CC BY
0С.Л. Буянтуев, д-р техн. наук, проф., e-mail: buyantuevsl@mail .ru И.Г. Сизов, д-р техн. наук, проф., e-mail: sigperlit@mail.ru У.Л. Мишигдоржийн, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник ЦКП «Прогресс»,
e-mail: druh@mail.ru А.С. Кондратенко, соискатель, e-mail: cubanit@yandex. ru Восточно-Сибирский государтсвенный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 62-63
СТРУКТУРА И СОСТАВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ РАСПЛАВОВ БАЗАЛЬТА И ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ РЕАКТОРЕ
В статье проведен анализ механизма получения металлического образования из сырьевых материалов в виде базальта и золошлаковых отходов при плавлении в электромагнитном реакторе, а также результаты исследования элементного состава и структуры полученного металла.
Ключевые слова: сырье, расплав, металлическое образование, электромагнитный технологический реактор.
S.L. Buyantuev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
I.G. Sizov, Dr. Sc. Engineering, Prof. U.L. Mishigdorzhijn, Cand. Sc. Engineering A.S. Kondratenko, P.G.
STRUCTURE AND COMPOSITION OF METAL FORMATIONS ISOLATED FROM
MELT BASALT AND ASH WASTE IN THE ELECTROMAGNETIC REACTOR
This article analyzes the mechanism of metallic formation from basalt and ash waste when melted in electromagnetic reactor, as well as the results of the elemental composition and metal structure study.
Key words: raw materials, melt metal formation, Electromagnetic Technology reactor.
Для производства минеральных волокон большое значение имеет использование не только добываемых горных пород, но и местных техногенных отходов, образующихся при сжигании твердых топлив. При этом наибольший экономический эффект достигается благодаря тому, что происходит ориентация технологий и оборудования не только на природную сырьевую базу, но и одновременно используемые отходы местных промышленных производств [1].
Однако в настоящее время с учетом опыта эксплуатации минераловатной продукции для производства современных волокнистых теплоизоляционных материалов и изделий на их основе необходимо сырье с повышенным содержанием оксидов кремния и алюминия и пониженным содержанием оксидов железа [2]. Присутствие последних в высоких концентрациях в минераловатных изделиях снижает их эксплуатационные качества из-за наличия в вате корольков, обусловленных повышенным поверхностным натяжением капель расплава и, как следствие, увеличенной теплопроводностью материала, а также повышенной хрупкостью данных волокон и пониженной (по сравнению с волокнами из других материалов) химической стойкостью. Кроме того, высокое содержание окисей железа заметно снижает термическую стойкость и срок службы минераловатных изделий, ускоряя происходящие в волокне процессы кристаллизации (расстекловывания) вещества [2, 3]. Примером тому является активно применявшаяся ранее шлаковата, получаемая из доменных шлаков (огненно-шлаковое производство), являющихся отходами при выплавке чугуна из руды, ныне использующаяся крайне редко [4].
В данной статье проведено изучение механизма плавления базальта и золошлакового отхода с использованием расчетно-теоретического исследования получающихся расплавов и прогнозированием их физико-химических свойств (температуры и энтальпии плавления, удельных энергозатрат) с помощью компьютерной среды моделирования «ТЕРРА» [5]. Были проведены экспериментальные исследования по получению расплавов из сырья в плавильном аппарате (электромагнитном технологическом реакторе) с отработкой режимов выплавки и производительностью по расплаву 150-200 кг/ч [6].
Как следует из расчетов по программе ТЕРРА, при нагреве до температуры 1600 К наблюдается окисление Бе3 до Бе+4, затем при температуре 2800 К наблюдается процесс восстановления катиона Бе4 до Бе+2, а при 3000 К происходит его частичный переход в Fe2SiO4, а также восстановление оксидов до металлического Бе. Из расчетов следует, что оптимум температуры, при котором происходит восстановление металла из оксидов и силикатов, находится в диапазоне 2800-3000 К. При проведении экспериментов по получению расплава в реакторе в рассматриваемом диапазоне температур происходило разделение расплава на три слоя: сверху образовывался шлак в виде пенистой массы, затем слой относительно чистого
алюмосиликатного расплава и выделенный металлический сплав на дне реактора (рис. 1).
^
и/
чч?
X/
Рис. 1. Схема разделения расплава на зоны: 1 - зона вспененного шлака; 2 - зона расплава; 3 - зона восстановленного металла; 4 - корпус реактора; 5 - запирающий электрод; 6 - графитовая летка
Конструктивные особенности реактора (плавление с одновременным магнитным перемешиванием, межэлектродный восстановительный промежуток, высокая развиваемая температура) позволили получать более чистый расплав, свободный от газов и восстановленных металлов, дающий возможность производства качественной продукции. При этом удалось организовать режим выплавки в один этап, состоящий из комбинированного нагрева сырья: при пуске происходит электродуговой плазменный нагрев и расплавление сырьевого материала, а в дальнейшем, по мере проплавления и образования токопроводной чаши расплава, происходят подсыпка сырья и протекание тока через расплавленную алюмосиликатную массу с ее одновременным электромагнитным перемешиванием и гомогенизацией при помощи последовательно включенных сериесных электромагнитов, что значительно сокращает время выхода на рабочий режим и снижает энергоемкость производства. Определяемые расчетными методами и подтвержденные на практике удельные энергозатраты, необходимые для получения расплава объемной массой до 150-200 кг/ч, составляют 1,1-1,3 к-Вт/кг.
В дальнейшем из образцов выделенного металла были изготовлены шлифы, и изучение структуры проводилось с помощью электронной микроскопии, и энерго-дисперсионного элементного спектрального анализа. Данные исследований приведены в таблице и на рисунке 2.
2 3
Таблица
Элементный состав (в весовых %) восстановленного металла
№ спектра O2 C Si P V о- Бе Итог
Спектр 1 - 71,18 0,43 0,71 - 0,58 27 ,1 100
Спектр 2 6,11 93,26 - - - - 0,63 100
Спектр 3 - 25,72 0,35 7,81 0,23 1,83 64,0 100
Макс. 6,11 93,26 0,43 7,81 0,23 1,83 645,0
Мин. 6,11 25,72 0,35 0,71 0,23 0,58 0,63
1 тт 1 Электронное изображение 1
а б
Рис. 2. Фотография (а) (с указанием точек анализа спектров) и диаграмма распределения элементов содержащихся в металле (б), полученном при плавлении исходного сырья
Также проводилось изучение структуры данного компактного металлического образования методом химического растворения образцов металла. Для этого подготовленные образцы растворяли в разбавленной соляной кислоте. В пробирку, содержащую образец металла, приливалось по 2-4 мл разбавленной соляной кислоты, далее пробирка слегка нагревалась на слабом огне. По мере прекращения выделения газа приливалась новая порция кислоты, и так продолжалось, пока не переставал выделяться газ. При визуальном рассмотрении, можно заметить, что образуется большое количество хлопьевидного осадка, представляющего собой углерод в виде чешуек [7]. Данный эксперимент доказывает, что металл во время плавления сырья восстанавливается из оксидов и силикатов преимущественно на графитовых электродах (большое содержание элементарного графита), что еще раз доказывает высокую восстановительную способность электротока, протекающего между графитовыми электродами в расплаве [8, 9].
Из микрофотографии, данных таблицы и химических испытаний следует, что основная масса восстановленного из расплава металла представляет собой чугун с высоким содержанием углерода, в виде химического соединения Fe3C (цементит) и элементарного графита, с незначительным содержанием кремния и фосфора, перешедших из расплава. Присутствие хрома и ванадия объясняется пробоподготовкой образцов (полирование и доводка шлифов).
Таким образом, извлечение металла позволяет получать более чистый алюмосиликат-ный расплав, дающий возможность производства качественной продукции в виде волокон и волокнистых теплоизоляционных материалов.
Определение количественного соотношения выхода алюмосиликатного расплава, пе-номассы и компактного металла зависит от химического состава сырья, режимов плавления и является предметом дальнейших исследований.
Изучение структуры выделенного металла и элементный спектральный анализ проведены с использованием оборудования ЦКП «Прогресс» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.
Библиография
1. Буянтуев С.Л., Сулътимова В. Д. Получение теплоизоляционных материалов из золошлако-вых отходов ТЭС при помощи низкотемпературной плазмы // Строительные материалы. - 2004. -№ 10.-С. 51-53.
2. Гутникое С.И., Лазоряк Б.И., Селезнев А.Н. Стеклянные волокна: учеб. пособие. -М.: Изд-во МГУ, 2010.-53 с.
3. Новицкий А.Г. Базальтовое сырье. Технология выбора для производства волокон различного назначения // ХЪпчна промисловють Украши. - 2003. - № 2. - С. 47-52.
4. Чистяков Б.З,. Лялинов А.Н. Использование минеральных отходов промышленности в производстве строительных материалов. - Л., 1984. - С. 14.
5. Трусов Б.Г. Программный комплекс TERRA для расчета плазмохимических процессов // Материалы III Междунар. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. - Плес, 2002. -С. 217-218.
6. 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.
7. Ахметов Н.С., Азизова М.К., Бадыгина Л.И. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии. - М.: Высш. шк., 2003. - 367 с.
8. Евтюкова И.Л. Электротехнологические промышленные установки. - М.: Энергоиздат, 1982.-450 с.
9. Кубасов В.Л., Банников В.В. Электрохимическая технология неорганических веществ. - М.: Химия, 1989. - 288 с.
Bibliography
1. Buyantuev S.L., Sultimova V.D. Preparation of heat-insulating materials from TPP slag waste using low-temperature plasma // Construction materials. - 2004. - N 10. - P. 51-53.
2. Gutnikov S.I. Lazoryak B.I., Seleznev A.N. Glass fiber // Textbook. - M.: Moscow State University Press, 2010.-53 p.
3. Novitsky A.G. Basalt materials. The technology of choice for the production of fibers for various purposes // Himichna promuslovist Ukrainy. - 2003. - N 2. - P. 47-52.
4. Chistyakov B.Z. Lyalinov A.N. Use of mineral waste industry in the production of building materials. - L., 1984. - P. 14.
5. Trusov B. G. TERRA software package for calculation of plasma chemical processes // Matererials of III Intern. Symp. on Theoretical and Applied Plasma Chemistry. - Pies, 2002. - P. 217-218.
6. Buyantuev S.L., Kondratenko A.S. Physical and chemical properties of mineral fibres obtained by electromagnetic process reactor // ESSUTM Bulletin. - 2013. - N 5 (44). - P. 123-129.
7. Akhmetov N.S., Azizov M.K., Badygina L.I. Laboratory and seminars on general and inorganic chemistry. - M.: Vysshaya shkola, 2003. - 367 p.
8. Evtyukova I.L. Electrotechnological industrial installations. - M.: Energoizdat, 1982. - 450 p.
9. Kubasov V.L., Bannikov V.V. Electrochemical technology of inorganic substances. - M.: Khimiya, 1989. -288 p.
