автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка методов и средств снижения концентрации неволокнистых включений при производстве базальтового волокна дуплексным способом

УДК 621.002.5

ШИЛЯЕВ Андрей Иванович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕВОЛОКНИСТЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА ДУПЛЕКСНЫМ СПОСОБОМ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Р I

С'.1)

и I 1т

005010940

Ижевск - 2012

005010940

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Пермский государственный университет», г.Пермь (геологический факультет)

Защита состоится " 02 "марта 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.065.03 ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул.Студенческая, д. 7, ИжГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. E-mail: dissovet@istu.ru

Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте Минобрнауки России.

Автореферат разослан " 27 "января 2012 г.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Широбоков Константин Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Денисов Валерий Алексеевич

доктор технических наук, профессор Диденко Валерий Николаевич

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ю. В. Турыгин

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 физикоматематической 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:

1. 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.

2. Математическая модель и условия получения супертонкого базальтового волокна, при которых не будет неволокнистых включений: каплеобразных, петлеобразных, цилиндрических и неправильной геометрической формы.

3. 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» (Северо-уральск), 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., Бело-куриха; 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена краткая характеристика и содержание работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о структуре диссертации, результатах ее апробации и внедрении.

В первой главе представлен анализ процесса производства базальтового волокна дуплексным способом и приведены основные физические характеристики процесса. Выполнен анализ технологии производства и дано описание конструкции оборудования для производства базальтового волокна. Натурное изучение процесса позволило установить основные причины образования неволокнистых включений, а анализ научной литературы выявил теоретические подходы к описанию физической картины образования неволокнистых включений. Дана характеристика свойств базальтового супертонкого волокна. Сформулирована цель и поставлены задачи исследований.

Основная часть неволокнистых включений, обнаруженных в образце холста, имеет либо каплеобразную, либо неправильную форму (рис. 1). Таких включений было около 80 %. И те и другие образовались вследствие несоответствия параметров газового потока, истекающего из щелевого сопла раздува, - температуры и скорости - диаметру, свойствам и скорости вытягивания первичной нити. Около 15 % неволокнистых включений имеют правильную цилиндрическую форму и длину 2-5 мм. Очевидно, что это отдельные фрагменты первичных нитей, которые из-за низкой температуры потока или его большой скорости не преобразовались в волокно. Появление таких включений можно объяснить механическим разрушением первичных нитей в зоне раздува под действием изгибающих напряжений.

Стабильный процесс волокнообразования

Увеличение размера капли

Начало отрыва капли

Отрыв капли от первичной нити

Рис. 1. Процесс формирования каплеобразных неволокнистых включений

Длинные неволокнистые включения, представляющие собой фрагменты первичных нитей длиной 5-50 мм, образуются в результате потери нитью продольной устойчивости на участке движения ее от ведущих валиков до сопла раздува, а также на участке от фильерного питателя до ведущих валиков.

Анализ формы и размеров неволокнистых включений показал, что некоторые из них имеют более сложную форму, представляющую собой геометрические элементы в виде свернутых петель или колец. Такие петли имеют утолщение в средней части и плавное уменьшение

поперечного размера по концам (рис.2).

При внедрении нити в поток, когда размер вторичной капли не превышает диаметр нити, неволокнистых включений не образуется. Нагревая первичную нить в пламени газовой горелки и измеряя диаметр капли на ее конце, доказали, что с увеличением времени / нахождения нити в пламени размер с/к вторичной капли увеличивается. При нарушении условия прочности нитей при их изгибе под действием газового потока, истекающего из сопла раздува, образуются либо короткие цилиндрические неволокнистые включения, либо включения, которые сочетают в себе каплеобразную и цилиндрическую формы.

С уменьшением диаметра нитей происходит потеря их продольной устойчивости на участках от фильерного питателя до приводных валиков и от валиков до сопла раздува, что приводит к их механическому разрушению и появлению неволокнистых включений длиной до нескольких десятков миллиметров. Проведена экспериментальная проверка расчетов продольной устойчивости на дейст-

Рис. 2. Петлеобразные неволокнистые включения

вующей технологической установке по производству супертонкого базальтового волокна.

Во второй главе: представлен теоретический анализ процесса производства базальтового волокна дуплексным способом. Каплеобразные и бесформенные включения чаще всего образуются вследствие несоответствия температуры и скорости газового потока, истекающего из щелевого сопла, размерам и свойствам первичной базальтовой нити. При определении скорости потока воспользовались уравнением Бернулли:

Рп=Рст + ргУ212. (1)

Плотность рабочей среды, в данном случае продуктов сгорания природного газа, существенно зависит от его температуры и определяется при постоянном давлении окружающей среды, в которую происходит истечение, по формуле

Рг = Рг.н.уТ’н.у/Т’, (2)

где рг н у и Тну - соответственно плотность и температура среды при нормальных условиях. Скорость потока вычисляется по формуле

Уп = (2Рп77Рг нуГну)0,5. (3)

Неволокнистые включения близкой к правильной геометрической каплеобразной форме образуются вследствие отрыва вторичной капли расплава базальта, образующейся на конце первичной нити, внедренной в газовый поток, как показано на рис. 1. Можно допустить, что процесс образования таких включений происходит вблизи верхней кромки щелевого сопла раздува, где градиент температуры имеет максимальное значение. В этом случае можно моделировать процесс отрыва капли от первичной нити как с твердого тела аналогично тому, как это выполнили В. В. Балуев и В. М. Степанов в своей работе, где выводится закон распределения капель по размерам при срыве жидкости с гребней волн на поверхности пленки, увлекаемой газовым потоком.

Для определения закономерностей образования таких включений рассмотрим образующуюся в процессе отрыва жидкую частицу, которая после охлаждения превращается в каплеобразное неволокнистое включение. На нее действует сила инерции тка, сбалансированная отрывающей силой потока и силой сцепления капли с торцем первичной нити ^ц:

тка = РП + Рсц, (4)

На нее действует сила инерции тка, сбалансированная отрывающей силой потока Т7,, и силой сцепления капли с торцем первичной нити /%:

Гсц = лос1н. (5)

Начало отрыва характеризуется равенством: лстс/н = я¿/К2СК ргКср2/8, откуда определяется наибольший диаметр каплеобразного включения:

¿к = (8ст</н/С,ргКср2)0-5, (6)

где Сх — коэффициент лобового сопротивления нити (Сх =1, если считать каплю сферической); рг - плотность газового потока, нс2/м4; Уср - средняя скорость газового потока, м/с.

Аналогично объясняется и образование неволокнистых включений при налипании вторичной капли расплавленного базальта на опорную щеку. В этом случае размеры неволокнистого включения, которое чаще всего имеет неправильную геометрическую форму, оказываются больше и достигают в поперечном направлении (3...8)с/н. Составив уравнение равновесия капли на опорной щеке, получим

Л5К = 8ПкстСкррЛ2, (7)

где Ак и Вк - поперечные размеры капли, находящейся на опорной щеке, м; Пк -периметр зоны взаимодействия капли с опорной щекой, м; Ух - средняя скорость встречи потока с каплей, м/с.

Анализ формы и размеров неволокнистых включений показал, что некоторые из них имеют более сложную форму, представляющую собой геометрические элементы в виде свернутых петель или колец. Такие петли имеют утолщение в

средней части и плавное уменьшение поперечного размера по концам. Такие

включения именуются в дальнейшем петлеобразными. Последовательность образования таких включений показана на рис. 1. Если принять скорость движения волокна равной скорости газового потока Ув = Уг, то из уравнения неразрывности

(я£/„2/4) Кн = (лс/в2/4) Уг (8)

диаметр волокна определяется по формуле

с!к = с1н(\уУ^\ (9)

При внедрении нити в поток на величину Х\ размер вторичной капли не превышает диаметр нити и неволокнистых включений не образуется. Величина внедрения нити в поток определяется по формуле

^ = / К- (10)

Увеличение диаметра капли на конце нити Ык уменьшает силы поверхностного трения, и диаметр волокна вначале увеличивается без образования неволокнистых включений. Дальнейшее увеличение Ун приводит к увеличению с!к и аэродинамической силы

^=я42С«рЛ2/8К, (11)

Когда /га превысит силу сцепления капли с нитью: /\ц = яос/н, начинается отрыв капли от нити с уменьшением коэффициента экранирования Кэ, увеличением диаметра волокна и образованием на капле второго отростка. После отрыва неволокнистого включения от нити под действием инерционных сил правый отросток разворачивается против направления потока и включение приобретает форму петли (рис. 1).

Еще одной из причин образования неволокнистых включений в базальтовом волокне, получаемом дуплекс-способом, является нестабильность диаметра первичной нити расплава, вытягиваемой из фильерного питателя.

Это объясняется тем, что при потере устойчивости вытяжки процесс переходит в автоколебательный режим, при котором диаметр нити может существенно отличаться от заданного. Это явление, называемое вытяжным резонансом, было обнаружено как теоретически, так и экспериментально. Условие отсутствия вытяжного резонанса при получении первичной базальтовой нити получено в виде

1,17 > 31п( Кн/ Гф)11ф2/(81п/ф) > 0,86, (12)

где Ь„ - длина зоны деформации первичной нити при выходе ее из фильерного питателя, которая определяется из рассмотрения задачи уменьшения температуры нити при ее охлаждении или экспериментально, м; /ф и йф - длина и радиус фильеры, м. Средняя часть выражения лежит в области критических значений диаметра нити, обозначив её через Т, получили:

Ч* =31п(Кн/Кф)Лф2/(8£п/ф). (13)

Предельные значения длины зоны деформирования первичной нити расплава, при которых не будет происходить вытяжного резонанса и диаметр нити будет постоянным:

¿птт = 0,321п(8цб/фКн/р6§ЯЯф2)Дф2//ф, (14)

£шшх = 0,4361п(8ц5/ф Кн/рйё///?ф2)/?ф2//ф. (15)

Область рациональных значений длины зоны деформирования первичной нити, определенная этими выражениями в зависимости от скорости вытягивания нити, показана на рис. 4. Графики построены для одного из сочетаний параметров, при которых проводились эксперименты: рб = 2700 кг/м3; Н = 0,015 м; /?ф =

0,0011 м; /ф = 0,007 м.

На рис. 5 показаны графики зависимости параметра Ч* от уровня расплава базальта при близких к рациональной скоростях вытягивания нитей: У„ = 0,08 м/с,

0,1 м/с и 0,12 м/с, при Яф = 0,0011 м, /ф = 0,007 м и определенной для этих пара-

метров средней длине ЗОНЫ деформирования НИТИ ¿п = (¿пгаш + ¿пшахУ2.

Каплеобразные включения появляются также при периодическом отрыве расплавленных вторичных нитей от первичных нитей.

Таким образом, формулами (14) и (15) определены граничные условия, при которых не будут образовываться каплеобразные и бесформенные неволокнистые включения, составленная физико-математическая модель процесса образования капель является частью математической модели процесса получения супертонко-го базальтового волокна. На основании теоретических расчетов проведены математические расчеты, показавшие что данные сопоставимы с данными экспериментального исследования.

Аналогичным образом составлена физико-математическая модель и определены условия, при которых не будет образования неволокнистых включений при поломке нитей под действием изгибающих напряжений.

0,00050

0,00045

0,03020 -------------------------------------

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

Чн, М/С

Рис. 4. Область рациональных значений длины зоны деформирования первичной нити

Км

Рис. 5. Зависимости параметров диаметра нити Ч' от уровня расплава базальта

0,00040

¿0,00035

0,00030

0,00025

При этом возможно образование неволокнистых включений двух видов. Первые имеют неправильную геометрическую форму, которая образована, с одной стороны, фрагментом первичной нити длиной 1...3 мм, а с другой - каплеобразным элементом. Они появляются в тех случаях, когда при недостаточно высокой температуре потока вторичная капля расплава на конце нити образуется при слишком глубоком внедрении нити в поток. Вторые включения имеют правильную геометрическую форму в виде фрагментов первичных нитей длиной 2...8 мм. Условие разрушения нити под действием изгибающих напряжений имеет вид сти > [ои], где [сти] = 50...90 МПа - допустимое напряжение изгиба нити; ои- напряжение изгиба нити, определяемое по формуле

ои = М„/Жи, (16)

где \¥„ = пс1л /32 - момент сопротивления на изгиб нити Если предположить,

что газовый поток создает на выступающей в него части нити равномерно распре-

деленную нагрузку <7, то максимальный изгибающий момент

Ми = дХ212. (17)

Распределенная нагрузка на поверхности нити определяется следующим образом: ц = С^„ргКср2со5(3/2, где Сх- коэффициент лобового сопротивления нити; рг - плотность газового потока; Кср - средняя скорость газового потока; р - угол между направлением подачи нити и перпендикуляром к направлению потока газа. Из выражений (13) и (14) выведен критический вылет первичной нити :

Л = (я4,2К]/8СЛргКср2со5(3)0'5. (18)

Подставив в выражение значения входящих в него параметров: с/„= 0,15...0,3 мм; 1'ф = 400.. .600 м/с; р = 10 град, рг= 0,124 нс2/м4; Сд<сф)= 0,05; Сх(да|) = 1; [аи] = 50.. .90 МПа, вычисляем, что критический вылет нити, при котором возможно ее разрушение, находится в пределах 2,1...6,8 мм, что совпадает с данными практических исследо-

ваний. Варьируя параметрами скорости I', и углом (3, можно наблюдать зависимость критической величины Хк от этих параметров. Итак, максимальное вхождение нити в газовый поток, определяемое из формулы (18), представляет из себя вторую часть математической модели процесса получения супертонкого базальтового волокна.

0.008 ^ 0.007 &

><; о.ооб

_ 0.005

¡5 0.004 X 0.003

<5 0.002

3 0.001 CQ

о

g 0.02®-

| 0.018

X 0.016

„0.014

Н 0.012 S

х о.оіф-н

<L>

400

450 500 550

Скорость газа, Vr, м/с Рис. 6. Зависимость критического вылета нити от величины скорости потока газа

600

0.008 g о.ооб

СО 0.004 0.002 0

у-

20

40 60 80

Угол 3, град Рис. 7. Зависимость вылета нити от величины угла входа в поток

100

Полученные критические зависимости величины вхождения нити в газовый поток представлены на графиках (рис. 6, 7). Они позволяют судить о степени влияния скорости потока и угла ввода первичной нити в поток на величину критического вылета, что является важным при проектировании установки для производства базальтового волокна и при назначении режимов технологического процесса.

С уменьшением диаметра нитей происходит потеря их продольной прочности на участках от фильерного питателя до приводных валиков и от валиков до сопла раздува, что приводит к их механическому разрушению и появлению неволокнистых включений длиной до нескольких десятков миллиметров. Условие потери прочности нити на участке ее движения от приводных валиков до сопла раздува с учетом силы трения в зоне ее контакта с опорной щекой имеет вид:

/>>Лф (19)

Критическая продольная сила, при которой нить теряет прочность определяется по формуле:

/\р я EJm[n/4L ,

(20)

где £ = 0,45 105.. .0,75 105 Мпа-модуль упругости базальта; наименьший момент инерции сечения нити:

Л,1„= я с! */641?. (21)

Н

Потеря прочности происходит под действием силы трения, величина которой определяется по формуле:

тр

(22)

где / - коэффициент трения в зоне контакта базальтовой нити и стальной опоры.

Реакция опоры /? определяется из допущения, что аэродинамическая сила действия газового потока на находящуюся в нем часть нити приложена в средней части нити:

Л=7’(£+х/2)//, (23)

Аэродинамическая сила, действующая на нить, определяется по формуле:

Т=рУ /2 С с1х (24)

Подставляя (23) в (22) и используя (20),(21),(22) и упрощая обе части неравенства получаем условие продольной прочности нити, которое принимает вид:

128/ р К 1С хЦ1 + х/2) > рЕс!^ (25)

Введено понятие критерия продольной прочности нити:

5 = П/ х11ё\ (26)

2 3 тр н

где П = 128ргК С^/п Е\ I - расстояние от валиков до сопла раздува, м; х - линейное внедрение нити в поток, - коэффициент трения нити с опорной щекой.

Если £, < 1, то неволокнистых включений не образуется. Длинные включения цилиндрической формы появляются также при механическом разрушении первичной нити.

Из формулы (17) и из условия механической прочности нитей (25) определены критические значения расстояния для нитей в зависимости от их диаметра, которые не будут приводить к их разрушению.

Утолщенные первичные нити появляются при нарушении уровня расплава в плавильной печи, но большее значение при расчетах получилось при появлении вытяжного резонанса. Данные теоретического расчета проверены экспериментальным путем, внесены предложения по применению контроля уровня расплава в печи и предложены изменения конструкции оборудования устройства обдува нитей холодным воздухом.

Таким образом, математическая модель получения супертонкого базальтового волокна состоит из трех систем уравнений и неравенств, описывающих процессы получения первичных нитей расплава базальта, волокнообразования и образования неволокнистых включений.

Алгоритм реализации математической модели предусматривает формирование исходных данных - сведений о свойствах сырья, геометрических параметрах фильерного питателя, размерах щелевого сопла раздува первичных нитей, свойствах и диапазоне изменения расхода газовой смеси, диапазоне регулирования скорости вытягивания нитей. Далее вычисляются основные параметры процесса: диаметр нитей, длина зоны ее деформирования, величина внедрения нити в поток, температура и скорость потока.

В третьей главе представлены новые устройства и элементы контроля технологического оборудования, предназначенных для уменьшения содержания неволокнистых включений и результаты их экспериментального исследования. Предложено модернизировать оборудование применением следующих новых устройств:

- датчик для измерения уровня базальта в плавильной печи (рис. 8), отличающийся тем, что измерительный канал выполнен в виде усеченного конуса, а для повышения точности прибора предлагается использование планетарного преобразователя расхода воздуха;

- новая пневматическая опора для обеспечения равномерности размещения первичных нитей по длине сопла раздува и результаты ее экспериментального исследования (рис. 9), использование которой не только уменьшает трение нитей в зоне контакта, но и позволяет снять статическое электричество для предотвращения слипания нитей между собой;

- пневматическое устройство для активного контроля диаметра первичной нити (рис. 10) отличающееся тем, что применением его совместно с электронным счетчиком расхода воздуха позволяет производить автоматический контроль диаметра первичной нити;

- пневматическое устройство для определения среднего диаметра элементарных волокон (рис. 11) отличающееся тем, что его шкала отторирована для измерения диаметра элементарных волокон в штапельных холстах.

10°

Рис. 8. Вихревой датчик уровня расплава в печи

Рис. 9. Пневматическая опора

Рис. 10. Устройство определения среднего диаметра первичной нити

Рис. 11. Определение среднего диаметра элементарных волокон

Выполнено моделирование процесса взаимодействия пневматической опоры с первичными нитями. Обсуждены результаты исследования работы вих-

ревого датчика уровня расплава базальта и рассмотрена система автоматического управления параметрами газового потока.

Технические недостатки оборудования для получения базальтового волокна дуплекс-способом и их связи с различными типами неволокнистых включений показаны на рис. 12.

Одним из недостатков является неравномерность распределения первичных нитей по длине щелевого сопла раздува. Предусмотренный на действующей установке резьбовой вал, впадины которого должны обеспечивать равномерность расположения нитей, неэффективен. Близкое расположение нитей приводит к их слипанию, энергии газового потока становится недостаточно для их плавления и расщепления, поэтому образуются каплеобразные бесформенные включения. Неравномерный износ сопла раздува приводит к неравномерности параметров потока по длине сопла и неравенству условий волокпообразования для нитей. Отсутствие совершенных средств контроля параметров технологического процесса не позволяет в нужной момент корректировать процесс, что также приводит к образованию включений. Устранение этих и других недостатков (рис. 12) возможно после исследования каждой из причин образования неволокнистых включений, чему и посвящены разделы этой главы.

Каплеобразные и бесформенные включения

Технические недостатки оборудования для получения базальтового волокна по дуплексной технологии

Неравномерность распределения первичных нитей по длине сопла раздува

Несовершенство конструкции сопла раздува первичных нитей

Несовершенство или отсутствие средств контроля параметров тех-< нологического процесса

Неравномерный износ проточной части сопла раздува первичных нитей

Несовершенство узла обдува фильерного питателя потоком сжатого воздуха

. О \

<;т>\ '

Несовершенство конструкции фильерного питателя для формирования первичных

нитей

Короткие (1-5 мм) цилиндрические включения

Длинные (более 5 мм) цилиндрические включения

Рис. 12. Влияние конструктивных недостатков технологического оборудования на образование неволокнистых включений

В четвертой главе создана методика производственного контроля параметров технологического процесса, обеспечивающая уменьшение содержания неволокнистых включений в супертонком базальтовом волокне, производимым по дуплексной технологии.

Приведен пример производственного контроля применения нового сырья, определены температурный интервал плавления и получения качественного расплава, определены вязкость, кристаллизационная способность и условия волокно-образования.

Схема методики контроля процесса получения изделий из базальтового волокна на примере получения холстов из супертонкого волокна приведена на рис. 13. Первым обязательным этапом контроля является входной контроль исходного сырья для получения расплава базальта. При этом постоянно, перед началом каждой смены, необходимо контролировать размеры базальтовой крошки. Поперечный размер элементов крошки должен быть в пределах 3-15 мм. Увеличение размеров крошки приводит к увеличению времени на ее плавление после загрузки в плавильную печь и нарушению однородности расплава. Периодически, после получения очередной партии исходного сырья, необходимо контролировать свойства расплавленного базальта по методике, представленной в диссертации.

Постоянный контроль размеров крошки

Первая фаза дуплекс-процесса

Температура расплава

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ БАЗАЛЬТОВОЙ КРОШКИ

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

КОНТРОЛЬ ГОТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Периодический контроль свойств расплава базальта

Вторая фаза дуплекс-процесса

Температура потока

Скорость потока

Расход газа и воздуха

Разрежение в барабане

Все параметры по ТУ 5761-002-12881589-03

( ‘<5 Периодические испытания

Размеры и плотность холста, диамето волокон, включения

Рис. 13. Методика контроля процесса получения изделий из базальтового волокна

Контроль параметров технологического процесса должен производиться как на первой, так и на второй фазах дуплекс-процесса. На первой фазе дуплекс-способа, при получении первичных нитей расплава, необходимо контролировать температуру расплава и температуру фильерного питателя. Это выполняется периодически 2...4 раза в смену с помощью пирометра или постоянно - путем применения термопары, встроенной в фильерный питатель или в элементы его крепления, имеющие более низкую температуру. Если о необходимости выполнения рассмотренных контрольных операций было известно и раньше, то контроль фракционности неволокнистых включений в готовых изделиях из базальтового волокна раньше не производился. Для исключения причин образования неволокнистых включений предлагается один раз в смену производить анализ качества неволокнистых включений следующим образом. Образец холста размером не менее 500><500х200 мм располагается над листом чистой белой бумаги, и из него методом встряхивания отбираются неволокнистые включения. Затем с помощью лупы и пинцета включения классифицируются по своей геометрической форме на следующие группы:

- цилиндрические включения в виде фрагментов первичных нитей длиной более 10 мм;

- цилиндрические включения в виде фрагментов первичных нитей длиной 1-10мм;

- каплеобразные и петлеобразные включения;

- каплеобразные включения с цилиндрическими элементами;

- включения неправильной геометрической формы.

Определяется вес каждой фракции и количество элементов в них. Затем фракции ранжируются по весу и по количеству элементов и устанавливаются наиболее объективные причины образования неволокнистых включений. После этого принимается решение об изменении параметров технологического процесса в соответствии с математической моделью, представленной во второй главе диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании экспериментального исследования выявлено, что для обеспечения уменьшения содержания неволокнистых включений в базальтовом волокне необходимо производить в процессе производства фракционный контроль их формы, размеров и массы с последующим принятием решений о изменении параметров.

2. Рациональную длину зоны деформирования первичной нити, при которой не будет происходить существенного изменения диаметра нити, можно обеспечить путем охлаждения первичной нити потоком сжатого воздуха.

3. Каплеобразные неволокнистые включения при дуплексной технологии получения базальтового волокна образуются вследствие нарушения условия равенства силы сцепления капли с нитью или опорной щекой и аэродинамиче-

ской силы, а их размеры зависят от диаметра нити и величины поверхностного натяжения.

4. Из условия прочности на изгиб первичной нити, внедренной в газовый поток, определен критический вылет нити, при увеличении которого обязательно образуются цилиндрические неволокнистые включения или включения неправильной формы с цилиндрическими фрагментами.

5. Для исключения образования длинных цилиндрических неволокнистых включений необходимо уменьшать коэффициент трения в зоне контакта первичной нити с опорной щекой, создавать условия минимального внедрении нити в поток, уменьшать расстояние между приводными валиками и соплом раздува.

6. Созданной физико-математической моделью процессов получения су-пертонкого базальтового волокна можно производить расчет оптимальных технологических параметров процесса.

7. Разработанную пневматическую измерительную систему активного контроля диаметра первичной нити можно использовать для создания системы управления технологическим процессом производства базальтового волокна.

8. Применение струйной опоры позволяет обеспечить равномерность распределения первичных нитей за счет равенства действующих на них аэродинамических и электростатических сил, равные условия волокнообразования и уменьшение количества неволокнистых включений неправильной формы.

9. Измерение уровня расплава базальта рекомендуется выполнять с помощью периодически вводимого в плавильную печь вихревого пневматического измерительного преобразователя перемещений.

10. Доказана эффективность указанных выше физико-математических расчетов, эффективность применения новых средств контроля параметров технологического процесса, очевидность практического использования новой методики послеоперационного контроля качества получения базальтового волокна.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Шшяев, А. И. Определение рациональных условий вытягивания первичных нитей при производстве волокна из базальтового сырья дуплекс-способом // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. -№ 3(31). - С. 174-179. (Издание, рекомендованное ВАК.)

2. Шшяев, А. И. Методика исследований процессов образования неволокнистых включений при производстве волокна из минерального сырья дуплекс-способом // Вестник ИжГТУ. - 2010. - № 4(48). - С. 29-31. (Издание, рекомендованное ВАК.)

3. Шшяев, А. И. Методика контроля процесса получения базальтового волокна дуплекс-способом / А. И. Шиляев, К. П. Широбоков // Интеллектуальные системы в производстве. -2010. -№ 2(16). - С. 77-81. (Издание, рекомендованное ВАК.)

4. Шиляев, А. И. Исследование вихревого датчика уровня расплава // Современные проблемы машиностроения : Тр. V Междунар. науч.-техн. конф. -Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - С. 513-516.

5. Шиляев, А. И. Влияние параметров технологического процесса на качество супертонкого базальтового волокна // Современные вопросы науки XXI век : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф., 27 июля 2011 г. - Вып. VII, ч. 2. - Тамбов : Изд-во ТРОО «Е>изнес-Наука-Общество», 2011. - С. 151-152.

6. Шиляев, А. И. Моделирование технологического процесса получения штапельного волокна способом вертикального раздува расплава воздухом / А. И. Шиляев, К. П. Широбоков // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья (Белокуриха, 2008) : тр. Всерос. науч.-практ. конф., 21-23 мая 2008 г. - Бийск : Изд-во БТИ АлтГТУ им. Ползуно-ва, 2008. - С. 62-66.

7. Шгшев, А. И. Определение условий образования каплеобразных и петлеобразных неволокнистых включений в производстве супертонкого базальтового волокна // Актуальные проблемы науки : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф., 27 сентября 2011 г. - Тамбов : Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С. 159-163.

8. Шиляев, А. И. История и перспективы развития производств минеральной теплоизоляции // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья : тр. Всерос. науч.-практ. конф., 17-19 июня 2009 г. - Бийск : Изд-во БТИ АлтГТУ им. Ползунова, 2009. - С. 5-9.

9. Шиляев, А. И. Определение условий образования коротких цилиндрических и каплеобразных неволокнистых включений в производстве супертонкого базальтового волокна / А. И. Шиляев, К. П. Широбоков // Перспективные разработки науки и техники : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф., 7-15 октября 2011 г. (Рггешув, Польша). - Белград : №ика І вШсііа, 2011. - С. 72-76.

10. Шиляев, А. И. Технология получения композиционных жаростойких материалов для изготовления фильерных пластин при производстве базальтового супертонкого / А. И. Шиляев, П. Н. Мельников // Перспективные разработки науки и техники : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф., 7-15 октября 2011 г. (Рггетуэ, Польша). - Белград : Ыаика І віисііа, 2011. - С. 77-80.

11. Шшяев, А. И. Образование длинных цилиндрических неволокнистых включений в производстве супертонкого базальтового волокна // Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения : сб. науч. тр., 28 октября 2011 г. -Тамбов : Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - С. 147-150.

Подписано к печати 27.01.2012 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая Уел. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Боткинском филиале ИжГГУ. 427430, г. Воткинск. ул. Шувалова, 1

61 12-5/2237

Ижевский государственный технический университет

На правах рукописи

УДК 621.002.5

ШИЛЯЕВ Андрей Иванович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ НЕВОЛОКНИСТЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА ДУПЛЕКСНЫМ СПОСОБОМ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы в машиностроении

Диссертация н? соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Широбоков К. П.

Ижевск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Экспериментальное исследование технологического процесса получения супертонкого базальтового волокна дуплексным способом...................................................................................................................14

1.1. Описание технологического процесса получения базальтового волокна дуплексным способом..................................................................................14

1.2. Свойства базальтового волокна и физические характеристики процесса его получения.................................................................................................20

1.3. Технология и оборудование для производства базальтового волокна.........23

1.4. Причины образования неволокнистых включений в процессе получения супертонкого базальтового волокна.......................................................25

1.5. Экспериментальное измерение параметров, влияющих на образование неволокнистых включений..........................................................................32

1.6. Цель работы и постановка задач исследования.............................................35

Глава 2. Теоретическое объяснение причин образования неволокнистых включений в супертонком базальтовом волокне, получаемом дуплексным способом...................................................................................36

2.1. Технологические и физические параметры, влияющие на образование неволокнистых включений..........................................................................36

2.2. Определение рациональных условий вытягивания первичных нитей..............................................................................................................................45

2.3. Условие образования цилиндрических неволокнистых включений

при разрушении нитей под действием изгибающих напряжений......................50

2.4. Образование цилиндрических неволокнистых включений при потере нитью продольной устойчивости..................................................................55

2.5. Математическая модель процесса получения супертонкого базальтового волокна.........................................................................................................60

Глава 3. Результаты экспериментального исследования элементов технологического оборудования и разработка новых устройств................63

3.1. Технические недостатки оборудования для получения

базальтового супертонкого волокна......................................................................63

3.2. Исследование вихревого датчика уровня расплава базальта.......................67

3.3. Пневматическая опора для первичных нитей................................................73

3.4. Моделирование процесса взаимодействия первичных нитей с опорой.........78

3.5. Измерение диаметра первичной базальтовой нити......................................83

3.6. Исследование устройства для измерения среднего диаметра волокон и концентрации неволокнистых включений в холстах супертонкого базальтового волокна..........................................................................................88

Глава 4. Методика производственного контроля параметров технологического процесса........................................................................................95

4.1. Методика контроля процесса получения базальтового волокна дуплексным способом.................................................................................................95

4.2. Исследование свойств исходного сырья для получения базальтового волокна................................................................................................................100

4.2.1. Характеристика исходного сырья.............................................................100

4.2.2. Температурный интервал плавления и получение расплава.................102

4.2.3. Вязкость, кристаллизационная способность и условия волокно-образования ..............................................................................................................103

4.3. Исследование технологического процесса получения базальтового волокна на модернизированном оборудовании...............................................105

Заключение.............................................................................................................108

Список литературы...............................................................................................111

Приложения............................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в развитии таких отраслей промышленности, как машиностроение, теплогазоэнергетика, промышленное и гражданское строительство, возможен на основе использования новых теплоизоляционных материалов, обеспечивающих повышение эффективности работы энергетического оборудования и сохранение тепла в жилых и производственных помещениях. На основе базальтовых штапельных волокон, получаемых дуплексным способом, который подробно рассмотрен в диссертации, выпускаются холсты, представляющие собой слои перепутанных между собой и связанных силами естественного сцепления супертонких волокон без использования химических добавок. Применение базальтовых волокнистых материалов в промышленности и строительстве для теплоизоляции теплотехнического оборудования - печей, двигателей, сушильных барабанов, циклонов, электрофильтров и других тепловых агрегатов, а также холодильных установок - обусловливает значительное сокращение тепловых потерь, расхода топлива и электроэнергии, уменьшение массы. Имеются реальные перспективы получения из базальтового волокна принципиально новых композиционных материалов, имеющих не известные ранее свойства. Такими материалами могут быть арматура для бетонных конструкций или дорожного полотна, которая имеет близкий к заполнителю коэффициент линейного расширения, обеспечивающая высокую коррозионную стойкость и прочность конструкций в условиях большого перепада температур. Перспективно изготовление из ультратонкого базальтового волокна несгораемой бумаги, картона, облицовочных материалов для промышленного оборудования, космической техники и бытовых объектов. Спрос на изделия из базальтового волокна в настоящее время превышает предложение. Рассмотренный в диссертационной работе дуплексный способ производства супертонких волокнистых материалов и изделий обеспечивает наилучшее ка-

чество волокна, по сравнению с другими известными способами, но еще далек от совершенства. Одним из основных недостатков изделий из базальтового супертонкого волокна является наличие в нем грубых неволокнистых включений, размер которых в несколько раз превышает размер элементарных волокон, что ограничивает широкое применение и развитие таких материалов и изготовление других различных изделий из супертонкого базальтового волокна путем дальнейшей их переработки на чесальном и вязально-прошивном оборудовании. Изучение работы действующих предприятий по производству базальтового волокна в России и за рубежом, анализ научной и технической литературы в этом направлении показали, что процессы образования неволокнистых включений изучены слабо, качество волокна и готовых изделий из него часто не соответствует техническим условиям, а агрегаты и машины технологичесих промышленных установок имеют существенные конструктивные недостатки которые не позволяют получать продукцию наивысшего качества. Именно поэтому работы в направлении изучения причин образования неволокнистых включений в базальтовом супертонком волокне и разработки технологических и технических решений для изменения конструктивных недостатков узлов и агрегатов промышленного оборудования актуальны.

Объектом научного исследования в диссертационной работе являются технологические машины и агрегаты для производства супертонкого базальтового волокна дуплексным способом путем предварительного получения первичной базальтовой нити и затем вторичного её плавления струёй высокотемпературного газового потока.

Предметом исследования являются процессы образования неволокнистых включений при получении дуплексным способом первичных нитей и процессы образования неволокнистых включений на стадии волокнообразова-ния из первичной нити при плавлении их в струе высокотемпературного газового потока.

Целью работы является повышение качества супертонкого базальтового волокна, при получении его дуплексным способом, за счет совершенствования технологического процесса, агрегатов для его реализации и средств контроля, при использовании которых обеспечиваются требуемые физико-механические свойства готовых изделий и заданная производительность процесса.

Достижение поставленной цели обеспечено решением следующих задач:

- экспериментальное исследование причин образования неволокнистых включений и изменения размера элементарных волокон при производстве супертонкого базальтового волокна дуплексным способом и установления их связи с параметрами технологического процесса;

- теоретическое изучение процесса образования неволокнистых включений различной геометрической формы с получением 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:

1. Полученные экспериментально закономерности, позволяющие по внешнему виду и размеру неволокнистых включений определить параметры технологического процесса, чтобы получить супертонкое базальтовое волокно с наименьшим количеством неволокнистых включений. Установлено, что по внешнему виду и размеру неволокнистых включений можно определить способ и параметры технологического процесса, которые необходимо изменить для их устранения:

- выявлено, что каплеобразные включения устраняются изменением параметров влияющих на скорость отрыва волокон при их периодическом отрыве от первичных расплавленных нитей, таких как температура газового потока, скорость внедрения нити в газовый поток, аэродинамической скорости газового потока;

- выявлено, что петлеобразные включения и включения неправильной геометрической формы устраняются главным образом увеличением скорости вытягивания при прилипании расплавленных нитей к опорной щеке соплового агрегата, а также устранением явления вытяжного резонанса при вытягивании первичной нити;

- установлено, что длинные включения цилиндрической формы устраняются сохранением продольной прочности первичной нити уменьшением скорости вытяжных роликов и дополнительными способами сохранения продольной прочности - применением пневматической опоры;

- утолщенные первичные нити устраняются введением контроля за уровнем расплава в печи, устранением явления вытяжного резонанса новым способом - обдувом воздухом;

- неравномерность распределения нитей на опорной щеке - применением новой конструкции гребенки и пневматической опоры первичных нитей.

2. Математическая модель и условия получения супертонкого базальтового волокна, при которых не будет неволокнистых включений: каплеобразных, петлеобразных, цилиндрических и неправильной геометрической формы.

3. Новые методы, средства и устройства контроля параметров технологического процесса для обеспечения наименьшего количества неволокнистых включений в супертонком базальтовом волокне:

- для устранения явления вытяжного резонанса - обдув струей сжатого воздуха;

- новое средство для обеспечения продольной прочности первичной нити - пневматическая опора;

- обеспечение равномерности распределения первичной нити вдоль соплового агрегата - новая конструкция гребенки;

- устройство для измерения и активного контроля диаметра первичной нити пневматическим методом;

- датчик уровня расплава в плавильной печи с пневматическим планетарным преобразователем расхода воздуха и результаты их исследования.

4. Методика производственного послеоперационного контроля технологического процесса получения супертонкого базальтового волокна дуплекс-способом, основанная на измерения среднего диаметра элементарных волокон, определения концентрации включений, изучения состава и вида неволокнистых включений, содержащихся в полученном волокне.

Достоверность теоретических расчетов обеспечена использованием известных физических закономерностей; полученные расчетные величины сопоставимы с результатами эксплуатации технологического оборудования; согласованностью с выводами других исследователей. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием стандартных аттестованных средств измерений температур, давления, расходов и масс.

Научная новизна результатов состоит в том, что в ходе экспериментальных и теоретических исследований физического процесса получения супертонкого базальтового волокна получены и систематизированы закономерности, позволяющие производить продукцию из супертонкого базальтового волокна, исключив влияние недостатков дуплекс-способа.

1. Впервые выявлено происхождение образования:

- каплеобразных включений вследствие периодического отрыва вторичных капель расплава от первичной нити;

- петлеобразных включений и включений неправильной геометрической формы при прилипании расплавленных нитей к опорной щеке соплового агрегата, а также вследствие вытяжного резонанса;

- включений цилиндрической формы: при механическом разрушении первичной нити вследствие нарушения ее продольной устойчивости и при увеличенной скорости вытяжных роликов;

- утолщенных первичных нитей: при увеличенном уровне расплава в плавильной печи, при увеличенном трении первичных нитей о стенки соплового агрегата, при неравномерности распределения нитей на опорной щеке соплового агрегата.

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 средства и способы для уменьшения концентрации неволокнистых включений в базальтовом волокне при получении его дуплексным способом за счет применения новой конструкции устройств:

- для изменения длины зоны деформирования первичной нити на выходе из фильерного питателя и исключения явление вытяжного резонанса, которое приводит к нестабильности диаметра первичной нити;

- обдув струей сжатого воздуха, за счет управляемого охлаждения ее потоком;

- для продольной прочности первичной нити, устранения трения к опорной щеке нити - новая пневматическая опора;

- обеспечение равномерности распределения первичной нити вдоль соплового агрегата - новая конструкция гребенки;

- устройство для измерения и активного контроля диаметра первичной нити пневматическим методом;

- датчик уровня расплава в плавильной печи с пневматическим планетарным преобразователем расхода воздуха.

Впервые предложены новые технические решения и получены новые экспериментальные данные, характеризующие функционирование разработанной пневматической опоры, для обеспечения равномерности расположения первичных нитей при волокнообразовании; устройства для активного контроля диаметра первичных нитей; датчика уровня расплава базальта в плавильной печи и приспособления для измерения среднего диаметра элементарных волокон.

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. Созданная физико-математическая модель в виде трех систем уравнений позволяет теоретически описать процесс получения супертонкого базальтового волокна и выявить причины образования неволокнистых включений. Проведенное экспериментальное исследование установило, что каплеобразные, петлеобразные неволокнистые включения и включения неправильной геометрической формы образуются вследствие периодического отрыва вторичных капель расплава от первичной нити и от опорной щеки после прилипания нити к ней; а явле�