CC BY
0УДК 677 (021)
ОДИН ИЗ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
ДЛЯ ПЛАВКИ БАЗАЛЬТА
Хайдаров Ахмадали Камбарович доцент НамИСИ, тел. +99893-490-42-88
Бегматов Дилмурод Каримжанович, докторант НамИСИ, тел.: +99893-492-22-94
Аннотация. В данной статье рассматривается пути снижения расхода энергоносителей в процессах плавки и литья базальтовых изделий. А также предложены способы сокращение времени плавки, увеличение производительности печи, сокращение расхода газа и снижения эксплуатационных расходов при переработке базальта.
Annotation. This article discusses ways to reduce energy consumption in the processes of melting and casting of basalt products. And also proposed ways to reduce the melting time, increase furnace productivity, reduce gas consumption and reduce operating costs in the processing of basalt.
Аннотация. Маколада базальтдан тайёрланадиган мах,сулотларни эритиш ва куйиш жараёнида энергия ресурсларини тежаш йуллари курсатиб утилган. Шунингдек, базальтни кайта ишлаш жараёнида эритиш вактини камайтириш, печнинг унумдорлигини ошириш, газ хдражатларини ва эксплуатацион хдражатларни кискартириш тугрисида тавсиялар берилган.
Ключевые слова: базальт, газовоздушная среда, электродуговая плавка, энергоноситель, супертонкое волокно, тектонические движения, фильера, теплотворность, звукопроводимость, влагостойкость.
Key words: basalt, gas-air medium, electric arc melting, energy carrier, super-thin fiber, tectonic movements, die, heat value, sound conductivity, moisture resistance.
Калит сузлар: базальт, газхаво мух,ити, электр ёйли эритиш, энергия ташувчи, суперюпка тола, тектоник хдракат, фильера, овоз утказувчанлик, намликка тургунлик.
В настоящей статье приведены основные результаты по совершенствованию процесса плавки с введением энергосберегающих смесей газовоздушной среды который делают весьма выгодным производство и переработки базальта.
Проблемы энергосбережения, защиты окружающей среды, снижения металлопотребления поставили перед строительной отраслью ряд неотложных задач, среди которых создание новых теплоизоляционных и конструкционных материалов. К таким материалам следует отнести базальтовые волокна и изделия из них в виде ваты, матов, плит, скорлуп, ровингов, тканей, сеток, пластиков, обладающие рядом уникальных свойств: минимальной тепло- и звукопроводимостью, экологической чистотой, устойчивостью к огню, кислотам, щелочам, влагостойкостью и долговечностью [1].
Базальтовое волокно обладает большим потенциалом стать материалом следующего поколения. Согласно прогнозам, совокупный среднегодовой прирост
глобального рынка базальтового волокна составит 13,1%, что связано с опытом успешного использования и ростом областей применения в инфраструктурных проектах, автомобильной промышленности и в строительстве.
Современные научные достижения, соединенные с инженерными идеями, обеспеченные экономическим анализом и прогнозом, позволяют полнее использовать природные богатства Узбекистана. Так, Республика владеет солидными горными массивами Тянь-Шаня, Памира, в недрах которых хранятся миллионы кубических кубометров базальта - сырья на кремневой основе в смеси с окислами алюминия, магния, кальция, бора и других металлов и минералов.
Геологические исследования показывают, что базальт в природе весьма распространенный продукт, и в частности в Узбекистане его в виде горной породы тысячи кубических километров. Являясь продуктам тектонических движений, базальт вобрал в себя многие редко земельные металлы, включая и SiO2 - кремний. В зависимости от содержания включений в состав базальта изменяется его природный цвет.
Традиционно считается, что процессы переработки природного базальта достаточно сложны, дорогостоящи, требуют значительных капиталовложений.
Базальтовое волокно состоит из однокомпонентного расплава сырья (базальта) и превосходит другие волокна с точки зрения термической стабильности, тепло- и звукоизоляционных свойств, вибростойкости и долговечности. Базальтовое волокно и композиты на основе базальтового волокна обладают потенциальными преимуществами для применения в различных областях [2].
Базальтовое волокно считается экологически чистыми и неопасным материалом. Это не новый материал, но случаи его применения, наверняка, являются инновационными, а хорошие механические, химические и термические характеристики сделали возможным его применение в широком диапазоне отраслей, начиная от строительства и энергоэффективности, до автомобилестроения и авиастроения. Таким образом, базальт привлекает все больше внимания в качестве армирующего материала, особенно, при сравнении со стекловолокном.
Высокая стойкость базальтовых волокон к воздействию высоких температур, кислот и особенно щелочей достаточно известна. Это открывает огромные перспективы применения базальтовых волокон в строительстве в качестве:
• армирующего материала для бетонов и асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог;
• коррозионных и химических стойких базальтопластиковой арматуры, профилей, труб, прочность которых в 2,5 раза превышает прочность легированных сталей;
• негорючих и огнестойких композиционных материалов для атомных и тепловых электростанций, нефтеперерабатывающих и химических заводов, брандмауэров (огнепреграждающих конструкций) высотных зданий и других ответственных промышленных объектов, где недопустимо возникновение и распространение пожаров;
• химическистойких и износостойких покрытий, композиционных материалов;
• фильтров для фильтрации промышленных и бытовых стоков, фильтров для дымовых и пылевых выбросов промышленных предприятий
• материалов для автомобильной промышленности.
Технико-экономический анализ показывает, что базальтовые волокна и материалы на их основе, имеют наиболее предпочтительный показатель соотношения цены и
качества по сравнению со стеклянными волокнами. Имеено в этих отраслях промышленности применение базальтовых волокон имеет особую перспективу.
Примерный состав базальта: ЗЮ2=40-55%, АЬОз=15-25%, MgO=3-15%, Са0=10^19%, В2Оз=8^12%, а также микроэлементы Li, Na, Fe, Сг, Са, А1, Ti и другие [1].
Исходя из перечисленных свойств базальтовые волокна имеют необычайно широкую перспективу применения в различных отраслях промышленности и строительстве.
Базальт по строению кристаллической решетки подразделяется на альбит и анорит, причем анорит в свою очередь разделяется на олигоклаз, андезин, лабрадор, битовит, анорит, пироксен, оливин. Разнообразие состава и строения базальта позволяет получать изделия широкого спектра цветовой гаммы.
Человечество научилось промышленно использовать (плавить) базальт в 50 годы, а в Республике Узбекистан - 90 годы двадцатого столетия. Литой базальт имеет еще более низкий коэффициент трения и высочайший показатель износостойкости - 1600^2900 ед., сравнимый только с корундом. Однако использование базальтовых изделий не нашло широкого применения (построено 2-3 предприятия выпускающие супертонкое и короткое волокно используемое для изоляции труб теплотрасс, газопроводов, перекрытий крыш и тому подобного).
Проблема продвижения базальта как готового продукта заключается не в его свойствах, а в стоимости устройств и печей формирующих волокнистую массу, например, один комплект установки стоит более 400 000 долларов США.
В свою очередь изделия из базальта необходимы Республике Узбекистан, соседним государствам а также странам Юговосточной Азии, Европы, Америки. Они позволяют решать многие проблемы строительной автомобильной, газовой, нефтяной, химической и других промышленностей. Только теплоизоляционных подушек для нашей республики ежегодного необходимо более 10 000 000 шт. (одна подушка весит 10±0,5 кг).
Материалы из базальта заменяют глину, мрамор, цемент, асбест, гранит, натуральные волокна, при этом изделия из базальта будут служить человеку на порядок дольше и они экологически чистые.
Другое направление использования базальта это литье конкретных изделий, например, кирпичей, черепицы, отделочных плит, шифера, цветочных горшков, декоративной посуды, бижутерии и т.д.
Технология производства базальтовой продукции достаточно сложна и требует применения высоких температур и скоростей.
Природный базальт (глыба) добывается открытым способом с использованием как механических устройств разрушения скал так и взрывом. После очистки от грунта, глыба измельчается на мельницах до размера 3х3х3 см и подается на плавку. Источником нагрева используется природный газ и электричество. Жидкий базальт подается в устройство формирования моноволокна, которое в дальнейшем горящим газовоздушным потоком расщепляется на волокна толщиной 4 - 5 микрон, собираемые на конденсоре в виде ваты заданной толщины. Полученная вата разрезается вдоль оси барабана конденсора и упаковывается в виде рулона в бумажным пакет, называемый "подушкой". Волокно, по требованию заказчика можно получить в виде "ватина" заданной длины и толщины, обеспечив ему нужную прочность и пластичность или в виде ленты, пряжи и тому подобное.
Стратегия разделения техпроцесса позволяет минимизировать количество и конструкцию устройств переработки базальта, применить в технологии малопорционные
смеси пластификаторов, замасливателей и других иградиентов, расширяющих сферу применении базальтовой продукции как в Республике так и на внешнем рынке. Анализ сравнения технологии традиционных производств с малыми, использующих раздельный принцип переработки базальта, показал существенное снижение себестоимости готового изделия. При расчетах использованы результаты НИР по замене дорогостоящих рабочих элементов при переработке базальта, включая разработки коротких технологий.
Технология производства базальтового волокна основана на четырех основных
этапах:
• предварительная обработка базальтового щебня (дробление, мойка, сушка);
• плавление базальтовой крошки в плавильной печи для получения непрерывного
волокна в виде комплексной нити;
• формование непрерывного волокна;
• плетение волокна в ткань или изготовление других форм готовой продукции, в
зависимости от сферы дальнейшего применения
Эффект новых технологий достигается модернизацией известной техники. Так при получении супертонких волокон всего четыре-пять лет назад пользовались устройствами предварительного формирования мононитей с последующим их расщеплением. Чут позже использовали щелевой разлив базальта. Все эти установки стоили значительных сумм, из-за включения в сплав различных устройств дорогостоящих металлов (одна фильера обходилась 6250-360 тысяч условных единиц). Сегодня создана технология формирования супертонких волокон в вихревом "закрученном" потоке, причем расщепление базальта производится сразу, и нет дорогостоящих рабочих элементов. Устройство столь надежно в работе, что не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.
Разработанная стратегия направлена на создание малых производств, производящих ограниченный ассортимент продукции из базальта, при внедрении систем с ограниченным числом операций. Это позволяет значительно упростить и укоротить протяженность линии, экономить энергоресурсы и капитала.
Следовательно, необходимо использовать базальт в полной мере а для этого нужно изменить технологию его получения, исключив из процессов дорогостоящие рабочие органы, например, фильеры из платины, создать раздельные процессы, в которых надо обосновать экономически принимаемые варианты конструкции.
Решая поставленные задачи и цели, нами исследованы материалы и конструкции устройств разлива базальта, варианты процесса плавления и формирования готового продукта из него.
Современные технологии изменения состояния базальта из твердого в жидкое используют электродуговую плавки или сжиганием природного газа в смеси с воздухом. И в том и в другом случае процесс плавления и в последующем литья базальта является достаточно энергоемким, а значит дорогим.
Как показывает практика электродуговая плавка весьма эффективна для процесса поддержание базальта в жидком состоянии в процессах разлива его в формы, скажем для мгновенного повышения энергетического потенциала расплавленной массы, и совсем не эффективно его использование в печи.
Удельные затраты при электродуговой плавке на 20-30 % выше чем в процессах использующих природный газ в смеси с воздухом. Отметим, что если считать энергоносители (включая воздух) как инструмент в технологии переработки базальта, то доля их в производственном основном фонде составляет 55-70%, а коэффициент эффективности основного фонда достигает 40-45% [3].
Отсюда вытекает, что для решения вопросов обеспечения широко распростроения опыта работы с базальтом как сырьем для строительной, машиностроительной, местной промышленности необходимо найти пути снижения расхода энергоносителей в процессах плавки и литья базальтовых изделий.
В своих публикациях по изучению процессов и устройств переработки базальта, мы показали, что можно заменить дарогостоящие фильеры на значительно дешевые, выполненные на основе легированных сталей, предложили строить малые предириятия непосредственно в местах добычи и дробления базальта, чтобы исключить дорогостаящие транспортные, таможенные и прочие расходы, организовать выпуск продукции сокращенного ассортимента, например, производить шифер, или рубероид, или черепицу, и т.д. Однако наши предложения недостаточно убедительны в свете роли энергоносителя на процессы плавления базальта, скажем так, что мы рационализовали их, но не довели до уровня оптимальных. Поэтому задача экономии энергоносителей является можеть быть, с учетом решенных нами вопросов, теперь актуальной и острой.
Известно, что для повышения эффективности пламени сжигаемого газа, в него добавляется кислород, при этом температура факела поднимается до 2500-3000°С. Именно с этой целью подается воздух в плавильные печи. Но воздух содержит всего 19 -20 % кислорода, остальное азот, и другие примеси.
Для определения влияния концентрации кислорода в воздухе на интенсивность процесса плавки базальта мы использовали методику, включающую в себе элементы регулирования подачи воздуха в поток сжигаемого газа и устройство повышающее концентрацию кислорода в воздухе. Используя элементы регулирования подачи воздуха в поток сжигаемого газа мы определили потребность в воздушном потоке сжигаемого газа до его полного сгорания, за одно получили показатели концентрации кислорода, например, при сжигании 1 м3 газа и "теплотворность" смеси. Далее в полученный рациональный объём воздуха добавляли заданный объём чистого кислорода и измеряели "теплотворность" газовоздушной среды [3].
Практика требует конкретной информации о возможностях плавильной установки, поэтому предлагаемае нами "теплотворность" это не классическое определение выделенного тепла (ккал/час), а работа газовоздушной смеси по превращению, например, 1 кг базальта твердого в жидкое состояние за определенное время (час).
Так, при сжигании газа с минимальной подачей воздуха достаточного для поддержания горения пламени, время необходимое для плавления 1 кг базальта практически ушло в бесконечность (грели образец в течении 24 часов и никаких изменений). Добавили воздух до объёма 0,7 м3 на 1 м3 газа, время плавления составило 4,8 часа, при объеме 1,3 м3 воздуха на 1 м3 газа, время плавления снизилось до 1,3 часа, 2,0 м3 воздуха на 1 м3 газа, время плавления составило 0,75 часа. Увеличение объема воздуха до 3 м3 приводит к неустойчивому горению газа, потери пламени и опасно в эксплуатации.
Далее в поток воздуха стали добавлять кислород, при этом мы учитывали, что 1 м3 газа сжигается в печи за 10 мин. Эксперимент продолжили с потоком воздуха равным 1,3 м3 к 1 м3 газа. Повысили концентрацию кислорода до 26 % в воздухе, получили время плавления 0,88 часа, а при концентрации в воздухе кислорода до 35 %, время плавления снизилось до 0,45 часа.
Сокращение времени плавки означает увеличение производительности печи, сокращение расхода газа, а значит к снижению эксплуатационных расходов при переработке базальта.
К изложенному добавим, что в экспериментах мы использовали аппарат электрохимического разложения воды на газы (водород и кислород) которые сами являются прекрасной горючей смесью. Аппарат разрешен к серийному производству и эксплуатации Узбекским центром стандартизации и метрологии (ТУ Уз 64.15364937-0196), имеет три степени защиты и практически безопасен в эксплуатации. Производительность аппарата по газовой смеси - 0,5 л/ч, потребляемая мощность - до 4 квт/час, расход дисцилированной воды - до 1л/час. При необходимости можно заказать аппарат большей производительности. Наконец, полученные в аппарате газы могут заменить энергетический потенциал электордуговой сварки при розливе в формы.
Экономические расчеты показывают, что совершенствование процесса плавки с введением энергосберегающих смесей газовоздушной среды, делают весьма выгодным производство переработки базальта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Джигирис Д.Д. Основы производства базальтовых волокон и изделий. - М.: Теплоэнергетик, 2002. - 412 с.
2. Нагибин Г.В., Павлов В.Ф., Эллерн М.А. Технология теплоизоляционных и гипсовых материалов. М.: Высшая школа, 1973. - 424 с.
3. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория печей. М.: Металлургия, 1978.-478 с.
4. Хайдаров А.К., Кабулов М.Э., Безносюк Р.В. Экономическое обоснование развития малых предприятий производящих продукцию на основе базальта. Материалы 70-й Международной научно-практической конференции 23 мая 2019 г. г.Рязань, Россия.
5. Хайдаров А.К., Хайдарова З.А., Безносюк Р.В., Санникова М.Л. Пути снижения расхода теплоносителя для плавки базальта. Материалы 70-й Международной научно-практической конференции 23 мая 2019 г. г.Рязань, Россия.
