Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

кандидата технических наук

Кондратенко Анатолий Сергеевич

Улан-Удэ, 2013



Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Буянтуев Сергей Лубсанович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Заяханов Михаил Егорович, ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», кафедра «Производство строительных материалов и изделий», г. Улан-Удэ

кандидат технических наук, доцент Марактаев Константин Максимович, генеральный директор ООО «Инновационный центр строительных технологий», г. Улан-Удэ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет», г. Чита

Защита состоится 29 ноября 2013 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, строение 1, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан 28 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Дамдинова Дарима Ракшаевна



Общая характеристика работы

Актуальность работы. Потребность различных отраслей промышленности в теплоизоляционных строительных материалах постоянно возрастает. На сегодняшний день наибольшее применение находят теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон. Для производства минеральных волокон в Российской Федерации имеются неограниченные ресурсы горных пород, таких как базальт, габбро, диабаз, порфирит и другие.

Для производства минеральных волокон также используются техногенные отходы, образующиеся при сжигании твердого топлива. Образование огромного количества золошлакоотходов имеет тенденцию значительного роста в будущем, что способствует накоплению твердых отходов.

Переработка твердых отходов в эффективные строительные материалы является важной научно-технической задачей. Золошлаковые отходы имеют повышенную температуру плавления, поэтому не могут быть использованы для производства минеральной ваты с помощью известных теплоагрегатов (вагранок, ванных печей и т.д.).

Во всем мире ведутся работы по получению волокнистых теплоизоляционных материалов с высокими физико-химическими и механическими свойствами. Однако едва ли не главной проблемой, наряду с соблюдением требований ГОСТ к качеству волокнистых материалов, всегда была и остается проблема снижения энергозатрат и себестоимости производства теплоизоляционных материалов. Решение этих сложных, порой противоречивых проблем требует проведения предварительных экспериментальных и теоретических исследований сырья с целью выработки практических рекомендаций для производства теплоизоляционных материалов с использованием современных достижений науки и новых технических решений.

Одним из перспективных направлений в этой области является применение электродуговой плазмы для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов. При использовании в качестве источника тепловой энергии электрической дуги, за счет высокой температуры резко снижается время получения расплава, из-за исключения индукционного периода плавления. Легкость управления и автоматизации, безинерционность электродуговых процессов способствуют широкому применению этого метода получения материалов в стройиндустрии.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, исследование и получение теплоизоляционных материалов из базальтов и золошлаковых отходов при помощи электромагнитного технологического реактора, который представляет собой разновидность электродуговых реакторов, является актуальной и перспективной задачей.

Целью работы является: теоретическое обоснование и разработка технологии получения теплоизоляционных материалов волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов с применением для термической обработки электромагнитного реактора.

Для достижения намеченной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Исследование сырьевых материалов (базальт, золошлак) на возможность использования в производстве минеральных волокон.

2. Термодинамический анализ и определение удельных энергозатрат, температуры плавления для получения расплавов из базальта с подшихтовкой и без подшихтовки, а также из золошлаковых отходов.

3. Экспериментальное определение технологических режимов электромагнитного реактора для получения расплавов и волокон из рассматриваемых сырьевых материалов.

4. Исследование структуры и физико-химических свойств полученных минеральных волокон и изделий на их основе.

5. Разработка технологии получения минеральных волокнистых материалов требуемого качества с низкими энергозатратами, применяемых в качестве теплоизоляционных материалов.

Научная новизна работы:

· Установлена возможность получения минеральных волокон из базальта и золошлаковых отходов с использованием в качестве плавильного агрегата электромагнитного технологического реактора. Получены волокна с высокими физико-химическими и теплозащитными свойствами, отвечающими требованиям нормативных документов: высокой термостойкостью, механической прочностью, химической устойчивостью, экологичностью.

· С помощью термодинамического анализа сырьевых материалов доказана возможность снижения энергозатрат и определены оптимальные значения температуры, полной энтальпии плавления, фазовых переходов, а также конденсированные фазы при получении расплавов.

· При обработке сырьевых материалов (базальт, золошлак) в электромагнитном реакторе выявлена возможность получения чистого алюмосиликатного расплава, свободного от газов и металла, восстановленного из соответствующих оксидов.

Практическая ценность и реализация работы:

• Разработана энергосберегающая технология получения минеральных волокнистых материалов при существенном снижении энергозатрат по сравнению с существующими технологиями.

• Разработан оригинальный плавильный агрегат - электромагнитный реактор, который дает возможность плавного регулирования температуры, вязкости, перемешивания расплава во время плавления, что позволяет добиться хорошей текучести расплава, и снижает инерционность процесса.

• Разработана технология получения минеральных волокон из базальта и золошлаковых отходов при обработке сырьевых материалов в электромагнитном реакторе. Полученные минеральные волокна характеризуются следующими показателями: средним диаметром базальтовых волокон d_ср = 10 мкм, золошлаковых волокон - d_ср = 8 мкм, температуростойкостью до 600 ⁰C и теплопроводностью в пределах 0,037-0,040 Вт/м*К. Из данных волокон была получена минеральная вата с теплопроводностью 0,040 Вт/м*К при плотности 35 кг/м³, соответствующая марке ВМ-35 по ГОСТ 4640-2011.

• Полученные результаты могут быть применены при строительстве заводов по производству теплоизоляционных материалов.

Достоверность результатов исследований подтверждается применением современных методов исследования (оптическая и электронная микроскопия, спектральный элементный анализ, измерение температуры расплава и теплопроводности волокон) и программного обеспечения. Результаты экспериментов не противоречат данным расчетов. Данные, представленные в различных разделах работы, дополняют друг друга и согласованы в целом с результатами, полученными другими авторами.

Результаты проведенных в работе исследований по получению расплава, волокон и волокнистых теплоизоляционных изделий из базальта и золошлаковых отходов были использованы при разработке промышленного образца электромагнитного реактора, производительностью по расплаву до 150 кг/час, на который получен патент РФ №2432719. Теоретические положения диссертационной работы могут быть использованы для обучения бакалавров и магистров по направлению 270800 «Строительство» и 140400 «Энергетика и электротехника».

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

• Результаты исследования химического состава, теплофизических и физико-химических свойств базальта и золошлаковых отходов, используемых для получения волокнистых теплоизоляционных материалов.

• Термодинамические расчеты процесса высокотемпературной плавки сырьевых материалов, позволяющие определять температурный диапазон плавления и удельные энергозатраты.

• Технология получения минеральных волокнистых теплоизоляционных материалов с использованием нового энергосберегающего оборудования.

• Результаты исследований физико-химических свойств минеральных волокнистых материалов, полученных из расплава сырья с применением электромагнитного реактора.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Бурятского государственного университета (г.Улан-Удэ, 2008-2011 г.). и Восточно-Сибирского государственного университета технологии и управления (г.Улан-Удэ, 2010 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (г.Улан-Удэ, 2008-2011 гг.); на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (г.Улан-Удэ, 2013 г.); на международной научно-практической конференции «Научное партнерство - 2013» (г. Пржемисль, Польша, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание работы и ее результаты опубликованы в 5 статьях, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК. В соавторстве получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы, включающего 136 наименований. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, 52 таблицы, 15 формул и 3 приложения на 18 страницах

плавление базальт подшихтовка золошлаковый



Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы цели и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу литературных данных по установкам для получения расплавов из сырьевых материалов, а также физико-химическим свойствам традиционно применяемых минеральных волокон.

Сырьем для производства минеральной ваты служат горные породы (диабазы, базальты, габбро), а также другие силикатные материалы.

В минераловатном производстве для получения силикатных расплавов применяют различные типы плавильных печей, различающиеся по принципу плавления сырья.

На основе анализа достоинств и недостатков существующих производств показано, что одним из наиболее эффективных, экономичных и экологически чистых методов производства минераловатной продукции является метод переработки базальтовых пород и золошлаковых отходов с использованием электромагнитного технологического реактора.

Электродуговые плазменные процессы характеризуются легкостью управления и автоматизации, безинерционностью, что способствует их широкому применению в стройиндустрии. В отличие от традиционных способов плавления сырья с помощью известных теплоагрегатов, применение электромагнитного реактора позволяет снизить инерционность процесса и удельные энергозатраты, добиться хорошей текучести расплава, а также получить более качественную минераловатную продукцию.

Во второй главе представлены общие характеристики базальтовых и золошлаковых материалов, как сырья для получения минеральной ваты. Приведена методика исследования исходных материалов, включающая в себя определение компонентного состава сырья до его переработки в расплав, как традиционным химическим анализом, так и определением элементного состава энерго-дисперсионным спектроскопическим анализом с выходом на количественный компонентный состав.

В качестве объектов исследований выбран базальт Селендумского месторождения, а также золошлак полученный при сжигании Окино-ключевского угля, большие запасы которых расположены в Республике Бурятия.

В таблицах 1 и 2 показан химический состав базальта Селендумского месторождения, а также золошлака, полученного из Окино-ключевского угля, сжигаемого на Гусиноозерской ГРЭС. Для сравнения также приведены данные других известных базальтовых месторождений и золошлакоотходов от сжигания различных углей Республики Бурятия.

В результате исследований выявлено, что золошлаковые отходы Окино-ключевского угля, для получения минеральных (шлаковых) волокон по химическому составу входят в следующие пределы: 45-65% SiO₂; 10-25% Al₂O₃; 10-45% CaO; 5-10% MgO; а Селендумский базальт: 47,5-55,0 SiO₂; l4,0-20,0 Al₂O₃; 7,-11,0 CaO; 3,0-8,5 MgO; прочие породы (не более 5%). Таким образом, данные сырьевые вещества принципиально пригодны для получения минеральной ваты электротермическим методом.

Также проведены расчёты процесса высокотемпературной плавки (переработки) базальта и золошлака. Методическую основу расчета составляют фундаментальные законы термодинамики совместно с законами сохранения массы вещества и энергии электрического разряда. Это позволяет для закрытых термодинамических систем построить математическую модель для общего случая образования в равновесии газообразных и конденсированных веществ, электронейтральных и ионизированных компонентов.

В соответствии с обобщённой моделью для расчёта была использована универсальная программа термодинамических расчётов ТЕРРА, отработанная в широком интервале высоких температур.

Табл. 1 Химический состав базальтов различных месторождений

Содержание компонентов, %	Базальты
	Селендумский	Судунтуйский	Марнеульский	Берестовецкий
SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 FeO CaO MgO Na2О К2О MnO P2O5 SO3	48,12 13,87 2,93 5,28 6,74 8,80 3,75 3,37 1,72 0,17 0,78 0,21	48,43 14,23 3,15 5,46 6,90 8,58 3,58 3,36 2,20 0,15 1,15 0,24	46,0 16,75 1,13 6,66 3,60 9,07 4,65 3,88 1,00 0,18 0,40 0,24	49,03 12,58 2,85 3,88 10,15 9,53 5,47 2,34 0,66 0,32 0,30 0,21

Табл. 2 Химический состав золошлаков различных твердых топлив

Содержание компонентов, %	Золошлаковые отходы
	Окино-ключевского угля	Тугнуйского угля	Холбольждинского угля
SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 + FeO CaO MgO Na2О К2О P2O5 SO3	56,50 20,87 0,71 14,38 3,80 1,86 0,57 0,82 0,28 0,21	45,00 14,60 0,82 14,25 12,62 9,05 0,58 2,15 0,93 0,24	52,00 23,00 0,80 12,40 13,50 4,95 1,00 2,00 0,35 0,24

Удельные энергозатраты на процесс термообработки в рассматриваемом случае будут состоять из затрат энергии на нагрев шихты и воздуха до заданной температуры и химических превращений, приводящих к установлению термодинамического равновесия. Соответствующее выражение для Q_уд (кВт*ч/кг) имеет следующий вид:

Q_уд = I_равн. - I_исх. (1)

где I_исх и I_равн - полная энтальпия, отнесенная к 1 кг рабочего тела (шихта + окислитель), находящегося в исходном и равновесном (после всех превращений) состояниях.

Как показал анализ полученных результатов, температура плавления для базальта составляет 1400-1600 ^оС, а для золошлака - 1800-2000 ^оС при этом удельные энергозатраты данных процессов укладываются в пределы 1,1 -1,3 кВт*ч/кг.

Для сравнения необходимо отметить, что удельные затраты электроэнергии в известных высокочастотных промышленных плавильных установках составляет 5-6 кВт*ч/кг.

Из полученных режимных параметров определили электрическую мощность установки, которая составляет 150-160 кВт. При этом производительность установки по расплаву составляет в среднем 150 кг/час.

Таким образом, определены энергетические характеристики установки, диапазон температур и удельные энергозатраты процесса высокотемпературной плавки золы и шлака.

Проведено исследование процесса получения минеральной ваты из базальта и золошлака. Причем в качестве объектов высокотемпературной плавки рассматривались золошлак, а также базальт с подшихтовкой и без подшихтовки доломитом (количество вводимого доломита до 10-15%). Процессы получения минеральной ваты из базальта и золошлака можно отнести к той группе, где обрабатываемый материал, наряду с физическими превращениями, подвергается химическим превращениям с целью получения из исходного обрабатываемого материала продуктов с иным химическим составом. При этом при плавлении сырьевых материалов наряду с расплавом также были получены сопутствующие продукты. Так при плавлении базальта без подшихтовки, а также золошлака имел место восстановительный ряд превращений окислов железа в компактный металл, оседающий на дно плавильного аппарата и получаемый при сливании расплава. Также при плавлении базальта подшихтованного доломитом, был получен вспененный материал, который образовывался в результате плавления шихты и выхода газов разложения подшихтовки. При сливании расплава данный материал в виде застывшей пены извлекался из реактора. Кроме того в процессе обработки золошлака, содержащего небольшую (до 2-5%) часть углерода в виде недожега, образовывалась ультрадисперсная сажа, накапливающаяся на водоохлаждаемых частях реактора, а также в камере удаления и очистки газов. Процесс образования сажи заключается в возгонке-десублимации углерода, находящегося в золошлаке и графита с электродов. Пеномасса, компактный металл, а также углеродный ультрадисперсный материал представляют собой отдельные объекты исследований и разработки новых материалов и технологий с применением электромагнитного реактора в качестве плавильного агрегата.

В третьей главе представлены данные по экспериментальному получению минеральной ваты из базальта и золошлакового отхода с применением в качестве плавильного аппарата электромагнитного технологического реактора с отработкой режимов выплавки.

При этом конструктивные особенности реактора позволили получать чистый расплав, свободный от газов и восстановленных металлов, дающий возможность производства более качественной продукции в виде волокнистых теплоизоляционных материалов.

Таким образом, 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, происходит подсыпка сырья и протекание тока через расплавленную алюмосиликатную массу, с одновременным электромагнитным ее перемешиванием и гомогенизацией при помощи последовательно включенных сериесных электромагнитов. Это значительно сокращает время выхода на рабочий режим и снижает энергоемкость производства. Определяемая на практике затрачиваемая мощность, необходимая для получения расплава объемной массой до 150 кг/час составляет 1,1-1,3 кВт/кг, что совпадает со значениями удельных энергозатрат, полученными расчетным путем.

В четвертой главе представлены методы и результаты исследований физико-химических свойств минеральных волокон и ваты, полученной на их основе. Также проведено исследование попутно полученных продуктов: углеродных наноматериалов из компактного сажистого образования с характеризацией их структуры и свойств, с рекомендацией к их дальнейшему использованию в качестве сырьевых добавок в вяжущие строительные материалы; металла, восстановленного в процессе плавления сырья; пеномассы при плавлении подшихтованного доломитом базальта в электромагнитном технологическом реакторе.

Полученные минеральные волокна были исследованы следующими методами определения физико-химических свойств:

1) химического компонентного состава волокон;

2) спектрального элементного состава волокон;

3) среднего диаметра волокон;

4) водо-, кислото-, щелочестойкости;

5) модуля кислотности;

6) коэффициента теплопроводности;

7) механических (прочностных) характеристик волокон;

8) температуростойкости волокон.

Определение состава минеральных волокон, полученных при плавлении сырья, в реакторе проведено методами химического и спектрального анализа.

В таблице 3 показан химический состав волокна, полученного из базальта Селендумского месторождения (с подшихтовкой и без нее), а также волокна из золошлака.



Табл. 3 Химический состав волокон

Оксид	Содержание оксида в волокне, масс. %
	Базальт без подшихтовки	Базальт с подшихтовкой15% доломита	золошлак
SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 + FeO CaO MgO Na2О К2О MnO P2O5 Mк	46,11 18,74 1,93 11,82 9,70 3,43 3,37 2,72 0,17 0,78 4,94	29,54 17,43 1,45 12,8 25,81 4,25 3,27 2,32 0,17 0,47 1,56	54,69 19,73 1,31 12,47 3,98 3,49 1,37 1,23 0,21 0,28 9,96

Из таблицы видно, что содержание оксидов кремния и алюминия в базальтовом (без подшихтовки) и золошлаковом волокне снижается незначительно, а базальтовое с подшихтовкой волокно имеет пониженное содержание оксида кремния. Это связано с образованием метасиликата кальция и его уходом в одновременно получаемую базальтовую пеномассу.

Для суждения о пригодности минеральных волокон в качестве теплоизоляционных материалов большое значение имеет определение среднего диаметра волокон, т.к. чем тоньше волокна, тем меньшей теплопроводностью они обладают. Для определения среднего диаметра волокон использовался микроскопический метод анализа образцов. Средний диаметр рассчитывается по формуле:

d_ср = g*Ц (2)

где g - средний диаметр волокон в делениях окулярного микрометра; Ц - цена деления окулярного микрометра, мкм.

При определении среднего диаметра волокон было установлено, что базальтовые волокна как с подшихтовкой, так и без нее имеют d_ср = 10 мкм, а золошлаковые волокна - d_ср = 8 мкм. Таким образом, представленные волокнистые материалы относятся к тонким минеральным волокнам.

В агрессивных средах волокна подвергаются коррозионному воздействию. Различают два вида воздействия агрессивной среды на волокна - химическое (выщелачивание) и растворение в объеме внешней среды. При растворении минеральных (базальтовых, золошлаковых) волокон их компоненты переходят в раствор в тех же соотношениях, в которых находятся в волокне. Многие волокна растворяются в концентрированных горячих растворах щелочи. Процесс выщелачивания характеризует взаимодействие волокон с водой, кислотой и основанием. Переход от выщелачивания к непосредственному растворению возможен при взаимодействии волокон с кислотами или даже водой в том случае, если волокно сильно обогащено щелочами и содержит мало кремнезема (низкий M_к)

Полученные результаты водо-, кислото-, щелочестойкости представлены в таблице 4.

Из табличных данных видно, что у всех волокон достаточно высокая водостойкость, однако у базальта с подшихтовкой она наименьшая. По кислотостойкости волокна условно подразделяются на три группы: растворяющиеся, выщелачивающиеся и относительно стойкие. Все рассматриваемые волокна относятся к выщелачивающимся. При этом волокна Селендумского базальта с подшихтовкой 10-15% доломита полностью обесцветились. Из представленных образцов минеральных волокон наиболее стойкими к воздействию кислоты оказались золошлаковые волокна, имеющие в своем составе повышенное содержание оксидов кремния и алюминия и пониженное - кальция и магния.



Табл. 4 Химическая стойкость волокон

Тип волокна	dср, мкм	Химическая устойчивость (потеря веса) ч, %
		H2O	HCl	KOH
Селендумский базальт без подшихтовки	9	99,6	69,3	91,5
Селендумский базальт с подшихтовкой	8,5	99,2	33,75	77,92
Золошлак Окино-ключевского угля	8	99,4	78,57	90,56

Также проводилось определение модуля кислотности M_к полученных минеральных волокон по формуле

(3)

Как следует из расчета, модуль кислотности для волокон, полученных из золошлака, составил М_к = 9,96; для нешихтованного базальта М_к = 4,94; для базальта с подшихтовкой доломитом - М_к = 1,56. Таким образом, по возрастанию химической стойкости ряд начинается с подшихтованного базальта имеющего наименьшую химическую стойкость и заканчивается золошлаковолокном имеющим наибольшую химстойкость. Однако при получении волокон из расплава картина изменяется - плавить подшихтованный базальт намного легче, чем золошлак.

Далее проводилось определение коэффициента теплопроводности. Низкая теплопроводность представленных волокон обусловлена их структурой, химическим составом, а также высокоразвитой поровой поверхностью, препятствующей конвекции и тепловому излучению. Однако теплопроводность волокон зависит от температуры, при которой они используются, а также от подшихтовки сырья. Зависимость теплопроводности базальтового волокна от температуры, а также от подшихтовки представлена в таблице 5.



Табл. 5 Зависимость теплопроводности минеральных волокон от температуры

Температура 0C	Тонкое золошлаковое волокно	Тонкое волокно из базальта	Тонкое волокно из 85% базальта и 15% известняка
25 100 200 300 400 500 600	0,037 0,046 0,064 0,091 0,125 0,189 --	0,030 0,035 0,051 0,076 0,095 0,137 0,172	0,034 0,041 0,058 0,084 0,109 0,151 0,194

В дальнейшем проводилось определение зависимости прочностных свойств от диаметра. Механические характеристики волокон были определены из эксперимента на разрыв. Разрывное напряжение (у) для элементарных нитей вычисляется по формуле:

у = (4P * 10⁴) / рd² (4)

где у - разрывное напряжение, МПа, Р -- разрывная нагрузка, Н, d -- диаметр элементарной нити, мкм. Данные о зависимости прочности волокон от диаметра представлены в табл. 6.

Табл. 6. Зависимость прочностных свойств от диаметра волокон

Показатель	Тип волокна
	Селендумский базальт без подшихтовки	Селендумский базальт с подшихтовкой	Золошлак Окино-ключевского угля
Диаметр, мкм	5; 10; 15; 20	5; 10; 15; 20	4; 8; 12; 16
Прочность, МПа	1874 1351 1180 1070	1645 1193 871 754	1927 1390 1213 1130



Как видно из табличной зависимости, удельная прочность на разрыв волокон зависит от их диаметра. Чем больше диаметр, тем меньше прочность.

Таким образом, представленные волокна по механическим характеристикам (на разрыв) не уступают волокнам, полученным из известных в литературе (Берестовецкое, Марнеульское) месторождений, а также удовлетворяют требованиям ГОСТ. Также проводилось определение температуростойкости минеральных волокон. Структура базальтовых и золошлаковых волокон после термической обработки в диапазоне температур до 600⁰C практически не меняется и представляет собой алюмосиликатную стекловидную фазу. При нагревании в интервале температур 700-800⁰ C на поверхности волокон идет процесс спекания и оплавления, т.е. происходит расстекловывание материала. Происходит окисление Fe⁺² до Fe⁺³, обусловленное воздействием кислорода воздуха. Наиболее быстро FeO переходит в Fe₂O₃ при температуре выше 600⁰C, а при 800-1000⁰C наблюдается полный переход FeO в Fe₂O₃. Полученный после прокаливания при температуре 800⁰ C материал представляет собой фрагменты волокна в общей спекшейся массе.

Зависимость усадки и потери массы образцов от температуры представлена в таблице 7.

Табл. 7 Зависимость линейных показателей волокон от температуры

Показатели, %	Температура обработки, 0 C
	100	200	300	400	500	600	700	800
Усадка	Базальтовое волокно без подшихтовки	0,98	1,32	2.02	2,91	3,63	5,50	21,05	67.0
	Базальтовое волокно с подшихтовкой	1,03	1,51	2,33	3,56	4,7	7,1	27,6	78
	Золошлаковолокно	1,06	1,67	2,63	4,2	5,3	8,7	32	85
Потеря массы	Базальтовое волокно без подшихтовки	0,19	0,21	0,24	0,29	0,45	0,76	1,18	1,8
	Базальтовое волокно с подшихтовкой	0,19	0,23	0,27	0,33	0,57	0,89	1,3	2,0
	Золошлаковолокно	0,19	0,21	0,24	0,29	0.49	0,79	1,22	1,3



Цвет материала изменяется от желто-серого свойственного минеральным волокнам и приобретает коричнево-черную окраску, что свидетельствует о процессах кристаллизации железосодержащих фаз. Уменьшение толщины образцов при прокаливании до температуры 600⁰ C колеблется в пределах 5.5-9%, но после воздействия температуры 700⁰ C - резко возрастает и при 800⁰ C составляет 67-85%.

Происходящая при высоких температурах интенсивная кристаллизация вещества волокон связана с уменьшением их объема, это обуславливает повышенную хрупкость, потерю эластичности и прочности последних. Поэтому вату, полученную с помощью электромагнитного реактора из золошлаковых и базальтовых волокон без подшихтовки можно использовать до 600 ⁰ C, а базальтовых с подшихтовкой - до 500 ⁰C.

Проведённые выше исследования позволяют сделать следующее заключение: физико-химическими методами определения установлено, что при электромагнитном технологическом методе получения минерального волокна происходят процессы, отличные от процессов при традиционных способах, а именно: при высокой температуре обработки (1500-2000 ⁰C) наблюдается более глубокое разложение исходного сырья на элементарные составляющие в виде соответствующих оксидов (SiO₂, СаО, MgO и т.д.). При этом конструктивные особенности реактора позволили получать чистый расплав, свободный от газов и восстановленных металлов, дающий возможность производства более качественной продукции.

Как видно, полученные волокна характеризуется высокими эксплуатационными характеристиками; высокой температуростойкостью (до ? 600 ⁰C), повышенным модулем кислотности для золошлакового волокна, а также и самой возможностью получения минеральной ваты из золошлаковых отходов, позволяющей говорить о перспективности данного материала не только в строительной индустрии, но и в производстве огне- и теплоизоляционных материалов. Из данных волокон были получены теплоизоляционные ковры по ГОСТ 4640-2011 «Вата минеральная. Технические условия», соответствующие марке ВМ-35 по показателю плотности (не более 35 кг/м³) и теплопроводности при 25 ^оС (не более 0,040 Вт/м*К).

При обработке золошлака, в котором содержится до 2-5% несгоревшего углерода были обнаружены углеродные наноматериалы в виде ультрадисперсной сажи, накапливающейся на водоохлаждаемых поверхностях и в камере очистки газа. Процесс образования сажи заключается в возгонке-десублимации части углерода, находящегося в золошлаке и электродного графита.

Таким образом, при плавлении золошлака в электромагнитном реакторе удается получить минеральное волокно высокого качества, удовлетворяющее требованиям нормативных документов, а также одновременно получить конденсированный продукт в виде углеродных сублимированных наночастиц, который может найти дальнейшее применение в строительном материаловедении, в частности, в качестве добавки в высокопрочные сырьевые бетонные смеси и другие материалы.

При плавлении базальта и золошлака происходит восстановление содержащихся в сырье металлических оксидов до компактного металла. Как следует из расчетов по программе ТЕРРА процессов высокотемпературной плавки сырья, при нагреве до температуры 1600 K наблюдается окисление Fe⁺³ до Fe⁺⁴, затем при температуре 2800 K наблюдается процесс восстановления катиона Fe⁺⁴ до Fe⁺², а при 3000 K происходит его переход в Fe₂SiO₄. Но все же, как следует из состава конденсированных фаз, при 3000 K происходит восстановление 1% Fe. Полученный железный сплав, обладая значительно большей плотностью, чем расплав, собирается на дне плавильного аппарата и сливается при выпуске расплава. Данное превращение становится возможным не только из-за влияния температуры, но и под действием электрического тока, протекающего в расплаве, являющегося мощным восстановителем.

В заключение главы проведена оценка и прогнозирование конкурентоспособности получаемых теплоизоляционных материалов, а также проведено технико-экономическое обоснование использования электромагнитного технологического реактора в производстве теплоизоляционных волокнистых материалов.



Основные выводы по работе

1. Исследована и установлена возможность получения минеральных волокон и изделий из базальта и золошлаковых отходов с применением в качестве плавильного агрегата электромагнитного технологического реактора.

2. С помощью термодинамического анализа сырьевых материалов определены оптимальные значения температуры, полной энтальпии плавления и фазовые переходы при получении расплавов. Величина энергозатрат в среднем составила 1,1-1,3 кВт*час на 1 кг в диапазоне температур 1500-2000 °C.

3. Путем обработки сырьевых материалов (базальт, золошлак) в электромагнитном реакторе выявлена возможность получения чистого алюмосиликатного расплава, свободного от газов и металла, восстановленного из соответствующих оксидов.

4. Разработана технология получения минеральных волокон и изделий на их основе в виде ваты и ковров из базальта и золошлаковых отходов при обработке сырьевых материалов в электромагнитном реакторе, дающем возможность плавного регулирования температуры расплава и поддержания на выходе струи из летки стабильной температуры, вязкости и текучести расплава базальта или золошлака.

5. Исследованы структура и физико-химические свойства полученных минеральных волокон и изделий на основе базальта и золошлаковых отходов. Получены тонкие базальтовые волокна средним диаметром d_ср = 10 мкм, температуростойкостью до 600 ⁰C и теплопроводностью 0,040 Вт/м*К; золошлаковые волокна - d_ср = 8 мкм, температуростойкостью до 600 ⁰C и теплопроводностью 0,037 Вт/м*К. Получена минеральная вата с теплопроводностью 0,040 Вт/м*К при плотности 35 кг/м³, что соответствует марке ВМ-35 по ГОСТ 4640-2011.

6. Проведено прогнозирование конкурентоспособности и экономической эффективности плавильного оборудования при его промышленном использовании для производства волокнистых теплоизоляционных материалов.



Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях

1. Буянтуев С. Л., Дамдинов Б. Б., Худякова Л. И., Номоев А. В., Кондратенко А. С. О создании новых композиционных материалов на основе наночастиц металлов и диоксида кремния // Вестник Бурят. гос. ун-та. Серия Химия, Физика. Вып. №3, 12 марта 2010 г. Улан-Удэ: Изд-во Бурят. гос. ун-та, 2010. - С.132-136.

2. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Образование фуллеренов при термической сублимации углей в низкотемпературной плазме // Вестник ВСГТУ №4. Изд-во Восточно-сибирского государственного технологического университета, 2010. - С. 112-116.

3. Урханова Л.А., Буянтуев С.Л., Лхасаранов С.А., Кондратенко А.С. Получение строительных материалов с новыми свойствами при добавлении фуллеренсодержащих углеродных материалов // Инновационные технологии в науке и образовании: сборник трудов международной научно-практической конференции 16-18 сентября 2011 г. Улан-Удэ, Изд-во Бурят. гос. ун-та, 2011. - С. 59-62.

4. С.Л. Буянтуев, А.С. Кондратенко, Б.Б. Дамдинов. Патент РФ на изобретение №2488984 «Способ получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления», опубликован 27.07.2013 Бюл. №21.

5. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С. Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора. Вестник ВСГУТУ №5 (44) 2013 г. - С. 123-129

Размещено на Allbest.ru

...