CC BY
29
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 631.365
ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, volokitin_oleg@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ С СИЛИКАТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ*
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по получению силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы. На основании полученных данных установлены температуры полного расплавления исследуемых материалов. Процесс получения расплава в условиях низкотемпературной плазмы со скоростью нагрева сырьевых материалов более 1000 °С в секунду характеризуется одновременным плавлением всех фаз, в отличие от процессов, протекающих при обычных скоростях нагрева 0,5-1 °С в секунду. Сверхвысокие скорости нагрева сокращают время образования гетерогенного расплава и уменьшают удельные энергозатраты (1,5-2,1 кВт/кг), что в 2-2,5 раза меньше, чем в существующих технологиях.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма; характеристики силикатных расплавов; плазмохимические процессы.
OLEG G.VOLOKITIN, PhD, A/Professor, volokitin_oleg@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
PHYSICAL BASICS OF PLASMA INTERACTION WITH SILICATE MATERIALS
The paper presents theoretical and experimental results on silicate melt processing using the low-temperature plasma. The temperatures of complete melting are detected for the materials under research. The silicate melt production is characterized by the simultaneous melting of all phases at a heating rate of 1000 °С per second unlike the processes occurred at usual heating rate of 0,5-1 °С per second. As compared to the existing technologies, ultrahigh heating rates 2-2,5 times reduce the time of formation of heterogeneous melt and specific energy costs (1,5-2,1 kW/kg).
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-50020 мол_нр.
© Волокитин О.Г., 2016
Keywords: low-temperature plasma; silicate melt properties; plasma-chemical process.
Разнообразие задач, решаемых в области технологии получения тугоплавких силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы, обусловило разработку и создание плазмохимических реакторов, способных вырабатывать расплав из материалов с содержанием оксида кремния от 50 до 100 % масс. [1-3]. Анализ существующих способов получения силикатных расплавов и материалов на их основе [4, 5] позволил сформировать обобщенные данные по номенклатуре материалов, получаемых из силикатных расплавов, температуре их выработки и содержанию в сырье оксида кремния (табл. 1).
Таблица 1
Материалы, получаемые через силикатный расплав
Материал Содержание SiO2, % Температура выработки, °С
Стекловолокно 65-75 1450-1500
Минеральное волокно 43-65 1500-1700
Стеклокристаллический материал 43-65 1500-1700
Литые каменные изделия 43-65 1450-1500
Кварцевое стекло 98-99 1700-1750
Традиционные способы и технологии не позволяют получать однородный по температуре и химическому составу силикатный расплав из сырьевых материалов, температура плавления которых около 1700 °С, при этом невозможно добиться требуемой вязкости для производства силикатных изделий различного назначения с повышенными эксплуатационными свойствами.
В настоящей работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по получению силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы, которая за счет высоких температур позволяет сократить время полного расплавления сырья и значительно уменьшить удельные энергетические затраты при получении однородного по температуре и химическому составу силикатного расплава. Плазмохимиче-ские процессы образования высокотемпературных силикатных расплавов отличаются от традиционных неравновесностью и скоростью протекания. Процесс переработки сопровождается значительным уменьшением удельных энергозатрат за счет использования высококонцентрированных плазменных потоков и снижения времени образования расплава с требуемой вязкостью.
Используя многолетний опыт по созданию и исследованию агрегатов низкотемпературной плазмы, техническая новизна которых подтверждена патентами РФ № 2355651, 2344093, 2503628, необходимо разработать плазмохи-мические реакторы для получения высокотемпературных силикатных расплавов из сырьевых материалов с различным содержанием оксида кремния (базальт, золошлаковые отходы, отходы горючих сланцев, кварц-полевошпатсо-держащее сырье, кварцевый песок) и определить оптимальные режимы
выработки силикатных расплавов с требуемыми значениями однородности, температуры и вязкости для производства различных видов строительных материалов. В настоящее время не в полной мере исследованы механизмы взаимодействия высококонцентрированных тепловых потоков плазмы с силикатными материалами, содержание оксида кремния в которых от 50 до 100 %; влияние содержания SiO2 на структуру продуктов плавления силикатных материалов, полученных с использованием низкотемпературной плазмы; физические основы плазменной технологии получения высокотемпературных силикатных расплавов с содержанием SiO2 до 100 %.
Для проведения теоретических и экспериментальных исследований выбраны сырьевые материалы из условия содержания в их химическом составе оксида кремния от 50 до 100 % (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав исходных сырьевых материалов до плазменного нагрева
Сырьевые материалы Содержание оксидов, масс. %
SiO2 Al2Oз Fe2Oз CaO MgO R2O Дтдр
Базальтовая порода 50,40 20,17 7,24 8,98 3,37 8,14 1,70
Зола ТЭЦ 51,16 35,07 3,62 8,33 0,91 0,23 0,68
Продукты сжигания сланцев 61,59 23,36 7,91 1,60 1,27 1,34 2,93
Кварц-полевошпат-содержащее сырье 62,05 15,94 4,18 4,72 2,01 8,4 2,7
Кварцевый песок Туганского месторождения 98,15 0,67 0,12 0,07 0,05 0,01 0,93
Из данных, представленных в табл. 2, следует, что все используемые сырьевые материалы содержат более 50 % SiO2, который является основным стеклообразователем. Модуль кислотности используемых техногенных отходов значительно выше модуля кислотности традиционного силикатного сырья (табл. 3). Высокий модуль кислотности положительно влияет на химическую и термическую стойкость готовых изделий. С уменьшением модуля кислотности возрастает склонность к кристаллизации - долговечность уменьшается [6-8]. Предельное содержание оксида кремния туганского песка составляет 98,15 масс. %, т. е. отсевы песка являются высококремнеземистым продуктом с достаточно низким содержанием примесей.
Анализ табл. 2 и 3 позволил установить, что модуль кислотности сырьевых материалов увеличивается с повышением суммы основных оксидов в их химическом составе. Аналогичная ситуация наблюдается при расчете модуля вязкости силикатных расплавов - при увеличении содержания оксида кремния от 50 до 62 % наблюдается незначительное изменение модуля вязкости, однако с увеличением содержания SiO2 до 98,15 % модуль вязкости резко возрастает до величины 274,5.
Таблица 3
Характеристики силикатных расплавов
Сырьевые материалы Содержание оксидов, масс. % МК Мв
8Ю2 Al2Oз 8Ю2 + Al2O3
Базальтовая порода 50,40 16,17 66,57 5,39 2,48
Зола ТЭЦ 51,16 35,07 86,23 9,33 5,23
Продукты сжигания сланцев 61,59 23,36 84,95 29,60 4,55
Кварц-полевошпатсодер-жащее сырье 62,05 15,94 77,99 11,59 5,17
Кварцевый песок Туганского месторождения 98,15 0,67 98,82 823,5 274,5
м = + А12°3 - модуль кислотности к СаО +1^0 м = §1°2 +2' ^^ - модуль вязкости В 2 • Ге203 + СаО + МвО + 2 • КО + 2 • №20
Состав расплава и его количество определяются составом шихты и зависят от температуры его образования. Для оценки изменения характера плавления шихты в зависимости от химического состава исследуемого сырья были построены кривые плавкости. На основании полученных данных установлены температуры полного расплавления исследуемых материалов (рисунок).
31,16 61.59 62,05 98,13
Содержание SiO2, %
Температура плавления исследуемого сырья:
1 - базальтовая порода; 2 - зола ТЭЦ; 3 - продукты сжигания сланцев; 4 - кварц-полевошпатсодержащее сырье; 5 - кварцевый песок Туганского месторождения
Наиболее тугоплавкими являются продукты сжигания горючих сланцев и кварцевый песок с температурой плавления около 1700 °С. Температура
плавления зол - около 1650 °С. Наименее тугоплавкими с температурой плавления 1450 °С следует считать кварц-полевошпатсодержащие отходы обогащения молибденовых руд, снижение температуры плавления которых связано с наличием щелочных оксидов, а также базальт с температурой плавления 1370 °С. Эксперименты по получению расплава из исследуемого сырья проводились на разработанной в Томском государственном архитектурно-строительном университете экспериментальной электроплазменной установке [9].
Анализ результатов экспериментов позволил сделать выводы о том, что процесс получения расплава в условиях низкотемпературной плазмы отличается отсутствием отдельных этапов образования первичного эвтектического расплава и растворения оксидов в расплаве. Эти процессы за счет быстрого нагрева шихты протекают одновременно с процессом образования гетерогенного расплава, который в итоге перемешивается, образуя гомогенный силикатный расплав за счет понижения вязкости. Процесс получения расплава в условиях низкотемпературной плазмы со скоростью нагрева сырьевых материалов более 1000 °С в секунду характеризуется одновременным плавлением всех фаз, в отличие от процессов, протекающих при обычных скоростях нагрева 0,5-1 °С в секунду. Сверхвысокие скорости нагрева сокращают время образования гетерогенного расплава и уменьшают удельные энергозатраты (1,5-2,1 кВт/кг), что в 2-2,5 раза меньше, чем в существующих технологиях.
Библиографически список
1. Technology for producing mineral fibers by recycling ash-sludge and oil-shale wastes / G.G. Volokitin, N.K. Skripnikova, O.G. Volokitin, S. Volland // Glass and Ceramics. -2011. - V. 68. - Р. 239-241.
2. Complex research of molybdenum ore tailings / G. Volokitin, N. Skripnikova, O. Volokitin, I. Iuriev, V. Shekhovcov // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - № 71.
3. Investigation of the Melting of Quartz Sand by Low-Temperature Plasma / Yu.A. Abzaev, G.G. Volokitin, N.K. Skripnikova, O.G. Volokitin,V.V. Shekhovtsov // Glass and Ceramics. -2015. - V. 72. - P. 225-227.
4. Study of some thermal and mechanical properties of magnesium aluminium silicate glass ceramic / M. Goswami, A. Sarkar, T. Mirza, V.K. Shrikhande, K.R. Sangeeta, K.R. Gurumurthy, G.P. Kothiyal // Ceram. Internat. - 2002. - № 28. - P. 585-592.
5. Fabication of magnesium aluminum silicate glass ceramics by sintering route / S.K. Durrani, M.A. Hussain, S.Z. Hussain, J. Akhtar, A. Saeed, N. Hussain, N. Ahmed // Materials Science-Poland. - 2010. - № 28. - 459 p.
6. Сулименко, Л.М. Общая технология силикатов / Л.М. Сулименко. - М. : Инфра-М, 2004. - 335 с.
7. Проблемы комплексной переработки золошлаковых отходов и синтеза на их основе силикатных материалов строительного назначения / Н.Н. Ефимов, В.И. Паршуков, Е.А. Яценко [и др.] // Техника и технология силикатов. - 2010. - № 2. - С. 17-21.
8. Джигирис, Д.Д. Основы производства базальтовых изделий / Д.Д. Джигирис, М.Ф. Ма-хова. - М. : Теплоэнергетика, 2002. - 412 с.
9. Пат. 2503628 Российская Федерация. C03 B37/04. Плазменная установка для получения тугоплавкого силикатного расплава / О.Г. Волокитин, Е.В. Тимонов, Г.Г. Волокитин, А.А. Никифоров, В.К. Чибирков. - Опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1.
References
1. Volokitin G.G., Skripnikova N. K., Volokitin O.G., Volland S. Technology for producing mineral fibers by recycling ash-sludge and oil-shale wastes. Glass and Ceramics. - 2011. V. 68. Pp. 239-241.
2. Volokitin G.G., Skripnikova N. K., Volokitin O.G., Yuriev I., Shekhovtsov V.V. Complex research of molybdenum ore tailings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2015. No. 71.
3. Abzaev Yu.A., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Volokitin O.G.,Shekhovtsov V.V. Investigation of the melting of quartz sand by low-temperature plasma. Glass and Ceramics. 2015. V. 72. Pp. 225-227.
4. Goswami M., Sarkar A., Mirza T., Shrikhande V.K., Sangeeta K.R., Gurumurthy, Ko-thiyal G.P. Study of some thermal and mechanical properties of magnesium aluminium silicate glass ceramic. Ceramic International. 2002. No. 28. Pp. 585-592.
5. Durrani S.K., Hussain M.A., Hussain S.Z., Akhtar J., Saeed A., Hussain N., Ahmed N. Fabrication of magnesium aluminum silicate glass ceramics by sintering route. Materials Science-Poland. 2010. No. 28. 459 p.
6. SulimenkoL.M. Obshchaya tekhnologiya silikatov [General technology of silicates]. Moscow : Infra-M, 2004. 335 p. (rus)
7. Efimov N.N., Parshukov V.I., Yatsenko E.A., et al. Problemy kompleksnoi pererabotki zoloshla-kovykh otkhodov i sinteza na ikh osnove silikatnykh materialov stroitel'nogo naznacheniya [The problem of complex processing of ash waste and synthesis of silicate materials for construction purposes]. Tekhnika i tekhnologiya silikatov. 2010. No. 2. Pp. 17-21. (rus)
8. Dzhigiris D.D., Makhova M.F. Osnovy proizvodstva bazal'tovykh izdelii [Production basics of basalt products]. Moscow : Teploenergetika Publ., 2002. 412 p. (rus)
9. Volokitin O.G. Timonov E.V., Volokitin G.G., Nikiforov A.A., Chibirkov V.K. Plazmennaya ustanovka dlya polucheniya tugoplavkogo silikatnogo rasplava [Plasma apparatus for the production of refractory silicate melt]. Pat. Rus. Fed. N 2503628. 2014. (rus)
