной породы, технологических свойств расплава поступающего на переработку в первичные волокна.
С учетом этого разработаны и освоены конструкции плавильных агрегатов (печей) для получения расплава, конструкции струйных и 200-,300 и фильерных питателей, конструкции 200 и300 фильерных пластинчатых питателей и соответственно конструкций камер раздува первичных волокон в штапельные волокна высокотемпературным высокоскоростным потоком энергоносителя.
Отличительной особенностью переработки расплава в первичные волокна струйных и фильерных питателей в сравнении с пластинчатыми, является то, что струйные питатели позволяют отбирать расплав из фидера с заданной температурой и вязкостной однородностью, а также обеспечивают высокий гидростатический напор расплава на фильеру, что позволяет устойчиво везти выработку первичных волокон при более низких температурах с заданным дебитом на Фильеру до 1-1,1 кг в сутки и соответственно уменьшить смачиваемость фильерного поля. Позволяет расширить возможности использования исходного сырья других месторождений с более узким интервалом выработки расплава и повышенной смачиваемостью.
Работающие пластинчатые питатели с забором неоднородного расплава на выработку первичных волокон по всему уровню с большим температурным и вязкостным градиентами, малым гидростатическим напором (20-35мм) работают менее устойчиво, с пониженным дебитом на фильеру до 0,6- 0,7 кг сутки, требуют сокращения зоны обслуживания более чем в два раза. Кажущаяся исходная экономия при их использовании пока не проявляется на конечном результате - себестоимости волокон.
В тоже время применение пластинчатых питателей из жаростойких сплавов и изменённой конструкции установки, позволяет повысить производительность установок до 0,9-1 кг/сутки, при небольшой потере в качестве волокна.
Базальтовые микро-, ультра-, супертонкие волокна являются одними из лучших современных теплоизоляционных, звукопоглощающих, фильтрационных материалов и композиционных наполнителей.
Широко освоены производством базальтоволокнистые: авиационные теплоизоляционные маты (АТМ), базальтовые звукопоглощающие маты (БЗМ), теплоизоляционные шнуры, картон, рулонные материалы и др.


Базальтовое стекломикрокристаллическое волокно

В качестве исходного волокна для его получения используется базальтовое супертонкое волокно.
Склонность его кристаллизоваться при повторном нагреве без существенной потери прочности позволила разработать управляемую технологию производства базальтового стекломикрокристаллического волокна.
В результате кристаллизации волокон возрастает его температура применения на 200 0С, т.е. до +9000С, увеличивается в 2-2,5 раза щелочи и снижается и кислотостойкость и гигроскопичность до 2% .
Оно обладает также высокой виброустойчивостью. Вследствие того, что основная усадка волокон происходит при кристаллизации, волокна стекломикрокристаллической структуры практически безусадочные при температурах эксплуатации 850-9000С.
Комплекс повышенных свойств базальтовых стекломикрокристаллических волокон позволяет расширить области применения базальтовых волокон.


Базальтовые штапельные тонкие и утолщенные волокна

В настоящее время широко освоено производство штапельного базальтового волокна способом вертикального раздува воздухом (ВРВ) или паром (ВРП) с переработкой его в прошивные теплоизоляционные и фильтрационные маты.
В качестве исходного однокомпонентного сырья используются горные породы со свойствами маловязких и средневязких расплавов.
Отличительной особенностью технологии являются однокомпонентность исходного сырья, отсутствие в процессе переработки расплава фильерных платинородиевых питателей, безотходность.
Взамен платинородиевых фильерных питателей разработаны и освоены конструкции 3-5-7-10-25-50 фильерных питателей из жаропрочного сплава, которые практически не уступают по эксплуатационным характеристикам питателей из платино-родия. Мощность действующих установок 25-50 и 80 тыс.м3 прошивных матов в год.
Высокие технико-экономические характеристики позволяют их широко применять в качестве утеплителя общестроительного назначения, фильтров дренажных систем стойких в агрессивных грунтовых водах, фильтров в медицинской промышленности и т.д.
Наряду с высокими физико-химическими характеристиками расширение ассортиментами материалов на основе тонких штапельных волокон сдерживается из-за сравнительно высокого диаметра волокон.