CC BY
2DOI 10.53980/24131997_2023_1_95
Чан Фонг Лыу1, аспирант, e-mail: [email protected] С.Л. Буянтуев1, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] С.Ю. Шишулькин2, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected]
И.В. Старинский1, канд. техн. наук, ст. преподаватель, e-mail: [email protected] В.Т. Буянтуев1, аспирант, e-mail: [email protected]
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления 2Бурятский государственный университет им. Д. Банзарова
г. Улан-Удэ
УДК 691
ИССЛЕДОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН, ПОЛУЧЕННЫХ ПУТЕМ СМЕШЕНИЯ БАЗАЛЬТА И ЗОЛОШЛАКОВОЙ СМЕСИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
В статье приведены методика и результаты исследований химического состава базальта и золошлаковой смеси китайского завода до плавления, а также физико-химических свойства, произведенных из данного сырья, волокнистых теплоизоляционных материалов (минеральной ваты). Приведен пример определения модуля кислотности минеральной ваты и зависимость химической стойкости минеральной ваты. Основным инструментом для расплавления базальта или золошлака, а также смесей базальта и золошлака, выбран электромагнитный технологический реактор. В статье приводятся описание принципа работы данного реактора и порядок проведения эксперимента. Определена средняя удельная затрачиваемая мощность плазменного электромагнитного технологического реактора для получения расплава.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма, базальт, китайская зола, золошлаковая смесь, технологический реактор, минеральное волокно.
Chen Fanglu, P.G. student S.L. Buyantuev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
S.Yu. Shishulkin, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
I.V. Starinsky, Cand. Sc. Engineering, Senior Lecturer V.T. Buyantuev, P.G. student
THE STUDY OF MINERAL FIBERS PRODUCED FROM A MIXTURE OF CHINESE ASH AND BASALT USING AN ELECTROMAGNETIC TECHNOLOGICAL REACTOR
The article presents the methodology and results of studies of the chemical composition of basalt and ash and slag from a Chinese plant before melting, as well as the physicochemical properties of fibrous heat-insulating materials (mineral wool) produced from this raw material. It gives example of determining the acidity modulus of mineral wool and the dependence of the chemical resistance of mineral wool. The main tool for melting basalt or ash and slag, as well as mixtures of basalt and ash and slag, is an electromagnetic process reactor. The article describes the principle of operation of this reactor and the order of the experiment. The average specific power consumption of a plasma electromagnetic technological reactor for melt production has been determined.
Key words: low-temperature plasma, basalt, Chinese ash, slag, technological reactor, mineral fiber.
Введение
В настоящее время с развитием промышленности заводы выбрасывают различные виды отходов, в том числе и золошлаковые смеси. В области производства теплоизоляционных строительных материалов применяется технология низкотемпературной плазмы, с помощью которой расплавляют золошлак и базальт при высоких температурах с последующим получением минеральных волокон. Для повышения экономической эффективности утилизации твердых отходов в качестве объектов исследований выбраны золошлаковые смеси с мусоро-сжигающего завода провинции Шень-Чжень КНР, а также базальт Енхорского месторождения. Первоочередной задачей является исследование минерального волокна, полученного при совместном плавлении золошлака и базальта в электромагнитном технологическом реакторе, на прочность и размер волокон.
В строительной промышленности из-за климатических особенностей России значительное место занимает разработка новых теплоизоляционных материалов и технологий их производства, а также методик оценки их подбора и использования в определенных климатических зонах [1].
Цель работы - выявить новые данные по производству волокнистых теплоизоляционных материалов, их строению и химическому составу, полученных из совместного плавления в различных пропорциях базальта Енхорского месторождения и золошлаковой смеси китайского мусоросжигательного завода.
Материалы и методы исследования
В качестве основы исходной смеси для производства минерального волокна применялся базальт [2]. На территории России и во всем мире имется много разновидностей базальтов, отличающихся друг от друга не только составом, но и свойствами [3-13].
Вторым компонентом были выбраны золошлаковые смеси, оставшиеся после утилизации коммунальных отходов. Золошлаковые смеси - промышленный отход с высокой температурой плавления, лежащей в интервале температур 900-1400 °С [14, 15].
Для плавления исходной смеси с последующим получением минерального волокна был применен электромагнитный технологический реактор (рис. 1) [16]. Он обладает следующими преимуществами: легкость управления за счет автоматизации процессов плавления, безинер-ционность плазменных процессов в реакторе, маневренность установки по мощности от 10 до 100 % [2]. Протекание процессов плавления исходной смеси организовано таким образом, что области тепловыделения и теплопоглощения сконцентрированы в одном месте, что позволяет производить плавление исходной смеси в уменьшенные промежутки времени, тем самым создавая большую тепловую область в зоне реакции для плазмы, а также сократить время выхода установки на рабочий режим, и как следствие повысить энергоэффективность процесса плавления.
Применение электродуговой плазмы открывает большие перспективы для проведения плавильных процессов золошлаков и базальтовых пород [17]. Практическими методами была определена средняя затрачиваемая мощность для получения расплава составляет 1,1 -1,3 кВт/кг. Если сравнивать ее с затрачиваемой мощностью в традиционных технологиях, например для индукционных печей, затрачиваемая мощность составляет 6 кВт/кг [16].
Перед запуском установки происходит ее подготовка и засыпка в реактор. На летку, находящуюся на дне реакционной камеры, опускают центральный электрод. При этом необходимо, чтобы центральный электрод плотно закрывал отверстие летки, а остальные три электрода размещались на расстоянии 50-70 мм от дна реактора. Затем засыпают часть сырья, таким образом, чтобы концы электродов были закрыты на 40-50 мм. После этого на поверхности сырья размещают дорожку из графита толщиной 8 мм (используемый объем 500 мл) для создания электрической дуги и засыпают оставшееся сырье 100-150 мм высотой от поверхности
с графитом. Необходимо перемешивание ингредиентов в печи и увеличение тока, чтобы поддерживать процесс нагрева постоянным и значительно сократить время установления относительно стабильного режима в реакторе, что положительно сказывается на энергоемкости процесса изготовления минеральных волокон.
Исходное сырье представляет собой смешение золошлаковой смеси и базальта. Золошлаковые смеси с мусоросжигающего завода провинции Шень-Чжень КНР представляют собой высокодисперсное порошкообразное вещество со средним размером частиц 0,01-0,3 мм (рис. 2) и элементным составом, представленным в таблице 1. Составы и внешний вид базальта Енхорского месторождения представлены на рисунке 3 и в таблице 2.
Рисунок 1 - Электромагнитный технологический реактор [16]: 1 - реакционная камера; 2 - водоохлаждаемая крышка; 3 - водоохлаждаемое дно; 4 - стержневые электроды (3 шт.); 5 - стержневой запирающий электрод; 6 - полюсный наконечник; 7 - сериесная обмотка; 8 - источник питания; 9 - дополнительный источник питания
для подогрева струи
1mm 1 Электронное изображение 1
Рисунок 2 - Растровая электронная микроскопия золошлаковой смеси при 500-кратном увеличении
Рисунок 3 - Растровая электронная микроскопия базальта Енхорского месторождения
при 500-кратном увеличении
Таблица 1
Процентная концентрация элементов в составе золошлаков
C O Mg Ca Si Cl P Na Al S K Ti Fe
4,64 47,20 1,59 21,14 6,32 6,25 1,30 2,58 2,86 1,29 2,23 0,61 1,99
Итог: 100.00
Таблица 2
Процентная концентрация элементов в составе базальта
O Mg Ca Si Cl Р Na Al K Ti Fe Итог
54,80 2,22 3,14 17,28 0,38 0,83 2,96 5,63 0,99 3,05 8,72 100,00
Результаты исследования и их обсуждение
Плавление смеси золошлака и базальта осуществлялось при номинальном токе от 50 до 150 А, время плавки составляло 40-50 мин при мощности реактора около 7 кВт. При разбрызгивании расплава на специальном валке было проведено получение минеральных волокон. Свойства волокон, образующих минеральную вату, и волокна, произведенного как из 100%-ного базальта без добавлений, так и смеси базальта и золошлака, представлены на рисунках 4, 5 и в таблицах 3, 4.
Таблица 3
Процентная концентрация элементов в составе волокон, полученных из расплава базальта
O Mg Ca Si Na Al K Ti Fe Итог
56,74 2,84 3,06 21,15 3,57 8,21 0,96 0,57 2,90 100,00
Таблица 4
Процентная концентрация элементов в составе волокон, полученных из расплава из смеси базальта и золошлаков
О Мм Са 81 № А1 К Т1 Бе Итог
52,24 2,93 4,23 22,92 3,26 8,38 1,27 0,82 3,95 100,00
Рисунок 4 - Микрофотография волокон, полученных из базальта Енхорского месторождения электроплазменным способом при 70-кратном увеличении
Рисунок 5 - Микрофотография волокон, полученных из золошлаковой смеси и базальта центробежным вытягиванием расплава при 70-кратном увеличении
При описании химической стойкости минеральной ваты применяют такой показатель, как модуль кислотности M^ [18], который, в свою очередь, может быть определен следующим образом (1):
SiO2 +Al O3
M _ -£-£-±
k CaO + MgO ■ (1)
Анализ таблиц 3 и 4 показал, что расчетный модуль кислотности для минеральной ваты, полученной из базальта Енхорского месторождения равен Мк=4,98, для смеси базальта Енхор-ского месторождения с золошлаковыми отходами мусоросжигательного завода составляет Mk=5,76.
Заключение
Химическая стойкость минеральной ваты находится в прямой зависимости от модуля кислотности: чем он выше, тем больше химическая стойкость минеральной ваты. Данные экспериментов показывают, что наибольшее значение по модулю кислотности имеют волокна с содержанием золошлаковых отходов в исходной смеси и, как следствие, эти волокна обладают наибольшей химической стойкостью.
Проведенные исследования показали, что производство теплоизоляционных материалов из смешения 70 % базальта и 30 % золошлаковой смеси имеет достаточный для масштабного производства потенциал. Использование данной технологии на мусоросжигательных заводах позволит повысить степень переработки твердых коммунальных отходов с улучшением экологической обстановки городов, а полученный расплав применить для получения минеральной ваты или изделий каменного (минерального) литья.
Библиография
1. Самойленко В.В., Фирсов В.В., Татаринцева О.С. К вопросу оценки термостойкости алюмо-силикатных волокон // Ползуновский вестник. - 2016. - № 4-1. - С. 213-217.
2. Сультимова В.Д. Теплоизоляционные материалы из золошлаковых отходов тепловых электрических станций, полученные с применением низкотемпературной плазмы: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. - Улан-Удэ, 2004. - 146 с.
3. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ.
- 2013. - № 5 (44). - С. 123-129.
4. Liu N., Liu Z.J., Chen P.Z. Experimental investigation of the mechanical properties of basalt in the Baihetan hydropower station region in China // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 570. -2020. - Р. 032007.
5. Weiwei Zhu, Qian Li, Haohao Zou et al. Effect of heat treatment on structure and mechanical properties of basalt fibers and its application for fabrication Cu based composite // Mater. Res. Express 9, 2022. -P. 116506.
6. Antonova M. V., Krasina I.V., Ilyushina S.V. et al. Modification of basalt fibers by low-temperature plasma // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1058, 2018. - P. 012003.
7. Zongwen Li, Jianxun Ma, Hongmin Ma et al. Properties and Applications of Basalt Fiber and Its Composites // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 186, 2018. - P. 012052.
8. Singha K. A short review on basalt fiber // International Journal of Textile Science 1, 2012. - P. 19-28.
9. Saravanan D. Spinning the Rocks - Basalt Fibres // Journal of the Institution of Engineers (India): Textile Engineering Division. - 2006. - Vol. 86. - P. 39-45.
10. Czigany T., Deak T., Tamas P. Discontinuous basalt and glass fiber reinforced PP composites from textile prefabricates: effects of interfacial modification on the mechanical performance // Composite Interfaces.
- 2008. - Vol. 15, N 7-9. - P. 697-707.
11. Nolf J.M. Basalt Fibres - Fire Blocking Textiles; Technical Usage Textile. - 2003. - N 49 (3rd qrt).- P. 38-42.
12. Mankodi H. New reinforced material for textile composite - basalt fiber. - https://www.technical-textile.net/articles/new-reinforced-material-2514.
13. Dalinkevich A.A., Gumargalieva K.Z., Marakhovsky S.S. et al. Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites // Journal of Natural Fibers. - 2009. - N 6. - P. 248-271.
14. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Получение теплоизоляционных материалов из золошлако-вых отходов ТЭС при помощи низкотемпературной плазмы // Строительные материалы. - 2004. -№ 10. -С. 51-53.
15. Смолий В.А. Разработка ресурсосберегающей технологии теплоизоляционного ячеистого золошлакового стекла строительного назначения: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.11 - СПб., 2012. -165 c.
16. Патент RU №2533565 МПК С03В 37/06. Плазменный способ получения минеральной ваты и установка для его осуществления / Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Патентообладатель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка № 2013149810/03, заявл. 07.11.2013, опубл. 20.11.2014.
17. ПатонБ.Е. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов.
- М.: Наука, 1973. - 242 с.
18. Буянтуев С.Л., Урханова Л.А., Кондратенко А.С. и др. Исследование свойств базальтово-локнистых полужестких плит, полученных с помощью электромагнитого технологического реактора // Вестник ВСГУТУ. - 2015. - № 1. - С. 51.
Bibliography
1. Samoylenko V.V., Firsov V.V., Tatarintseva O.S. More on thermal stability of aluminosilicate fibres // Polzunovskiy vestnik. - 2016. - N 4-1. - P. 213-217.
2. Sultimova V.D. Thermal insulation materials from ash-oil wastes of thermal electric stations obtained using low-temperature plasma: diss. ... Cand. Sc. Engeneering: 05.23.05. - Ulan-Ude, 2004. - 146 p.
3. Buyantuyev S.L., Kondratenko A.S. Research of physical-chemical properties of mineral fibers obtained by electromagnetic process reactor // Bulletin of ESSTUM. - 2013. - N 5 (44). - P. 123-129.
4. Liu N., Liu Z.J., Chen P.Z. Experimental investigation of the mechanical properties of basalt in the Baihetan hydropower station region in China // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 570.
- 2020. - Р. 032007.
5. Weiwei Zhu, Qian Li, Haohao Zou et al. Effect of heat treatment on structure and mechanical properties of basalt fibers and its application for fabrication Cu based composite // Materials Research Express. -2022. - N 9 (11). - P. 116506.
6. Antonova M.V., Krasina I.V., Ilyushina S.V. et al. Modification of basalt fibers by low-temperature plasma // IOP Conference Series: Journal of Physics: Conference Series 1058. - 2018. - P. 012003.
7. Zongwen Li, Jianxun Ma, Hongmin Ma et al. Properties and Applications of Basalt Fiber and Its Composites // IOP Conference. Series: Earth and Environmental Science 186. - 2018. - P. 012052.
8. Singha K. A short review on basalt fiber // International Journal of Textile Science 1. - 2012. -P.19-28.
9. Saravanan D. Spinning the Rocks - Basalt Fibres // Journal of the Institution of Engineers (India): Textile Engineering Division. - 2006. - Vol. 86. - P. 39-45.
10. Czigany T., Deak T., Tamas P. Discontinuous basalt and glass fiber reinforced PP composites from textile prefabricates: effects of interfacial modification on the mechanical performance // Composite Interfaces.
- 2008. - Vol. 15. - N 7-9. - P. 697-707.
11. Nolf J.M. Basalt Fibres - Fire Blocking Textiles; Technical Usage Textile. - 2003. - N 49 (3rd qrt). - P. 38-42.
12. Mankodi H. New reinforced material for textile composite - basalt fiber. - Access mode: https://www.technicaltextile.net/articles/new-reinforced-material-2514
13. Dalinkevich A.A., Gumargalieva K.Z., Marakhovsky S.S. et al. Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites // Journal of Natural Fibers. - 2009. - N 6. - P. 248-271.
14. Buyantuyev S.L., Sultimova V.D. Thermal insulation materials obtained from TPP ash-lacquer waste by means of low-temperature plasma // Stroitel'nyye materialy (Construction Materials Russia). - 2004. -N 10. - P. 51-53.
15. Smoliy V.A. Development of resource-saving heat-insulating cellular ash and lacquer glass for construction: diss. ... Cand. Sc. Engeneering: 05.17.11. -SPb., 2012. - 165 p.
16. Buyantuyev S.L., Shishulkin S.Yu. Patent RF №2533565. Plasma method for producing mineral wool and installation for its implementation 20.11.2014. - Buletinl N 32.
17. Paton B.Ye. Plasma processes in metallurgy and inorganic materials technology. - M.: Publishing house "Nauka", 1973. - 242 p.
18. Buyantuyev S.L., Urkhanova L.A., Kondratenko A.S. et al. Study of the properties of basalt-hy-droxyl semi-rigid plates obtained with the help of an electromagnetic process reactor // Bulletin of ESSTUM. - 2015. - N 1. - P. 51.
