CC BY
30УДК 666.19
О.Г. Волокитин*, В.И. Верещагин**, В.В. Шеховцов*
ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВА ИЗ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА В АГРЕГАТАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
(*Томский государственный архитектурно-строительный университет, **Национальный Исследовательский Томский политехнический университет) e-mail: volokitin_oleg@mail.ru. vver@tpu.ru. shehovcov2010@yandex.ru
В данной работе исследуются процессы получения кварцевого стекла с использованием энергии низкотемпературной плазмы для получения расплава и стекла из кварцевого сырья.
Ключевые слова: кварцевый песок. силикатный расплав. электроплазменная установка. кварцевая керамика
Среди материалов, создаваемых на основе кремнезема, особое место занимает кварцевая керамика на основе высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла. Способы получения изделий из кварцевого стекла резко отличаются от методов, принятых в технологии обычного стекла. Это обусловлено высокой вязкостью расплава кремнезема при температурах порядка 2000 °С. Научный и практический интерес представляют материалы, изготовленные из кварцевого стекла по керамической технологии - кварцевая керамика. Традиционно, для получения кварцевой керамики используют измельченное кварцевое стекло, полученное газопламенным способом [1-2]. Сотрудники кафедры прикладной механики и материаловедения Томского государственного архитектурно-строительного университета много лет проводят исследования процессов получения высокотемпературных силикатных расплавов из сырья с различным содержанием 8Ю2 (40-60 %) с использованием энергии низкотемпературной плазмы [3-6]. Исследования в данной области позволили установить, что получение расплавов из исследуемых материалов сопряжено с трудностями, связанными с высокой температурой плавления данных материалов.
Целью настоящей работы является исследование процессов получения кремнеземистого расплава из кварцевого песка с использованием энергии низкотемпературной плазмы.
В качестве сырья для получения высококремнеземистого расплава использовалась мелкая фракция (< 120 мкм) кварцевого песка Туганского месторождения (Томская область). Содержание оксида кремния у таких отсевов составляет 98,15 мас. %. Исследуемый материал является высококремнеземистым продуктом с небольшим содержанием примесей А1203 и Бе203 (0,67 и 0,12 мас. %). Экспериментально установлено, что размер час-
тиц сырьевого материала 80-120 мкм является оптимальным для получения однородного расплава из силикатного сырья в условиях низкотемпературной плазмы. Таким образом, исследование отсевов кварцевого песка, дисперсность которых менее 120 мкм, предполагает получение химически однородного расплава.
Химический состав мелкой фракции кварцевого песка Туганского месторождения представлен в табл. 1.
Таблица1
Химический состав мелкой фракции кварцевого
песка Туганского месторождения Table 1. Chemical composition of Tuganskii fine silica sand
Материал Содержание оксидов, мас. %
SÎÛ2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO п.п.п.
Песок после сушки 98,15 0,67 0,12 0,07 0,05 0,94
Песок после прокаливания 99,08 0,68 0,12 0,07 0,05 -
Значение модуля кислотности исследуемого кварцевого песка Туганского месторождения (Мк=823,50) значительно выше модуля кислотности силикатного сырья, такого как кварц-полевошпатсодрежащие отходы молибденовых руд (Мк=11,59), ранее исследуемого нами для получения высокотемпературных расплавов [4]. Высокий модуль кислотности положительно влияет на химическую и термическую стойкость готовых изделий. Вначале был проведен анализ плавления кварцевого песка Туганского месторождения по рассчитанной кривой плавкости. Для определения кривой плавкости был проведен перерасчет химического состава кварцевого песка на трехкомпо-нентную систему Са0-А1203-8Ю2 с использованием переводных коэффициентов. Результаты перерасчета представлены в табл. 2.
Таблица 2
Соотношение оксидов в кварцевом песке после перерасчета на трехкомпонентные системы Table 2. Amount of oxides in silica sand reduced to a three-component systems
Система Содержание оксидов, мас. %
CaO Al2O3 SiO2
CaO-Al2O3-SiO2 0,24 0,68 99,08
На основе химического состава, пересчитанного на тройную систему оксидов, была найдена фигуративная точка (1) рис. 1.
Исследуемое кремнеземистое сырье (рис. 1) располагается в элементарном треугольнике С8-СЛ82-8. Небольшое содержание примесей (1,85 %) в исследуемом кварцевом песке обеспечивает появление расплава (5,5 %) при температуре 1170 °С, значительное увеличение жидкой фазы происходит при температурах выше 1500 °С. При дальнейшем нагревании количество вещества жидкости будет возрастать за счет растворения кварца. При 1700 °С кварцевый песок полностью расплавится.
Две жид к.
iSfcgS&r-
' Щ \ 1170е! ^ ПсеЗдоволластопит j
CaOSiO,
Ранкинит
Ш
то
ми 3CaO-2SiOt ¿CaGSiO.
ЗСоОШ
3Al203-2Si02
m" то" 20
ЗСв0-А1г03 1535У1395 \Ш 60 ¡-1595" /4730" 1850" А1г03 Ca„AU0Î МФ7А1г03 СаО-АЩ Са0Щ03 Са0Щ03 г 14 33 Ш5° 4805° 4750 Вес. %
Рис. 1. Химический состав кварцевого песка Туганского месторождения (1) на диаграмме состояния: CaO-Al2O3-SiO2 Fig. 1. State diagram of CaO-Al2O3-SiO2 and chemical composition of Tuganskii silica sand (1)
Анализ кривой плавкости (рис. 2) показал, что при температуре 1170 °С образуется 5,5 % жидкой фазы, которая увеличивается до 9,7 % при нагревании до 1400 °С (рис. 2). Повышение температуры до 1700 °С приводит к образованию 100 % кремнеземистого расплава. Из предварительного анализа плавкости сырья следует, что температуры (3000-5000 °С) плазменного потока достаточно для плавления кварцевого сырья. [6-7].
Эксперименты по получению расплава проводили на электроплазменной установке [8] со шнековой системой подачи сырьевого материала, исключающей выдув плазменным потоком мелкодисперсных частиц из зоны плавления. В ходе данной работы были проведены физико-химические исследования сырьевого материала и продукта его плавления. Исходный сырьевой материал представлен мелкодисперсной фракцией кварца
(80-120 мкм) [9]. Продукт плавления представляет собой стекловидный полупрозрачный материал, окрашенный углеродом графитового тигля, выполняющего функцию анода.
100 80
Г
: 40 20 0
/
Г
150 1250 1350 1450 1550 1650 1750
t°c
Рис. 2. Кривая плавкости кварцевого песка Туганского месторождения в системе CaO-Al2O3-SiO2 Fig. 2. Melting curve of Tuganskii silica sand in CaO-Al2O3-SiO2 system
50 60 20, град.
а
50 60 26, град, б
Рис. 3. Рентгенограммы: а - кварцевый песок Туганского месторождения; б - продукта плавления кварцевого песка Туганского месторождения. Номерами отмечены: 1 - теоретическая интегральная интенсивность, 2 - экспериментальная
дифрактограмма, 3 - их разность Fig. 3. XRD patterns of: а - Tuganskii silica sand; б - melt product. Numbers: 1 - theoretical intensity, 2 - experimental histogram, 3 - their difference
По данным рентгенофазового анализа, проведенного на ДРОН 4-07, который был модифицирован к цифровой обработке сигнала, исследуемого сырьевого материала (рис. 3, а) выраженными являются дифракционные максимумы квар-
ца, что подтверждается результатами химического анализа. Исследования продукта плавления кварцевого песка (рис. 3, б) показали, что полученный продукт характеризуется высокой степенью аморфности и содержит составе остаточный кварц (d=0,33288 нм) не более 5 % [10]. Однако такое содержание кварца не является критическим при получении изделий из продуктов плавления силикатного сырья. Наличие остаточного кварца связано с крупностью исходных частиц кварцевого песка (120 мкм).
Определение микроструктурных характеристик продукта плавления кварцевого песка Ту-ганского месторождения проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM-7500F (JEOL, Япония) с энергодисперсионным микроанализатором EDXS (рис. 4).
Рис. 4. Электронно-микроскопический снимок поверхности продукта плавления кварцевого песка Fig. 4. Scanning electron micrograph of the melt product
По данным электронной микроскопии полученный продукт плавления мелкой фракции кварцевого песка Туганского месторождения имеет микрогетерогенное строение. Структура стекловидной массы (увеличение х200000) характеризуется областями с размерами от 20 нм до 60 нм, подтверждающее микрогетерогенное строение с наноразмерными областями.
Проведенные исследования показали возможность получения высококремнеземистого расплава из кварцевого песка Туганского месторождения. Установлено, что энергии низкотемпературной плазмы достаточно для получения силикатного расплава с температурой плавления около 1700 °С. Экспериментально установлено, что на основе исследуемого сырьевого материала с содержанием SiO2 более 98 %, подтверждается возможность получения продукта с высокой степенью аморфности с помощью низкотемпературной плазмы. Продукт плавления кварцевого песка яв-
ляется исходным материалом для получения кварцевой керамики методом высококонцентрированной вяжущей суспензии. Следующим этапом работы является получение кварцевой керамики из полученного кварцевого стекла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пивинский Ю.Е. // Новые огнеупоры. 2007. № 2. С. 56-64; Pivinskiy Yu. E. // Novye ogneupory. 2007. N 2. P. 56-64 (in Russian).
2. Пивинский Ю.Е., Ромашин А. Г. Кварцевая керамика. M.: Металлургия. 1974. 264 с.;
Pivinskiy Yu. E., Romashin A.G. Silica ceramis. M.: Me-tallurgiya. 1974. 264 p. (in Russian).
3. Volokitin O.G., Shekhovcov V.V., Maslov E.A. // Advanced materials research. 2014. V.880. P. 233-236.
4. Волокитин О.Г., Верещагин В.И., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Шеховцов В.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2014. Т. 57. Вып. 1. С. 73-77; Volokitin O.G., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Shekhovtsov V.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57. N 1. P. 73-77 (in Russian).
5. Волокитин О.Г., Верещагин В.И., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К. // Техника и технол. силикатов. 2013. № 4. С. 24-27;
Volokitin O.G., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K. // Tekhnika i tekhnologia silikatov. 2013. N 4. P. 24-27 (in Russian).
6. Волокитин О.Г., Скрипникова Н.К., Верещагин В.И., Волокитин Г.Г., Шеховцов В.В. // Строит. матер. 2013. № 11. С. 44-47;
Volokitin O.G., Skripnikova N.K., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Shekhovtsov V.V. // Stroitelnye materialy.
2013. N 11. P. 44-47 (in Russian).
7. Волокитин О.Г., Верещагин В.И. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. Вып. 8. С. 71-76; Volokitin O.G., Vereshchagin V.I. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 8. P. 71-76 (in Russian).
8. Волокитин О.Г. Патент РФ № 2503628. 2014; Volokitin O.G. RF Patent N 2503628. 2014 (in Russian)..
9. Kaz'mina O.V., Vereshchagin V.I., Abiyaka A.N., Semu-khin B.S. // Glass and ceramics. 2009. N 9-10. P. 341-344.
10. Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Абзаев Ю.А., Волокитин О.Г., Шеховцов В.В. // Вестник ТГАСУ.
2014. № 5. С. 108-113;
Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Abzaev Yu.A., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. // Vestnik TGASU. 2014. N 5. P. 108-113 (in Russian).
Кафедра прикладной механики и материаловедения
УДК 547.4
Е.А. Алексеев, Б.А. Головушкин, А.Н. Лабутин, Е.В. Ерофеева
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИАМИДА-6
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: eaa90@inbox.ru
Получена уточненная математическая модель процесса получения полиамида-6. Создана имитационная модель, проведен численный эксперимент.
Ключевые слова: полиамид-6. математическая модель. имитационное моделирование
В настоящее время внимание исследователей привлекает синтетический полимер полиамид-6 (поликапроамид), который, благодаря своим свойствам, находит широкое применение в различных отраслях промышленности. На основе данного полимера можно получать: нити технического назначения, композиционные материалы (ударопрочные, морозостойкие, водостойкие, трудногорючие), а также полимерные концентраты красителей и термостабилизаторы.
Основной промышленный способ получения полиамида-6 - это гидролитическая полимеризация капролактама в расплаве. При этом предполагаются последующие стадии гранулирования, экстрагирования остаточного мономера водой и
сушки гранулята. Ранее группой исследователей Ивановского государственного химико-технологического университета была разработана перспективная технология получения полиамида-6, которая предусматривает введение дополнительной стадии дополиамидирования в твердой фазе и приводит к снижению энергетических и материальных затрат на проведение данного процесса [3,4]. Реакции, протекающие в процессе дополиа-мидирования:
- взаимодействие контактных пар, образованных концевыми амино- и карбоксильными группами (дополиконденсация):
- NH2 + HOOC --
NHCO -+H2O (1)
