CC BY
2В.Д. Сультимова, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] В.А. Сидоренко, ст. преподаватель, e-mail: [email protected] Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 62-65
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ РАСПЛАВА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА ШИХТЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ВОЛОКНА
В статье приведены результаты исследования процессов плавления горных пород в электромагнитном плазменно-дуговомреакторе с целью получения расплавов и теплоизоляционного волокна. Рассмотрены конструктивные особенности на примере схемы данного реактора, позволяющие получать на нем относительно чистый расплав, свободный от восстановленных металлов. Рассмотрены режимы работы плазменно-дугового электромагнитного реактора с фиксированием временной составляющей, температуры и вольт-амперной характеристики. Проведен анализ особенностей расплавов, имеющих первостепенное значение при производстве волокна в зависимости от состава шихты с учетом особенностей реактора. Представлены спектрограммы состава дунитовой и дунит-базальто-вой шихт, а также спектральные линии распределения элементов и их массовые концентрации. Приведен анализ результатов спектрального анализа рассматриваемых шихт.
Ключевые слова: электродуговой реактор, теплоизоляционное волокно, базальт, дунит, минеральное волокно.
V.D. Sultimova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
V.A. Sidorenko, Senior Lecturer
MELT PROPERTIES CHANGE DEPENDING ON THE COMPOSITION OF CHARGE IN MANUFACTURING OF INSULATION FIBER
The article provides the results of the study of rock melting process in an electromagnetic plasma arc reactor in order to obtain fusions and heat-insulating fiber. The authors analyze the design features on the example of the reactor'sscheme. This allowsgetting it relatively clean, free from the recovered metals. Operating modes of the plasma reactor with fixation of a temporary component, temperature and the volt-ampere characteristic are considered in the research. The work provides the analysis of themelts' characteristics that are crucial in the production of heat-insulating fibers, depending on the composition of the charge, taking into account the features of the reactor. We present the spectrogram and the composition of dunite and dunite-basalt charges, as well as the spectral lines of the elements' distribution and their mass concentrations. We also provide the analysis of the results of spectral analysis of these charges.
Key words: arc reactor, heat-insulating fiber, basalt, dunite, mineral fiber.
Введение
Поиск и разработка новых способов получения теплоизоляционного волокна являются актуальной задачей, так как в настоящее время существует постоянно растущая потребность отраслей промышленности в минеральных волокнистых материалах.
В Российской Федерации имеются неограниченные ресурсы горных пород, таких как базальт, габбро, диабаз, порфирит и др., представляющих ценность не только в качестве облицовочных материалов, но и как потенциальное односоставное сырье для производства минеральных волокон с уникальными свойствами [1].
При производстве теплоизоляционного волокна одной из основных задач является достижение необходимых и по возможности максимальных качественных характеристик продукции. Теплоизоляционные свойства волокна во многом зависят от количественного содержания корольков и толщины волокон, а стойкость к механическим воздействиям и способность к сохранению формы - от длины волокон [2, 3, 4, 5].
Данные характеристики зависят как от технологических особенностей производственной линии, так и от характеристик расплава, который возможно получить в плавильном агрегате, используемом в определенной технологической линии. При этом также следует учитывать химический состав шихты.
Для получения силикатных расплавов в минераловатном производстве применяют различные типы плавильных печей, различающиеся по принципу сжигания топлива, зависящего от его вида, шахтные, вагранки, ванные, электродуговые, индукционные. Одним из перспективных направлений в этой области является применение электротермического метода для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов [1].
Экспериментальная установка и режимы работы
Эксперименты по плавке шихты проводились на лабораторной копии электромагнитного технологического плазменно-дугового реактора, схема которого представлена на рисунке 1 [6].
Рисунок 1 - Схема электромагнитного технологического плазменно-дугового реактора для получения теплоизоляционного волокна: 1 - водоохлаждаемые стенки; 2 - водоохлаждаемая крышка; 3 - днище;
4 - графитовые стержневые электроды; 5 - центральный стержневой запирающий электрод;
6 - полюсные наконечники; 7 - обмотки; 8 - патрубок для ввода сырья; 9 - футеровочное основание реакционной камеры; 10 - устройство вывода расплава (летка)
Для гомогенизации расплава используется электромагнитная сила, создаваемая сериес-ными обмотками. Сырье подается в реактор сверху через патрубок в крышке реактора. Внизу под реактором расположен узел раздува минеральной ваты (в данном примере - это центро-бежно-дутьевой способ). Он предназначен для формирования течения расплава из реактора, который вытекает по лотку для транспортировки расплава на рабочую поверхность вращающегося диска и вытягивания из нее минеральных волокон с последующей подачей волокна в камеру осаждения. Вращающийся диск выполнен в форме полого диска и представляет собой полую цилиндрическую конструкцию, установленную на подшипниках в корпусе. Диск приводится во вращение электродвигателем со скоростью вращения до 6000 об./мин.
Методы исследования и рабочие режимы
Выбор данного типа реактора обусловлен его конструктивными особенностями, позволяющими получать относительно чистый расплав, свободный от восстановленных металлов, дающий возможность производства более качественной продукции (толщина волокон соответствует необходимым требованиям, а длина составляет 25-35 см, что обеспечивает превосходную стойкость к механическим воздействиям и к погодным условиям в процессе эксплуатации). Определенная на практике затрачиваемая мощность, необходимая для получения расплава объемной массой до 10 кг, составляет 1,5-2,0 кВт/кг (затрачиваемая мощность работающих индукционных печей - около 6 кВт/кг) [7].
Рабочий режим при проведении экспериментов лабораторной копии данного реактора следующий: кратковременный пусковой ток составляет в среднем 570 А; рабочий ток до образования зеркала расплава - 180 А, после образования зеркала расплава - 200 А. Пусковое напряжение составляет 5-15 В. Рабочее напряжение до образования зеркала расплава - около 220 В, после образования зеркала расплава - 180 В. То есть мощность лабораторного реактора составляет около 40 кВт, что более чем в два раза меньше промышленной установки.
Результаты исследований и их обсуждение
В данной работе проводилось изучение вещественного состава расплава двух шихт - ду-нитовой и дунит-базальтовой с концентрацией 50/50. На рисунке 2 приведены снимки некоторых спектров, в который проводился анализ.
77т? ' '
Рисунок 2 - Спектры проб на анализ элементного состава шихты: слева - дунит/базальт с концентрацией 50/50; справа - дунит
На рисунке 3 изображены спектрограммы дунит-базальтовой шихты - слева, и дунито-вой шихты - справа.
Рисунок 3 - Спектрограммы состава шихт
На рисунке 4 показаны спектральные линии элементов и их массовое содержание. Процесс плавления проходил с небольшим количеством выделения газа. Время получения расплава рабочей температуры (1570 °С) дунитовой шихты составило 22 мин. Время получения расплава дунит-базальтовой шихты составило 26 мин. При сливании расплава дунитовой шихты остывание струи расплава происходило быстрее, чем при сливании дунит-базальтовой
шихты, что является отрицательным качеством, так как при снижении температуры теряется необходимая вязкость струи и вытянуть достаточно длинные волокна становится труднее.
Количественные результаты Количественные результаты
O Na Mg AI Si K Ca Fe CO Mg AI Sl Tl Cr Fe
Рисунок 4 - Спектральные линии распределения элементов и их массовые концентрации: слева - дунит/базальт с концентрацией 50/50; справа - дунит
Элементный состав дунит-базальтовой шихты представлен в таблице 1. В таблице 2 представлен элементный состав дунитовой шихты.
Таблица 1
Элементный состав дунит-базальтовой шихты
Элемент O Mg Si C Al Na Fe Ca K
Спектральная величина 60,68 14,76 12,16 7,76 2,39 1,20 0,50 0,32 0,22
Таблица 2
Элементный состав дунитовой шихты
Элемент O Mg Fe Cr Si C Al Ca Ti Br
Спектральная величина 44,2 14,0 12,5 10,6 8,8 4,4 3,5 1,5 0,3 0,2
Согласно полученным значениям в составе дунитовой шихты можно выделить сравнительное высокое содержание примесей металлов и их соединений и, соответственно, меньший процент содержания кремния, как правило, находящегося в виде оксида в составе горных пород.
Заключение
При работе на представленном электромагнитном плазменно-дуговом реакторе использование комбинированного состава дунит-базальтовой шихты является более приоритетным перед дунитовым составом шихты. В первую очередь это связано с улучшением вязкости и текучести струи расплава, причиной которого является снижение удельного содержания металлических соединений. Затраты на получения состава рабочей температуры увеличиваются незначительно. Есть все основания предполагать, что данные затраты в полной мере перекроются улучшением качества конечной продукции.
Библиография
1. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора // Вестник ВСГУТУ. -Улан-Удэ, 2013. - № 5. - С. 22-28.
2. Смирнов Ю.В., Тимофеев М.П., Кошелев В.А. и др. Исследование теплофизических характеристик теплоизоляционных изделий на основе минеральных волокон // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - М., 2011. - Вып. № SP. - С. 119-125.
3. Халиков Д.А. Классификация теплоизоляционных материалов по функциональному назначению // Фундаментальные исследования. - М., 2014. - № 11-6. - С. 1287-1291.
4. Буянтуев С.Л., Чередова Т.В., Торгашина К.К. Возможность применения низкотемпературной плазмы для утилизации медицинских отходов на территории г. Улан-Удэ // Инновац. технологии в науке и образовании - III. - Улан-Удэ, 2013. - С. 158-161.
5. Бердюгин И.А. Теплоизоляционные материалы в строительстве. Каменная вата или стекловолокно: сравнительный анализ // Инженерно-строительный журнал. - Новосибирск, 2010. - № 1. -С. 26-31.
6. Патент RU 2432719. Электромагнитный технологический реактор / Пашинский С.Г., Иванов А.А., Китаев В.В., Малых А.В., Буянтуев С.Л. Опубл. 2012.
7. Буянтуев С.Л., Сультимова В.Д. Применение низкотемпературной плазмы для получения волокнистых теплоизоляционных материалов из золошлаковых отходов тепловых электрических станций. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010. - С. 132.
Bibliography
1. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S. The researchof physical and chemical properties of the mineral fibers obtained by the process of the electromagnetic reactor // Bulletin of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2013. - N 5. -P.22-28.
2. Smirnov Yu.V., TimofeevM.P., Koshelev V.A. etal.Study of Thermophysical Characteristics of Heat-Insulation Products Based on Mineral Fibers // Bulletin of MSTU of N.E. Bauman. Engineering. - M., 2011. -Issue N SP. - P. 119-125.
3. Khalikov D.A. Classification of thermal insulation materials based on their functions // Basic Research. - M., 2014. - N 11-6. - P. 1287-1291.
4. Buyantuev S.L., Cheredova T.V., Torgashim K.K. The possibility of using low-temperature plasma for the disposal of medical waste in the city of Ulan-Ude // Innovations. Technologies in science and education-III. - Ulan-Ude, 2013. - P. 158-161.
5. Berdyugin I.A. Heat insulation materials in construction. Stone wool or fiberglass: a comparative analysis // Journal of Civil Engineering. - Novosibirsk, 2010. - N 1. - P. 26-31.
6. Patent RU 2432719. ElectromagneticTechnologyReactor / Pashinsky S.G., Ivanov A.A., Ki-taev V.V., Malykh A.V., Buyantuev S.L. 2012.
7. Buyantuev S.L., Sultimova V.D. The use of low-temperature plasma to produce fibrous thermally-insulating material of the ash wastes of thermal power stations // ESSTU Publishing. - Ulan-Ude, 2010. -P. 132.
