Почему базальтовые непрерывные волокна станут основой производства армирующих и композиционных материалов в 21 веке

Источник: Unsplash

БНВ — единственные волокна, которые производят из готового к применению природного сырья — базальтовых пород магматического происхождения. Основные энергозатраты на подготовку базальтового сырья выполнены в природных условиях. Запасы базальтового сырья имеются во многих странах и практически не ограничены.

Характеристики БНВ по прочности, химической и термической стойкости, низкой гигроскопичности, высокие эксплуатационные характеристики позволяют широко применять БНВ для производства армирующих и композиционных материалов. При этом БНВ имеют наиболее приоритетное соотношение характеристики/стоимость.

Анализ технологических, экономических и экологических аспектов производства БНВ на основе современных технологий и оборудования, а также совокупность характеристик БНВ показывает, что армирующие и композиционные материалы на основе БНВ найдут самое широкое применение в строительной отрасли, дорожном и гидротехническом строительстве, энергетике и базовых отраслях промышленности.

Производство композиционных материалов и изделий является важной составляющей мировой промышленности. Ежегодный рост объемов производства композиционных материалов (КМ) за последние десятилетия в мире составлял от 8 до 12%. КМ все более активно и широко применяют в отраслях промышленности и энергетике. В авиации КМ составляют до 45% в конструкции современных самолетов [1, 2]. Cозданы и успешно прошли испытания композиционные детали и кузова автомобилей на основе базальтовых непрерывных волокон (БНВ) [3].

Вполне очевидно, что в будущем применение КМ будет только возрастать.

Основой КМ являются непрерывные волокна, которых в составе композитов 75–80% и определяют их прочностные и эксплуатационные характеристики. Для производства КМ в основном применяют стекловолокно (СВ), в незначительных объемах — углеродные волокна (УВ) и, в последние годы, начали применять БНВ.

Проведем технико-экономический анализ, чтобы ответить на вопрос: «Какие непрерывные волокна получат приоритет производства и станут основой роста объемов производства армирующих и композиционных материалов (АКМ) в 21 веке?».

Годовые объемы производства СВ в мире составляют 7–8 миллионов тонн (основной производитель СВ — КНР), УВ — 120–130 тысяч тонн (основные производители — компании США и Японии), БНВ — до 70 тысяч тонн (КНР — 60 тысяч тонн).

Производство СВ за 80 лет своего развития достигло значительных объемов. В мире построены и работают десятки крупнейших заводов СВ и сотни более мелких производств. Объемы производства СВ свидетельствуют о том, что по совокупности характеристик и стоимости они наиболее полно соответствуют потребителям КМ. При этом, 95–97% объемов производства СВ в мире составляет Е-стекловолокно, которое имеет самую низкую стоимость продаж. Более дорогое высокомодульное S-стекловолокно производится и применяется в существенно меньших объемах.

УВ обладают самыми выдающимися прочностными характеристиками, однако, из-за высокой стоимости их широкое и массовое применение ограничено.

БНВ относительно недавно появились на мировом рынке, крупные промышленные производства — заводы БНВ на современной технологической базе только создаются, поэтому БНВ производятся в незначительных объемах [4].

Объемы производства непрерывных волокон определяются востребованностью у потребителей, соотношением совокупности их характеристик и стоимости, производительностью созданных производств. Проведем сравнительный технико-экономический анализ характеристик и стоимости СВ, УВ и БНВ.

Анализ показывает, что БНВ имеют наиболее предпочтительное соотношение «характеристики/стоимость» по сравнению с СВ и УВ. По совокупности характеристик БНВ превосходят СВ и близки к дорогим УВ.

Разработки в области технологий и оборудования в последние годы позволили существенно снизить себестоимость производства БНВ [5]. Кроме того, низкая себестоимость производства БНВ связана с рядом объективных факторов.

БНВ — единственные волокна, которые производят из готового природного сырья. Базальтовые породы магматического происхождения имеют достаточно высокие природные характеристики по прочности, химической и термической стойкости. Соответственно, базальтовые волокна также обладают прочностными характеристиками в сочетании с химической и термической стойкостью [6, 7].

Прочностные характеристики, низкая гигроскопичность, высокие эксплуатационные характеристики позволяют широко применять БНВ для производства КМ: профилей, труб диаметрами от 50 мм до 6000 мм, конусно трубчатых опор освещения, ЛЭП и контрактной сети ж/д, опор и лопастей ветрогенераторных установок [8], емкостей и баллонов для сжатого природного газа, композитных деталей и кузовов автомобилей [2].

Важными преимуществами БНВ является высокая химическая стойкость в агрессивных средах и щелочной среде бетонов, асфальтобетонных дорожных покрытиях, а также длительные сроки эксплуатации под воздействием окружающей среды, морской воды и химически активных сред. Указанные характеристики позволяют применять БНВ для производства армирующих материалов: рубленых волокон (для объемного армирования бетонов и асфальтобетонов), композитной арматуры, арматурных сеток, дорожных и строительных сеток, вантовых тросов [9, 10]. Разработаны и приняты рядом стран ГОСТы, строительные нормы и правила (СНиП) и другие нормативные документы на применение армирующих материалов БНВ в строительной отрасли и дорожном строительстве [11].

Е-стекловолокно из-за неудовлетворительной стойкости в щелочной среде бетонов не может применяться для производства армирующих материалов, а УВ — из-за их высокой стоимости.

Строительная отрасль, дорожное строительство, сейсмостойкое и гидротехническое строительство — это огромный рынок сбыта армирующих и композитных материалов БНВ.

Преимущества технологии производства БНВ

Запасы базальтов огромны (практически не ограничены) и есть во многих регионах и странах мира. Основные энергозатраты на подготовку магматического базальтового сырья уже выполнены в природных условиях. Для создания производств — заводов БНВ есть доступное базальтовое сырье, не требуются большие энергетические мощности, а также суммы капитальных вложений и инвестиций.

Производство БНВ — экологически чистое, с низким уровнем потребления энергоресурсов.

Заводы БНВ. Обычно заводы БНВ создают с законченным циклом — производство БНВ с переработкой в армирующие и композиционные материалы, ткани, нетканые материалы, препреги. Возможно создавать заводы БНВ и производить ровинги, рубленые волокна, крученые нити, ткани, нетканые материалы, препреги, а производства габаритных композиционных изделий (труб, опор ЛЭП, балок мостов, емкостей, кузова автомобилей) производить по месту требования.

Особенно актуально производство БНВ, армирующих и композитных материалов (АКМ) для стран, где нет собственного сталелитейного производства, стран — импортеров стальной арматуры, профилей, проката, а также для развитых стран (Япония, страны ЕС, США), где, из-за роста стоимости энергоносителей, сталелитейные производства становятся нерентабельным и не соответствуют возросшим экологическим требованиям.

Заказчики БНВ и материалов БНВ

Классификация БНВ, отрасли промышленности — потребители БНВ, заказчики продукции заводов БНВ и М более полно представлены в статье «Базальтовые непрерывные волокна — основа создания промышленных производств и широкого применения армирующих и композитных материалов» КМ #1 (82) 2019, стр. 58–65 [5].

Дополнительно представим потребителей БНВ.

В последние годы в КНР, РФ и других странах появилось множество предприятий — производителей композитной арматуры, которые являются потенциальными потребителями ровингов БНВ.

Характеристики композиционных материалов и изделий БНВ обеспечивают высокие требования нефтяной и газовой промышленности для производства труб магистральных трубопроводов (т.к. стальные трубы подвержены коррозии), тяг нефтяных качалок, баллонов для хранения и транспортировки сжиженного нефтяного (LPG) и природного газов (NG).

В перспективе, в связи с принятыми ЕС программами развития производства водорода и водородной энергетики, потребуется создание крупных производств композитных емкостей и баллонов для хранения и транспортировки водорода.

На основе БНВ и неорганических связующих возможно производить новый класс негорючих, огнестойких композиционных материалов, востребованных в судостроении для производства корпусов судов, силовых элементов, переборок и надстроек судов (вместо стальных), а также композитных материалов и изделий для ответственных объектов: высотных зданий, атомных электрических станций (АЭС) и других промышленных и строительных объектов, где недопустимо возникновение и распространение пожара.

БНВ, армирующие и композиционные материалы (АКМ), ткани, нетканые материалы, препреги будут востребованы на мировом рынке в объемах 3–5 миллионов тонн в год.

Крупные промышленные производства БНВ начали создавать только в последние годы, благодаря современным разработкам в области технологий и оборудования БНВ [4, 5].

Технические характеристики ТЕ BСF 2000 и ТЕ БНВ 2500

Технологическое оборудование БНВ

За последние годы (20 лет) специалисты компании BFM TD разработали четыре поколения технологического оборудования, которые позволили в несколько раз снизить потребление природного газа и электроэнергии на производство тонны БНВ, увеличить производительность. Только современные разработки в области технологий и оборудования позволили создать крупные промышленные производства и существенно снизить себестоимость производства БНВ.

Современное оборудование производства БНВ представлено технологическими линиями TE BCF 2000 третьего поколения и TE BCF 2500 четвертого поколения. Технологические линии ТЕ BCF 2500 применяют при наличии базальтового сырья высокого качества и квалифицированного персонала.

В качестве основного энергоносителя для плавления базальтов используют природный (NG), или сжиженный нефтяной газ (LPG). При этом удельный расход природного газа на производство тонны БНВ в 2 раза ниже, чем для производства СВ.

Разработаны специализированные газовые горелки, модификации плавильных печей технологических линий ТЕ BCF, в которых для плавления базальтов можно использовать попутный нефтяной газ и газовый конденсат (который зачастую сжигают в факелах на нефтяных и газовых месторождениях), а также коксовый газ (с коксовых батарей) и газ с биогазовых установок.

Для стран, где нет природного газа, разработаны технологические линии ТЕ BCF с экономичными электрическими плавильными агрегатами. Электрические плавильные печи были созданы специалистами компании «BFM TD» в еще 2004 году для заводов БНВ в регионах КНР, где нет природного газа, но есть небольшие ГЭС с низкой стоимостью электроэнергии.

Заводы БНВ производительностью 5, 10, 25, 50 тысяч тонн в год создаются на основе технологических линий ТЕ BCF с поэтапным наращиванием их количества. При этом увеличение объемов производства снижает себестоимость БНВ, а создание заводов законченного цикла с переработкой БНВ в материалы повышает их рентабельность.

Создание заводов БНВ имеет свои сложности:

• требуется проведение специализированных работ по исследованию и выбору месторождений базальтового сырья наиболее пригодных для промышленного производства БНВ [ 12 ] (от правильного выбора месторождения базальтов зависят характеристики БНВ, производительность оборудования, трудозатраты и себестоимость производства);
  
• необходимость привлечения специализированных компаний с положительным опытом создания действующих заводов БНВ и М (опытом проектирования заводов БНВ и М, изготовления нестандартного технологического оборудования, запуска оборудования в работу, разработки технологических регламентов производства БНВ, обучения персонала завода);
  
• обеспечение патентной защищенности завода БНВ и М (т.к. технологии, оборудование, устройства выработки волокон защищены патентами);
  
• организация системы сбыта продукции завода БНВ и М (для заводов БНВ и М нужны базовые, якорные потребителей БНВ — производители КМ и потребители армирующих и композитных материалов БНВ), крупные экспортные поставки).
  

Тем не менее, создание заводов БНВ и М — это наиболее перспективный путь наращивания объемов производства КМ, АКМ, тканей, нетканых материалов, препрегов, востребованных на мировом рынке: в строительной отрасли [9, 11], для сейсмостойкого и гидротехнического строительства, строительства автомобильных и железных дорог и инфраструктурных объектов (мостов, эстакад, горных и подводных тоннелей), в машиностроении, в автомобильной [10] и авиационной промышленности , в судостроении и в энергетике [8], водном и коммунальном хозяйствах, для крупных экспортных поставок в страны ЕС, Великобританию, Японию, Корею, США, Канаду, где создание производств БНВ экономически менее рентабельно (из-за высокой стоимости энергоносителей, высокого уровня налогов и заработной платы и др.).

БНВ особо востребованы:

• автомобильными компаниями для производства кузовов электромобилей [2].
  
• странами, расположенным в сейсмоопасных регионах для сейсмостойкого строительства (стоимость стальной арматуры и арматурных сеток за последние годы возросла в 2.5–3 раза);
  
• для работ по капитальному ремонту и восстановлению инфраструктурных объектов дорог, развязок, мостов, тоннелей (для США), портов и объектов берегоукрепления (для приморских стран ЮВА и Южной Америки);
  
• для строительства крупных инфраструктурных сооружений — второго Панамского канала через территорию Никарагуа, крупных ГЭС, приливных морских ГЭС, магистральных автомобильных и железных дорог.
  

Производство СВ достигло максимальных объемов производства. Неуклонный рост стоимости энергоносителей, а также химически чистого сырья (шихты) будут ограничивать производство СВ. Ряд заводов СВ в развитых странах испытывают финансовые трудности. В КНР — основном производителе СВ в мире (около 5 миллионов тонн в год), себестоимость производства СВ будет также возрастать из-за повышения стоимости природного газа, электроэнергии, роста уровня заработной платы.

Высокая стоимость УВ существенно ограничивает их широкое и массовое применение.

Рост стоимости энергоносителей только способствует созданию производств БНВ. Для производства БНВ требуется в два раза меньше природного газа по сравнению с производством СВ и в несколько раз меньше электроэнергии, чем для производства УВ.

Производство стали от добычи и обогащения руды, доменного производства чугуна, выплавки стали и проката стальных листов, профилей, арматуры потребляет в 20 раз больше энергоносителей, чем производство аналогичных армирующих и композитных материалов на основе БНВ. Поэтому особо актуально создание энергосберегающих, экологически чистых производств БНВ, не подверженных коррозии армирующих материалов, композитных труб, опор ЛЭП, кузовов автомобилей, емкостей, баллонов и других композитных изделий, и конструкций на замену изделий из стали, легированной арматурной, оцинкованной и нержавеющей сталей, а также энергоемких сплавов алюминия.

БНВ имеют все основания для существенного увеличения объемов производства и широкого применения материалов БНВ в базовых отраслях промышленности (машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, судостроении, …), энергетике, строительной отрасли, дорожном строительстве и коммунальном хозяйстве.

БНВ и требования по экологии, снижению углеродных выбросов в атмосферу

В 21 веке материалы должны удовлетворять ряду требований, которым наиболее отвечают, армирующие и композитные материалы БНВ:

1. Производство материалов должно быть с низким потреблением энергоносителей и минимуме вредных выбросов в окружающую среду. На производство БНВ и материалов БНВ расходуется минимум энергоносителей т.к. базальты — сырье подготовленно природой, а БНВ материалы производятся по холодным технологиям. Производство БНВ экологически чистое.
   
2. Необходимо обеспечивать снижение потребления энергоносителей в процессе эксплуатации. Армирующие и композитные материалы существенно снижают вес конструкций. Композитный кузов автомобиля весит в 3 раза меньше стального кузова.
   
3. Обеспечивать длительные сроки эксплуатации. БНВ и материалы БНВ не подвержены коррозии и имеют достаточно длительные сроки эксплуатации.
   
4. Утилизация материалов должна проводиться без ущерба природной среде. Композитные материалы и изделия БНВ измельчают и используют как наполнители и армирующие добавки для бетонов и асфальтобетонов.
   

Выполнение международных экологических требований по снижению углеродных выбросов в атмосферу будет дополнительным стимулом создания заводов БНВ и М.

География создания и размещения заводов

Производство БНВ должно быть обеспечено сырьевой базой — карьерами «длинных» базальтов, наиболее пригодных для производства непрерывных волокон [12] и энергетическими ресурсами — природным, или другими видами горючих газов и электроэнергией. Экономически более выгодно создание завода БНВ в странах с невысокой стоимостью энергоносителей, уровнем заработной платы и налогов.

Представляет экономический и экологический интерес создание производств БНВ в странах, добывающих природный газ и нефть. Для создания заводов БНВ специалисты разработали специальные горелки и печи для плавления базальтов, работающие на попутном нефтяном газе, газовом конденсате. Компания «BFM TD» имеет положительный опыт производства БНВ на попутном нефтяном газе.

Это позволит достичь двойной положительного эффекта — производить БНВ и с пользой утилизировать попутные горючие газы, которые зачастую сжигают в факелах на нефтяных и газовых месторождениях, загрязняя атмосферу.

Нефтяным и газодобывающим компаниям экономически более выгодно создать заводы БНВ и с прибылью утилизировать попутный нефтяной газ и газовый конденсат, чем постоянно платить за загрязнение окружающей среды.

Создание энергосберегающих производств БНВ, армирующих и композитных материалов БНВ возможно в промышленно развитых странах для сокращения энергоемких и загрязняющих окружающую среду производств стали.

Перспективно создание производств — заводов БНВ и М в ряде стран, где нет собственной металлургической промышленности, что позволит снизить импортную зависимость и повысить экспортные потенциалы этих стран.

В РФ наиболее предпочтительные условия для создания заводов БНВ и М — низкая стоимость энергоресурсов, наличие инженерной инфраструктуры и квалифицированного технического персонала, емкий развивающийся внутренний рынок АКМ, поддержка создания производств высокотехнологичной продукции.

Следует использовать возможности нефтяных и газодобывающих компаний по созданию производств БНВ для утилизации попутного нефтяного газа и газового конденсата нефтяных и газовых месторождений.

Задача создания заводов новой подотрасли промышленности была решена специалистами компании «BFM TD» в Китае для Китайской Аэрокосмической корпорации (CASC) — заводы БНВ и М «Chengdu Aerospace Tuoxin Science & Technology Co., LTD», «Sichuan Aerospace Tuoxin Basalt Industry Co., LTD» и в процессе реализации государственной программы № 863 «БНВ и композиты БНВ» - заводы «Hengdian Group Shanghai Russia Gold Basalt Fiber» и «GBF — Gold Basalt Fiber».

Следует использовать положительный опыт работы в КНР для создания высокотехнологичной экспортно-ориентированной подотрасли промышленности в РФ — производства БНВ, армирующих и композитных материалов, тканей, нетканых материалов, препрегов.

Выводы

Совокупность характеристик БНВ и себестоимость их производства позволяют широко и массово применять армирующие и композиционные материалы в строительстве, дорожном строительстве, промышленности, энергетике и др.

Для обеспечения потребностей заказчиков в БНВ, армирующих и композиционных материалах потребуется создания десятков заводов на основе современного технологического оборудования третьего и четвертого поколений и расширение географии стран производителей БНВ. Объемы производства БНВ и материалов БНВ будут неуклонно расти.

Совокупность характеристик, доступное природное сырье, энергосберегающие технологии и оборудование, наиболее предпочтительные технологические, экономические и экологические аспекты производства позволяют сделать основной вывод — БНВ материалы и изделия на основе БНВ станут наиболее востребованными, широко и массово применяемыми материалами 21 века.

На основании опыта создания заводов БНВ можно утверждать о росте объемов производства БНВ. В 21 веке БНВ в силу своих характеристик и экономических показателей станут основными и базовыми для производства армирующих и композитных материалов.

Литература

1. Оснос С. П.. “Basalt Fiber Materials Technology Development Co., Ltd” «Применение материалов на основе базальтовых волокон в авиакосмической отрасли». «Композитный мир» #4 2015. с. 59 -63.
   
2. Оснос М. С., Оснос С.П.Технические и экономические вопросы широкого применения материалов на основе базальтовых волокон в авиационной промышленности. Композитный мир №4 2017, с. 26 -30.
   
3. Оснос М. С., Оснос С.П. «Применение материалов из базальтовых волокон в автомобильной промышленности» «Композитный мир», #1, 2020.
   
4. Оснос М. С. Оснос С. П. «Базальтовое непрерывное волокно — вчера, сегодня и завтра. Развитие технологий и оборудования, промышленных производств и сбыта». «Композитный мир» #2. 2015. с. 24 – 29.
   
5. Оснос М.С., Оснос С.П. Базальтовые непрерывные волокна - основа создания промышленных производств и широкого применения армирующих и композитных материалов. «Композитный мир» #1. 2019. с. 58 - 65.
   
6. Волокнистые материалы из базальтов Украины. Сборник статей, Киев, Техніка. 1971. 86 с.
   
7. Джигирис Д. Д., Махова М. Ф. «Основы производства базальтовых волокон». Монография. Москва. Теплоэнергетик, 2002 г. 412 с.
   
8. Оснос С.П., Рожков И.А. «Вопросы производства и комплексного применения материалов на основе базальтовых непрерывных волокон в энергетике». «Композитный мир» #1 (94) 2021 г. с.54 - 60.
   
9. Негматуллаев С. Х., Оснос С. П. Применение материалов на основе базальтовых волокон в строительстве и сейсмостойком строительстве. Результаты исследований, заключения и опыт применения материалов БНВ в строительстве». СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА №5- 6, 2015.
   
10. Краюшкина Е. В., Оснос С. П. «Материалы на основе базальтовых волокон в дорожном строительстве». – Дороги. 2014 г., январь. с. 93 - 97.
    
11. Негматуллаев С. Х., академик. НИИ Сейсмологии и сейсмостойкого строительства, Оснос С.П., д.т.н., «Basalt Fiber Materials Technology Development”, Степанова В.Ф., д.т.н., НИИ Бетона и Железобетона «Арматура базальтопластиковая характеристики, производство, применение» Технологии бетонов №3-4 2016 г. с. 50 – 57.
    
12. Оснос М. С., Оснос С. П. Проведение исследований и выбор месторождений базальтовых пород для производства непрерывных волокон. «Композитный мир» #1. 2018. c. 56 -62.