Введение к работе
Актуальность проблемы
Научно-технический прогресс XXI века неразрывно связан с широким применением новых композиционных материалов на основе технических волокон. Наибольшее распространение в различных отраслях промышленности получили композиционные материалы и изделия на основе стеклянных волокон. Вместе с тем, эти волокна по комплексу физико-механических и химических-свойств, ценовым показателям значительно уступают новому классу минеральных волокон - базальтовым непрерывным волокнам (БИВ), технология производства которых реализована в промышленных условиях в конце прошлого века только в России и Украине.
При расчете, проектировании и строительстве устройств выработки БЫВ использовались подходы, разработанные ранее для процессов получения стеклянных волокон на основании предпосылки качественного сходства процессов их выработки из расплавов, которые, тем не менее, существенно отличаются между собой.
Последнее обстоятельство вызывает необходимость в постоянной корректировке режимов выработки БНВ, что, в свою очередь, снижает общую производительность установок и выход годного по показателям обрывности и линейной плотности волокна. Поэтому решение задачи по моделированию и оперативной оптимизации технологии получения БНВ с целью снижения влияния вышеуказанных факторов на установившийся процесс является актуальным и важным.
Процесс выработки БНВ осуществляется путем его вытягивания со скоростью 40-50 м/с из капли гомогенизированного расплава, образующейся под отверстием фильеры под действием гидростатического напора. В качестве материала фильер до настоящего времени используются дорогостоящие (17-20 долларов США за 1 грамм) платинородиевые сплавы с содержанием родия от 10 до 30 %. При этом безвозвратные потери драгметаллов фильеры-составляют поряд-
ка 9-10 граммов на 1 тонну произведенного волокна, что обуславливает удельный вес материала фильер в себестоимости продукции на уровне 30-40 % и существенно влияет на экономические показатели производства в целом.
Многолетние исследования специалистов многих стран, связанные с разработкой новых, не содержащих драгоценных металлов, материалов для фильерных и струйных питателей, пригодных для промышленной выработки непрерывных стеклянных и минеральных волокон, до настоящего времени не увенчались успехом.
Решение проблемы замены платинородиевого сплава фильер для процессов выработки непрерывных базальтовых, а значит и стеклянных волокон на более дешевый, является весьма актуальным и экономически целесообразным и позволит поднять эти производства на качественно новый уровень и резко повысить конкурентоспособность отечественной продукции на внутреннем и мировом рынках.
Целью работы является исследование взаимодействия базальтовых расплавов с материалами на основе платины и углерода и совершенствование технологии получения непрерывных минеральных волокон путем определения оптимальных технологических режимов выработки и замены дорогостоящих материалов фильер на основе платины менее дефицитными углеродкарбидокремние-выми материалами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка математической модели процесса течения базальтовых расплавов по фильерному каналу и определение оптимальных режимов выработки волокон при помощи модели.
-
Исследование вязкости базальтовых расплавов с целью оценки температурного интервала формования волокон.
-
Исследование смачивания и взаимодействия платин ородиевого сплава расплавами стекол и базальтов для определения критериев пригодности базальтового сырья к выработке непрерывных волокон.
-
Разработка и изготовление опытных образцов углеродкарбидокрем-
ниевых композиций и исследование их смачиваемости и взаимодействия со стеклянными и базальтовыми расплавами.
-
Испытание углеродкарбидокремниевых материалов на стойкость в контакте с базальтовыми расплавами и кислородом воздуха.
-
Разработка и изготовление монофильер и фильерных пластин из углеродкарбидокремниевых материалов и получение при их помощи опытной партии БНВ.
Научная новизна работы может быть сформулирована в виде основных положений, выносимых на защиту:
-
Разработана математическая модель течения базальтовых расплавов в фильерных каналах, представляющая собой аналитическую зависимость температуры базальтомассы от пространственных координат и позволяющая получать оптимальные, с точки зрения снижения обрывности и увеличения объемов выпуска волокон, значения конструктивно-технологических параметров процесса формования БНВ.
-
Установлено, что устойчивое формование БНВ из базальтов семи различных месторождений возможно в интервале температур 1300-1400 С вследствие практически одинаковых значений динамической вязкости в указанном температурном интервале.
-
Показано, что немонотонность температурных зависимостей краевых углов смачивания подложек из стандартного платинородиевого сплава ПлРд-10, специально разработанных в рамках работы углеродкарбидокремниевых материалов СГ-П-0,1, СГ-П-0,5 и составляющих их фаз расплавами Е- и Си-стекла, а также гомогенизированными расплавами базальтового сырья семи месторождений свидетельствует о взаимодействии расплавов с материалами подложек.
-
Установлены основные закономерности изменения краевых углов смачивания платинородиевого сплава ПлРд-10 базальтовыми расплавами в зависимости от химического состава. Показано, что пригодность базальтового сырья к формованию БНВ на платинородиевых фильерах определяется содержанием никеля и оксидов железа в пределах 10-92 ррш и 4,7-11,4 % мае соответственно.
5. Показано, что материал марки СГ-П-0,1 в серии исследуемых материалов (еГ-П-0,1, СГ-П-0,2, СГ-П-0,315, СГ-П-0,5) обладает наибольшей окислительной стойкостью и стойкостью в контакте с базальтовым расплавом.
Практическая значимость
-
В соответствии с критериями снижения обрывности и увеличения объемов выпуска БНВ, получены оптимальные размеры филъерных отверстий, значения температуры формования и скорости вытяжки волокон для базальтов двух месторождений. Опробование результатов проводилось в промыпшенных условиях на установках по производству БНВ производительностью 300 тонн в год в ИКФ "БЭИМ" (Украина) путем уточнения технологических режимов при переводе производства на новое сырье, что обеспечило сокращение сроков настройки параметров установок при изменении химического состава сырья и получение экономии в размере 150 тыс. руб в год (акт прилагается).
-
Разработана методика расчета краевых углов смачивания, позволяющая получать значения с точностью в пределах +Г. Методика использована в НИР отдела № 9 ФГУП "НИИграфит" (акт прилагается).
-
Разработана методика испытаний фильерных материалов на длительную стойкость в контакте с базальтовыми расплавами и кислородом воздуха. Методика использована в НИР лаборатории № 8 ФГУП "НИИграфит" (акт прилагается).
-
Разработан новый углеродкарбидокремниевый материал марки СГ-П-0,1, удовлетворяющий ряду свойств, предъявляемых к фильерным материалам. Показана принципиальная возможность использования материала СГ-П-0,1 в качестве фильерного как при производстве отдельных марок стекловолокна, так и базальтовых волокон. На монофильере из материала СГ-П-0,5 получена опытная партия БНВ, по уровню свойств удовлетворяющего требованиям технических условий ТУ У 002922729.001-96 "Жгуты базальтовые технические". Испытания монофильер из углеродкарбидокремниевых материалов проводились в лаборатории № 8 ФГУП "НИИграфит" (актприлагается).
-
Сконструирована и изготовлена фильерная пластина из материала
марки СГ-П-0,5 для использования на печи разработки ФГУП "НИИграфит". Фильерная пластина изготовлена в НПК "Базальт" (акт прилагается).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
-
Всероссийской научно-практической конференции "Инновации в машиностроении- 2001", Пенза, 2001.
-
Международной конференции общества SAMPE "SAMPE EUROPE Students' Conference, 2003", Париж, 2003.
-
Неоднократно на секциях НТС отделов №№ 7, 8 ФГУП "НИИграфит", Москва, 2001-2004.
Публикации
По теме диссертационной работы выпущено 2 отчета по НИР и 9 публикаций: 7 статей, 1 тезис доклада, 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Работа изложена на 179 страницах, включает 97 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 16 таблиц, список использованных источников из 119 наименований, 3 приложения.
