Положительный эффект термообработки базальтовых расплавов на качество минеральной ваты

Плавка базальтовой шихты является одной из важнейших составных частей в процессе производства продуктов из минеральной ваты, поскольку качество расплава существенно влияет на свойства полученного минерального волокна и качество конечного продукта.

Качество минеральной ваты можно характеризовать следующими свойствами:

• толщина волокна,

• длина волокна,

• эластичность волокна,

• химическая стабильность волокна,

• наличие неволокнистых образований кристаллической структуры («корольков»),

• водонепроницаемость.

В ходе ряда экспериментов было установлено, что температура, достигаемая в печи, определяет вязкость расплава и, следовательно, толщину и длину волокна. Эти свойства влияют на основные свойства готового материала (теплопроводность, прочность). Исследования, проведенные по этой теме, выявили оптимальную температуру расплава на центрифуге. Она находится в диапазоне 1420 - 1490 °C (2). При указанной температуре расплав приобретает оптимальную вязкость, а минеральное волокно получает свою аморфную структуру, требуемую эластичность и оптимальные геометрические размеры (толщину и длину).

Еще одной важной особенностью минеральной ваты является наличие, а точнее, отсутствие неволокнистых кристаллических образований. Зачастую готовая минеральная вата содержит не только аморфные минеральные волокна, но также определенную долю сферических образований кристаллической структуры, так называемых «корольков». Эти частицы фактически являются «мостиками» для передачи тепла и тем самым повышают теплопроводность минеральной ваты. По этой причине процент таких частиц в минеральной вате должен быть по возможности сведен к минимуму.

Рисунок 1: Неволокнистые образования кристаллической структуры (так называемые «корольки») в базальтовой минеральной вате

Для решения данной проблемы важно, во-первых, понять причины возникновения этих образований. Здесь представляется уместным вопрос: почему одна часть расплава при одном и том же химическом составе и одной и той же температуре литья была вытянута в волокна, а другая часть осталась в форме так называемых «корольков»?

Ответ на этот вопрос следует искать в форме микроструктуры, в присутствии в микроструктуре тугоплавких фаз и, в особенности, в локальных скоплениях этих фаз. Под фазой здесь понимается термодинамически однородная часть системы. В многокомпонентной системе фазы могут иметь различный состав и структуру. Во время исследования свойств базальтового расплава был проведен фазовый анализ, а также определен качественный и количественный состав фаз. Было установлено, что структура исследуемого базальта состоит из 6 фаз (1).

Во время исследования наблюдались изменения, происходящие во время процесса плавления и перегревания полученного силикатного расплава. В частности, до температуры 1200 °С присутствовали в первую очередь кристаллические фазы. Было также отмечено, что образец, обработанный в течение 1 часа при 1200 °С, содержит хорошо закристаллизованные фазы. Наиболее стабильными фазами (фазы с более высокой температурой плавления) в исследуемом базальте оказались фазы, основанные на соединениях железа (магнетит и гематит).

Следует также отметить, что в ряде опубликованных статей было проанализировано влияние температур плавления на структуру и физико-химические параметры базальтового расплава (3). В ходе проведенных испытаний были проведены эксперименты с использованием базальтового стекла, обработанного различным образом. Данные исследования ясно показали, что базальтовое стекло, полученное при 2000 °С, гораздо менее восприимчиво к кристаллизации (3). В одном из экспериментов была доказана взаимосвязь между температурой плавления (термическая обработка расплава) и качеством волокна. В частности, было подтверждено, что волокна гомогенных высокотемпературных расплавов (2000 °С) не содержат нерасплавленных частиц шихты, кварцевых включений и газовых пузырьков, а также имеют практически бездефектную поверхность (3). Это означает, что при термической обработке расплава, во-первых, имеет место равномерность свойств минеральных волокон, а во-вторых, происходит минимизация не волокнистых сферических образований кристаллической структуры, так называемых «корольков».

Из вышесказанного следует, что для обеспечения качества расплава в плавильном устройстве должны присутствовать различные термические зоны: во-первых, зона плавления (плавление базальтовой породы происходит уже при температуре около 1200 °С); во-вторых, зона последующего перегревания до температуры около 1700-1750 °С (с целью получения гомогенной фазы расплава) и, в-третьих, зона охлаждения до температуры около 1450-1490 °С (температура оптимальной вязкости на центрифуге). Речь идет о разных процессах, реализация которых в обычной печи (будь то коксовая вагранка, газовая или электрическая печь) в принципе невозможна. Для непрерывного процесса с описанными термическими операциями требуется плавильное устройство в форме трубы, разделенное на термические зоны.

Учитывая вышесказанное, новые технологические решения могут быть найдены в применении индуктивного, проводящего или комбинированного метода плавки.

Литература:

[1] IB Ingineering GmbH: Свойства базальтовых расплавов, Этап 1; www.ibe.at/wp-content/uploads/2018/04/Свойства-базальтовых-расплавов-1.pdf.

[2] IB Ingineering GmbH: Свойства базальтовых расплавов, Этап 2;

[3] Ходакова Н.Н., Татаринцева О.С., Самойленко В.В.: Влияние условий получения базальтовых стекол на их структуру и свойства, Ползуновский Вестник № 4 Т.2 2014; в online доступен: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pv2014_04_2/pdf/148hodakova.pdf.