CC BY
18УДК 666.189.2
О.Г. ВОЛОКИТИН, канд. техн. наук, Н.К. СКРИПНИКОВА, Г.Г. ВОЛОКИТИН, доктора техн. наук, В.В. ШЕХОВЦОВ, студент, Томский государственный архитектурно-строительный университет; В.И. ВЕРЕЩАГИН, д-р техн. наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; А.И. ХАИСУНДИНОВ, магистр, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (Казахстан)
Минеральное волокно, полученное в агрегатах низкотемпературной плазмы из продуктов сжигания каменного угля и горючих сланцев*
Промышленность строительных материалов призвана обеспечить застройщиков строительными материалами, учитывая изменения архитектурно-строительных систем, типов зданий и строительных технологий их возведения. Продукция отрасли должна обеспечить строительные и ремонтно-строительные организации качественными, экологичными и современными стройматериалами, изделиями и конструкциями.
В последние годы было организовано производство новых видов строительных материалов, которые раньше не выпускались в России или выпускались в ограниченных объемах. К ним относятся высокоэффективные теплоизоляционные изделия из стекло - и минерального волокна. Решение важнейшей сегодня проблемы энергосбережения невозможно без применения высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Сырьем для данных материалов в основном являются базальтовые породы. Представляет интерес использование в качестве сырья для производства минеральных волокон отходов энергетических производств, таких как золо-шлаковые отходы и отходы горючих сланцев [1—3]. При этом одновременно решаются две задачи: утилизация отходов, огромное количество которых скопилось в отвалах энергетических производств, и снижение себестоимости производства теплоизоляционных материалов за счет использования вторичного сырья. При этом наибольший эффект достигается, когда технологии и оборудование ориентированы на местную сырьевую базу. Химический состав продуктов сжигания каменного угля и горючих сланцев предполагает высокую температуру получения расплавов.
Целью настоящей работы является проведение исследований по получению расплава из тугоплавкого силикатсодержащего сырья, представляющего собой золошлаковые отходы и продукты сжигания горючих сланцев; исследование свойств полученного минерального волокна, а также определение удельных тепловых потоков при получении продуктов.
Существующие производства не позволяют получать качественный расплав из техногенных отходов вслед-
ствие высоких температур плавления исходных сырьевых материалов [2—4], при этом невозможно добиться требуемой для получения качественных минеральных волокон вязкости расплава и не обеспечивается однородность расплава по химическому составу. Кроме того, исследуемые материалы мелкодисперсны, что исключает их использование в традиционных агрегатах, где применяется кусковой материал.
Температура плавления исследованного сырья достигает 1600—1700оС, в связи с этим возникает необходимость в использовании энергии низкотемпературной плазмы, которая обладает высокой концентрацией энергии и температурой 3000—5000оС, при этом резко снижается время получения расплава. Необходимо отметить, что плазменные процессы фактически безинер-ционны, ими легко управлять и автоматизировать. Таким образом, применение плазменных технологий при получении минеральных волокон позволит сделать эти производства более экономичными и решить проблемы экологии.
Химический состав исходных материалов (табл. 1) показывает, что преобладающими в их составе являются оксиды кремния и алюминия. Расплавы с высоким содержанием 8Ю2, полученные при воздействии на них высокотемпературных источников энергии, при охлаждении переходят в стеклообразное состояние [5].
Анализ данных (табл. 1) показал, что повышенное содержание 8Ю2 в золошлаковых отходах и продуктах сжигания сланцев определяет высокую температуру получения расплавов и выработки волокон. Предполагается повышение температуры деструкции волокон.
Исследования по применению низкотемпературной плазмы для получения силикатного расплава при производстве минеральных волокон выявили ряд особенностей при конструировании плавильного агрегата [5, 6]. С учетом этих особенностей была разработана экспериментальная плавильная печь для получения высокотемпературных силикатных расплавов плазменным методом.
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки, предназначенной для выработки минераль-
Таблица 1
Материал SiO2 ^3 Fe2Oз CaO MgO Прочие Модуль кислотности, Мк*
Продукты сжигания сланцев 61,59 23,36 7,91 1,6 1,27 4,27 29,59
Золошлаковые отходы 51,16 34,57 3,62 8,33 0,91 1,41 9,28
Базальт 49,4 16,17 7,24 8,98 3,37 14,84 5,31
Примечание. * модуль кислотности Мк = ЯЮ2 + А1203 СаО + Мф
* Работа частично поддержана грантом Президента РФ МК-2330.2013.8.
научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ J\ilг\i>\*
ноябрь 2013 ~ Ы ®
Сырьевые материалы 7
2 10
Таблица 2
№ режима Мощность плазмотрона, кВт Сила тока, А Напряжение, В Удельный тепловой поток, Вт/м2
1 24 140 170 1,1-106
2 35 220 160 1,8-106
3 56 400 140 2,6-106
Рис. 1. Схема экспериментальной плазменной установки для получения минерального волокна из высокотемпературных расплавов: 1 - плазмотрон; 2 - сливной желоб; 3 - водоохлаждаемая плавильная печь; 4 - графитовый тигель; 5 - устройство волокнообразования; 6 - шнековый питатель; 7 - дозирующее устройство; 8 - электродвигатель; 9 - плазменная дуга; 10 - расплав; 11 - минеральные волокна
ного волокна из расплавов, получаемых при температуре выше 1450оС. Установка состоит из следующих основных узлов: генератора низкотемпературной плазмы 1; плавильной печи 3; выполненной в виде водо-охлаждаемого цилиндра, внутрь которого помещен графитовый тигель; дозирующего устройства с червячным редуктором для подачи дисперсного материала 7; узла волокнообразования 5.
Принцип работы установки основан на взаимодействии высококонцентрированных потоков плазмы 9 с порошкообразным тугоплавким силикатсодержащим материалом (отходы горючих сланцев, зола после сжигания каменного угля), в результате которого осуществляется нагрев дисперсных частиц с последующим образованием расплава 10. Образующийся расплав поступает к узлу волокнообразования 5. Использование конструкции дозирующего устройства со шнековым питателем 6 обеспечивает введение сырья не сверху на поверхность расплава, а с боковой части корпуса плавильной печи и непосредственно в область расплава. Частицы поступившей порции сырья, попадая в высокотемпературный расплав, смешиваются с ним и равномерно расплавляются, исключая выдувание мелкодисперсных частиц потоком низкотемпературной плазмы.
Сырье вводится в толщу уже образованного расплава, и в результате посредством джоулева нагрева по всему объему плавильной печи производится расплав введенного порошкообразного сырья. Что в результате позволяет достичь необходимой вязкости расплава и обеспечить равномерный его прогрев. После того как расплав достигает уровня сливного желоба 2, поток силикатного расплава, переливаясь через его край, поступает к устройству 5 раздува в минеральные волокна. Графитовый тигель и устройство его охлаждения позволяют продлить срок службы плавильной печи.
Предварительно были установлены рабочие режимы плазменного генератора и теплофизические параметры дугового разряда (табл. 2).
Рабочие режимы электроплазменной установки позволяют достичь удельных тепловых потоков 1,1—2,6.106 Вт/м2, достаточных для получения расплава с необходимой вязкостью и выработки на его основе качественных минеральных волокон.
Процесс формирования волокон из расплавов осуществляется следующим образом: однородный по температуре и химическому составу расплав, обладающий требуемой вязкостью, поступает в дутьевое устройство, где высокоскоростным турбулентным потоком воздуха преобразуется в волокна.
Особенностью конструкции струйных головок является специальная кольцевая резонирующая полость, обращенная открытой стороной навстречу потоку энергоносителя. Механизм раздува заключается в разрушении свободно падающей струи расплава высокочастотными колебаниями, возникающими в результате истечения воздуха из цилиндрического сопла [7].
Образующийся в прямоточной головке сверхзвуковой поток воздуха выполняет двойную роль: своим ультразвуковым полем генерирует на поверхности расплава капиллярные поверхностные волны и одновременно срывает их вершины путем последовательного сдвига. Эти процессы определяют основные параметры волокна: минимальный диаметр, а также длину волокон, зависящую от диаметра струи расплава и его вязкости.
Рис. 2. Микрофотографии минеральных волокон (х 300): а - золошлаковые отходы с1=9 мкм; б - продукты сжигания сланцев, с1=11 мкм
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® ноябрь 2013 45
Свойства Минеральное волокно из золы Минеральное волокно из продуктов сжигания сланцев Минеральное волокно из базальта Вата минеральная (ВМ-В), ГОСТ 4640-93
Модуль кислотности <9,28 <29,59 <5,31 <1,4
Водостойкость, рН, не более 7 7 6 7
Средний диаметр волокна, мкм, не более 9 10 8 12
Содержание корольков, % 18 25 16 25
Длина волокна, мм 50-90 60-90 50-70 40-60
Плотность, кг/м3, не более 60 50 70 100
Температура деструкции волокна 765 790 610 -
Теплопроводность при температуре (398±5) К, Вт/(м-К), не более 0,061 0,06 0,063 0,066
Установлено, что оптимальная для получения качественного волокна температура расплава находится в пределах 1600—1700оС [8]. При этом масса расплава должна быть химически и термически однородной, а диаметр струи постоянным. При несоблюдении условий образуются волокна разной толщины, снижая качество получаемой продукции. Равномерность струи расплава по диаметру, в свою очередь, определяется стабильностью дозирования шихты и вытекания расплава. Моноволокна, полученные из расплавов золы и продукта сжигания сланцев, отличаются по длине и диаметру, что связано с различным химическим составом сырья, а также с вязкостью получаемого из него расплава при одинаковых условиях плавления и выработки волокон (рис. 2). Характер распределения моноволокон в минераловатном ковре по диаметру говорит о стабильности процесса раздува и надежности работы используемой схемы.
Характеристики волокон и свойства минеральной ваты представлены в табл. 3.
Анализ таблицы показал, что исследуемые материалы отличаются от традиционных повышенным модулем кислотности, который в 1,75 раза выше по золе и в 5,57 раза — по продуктам сжигания сланцев, это обусловлено химическим составом сырьевых материалов — высоким содержанием оксидов кремния и алюминия при относительно низком содержании оксидов кальция и магния. Полученные волокна соответствуют ВМ-В (ГОСТ 4640—93). Установлено, что использование агрегатов низкотемпературной плазмы для получения высо-котемператруных силикатных расплавов из сырьевых материалов, представляющих собой золошлаковые смеси и продукты сжигания горючих сланцев, характеризующиеся высоким модулем кислотности, мелкой фракцией и высокой температурой плавления (1600—1700оС), позволяет обеспечить формирование качественных минеральных волокон, обладающих высокой химической стойкостью, водостойкостью, средним диаметром 9—10 мкм и длиной 50—90 мм. Минеральная вата обладает плотностью не более 50—60 кг/м3 и теплопроводностью не более 0,061—0,06 Вт/(м-К).
В результате проведенных исследований были получены высокотемпературные силикатные расплавы из зо-лошлаковых отходов и отходов горючих сланцев, обладающие необходимой для выработки качественных химически стойких минеральных волокон температурой и вязкостью. Подтверждено, что указанные расплавы могут быть использованы для получения минерального волокна с использованием низкотемпературной плазмы. Установлено, что мощности плазменного генератора достаточно для получения высокотемпературных силикатных расплавов. Генерируемые плазмотроном удельные тепловые потоки 1,8—2,6.106 Вт/м2 позволяют получить
химически однородный силикатный расплав. Исследованные характеристики полученных минеральных волокон позволяют сделать вывод, что волокно, полученное из отходов энергетических производств, характеризуется повышенной химической устойчивостью, что предполагает наибольшую долговечность. Для уменьшения диаметра волокон необходимо увеличивать температуру расплава при раздуве. Отличительными свойствами волокна являются высокий модуль кислотности, водостойкость, длина волокна, и оно может быть использовано для высокотемпературной изоляции.
Ключевые слова: минеральные волокна, утилизация отходов, электроплазменная установка, силикатный расплав.
Список литературы
1. Волокитин О.Г. Физико-химические исследования материалов при получении минеральных волокон из техногенных отходов по плазменной технологии // Вестник ТГАСУ. 2009. № 4. С. 100-107.
2. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г., Волланд С. Технология получения минеральных волокон путем утилизации золошлаковых отходов и отходов горючих сланцев // Стекло и керамика. 2011. № 8. С. 3-5.
3. Волокитин О.Г. Исследование физических характеристик струи силикатного расплава в условиях дополнительного подогрева // Вестник ТГАСУ. 2010. № 4. С. 117-120.
4. Скрипникова Н.К., Никифоров А.А., Волокитин О.Г. Электроплазменная установка получения минерального волокна из тугоплавких силикатсодержащих материалов // Стекло и керамика. 2008. № 11. С. 14-16.
5. Пат. 2344093 Российская Федерация. МПК51 С03В 37/04. Установка для получения минеральных волокон / О.Г. Волокитин, А.А. Никифоров, Н.К. Скрипникова. Опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2. 5 с.
6. Пат. 2355651 Российская Федерация. МПК51 С03В 37/04. Установка для получения минерального расплава плазменным нагревом / О.Г. Волокитин, Е.В. Гайслер, А.А. Никифоров, Н.К. Скрипникова. Опубл. 20.05.2009. Бюл. № 14. 8 с.
7. Татаринцева О.С., Ворожцов Б.И. Механизм преобразования расплава в волокно // Ползуновский вестник. 2006. № 2. С. 149-157.
8. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Никифоров А.А., Волокитин О.Г. Получение тугоплавких силикатных расплавов с использованием высококонцентрированных потоков энергии // Актуальные проблемы современности. Серия «Технические науки». 2011. № 5 (70). С. 21-24.
46
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2013
®
