Ways to reduce the cost of production of continuous basalt fiber

全文:

Одним из основных направлений стратегии Малого инновационного предприятия «РИТМ» является разработка и организация производства непрерывного базальтового во- локна (НБВ) и новых материалов на его основе. Несмотря на то, что все мировые державы признают огромные перспективы НБВ и изделий из него, объемы до настоящего времени в мире составляют менее 10% от объемов производства стекловолокна. Казалось бы, запасы базальтовой породы в мире огромны, в том числе и на территории РФ. Однако не каждый состав базальта пригоден для получения непрерывного базальтового волокна. С этой проблемой столкнулись многие страны, безуспешно пытавшиеся организовать производство НБВ на своих территориях с использованием местного сырья. Вначале разра- ботчики пытались приспособить технологию производства супертонкого и тонкого базальто- вого волокна для производства непрерывных волокон. Один из мировых лидеров производ- ства стекловолокна Owens Corning безуспешно потратил на разработку технологии НБВ и организацию производства в США более 100 млн. долларов. Многие специалисты пытались внедрить эту технологию, поставляя недоработанные технологии, оборудование. Отсутствие тонкостей технологии для получения конкурентоспо- собной продукции с требуемыми характеристиками, однородности волокна, нестабильность технологического процесса, быстрый износ оборудования, отсутствие высококвалифициро- ванных специалистов, привели к закрытию большинства фирм, пытавшихся наладить выпуск НБВ в промышленных масштабах. Непрерывное базальтовое волокно содержит компоненты при следующем соотноше- нии, масс.%: SiO2 45,0-55,0, Al2O3 12,0-15,0, Fe2O3 9,0-12,0, TiO2 2,0-3,0, CaO 5,0-8,0, MgO 5,0-8,0, K2O 1,5-3,0, Na2O 2,0-3,5 и ZrO2 3,0-10,0. По химическому составу определяют модуль кислотности (Мк) (1) Модуль кислотности используется для предварительной оценки химического состава шихты. Для оптимального ее состава Mк > 4,5, в противном случае сырье непригодно для по- лучения НБВ. Однако, для обеспечения нормальной работы плавильных агрегатов, а также формуемости качественного волокна при оперативном подборе шихты наряду с Mк следует учитывать и вязкостные свойства расплава, которые характеризуются модулем вязкости Mк: (2) Впервые технологию НБВ получили на Украине. Прочностные показатели базальтовых волокон оказались значительно выше стеклянных. Температурный режим базальтового во- локна (БВ) составляет от-260°C до+900°C, тогда как у стекловолокна (СВ) диапазон рабочих температур от - 60°C до +480°C. Коэффициент термического расширения БВ 5,4 Ppm/C про- тив 8,0 у СВ. БВ имеет больший запас прочности по сравнению со СВ: БВ- 4,480 МПа, СВ - 3,450 МПа. Прочность на сжатие БВ -82%, СВ 52%. Потеря веса после 3-х часов кипячения в 2л HCL оставляет БВ-2,25%, СВ - 38,9% Полученные результаты открыли перспективы использования НБВ во всех отраслях промышленности. До сих пор многие элементы технологий украинских и российских ученых остаются секретом. Непрерывное базальтовое волокно стало той золотой серединой, когда стеклово- локно не может работать при определенных условиях, а углеродные волокна очень дороги. Есть опыт применения НБВ в строительстве для изготовления фибробетонов, армиро- вания дорожных покрытий и бетонов, в качестве замены стальной арматуры, изготовления штукатурных сеток для систем утепления. Используется НБВ в производстве базальтопластиков в виде холстов для армирования, рубленного волокна для напыления, изготовления профилей методом пултрузиии, труб ме- тодом намотки. Широко известен опыт применения НБВ в композитах. В автомобилестрое- нии НБВ используется в производстве глушителей, высокотемпературной изоляции двигате- лей и газовыводящих путей. В производстве корпусных деталей автомобилях [1]. Одним из перспективных направлений является применение НБВ, тканей в оборонной промышленности, МЧС. Полученные опытным путем образцы базальтовых тканей с напы- лением алюминия показали перспективы использования материала для одежды пожарников, МЧС в интервалах температур от -20 °C.С до 900 °C. Сотовые материалы из базальтовых тканей в перспективе найдут широкое применение в ракетостроении, радарных установках. Они не горят, не подвержены внешним воздействиям. Технология производства НБВ имеет свою тонкую специфику, сильно зависящую от состава базальта (модуля кислотности, модуля вязкости), от конструктивных решений обо- рудования, подбора технологических параметров для каждого состава вновь поступающего сырья, конструкции платинового фильерного питателя и подфильерного холодильника и многих других факторов. К сожалению, перспективные материалы на основе НБВ не находят широкого приме- нения в полном объеме в отраслях РФ из-за ограниченного объема производства. Некоторые предприятия не развиваются на полную мощность, или закрываются вообще. При открытии таких предприятий преобладающим фактором служила и служит коммерческая составляю- щая. На рыке базальтовых технологий появилось много лжеученых, теоретиков. Кроме того, не каждый карьер РФ по добыче сырья (базальта) соответствует для выпуска непрерывного волокна. Результатом может быть получение нестабильности качества нити, низкие вырабо- точные свойства. Также, одним из основных факторов является высокая себестоимость не- прерывного базальтового волокна. Предприятия, имеющие производство НБВ, сталкиваются с проблемой реализации НБВ и изделий из него из-за высокой стоимости по сравнению со стекловолокном. Цена на ба- зальтовые ровинги вдвое выше, хотя ниже на порядок, чем углеродное. Общаясь с потенциальными потребителями НБВ выяснилось, что интерес к волокну огромен. Но в связи с высокой ценой на продукцию, а также нестабильностью характери- стик, покупательская способность НБВ пока невелика. Изучив многолетний опыт производств НБВ, МИП « РИТМ», при участии опытных высококвалифицированных специалистов, предлагает на российский рынок новые техноло- гические и конструктивные решения производства НБВ. Применения данных решений вплотную приблизят себестоимость БВ к себестоимости стекловолокна. Вулканической породы в мире несметное количество. Перспектива применения НБВ расширяется постоянно. Однако, имеющиеся технологии необходимо усовершенствовать, стабилизировать для экономического эффекта производств и отраслей, использующих НБВ и изделий на его основе. Одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время является утилизация промышленных отходов непрерывного базальтового волокна, представляющих серьезную эко- логическую угрозу [2]. Необходимо заниматься проблемой утилизации и переработки отходов производства не только с позиции охраны окружающей среды, но и с точки зрения экономической выгоды. Это одно из основных направлений для реального снижения себестоимости волокна. В производстве базальтового и стеклянного волокна отходы достигают 30%. Пути ути- лизации отходов базальтового и стеклянного волокна очень похожи, но технологии зависят от специфики каждого из волокон. Проблемы утилизации мягких отходов волокна в РФ практически решены на всех предприятиях. Путем переработки получают новую товарную продукцию. Неоднородный состав грубых волокон, присутствие замасливателя создают большие трудности для повторного использования в качестве вторичного сырья. Чтобы обеспечить рациональный рециклинг стекловолокна, европейский союз инду- стрии GFK (GPRMC) разработал концепцию Green Label, которая предполагает, что в Европе будет налажен замкнутый цикл первичной обработки, утилизации и повторного использова- ния стекловолокна в соответствии с директивами Европейского Союза. Программа принята в 2002 году сроком на 15лет. На постсоветском пространстве Полоцкий завод стекловолокна получает в виде отхо- дов более 2,5 тыс. т в год материалов следующего состава (% по массе): SiO2 -- 53, Al2O3 -- 15, Fе2О3 -- 0,4, CaO -- 17, MgO -- 4, K2O +Na2O -- 0,5, В2О3 - 10,3. Отходы стекловолокна используются в производстве кирпича. Производимые на предприятиях строительных мате- риалов кирпичи имеют более высокие показатели прочности, чем стандартные изделия. В настоящее время в Полоцке (Беларусь) работает печь, которая переплавляет отходы стекловолокна в стекломассу (эрклез). Измельченный эрклез используют в качестве вторич- ного сырья для шихты. Еще 20 лет назад отходы стекловолокна вывозились на свалки вокруг Полоцка и закапывались. Московским государственным машиностроительным университетом в 2014 году про- ведены испытания и разработаны две технологии рекуперации грубых отходов неоднородно- го состава. Одна из технологий - производство гранул производительностью 10 тонн/сутки. Данная технология с использованием гранул в качестве вторичного сырья позволяет снизить расход топлива на 40%, увеличить производительность в 2,5-3 раза. Экономия сырья составляет 30%. Второй способ - рекуперация путем измельчение отходов с последующей термообра- боткой. По данной технологии производительность увеличивается в 1,4-1,7 раза, экономия электроэнергии на 32-43%. Экономия сырья до 45%. Это реальные пути снижения себестоимости непрерывного базальтового волокна. Для утилизации грубых отходов непрерывного базальтового волокна данные технологии вполне приемлемы после их доработки с учетом специфических свойств НБВ. Кроме того, на основе переработанных отходов базальтового волокна можно получить новые материалы и изделия: строительные кирпичи, облицовочную плитку, микрошарики, базальтовую чешую, антикоррозийные покрытия и многое другое. Выводы Таким образом, правильный подбор сырья, прорывные технологические и конструк- тивные решения оборудования, оснастки, изменение конструкции фильерного питателя, вы- сококвалифицированный персонал, использование грубых отходов в качестве вторичного сырья, переработка мягких отходов в новые изделия позволит организовать новое в РФ пер- спективное производство с низкой себестоимостью.

作者简介

V. Sekerin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: bcintermarket@yandex.ru
Dr.Sc. Prof.; 8-(499)267-19-92

参考

补充文件