CC BY
20
УДК 666.198.081
ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, volokitin_oleg@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУИ СИЛИКАТНОГО РАСПЛАВА В УСЛОВИЯХ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПОДОГРЕВА
Проведены исследования созданной экспериментальной установки для получения силикатного расплава с использованием плазменной технологии при производстве минеральных волокон. Определена возможность использования отходов энергетических производств, таких как отходы горючих сланцев и зола для производства минеральных волокон, обладающих высокими физико-механическими и теплотехническими показателями. Проведено исследование схемы дополнительного подогрева струи силикатного расплава на выходе из плавильной печи.
Ключевые слова: электроплазменная установка, техногенные отходы, силикатный расплав, минеральные волокна.
VOLOKITIN, OLEG GENNADJEVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., volokitin_oleg@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
RESEARCH OF PHYSICAL CHARACTERISTICS OF SILICATE MELT STREAM AT ADDITIONAL HEATING
An experimental device for production of silicate melt with the help of plasma technology in the field of mineral fibres manufacturing was developed. Possibility of wastes use (oil-shale wastes and ashes) for mineral fibres manufacturing was defined. Fibres have high physical-mechanical and heating-technical indices. Research of the additional heating of stream silicate melt scheme at an exit from the melting furnace was carried out.
Keywords: electro-plasma device, wastes products, silicate melt, mineral fibre.
Анализ отечественного и зарубежного производства минеральных волокон показывает, что в качестве исходного сырья для производства силикатных расплавов при получении минеральных волокон в основном используются базальтовые горные породы [1-3]. Это связано с тем, что для получения расплава применяются традиционные технологии с температурами плавления материалов, не превышающими 1500 °С [4]. Использование же плазменных технологий при производстве минеральных волокон значительно расширяет спектр применяемого исходного сырья и дает возможность использовать тугоплавкие силикатсодержащие материалы, температура плавления которых достигает 1900 °С и более. Наряду с этим решается проблема утилизации техногенных отходов, содержащих в своем составе значительное количество SiO2, путем переработки их в минеральные волокна в плазмохимическом реакторе. Использование такого рода сырья позволит получать минеральное во-
© О.Г. Волокитин, 2010
локно с повышенными физико-химическими и физико-механическими свойствами. Выбор сырья для получения расплава должен осуществляться с учетом его температуры плавления и влияния минерального и химического составов на физико-химические свойства получаемого расплава.
Наряду с базальтовой группой, в качестве исходного сырья для получения силикатного расплава могут служить отходы энергетических производств, такие как отходы горючих сланцев и золошлаковые отходы. Ряд специфических свойств этих материалов дает возможность широко применять их в различных областях стройиндустрии. К тому же эти отходы являются вторичным ресурсом, а значит, их переработка значительно уменьшает себестоимость готовой продукции.
Во время производства волокон к расплаву предъявляются четкие требования как по его составу, так и по температуре. Как известно, при выходе из летки плавильной печи струя расплава охлаждается, соответственно меняется вязкость расплава и ухудшается качество волокон.
В связи с этим целью данной работы явилось:
- разработка устройства, обеспечивающего локальный нагрев истекающей из летки струи расплава путем пропускания по ней электрического тока с целью обеспечения необходимых значений температуры и вязкости для получения минерального волокна;
- проведение экспериментальных исследований по влиянию электрического тока на температуру и вязкость струи расплава.
На рис. 1 представлена обобщенная схема установки для производства минерального волокна из тугоплавкого силикатсодержащего расплава [5].
Более детальная схема по дополнительному нагреву струи расплава представлена на рис. 2. Она состоит из следующих основных узлов и элементов: плавильная печь 4, направляющая воронка 16, устройство для раздува расплава в волокна 17, источник питания постоянного тока 10. Воронка 16, изготовленная из электропроводного материала, выполнена с наружной и внутренней стенками, между которыми образована кольцевая полость для подачи охлажденной воды и закреплена под леткой 5, установленной в боковой стенке печи 4. Токоподводы регулируемого источника питания постоянного тока 10 подключены к воронке 16 и устройству для раздува 17, что обеспечивает протекание тока по участку струи расплава между этими элементами за счет электропроводности расплавленного сырьевого материала.
Устройство для формирования волокон выполнено в виде эжекционного сопла с приемным отверстием для расплава и трубопровода для подачи под давлением пара и горячих газов, соединенного с полостью эжекционного сопла. Медная воронка, соединенная с отрицательным полюсом источника электропитания постоянного тока, по сути, является катодом, а корпус устройства формирования волокон, соединенный с положительным полюсом источника питания, - анодом.
Использование такой схемы позволяет осуществлять дополнительный подогрев струи расплава. В связи с тем, что расплав в жидком состоянии является электропроводным, то при включении источника электропитания образуется замкнутая электрическая цепь: воронка - струя расплава - устройство
для формирования волокон. Прохождение тока через струю расплава сопровождается тепловыми эффектами, что обеспечивает дополнительный нагрев.
з
Рис. 1. Комплекс оборудования для получения силикатного расплава и минеральных волокон:
1 - катодный узел; 2 - концентратор тепловой энергии; 3 - дозатор; 4 - плавильная печь; 5 - летка; 6 - гарнисажный слой; 7 - графитовый анод; 8 - плазменная дуга; 9 - расплав; 10 - источник питания; 11 - шиберная заслонка; 12 -электромеханический ротационный расходомер; 13 - управляемый двигатель постоянного тока в системе подачи сырья; 14 - вентилятор высокого давления; 15 - струя расплава; 16 - направляющая воронка; 17 - устройство для раздува расплава; 18 - минеральные волокна; 19 - оптический пирометр
Рис. 2. Узел для дополнительного подогрева силикатного расплава и выработки минеральных волокон:
4 - плавильная печь; 16 - направляющая воронка; 17 - устройство для раздува расплава; 10 - источник постоянного тока; 5 -летка; 15 - струя расплава; 18 - минеральные волокна
В таблице приведены результаты изменения температуры в зависимости от электрической мощности, вкладываемой в струю силикатсодержащего расплава.
Зависимость температуры в струе расплава от вкладываемой электрической мощности
N I, А и, В Температура расплава в струе Т, °С
0 - - 1650*
1 45 160 1670
2 60 145 1720
3 75 140 1750
4 120 130 1790
* Температура расплава при выходе из летки плавильной печи
Анализ табличных данных позволяет сделать вывод о том, что изменение мощности тока, протекающего по струе расплава от 7,2 до 15,6 кВт, повышает температуру струи от 1670 до 1790 оС.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлены работоспособность запатентованной [6] экспериментальной установки и её технологические параметры, а также возможность использования в качестве дополнительного источника тепловой энергии электрического тока, пропускаемого через струю расплава, которая позволяет локально изменять температуру расплава, соответственно, его вязкость и эффективно влиять на технологию формирования волокон и их качество.
Библиографический список
1. Кадастр месторождений горных пород габбро-базальтовой группы. - М. : ЗАО «Научно-производственная компания “Базальт-Композит”», 1999. - 73 с.
2. Кутолин, В.А. Сырьевая база России для производства нового теплоизоляционного материала типа пеностекла / В. А. Кутолин, В. А. Широких // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья. - М. : ЦЭИ «Химмаш», 2001. - С. 30-33.
3. Горные породы для производства базальтовых волокон / Б.К. Громков [и др.] // Базальтоволокнистые материалы. - М. : Информконверсия, 2001. - С. 54-64.
4. Базальтовые расплавы для формования штапельного волокна / В.А. Дубровский [и др.] // Стекло и керамика. - 1968. - № 12.
5. Волокитин, О.Г. Получение силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы при производстве минерального волокна : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2010.
6. Установка для получения минеральных волокон : пат. 2344093 Рос. Федерация / Волокитин О.Г., Никифоров А. А., Скрипникова Н.К.
