Интерес к минеральным, в частности, базальтовым волокнам, вызван их высокой химической и термической стойкостью. Базальтовые волокна устойчивы к длительной вибрации и резким теплосменам.

Другая привлекательность базальта в том, что это – готовое природное гомогенное стекло, по технологии плавки аналогичное бытовым и промышленным стеклоотходам. Базальт не требует длительных сроков варки и гомогенизации химического состава. Отсюда – простота технических решений при конструировании плавильных печей.

Однако расплавы из горных пород содержат большое количество силикатов железа и при нагревании, плавлении или охлаждении в газовых средах различного химического состава, подвержены некоторым специфическим изменениям, в частности, изменению содержания FeO2+ и FeO3+, а при восстановительной печной среде, переходу в металлическое железо.

Расплавы из силикатной шихты до настоящего времени получают главным образом с использованием газовых печей с жидкой накопительно-расходной ванной, в которой плавление осуществляется за счет контакта частичек загружаемой шихты с перегретым расплавом. При этом расплав и ванна нагреваются отраженным теплом, которое излучают свод и стены печи.

Эксплуатационная температура свода и стен имеет предел и ограничена жаростойкостью огнеупоров - 1700°С. Как правило, температура ванны отстает на 150…200°С от температуры свода. Для того, чтобы температура ванны и свода выравнилась, печь должна некоторое время работать без выдачи расплава, в холостом режиме, так как загрузка холодной шихты снизит температуру ванны.

Все это делает плавку силикатов в ванной печи ограниченной по температурным возможностям. В то же время совершенно очевидно, что увеличить производительность газовых пламенных печей невозможно без освоения температур нагрева 1750…2000°С, т.е. выхода за пределы жаростойкости выпускаемых промышленностью огнеупоров. В печах с традиционным газовым обогревом эту проблему решить невозможно. Тем не менее проблема может быть решена, если использовать конвективный струйный нагрев шихты высокотемпературными газами. Ударно-струйный нагрев давно применяется в металлообработке при скоростном нагреве заготовок подковку, закалку и т.п. целей. По интенсивности ударно-струйный способ нагрева высокотемпературными газами можно сравнить только с индукционным электромагнитным нагревом.

Процесс безванного плавления шихты может быть пояснен на следующем примере. Шихту через сводовое отверстие загружают дозированными порциями на подину в разогретую печь. При этом общим принципом загрузки является подача шихты на жаровые пятна, которые формируют с помощью факельных горелок. Только при таком условии загрузки достигается наибольший эффект конвективной теплопередачи от факела к шихте. Жаровые пятна не являются условным понятием предлагаемого способа, они отчетливо обозначены на высокотемпературном поле плавильной зоны керамического пода.

Варьируя условиями сжигания топлива (подогрев воздуха, газа, обогащение топливо-воздушной смеси кислородом и т.п.) можно вести плавку в широком диапазоне нагрева 1700…2000°С. При этом необходим контроль за сплошностью покрытия шихтой жаровых пятен, и снижать тепловую мощность горелок при сбоях в работе загрузчика или вынужденных простоях печи. Колебания в тепловом напряжении печного пространства не влекут за собой необходимости в затягивании или роспуске сводового перекрытия, поскольку свод выполнен водоохлаждаемым в виде многорядной горелочной панели.

Особенностью плавления силикатов методом ударно-струйного нагрева является ограничение печного объема путем локальных выгородок с помощью фальшстен, выполняющих роль аккумулирующих и излучающих тепло экранов, т.е. секционирование печи на плавильные зоны с эпицентром нагрева – жаровым пятном. При этом, жаровое пятно может формироваться как одной, так и несколькими горелками.

Правильно организованный конвективный нагрев позволяет регулировать состав окислительно-восстановительной атмосферы в зоне плавления каждой секции, что, как уже отмечалось выше, чрезвычайно важно для расплавов из железосодержащих горных пород. Секционный принцип построения плавильной печи позволяет достигать в зоне плавления температуры, намного превышающей жаростойкость стен и свода, не подвергая их при этом опасности разрушения, поскольку при нагреве остронаправленным факелом коэффициент передачи тепла к подине и шихте больше, чем в кладке. Конвективная составляющая теплообмена в этом случае может достигать 80%.

Шихту из горных пород плавят на горизонтальной и/или скатной с угловым наклоном в сторону выработки подине. Назначение катов и величина угла их наклона связаны с интенсивностью отвода расплава в рабочий проток, а также обусловлено конкретными технологическими задачами – работой печи на один или два производственных потока, увеличение или уменьшение времени химической или термической гомогенизации расплава, степени очистки расплава от тугоплавких примесей и т.п.

Для безванного способа плавления, помимо локализации зоны нагрева, имеет значение расстояние от свода (влет горелки) до подины, т.е. жарового пятна. В предлагаемом техническом решении параметр высоты свода "Н" связан с диаметром жарового пятна "Д" зависимостью "Н/Д", предварительно задаваемой из условия конструкции и режима работы топливосжигающего устройства, фракционного и минералогического состава шихты.

Печь для безваннового способа плавления горных пород построена и более полугода находится в непрерывной опытно-промышленной эксплуатации производства тонкого и супертонкого волокна по бесфильерной технологии из базальтов Урала, Карелии и Сибири.
Производительность печи по расплаву 150…200 кг/ч. Удельный расход газа 0,5…0,8 нм3/кг расплава.

Безванновый способ плавления горных пород дает возможность использовать потенциально пригодные для получения волокон базальты российских месторождений пока, однако маловостребованные из-за высокого содержания в них тугоплавких примесей, температура плавления которых на 400…600°С выше температуры жидкотекучего состояния базового расплава.

Конкретным примером использования предлагаемого способа может служить процесс получения расплава из диабазовых порфиритов Буготакского месторождения "Каменный карьер", пос. Горный, Новосибирской области в производстве тонких и супертонких волокон. Диабазовые порфириты содержат плагиоклаз, авгит, актинолит, хлорит, магнетит и др. Из приведенного перечня минералов к тугоплавким с различной степенью жаростойкости практически относится вся группа.

Однако значительное содержание в шихте стеклообразующих оксидов и сильных плавней-разжижителей (силикатов железа, магния и др.) делает расплав достаточно жидкотекучим и технологичным в переработке. Благодаря наклонному в сторону выработки поду, обеспечивается непрерывный гравитационный отвод образующегося базового расплава, а жаростойкие минералы, в большинстве своем, не успевают эвтектически раствориться и остаются на твердой подине, с которой по мере накопления легко удаляются через технологические окна с помощью стальных скребков.

Сопутствующая продукция