Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время известно большое количество различных технологических линий, машин и способов, позволяющих получать негорючие волокнистые теплоизоляционные материалы на основе базальтового волокна, специфические свойства которых уникальны. Тем не менее количество способов получения высококачественных волокон, обладающих высокой физической прочностью и химической стойкостью, при отсутствии недостатков волокнистой структуры и наименьшем количестве неволокнистых включений, ограничено. Одним из способов, позволяющих иметь наилучшее качество волокон из минерального сырья, является получение базальтового волокна дуплекс-способом, суть которого заключается в получении супертонкого базальтового волокна путем предварительного получения первичной нити и вторичного плавления ее струей высокотемпературного газового потока. Для получения высококачественного волокнистого материала рассматриваемым способом требуется знать причины образования неволокнистых включений и контролировать процессы, снижающие эксплуатационные характеристики волокна. Поэтому работы в создании оборудования, лишенного технологических недостатков, а также изучение процессов изготовления базальтового волокна без образования неволокнистых включений и разработка методик и технических решений для устранения выявленных недостатков актуальны.
Объект исследования – технологические машины и агрегаты для производства супертонкого базальтового волокна дуплексным способом путем предварительного получения первичной базальтовой нити и вторичного ее плавления струей высокотемпературного газового потока.
Предмет исследования – процессы образования первичных нитей и неволокнистых включений в супертонком базальтовом волокне при изготовлении его дуплексным способом.
Цель работы – совершенствование агрегатов и средств контроля для производства дуплексным способом супертонкого базальтового волокна с минимальным содержанием неволокнистых включений и стабильными размерами элементарных волокон.
Задачи исследования:
– экспериментальное исследование причин образования неволокнистых включений и изменения размера элементарных волокон при производстве супертонкого базальтового волокна дуплексным способом и установление их связи с параметрами технологического процесса;
– теоретическое изучение процесса образования неволокнистых включений различной геометрической формы при взаимодействии первичных нитей с газовым потоком и элементами механизма вытягивания нитей и получение физико-математической модели процесса;
– разработка методов и средств для уменьшения количества неволокнистых включений в супертонком базальтовом волокне;
– создание методики производственного контроля параметров технологического процесса получения супертонкого базальтового волокна, средств для послеоперационного контроля размера элементарных базальтовых волокон, определение количества неволокнистых включений.
Методы исследований. Использованы экспериментальные и теоретические методы исследования. Решение задач основано на экспериментальных данных и теоретических положениях материаловедения, теории сопротивления материалов, физики и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены на действующей установке для получения базальтового волокна и на специальных стендах с использованием аттестованных измерительных приборов.
На защиту выносятся новые научные результаты:
-
Полученные экспериментально закономерности, позволяющие по внешнему виду и размеру неволокнистых включений определить параметры технологического процесса, которые необходимо изменить для их устранения, чтобы получить супертонкое базальтовое волокно с наименьшим количеством неволокнистых включений.
-
Математическая модель и условия получения супертонкого базальтового волокна, при которых не будет неволокнистых включений: каплеобразных, петлеобразных, цилиндрических и неправильной геометрической формы.
-
Новые методы, средства и устройства контроля параметров технологического процесса для обеспечения наименьшего количества неволокнистых включений в супертонком базальтовом волокне.
4. Методика производственного послеоперационного контроля технологического процесса получения супертонкого базальтового волокна дуплекс-способом, основанная на изучении состава и вида неволокнистых включений, содержащихся в полученном волокне.
Достоверность результатов. Достоверность теоретических расчетов обеспечена использованием известных физических закономерностей, полученные расчетные величины сопоставимы с результатами эксплуатации технологического оборудования, а также согласованностью с выводами других исследователей. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием стандартных аттестованных средств измерений температур, давления, расходов и масс.
Новизна результатов
1. Впервые установлены причины образования при дуплексном способе получения базальтового волокна каплеобразных включений вследствие периодического отрыва вторичных капель расплава от первичной нити; петлеобразных включений и включения неправильной геометрической формы при прилипании расплавленных нитей к опорной щеке соплового агрегата и вследствие вытяжного резонанса; включений цилиндрической формы при механическом разрушении первичной нити вследствие нарушения ее продольной устойчивости; утолщенных первичных нитей при увеличенном уровне расплава в плавильной печи.
2. Впервые теоретически установлены условия и созданы математические модели процессов, при которых не будет образования неволокнистых включений: каплеобразных, петлеобразных, цилиндрических и неправильной геометрической формы.
3. Разработаны новые методы и средства для уменьшения концентрации неволокнистых включений в базальтовом волокне при получении его дуплексным способом.
4. Впервые предложена методика производственного послеоперационного контроля качества получаемого супертонкого базальтового волокна с анализом фракционного состава неволокнистых включений и последующим выявлением действительных причин их образования.
Значение результатов для теории. Математические модели процессов образования неволокнистых включений различной геометрической формы при производстве базальтового волокна дуплексным способом могут быть использованы для объяснения причин образования неволокнистых влючений при получении других видов волокнистых материалов другими способами, например способом вертикального раздува или центробежным.
Значение результатов для практики. Методика производственного послеоперационного контроля технологического процесса получения супертонкого базальтового волокна дуплекс-способом, основанная на изучении состава и вида неволокнистых включений, содержащихся в полученном волокне, и разработанные на основе проведенных экспериментальных исследований технические средства контроля параметров технологического процесса позволят повысить качество выпускаемой продукции и сократить затраты на производство.
Реализация работы в производственных условиях. Результаты диссертационной работы использованы при совершенствовании технологии на установках по получению супертонкого базальтового волокна дуплексным способом в филиале ООО «УСМ» ВЗТМ (Ижевск), ООО «Теплоизол» (Пермь), ОАО «Базальт» (Тула), ОАО «Ивотстекло» (Ивот), ЗАО «Севертеплоизоляция» (Североуральск), ООО «ЗайКам» (Казань).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья», 17–19 июня 2009 г., Бийск; Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», 23–26 ноября 2010 г., Томск; Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья», 21–23 мая 2008 г., Белокуриха; Международных научно-практических конференциях «Базальтовые технологии в России – 2010–2012 годы», «Состояние, достижения, перспективы развития отрасли и науки», ГОУ ВПО «Пермский государственный университет»; II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки», 27сентября 2011 г., Тамбов; Международной научно-практической конференции «Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения», 28 октября 2011 г., Тамбов.
Публикации. Результаты работы опубликованы в одиннадцати сборниках научных трудов, в том числе в трех сборниках, рекомендованных ВАК, в восьми тезисах докладов научно-технических конференций.
Личное участие (вклад автора) в проведенное исследование. Автором проведены эксперименты, позволяющие классифицировать исследуемые неволокнистые включения в волокне по видам и позволяющие охарактеризовать причины их образования, определить зависимости процессов их образования от технологических параметров и конструктивных особенностей машин по производству волокна. Разработаны математические модели процессов и предложены новые технические решения, разработаны новые устройства: активного контроля диаметра первичных нитей; датчик уровня расплава базальта в плавильной печи; пневматическая опора и приспособления для измерения среднего диаметра элементарных волокон.
Структура и объем работы. Работа состоит из четырех глав, в которых представлен анализ состояния вопроса, поставлены цели и задачи исследований, приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, а также основные результаты внедрения. Объем работы – 125 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 13 таблиц, 133 наименования использованных источников литературы.
Похожие диссертации на Разработка методов и средств снижения концентрации неволокнистых включений при производстве базальтового волокна дуплексным способом
