RU2102342C1 - Method for producing continuous fibres from melt of basalt rocks - Google Patents

Abstract

FIELD: production of chemically stable, high-temperature filters, fabrics and structural articles. SUBSTANCE: basalt rock having particle size 5-15 mm and acidity module 4.7-6.5 is melted down, without adding any corrective additive, in furnace at temperature 1500-1600 C, in oxidizing medium. As melt temperature rises up to 1600 C, degree of its amorphism increases. Fe203-to-FeO weight ratio in melt is at least 1.2, while sum total of iron oxides is equal to 8-12%. Fibres are produced at temperature 1310-1370 C, melt viscosity 12-85 Pa.s, ration being

Description

Изобретение относится к производству непрерывных волокон из расплава базальтовых горных пород, которые могут быть использованы для получения химически стойких, высокотемпературных фильтров, тканей как облицовочного материала при изготовлении прошивных теплозвукоизоляционных изделий, для создания различных композитов конструкционного назначения, армирования полимерных связующих и цементо-гипсовых вяжущих, а также взамен асбеста, например, в тормозных колодках. The invention relates to the production of continuous fibers from a melt of basalt rocks, which can be used to obtain chemically resistant, high-temperature filters, fabrics as a facing material in the manufacture of piercing heat and sound insulation products, to create various structural composites, reinforcing polymer binders and cement-gypsum binders, as well as asbestos, for example, in brake pads.

Известен способ изготовления волокна из горных пород, включающий дробление, плавление породы, выработку волокна [1]
К недостаткам этого способа следует отнести использование только одного вида сырья пироксенового порфирита Хавчозерского месторождения Карелии, а также сравнительно невысокая прочность волокна.A known method of manufacturing fiber from rocks, including crushing, melting rock, fiber production [1]
The disadvantages of this method include the use of only one type of raw material of pyroxene porphyrite from the Khavchozersky deposit of Karelia, as well as the relatively low fiber strength.

Наиболее близким является способ изготовления волокна из расплава горных пород с использованием базальтовых горных пород [2] По этому способу используют тонкоизмельченный базальт и выработку волокна производят при температуре расплава 1200-1300^oC при вязкости 100 пз(10 Па•с).The closest is a method of manufacturing fibers from a melt of rocks using basalt rocks [2] This method uses finely ground basalt and fiber production is carried out at a melt temperature of 1200-1300 ^o C at a viscosity of 100 pz (10 Pa • s).

Недостатком этого способа является нестабильность процесса и узкий интервал выработки непрерывных волокон, так как в указанном температурном режиме имеет место первичная кристаллизация расплава, приводящая к обрывности нити. Практика показывает, что температура выработки должна быть не менее, чем на 80^oC выше температуры верхнего предела кристаллизации.The disadvantage of this method is the instability of the process and the narrow interval of production of continuous fibers, since in the specified temperature regime there is primary crystallization of the melt, leading to breakage of the thread. Practice shows that the temperature of the output should be at least 80 ^o C above the temperature of the upper crystallization limit.

Кроме того, при вязкости 10 Па•с при указанном содержании оксидов железа (15-20) мас. отмечается высокая омачивающая способность расплава по отношению к платинородиевому сплаву, вследствие чего происходит затекание фильерного поля. Следует также отметить, что указанные температуры плавления (1200-1350)^oC низки, так как в таком расплаве содержатся нерасплавленные частицы.In addition, at a viscosity of 10 Pa • s with the indicated content of iron oxides (15-20) wt. a high wetting ability of the melt with respect to the platinum-rhodium alloy is noted, as a result of which flowing of the die field occurs. It should also be noted that the indicated melting points (1200-1350) ^o C are low, since this melt contains unmelted particles.

Кроме того, здесь используется только базальт, тогда как класс базальтовых пород включает множество горных пород, характеризующихся различными текстурно-структурными особенностями и разнообразием химического состава. In addition, only basalt is used here, while the class of basalt rocks includes many rocks characterized by various texture and structural features and a variety of chemical composition.

Целью изобретения является удлинение температурного интервала выработки, повышение прочности и температуроустойчивости волокна и расширение класса горных пород от основного до среднего составов. The aim of the invention is to lengthen the temperature range of production, increasing the strength and temperature resistance of the fiber and expanding the class of rocks from basic to medium compositions.

Поставленная цель предполагаемого изобретения достигается путем изменения технологических параметров ведения процесса. Породу фракции 5-15 мм плавят без корректирующей добавки при температуре в печи 1500-1600^oC в окислительной среде. С повышением температуры расплава до 1600^oC увеличивается степень его аморфности, т.е. происходит полный переход из кристаллического состояния в стеклообразное. Это обусловливает увеличение предела прочности при растяжении (табл.1). Степень аморфности волокон определяли двумя методами: ИК спектроскопии в области 400-4000см^-1 по полосам поглощения и микрофотографическим методом. Отмечается хорошее совпадение результатов, полученных этими методами. В табл. 1 приведена степень аморфности и прочность непрерывных волокон, полученных из базальтовых расплавов при различных температурах в печи.The goal of the alleged invention is achieved by changing the technological parameters of the process. The rock fraction 5-15 mm is melted without corrective additives at a temperature in the furnace of 1500-1600 ^o C in an oxidizing environment. With increasing temperature of the melt to 1600 ^o C increases the degree of its amorphism, i.e. there is a complete transition from a crystalline state to a glassy one. This leads to an increase in tensile strength (Table 1). The degree of amorphousness of the fibers was determined by two methods: IR spectroscopy in the region of 400-4000 cm ^-1 in the absorption bands and microphotographic method. Good agreement between the results obtained by these methods is noted. In the table. 1 shows the degree of amorphism and strength of continuous fibers obtained from basaltic melts at various temperatures in the furnace.

Как следует из табл.1, существенное увеличение степени аморфности и показателя прочности волокон отмечается после пребывания расплава в интервале температур 1500-1600^oC, дальнейшее повышение температуры нецелесообразно как экономически, так и из-за деструкции расплава (разрушение отдельных составляющих).As follows from table 1, a significant increase in the degree of amorphism and the strength index of the fibers is noted after the melt stays in the temperature range 1500-1600 ^o C, a further increase in temperature is impractical both economically and because of the destruction of the melt (destruction of individual components).

Плавление базальта осуществляется в окислительной среде в газообогреваемой печи. Коэффициент избытка воздуха при подаче на горение должен быть в пределах 1,15-1,25. Это требование необходимо, исходя из следующего. Basalt is melted in an oxidizing medium in a gas-heated furnace. The coefficient of excess air when supplied to the combustion should be in the range of 1.15-1.25. This requirement is necessary based on the following.

В базальтовых породах железо в минералах содержится в двух формах: Fe²⁺, Fe³⁺. Как правило, в породе превалирует двухвалентное железо. При плавлении породы в окислительной среде проходит реакция окисления по схеме:
4FeO+O₂ 2Fe₂O₃
Содержание Fe₂O₃ в волокне увеличивается и достигается соотношение Fe₂O₃: FeO не менее 1,2. Такое соотношение оксидов железа позволяет в условиях эксплуатации при высоких температурах, когда происходит кристаллизация волокон, обеспечить меньшую потерю прочности. Объясняется это тем, что в данном случае вначале образуется мелкокристаллический гематит, вокруг которого кристаллизуются пироксены. При соотношении Fe₂O₃:FeO <1,2 первой фазой образуется крупнокристаллический магнетит (при более низких температурах, чем гематит), а затем пироксены. Остаточная прочность волокон при кристаллизации гематита выше, особенно при высоких температурах (табл.2).In basaltic rocks, iron in minerals is contained in two forms: Fe ²⁺ , Fe ³⁺ . As a rule, divalent iron prevails in the rock. When the rock is melted in an oxidizing medium, the oxidation reaction takes place according to the scheme:
4FeO + O ₂ 2Fe ₂ O ₃
The content of Fe ₂ O ₃ in the fiber increases and a ratio of Fe ₂ O ₃ : FeO of at least 1.2 is achieved. This ratio of iron oxides makes it possible to provide a lower loss of strength under operating conditions at high temperatures when crystallization of the fibers occurs. This is explained by the fact that in this case, first crystalline hematite is formed around which pyroxenes crystallize. At a ratio of Fe ₂ O ₃ : FeO <1.2, the first phase produces coarse-grained magnetite (at lower temperatures than hematite), and then pyroxenes. The residual strength of the fibers during crystallization of hematite is higher, especially at high temperatures (Table 2).

Примечаниe: исходная прочность волокон при соотношениях Fe₂O₃:FeO в МПа соответственно 2020, 2140, 2300, 2500.Note: the initial fiber strength at the ratios of Fe ₂ O ₃ : FeO in MPa, respectively 2020, 2140, 2300, 2500.

Анализ табличных данных показывает, что эффект меньшего снижения прочности для волокон с соотношением Fe₂O₃:FeO особенно очевиден, начиная с 500^oC и выше. Так, остаточная прочность волокон при 600^oC с соотношением Fe₂O₃: FeO 1 составляет 18,3% тогда как при соотношениях более 1,2 она при температуре на 100^oC выше находится в пределах 20,1-28,6% Для волокон с заявляемым соотношением Fe₂O₃:FeO прочность при 750^oC еще сохраняется (9,5-12,2)% в то время как при соотношении равном 1 волокна полностью разрушаются.An analysis of the tabular data shows that the effect of a smaller decrease in strength for fibers with a ratio of Fe ₂ O ₃ : FeO is especially obvious, starting from 500 ^o C and above. So, the residual strength of the fibers at 600 ^o C with a ratio of Fe ₂ O ₃ : FeO 1 is 18.3%, while at ratios of more than 1.2 it is at a temperature of 100 ^o C higher than 20.1-28.6% For fibers with the claimed ratio of Fe ₂ O ₃ : FeO, the strength at 750 ^o C still remains (9.5-12.2)%, while at a ratio of 1 the fibers are completely destroyed.

Таким образом, плавление базальтовых пород в предлагаемом режиме (температура в печи 1500-1600^oC и окислительная среда) позволяет повысить исходную прочность волокон в сравнении с прототипом (температура плавления 1350^oC) в 1,4-1,6 раза. Обеспечение оптимального соотношения Fe₂O₃:FeO (не менее 1,2) позволяет повысить температуру применения более чем на 100^oC (до 800^oC).Thus, the melting of basaltic rocks in the proposed mode (the temperature in the furnace is 1500-1600 ^o C and an oxidizing environment) can increase the initial fiber strength in comparison with the prototype (melting point 1350 ^o C) in 1.4-1.6 times. Providing the optimal ratio of Fe ₂ O ₃ : FeO (not less than 1.2) allows you to increase the temperature of use by more than 100 ^o C (up to 800 ^o C).

Для получения непрерывного волокна пригодны базальтовые породы примерно следующего химического состава, мас. SiO₂ 47-57; AL₂O₃ 13-18; TiO₂ 1,2-2,0; Fe₂O₃+FeO- 8-12; CaO 6-12; MgO 3-8; K₂O +Na₂O 3-6. Модуль кислотности (М_к), определяемый по формуле

должен быть в пределах 4,7-6,5, а сумма оксидов железа 8-12%
Для расширения температурного интервала выработки волокон (ТИв.в.) важными свойствами являются вязкость ( η ) и температура верхнего предела кристаллизации расплава (Тв.п.к.). При этом следует учитывать соотношение вязкости к диаметру фильеры (d_ф ) во второй степени

определяющие стабильность и непрерывность процесса волокнообразования.To obtain continuous fiber, basaltic rocks of approximately the following chemical composition are suitable, wt. SiO ₂ 47-57; AL ₂ O ₃ 13-18; TiO ₂ 1.2-2.0; Fe ₂ O ₃ + FeO- 8-12; CaO 6-12; MgO 3-8; K ₂ O + Na ₂ O 3-6. The module of acidity (M _to ), determined by the formula

should be in the range of 4.7-6.5, and the amount of iron oxides is 8-12%
To extend the temperature range of fiber production (TIv.v.), the important properties are viscosity (η) and the temperature of the upper limit of melt crystallization (Tp.c.). In this case, the ratio of viscosity to the diameter of the die (d _f ) in the second degree should be taken into account

determining the stability and continuity of the process of fiber formation.

В табл.3 показана зависимость интервала выработки. Table 3 shows the dependence of the production interval.

В зависимости от вязкости расплава, а следовательно вида породы, диаметр фильеры варьировали от 1,6 до 2,2 мм. При соотношении

более 5, но менее 25 в интервале температур выработки (температура на фильерной пластине) 1310-1370^oC предельный температурный интервал выработки (разность между предельными верхней и нижней температурой формования волокон) удлиняется и составляет 70-110^oC. Этот показатель для прототипа 40^oC. Температура верхнего предела кристаллизации (Тв. п.к.) не превышает 1250^oC (прототип - 1275^oC). Вязкость при температуре выработки находится в пределах 12-85 Па•с.Depending on the viscosity of the melt, and therefore the type of rock, the diameter of the die was varied from 1.6 to 2.2 mm. With the ratio

more than 5, but less than 25 in the range of production temperatures (temperature on the spinneret plate) 1310-1370 ^o C the maximum temperature range of production (the difference between the upper and lower temperature of the molding of fibers) is extended and is 70-110 ^o C. This figure for prototype 40 ^o C. The temperature of the upper limit of crystallization (TV.s.) does not exceed 1250 ^o C (prototype - 1275 ^o C). Viscosity at a working temperature is in the range 12-85 Pa • s.

Указанные параметры ведения процесса изготовления непрерывного волокна установлены в результате исследований широкого класса базальтовых горных пород от основного до среднего состава (базальты, базаниты, долериты, габбро, базальтовые, диабазовые, андезитовые порфириты, андезитобазальты и др. ), характеризующихся текстурно-структурными особенностями и различным химическим составом. The indicated parameters for conducting the continuous fiber manufacturing process were established as a result of studies of a wide class of basalt rocks from basic to medium composition (basalts, basanites, dolerites, gabbro, basalt, diabase, andesitic porphyrites, andesitobasalts, etc.), characterized by texture and structural features and various chemical composition.

Предлагаемый способ планируется использовать на строящихся линиях по производству непрерывных волокон из базальтовых пород. The proposed method is planned to be used on lines under construction for the production of continuous fibers from basalt rocks.

Claims (1)

Способ изготовления непрерывного волокна из расплава базальтовых горных пород, включающий дробление породы, плавление и выработку волокна через фильеры, отличающийся тем, что при дроблении используют базальтовую горную породу с модулем кислотности 4,7 6,5, плавление осуществляют в окислительной среде при температуре печи 1500 1600^oС, а выработку волокна производят при 1310 1370^oС при отношении вязкости расплава к диаметру фильеры во второй степени, равном

лA method of manufacturing a continuous fiber from a melt of basalt rocks, including crushing the rock, melting and producing fiber through dies, characterized in that when crushing, basalt rock with an acidity module of 4.7 to 6.5 is used, melting is carried out in an oxidizing medium at a furnace temperature of 1500 1600 ^o C, and fiber production is carried out at 1310 1370 ^o With a ratio of melt viscosity to the diameter of the die in the second degree equal to

l

Images