автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Технология получения минерального волокна из природного и техногенного силикатсодержащего сырья с помощью низкотемпературнной плазмы



На правах рукописи

Никифоров Андрей Анатольевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО ВОЛОКНА ИЗ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СИЛИКАТСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ С ПОМОЩЬЮ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

05.17.11 - Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1998

Работа выполнена на кафедре "Прикладная механика и материаловедение" в Томском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Волокитин Г.Г. Научный консультант - кандидат технических наук,

докторант ТГАСУ Скрипникова Н.К.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Косинцев В.И. кандидат технических наук, Главацкий Ю.Ф.

Ведущая организация: Республиканский инженерно-технический центр, г. Томск

Защита состоится " 27" января 1998 г. в 15°° часов в аудитории 117/2 на заседании диссертационного совета К 063.80.11 при Томском политехническом университете по адресу: 634004, Томск, пр. Ленина, 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан " 26 " декабря 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного сов< К 063.80.11, к. т. н.

Т.С. Петровская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Потребность различных отраслей промышленности в теплоизоляционных материалах, к которым относится минеральное волокно, постоянно возрастает.

Существующие производства по выпуску минеральной ваты, базируются на использовании вагранок, ванных и электродуговых печей, с одной стороны, требуют дополнительного сжигания топлива и применения дефицитных огнеупоров, а с другой - экологически вредны из-за несовершенства процессов образования расплава. Немаловажным сдерживающим фактором по увеличению производства теплоизоляционных материалов является дорогостоящее топливо и исходное сырье (диабаз, базальт и др.). В то же время огромные отвалы из зол и шлаков (продуктов деятельности промышленных предприятий), имеющих большое содержание БЮг и пригодных для получения минерального волокна, практически не используются из-за их высокой температуры плавления.

Использование нетрадиционного источника тепловой энергии - низкотемпературной плазмы открывает возможность переработки выше указанных отвалов в минеральное волокно в силу высокой концентрации энергии в единице объема.

В связи с этим актуальность исследований, направленных на решение научно-технической задачи создания и реализации в практике плазменных процессов и технологий получения теплоизоляционных материалов на основе исключительных свойств низкотемпературной плазмы, обусловлена отсутствием достоверных научных результатов по взаимодействию дисперсного материала шихты с мощными потоками плазмы в замкнутом объеме плазмо-химического реактора и изучению физико-химических процессов, протекающих при образовании расплава и установлению свойств, полученного плазменным способом минерального волокна.

Об актуальности исследований говорит тот факт, что несмотря на некоторые успехи в области плазменной техники широкомасштабное внедрение плазменных технологий в области теплоизоляционных материалов сдержива лось из-за отсутствия теоретических

и технологических предпосылок по созданию специализированных высокопроизводительных аппаратов, информативных данных об электро- и теплофизических характеристиках плазменного процесса получения стекловидного расплава.

Актуальность работы подтверждается включением ее в тематические планы НИИ СМ при ТГАСУ, межвузовскую программу "Строительство" (№ Государственной регистрации 01950000032), а также в комплексную программу "Сибирь" (проблема "Новые материалы и технологии" № Государственной регистрации 81030080).

В связи с этим, целью диссертационной работы явилось: разработка малоэнергоемкой плазменной технологии получения минерального волокна из природного и техногенного сшшкатсодержа-щего сырья с помощью низкотемпературной плазмы на основе решения научно-технических вопросов образования расплава во вращающемся плазмохимическом реакторе с последующим волокнооб-разованием.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Особенности физико-химических процессов, протекающих при образовании стекловидного расплава из шихты под воздействием высококонцентрированных потоков плазмы.

2.Качественные и количественные данные о физико-химических параметрах, полученного плазменным способом минерального волокна.

3.Закономерности изменения режимов работы плазменного генератора от газодинамического и электромагнитного воздействия на дуговой разряд и их влияние на производительность вращающегося плазмохимического реактора.

4.Технологическая схема и технические условия производства минерального волокна из природного и техногенного силикатсо-держащего сырья во вращающемся плазмохимическом реакторе.

Научная новизна работы заключается в установлении необходимых условий получения минеральной ваты из природного и техногенного силикатсодержащего сырья, при воздействии высокоэн-тальпийных потоков и массовых сил.

1.Впервые установлена одностадийность протекания процессов образования расплава, в условиях воздействия низкотемпературной плазмы, из шихты на основе природного и техногенного силикат-содержашего сырья, заключающаяся в том, что силикатообразова-ние, декарбонизация, гомогенизация и образование стекольного расплава протекают одновременно.

2.Теоретически и экспериментально доказана возможность получения минерального волокна с модулем кислотности от 1,5 до 15, которое обладает завершенной, термически стабильной структурой и оптимальным комплексом заданных физико-химических свойств.

3.Впервые предложено техническое решение получения минерального волокна из природного сырья и техногенных отходов во вращающемся плазмохимическом реакторе (патент РФ № 2075204).

4.Впервые изучены энергетические и физические характеристики плазменного генератора исследуемого типа, показано что наиболее оптимальным для плазмохимического реактора является плазмотрон с полым трубчатым катодом.

5.Установлена функциональная зависимость выхода минерального волокна от действия массовых сил, подводимой энергии и времени воздействия плазменного потока.

6.Совокупность научных результатов исследований позволила решить вопросы, сдерживающие ранее расширенное использование новых технологических и аппаратурных решений для производства минерального волокна с помощью низкотемпературной плазмы.

Практическая ценность работы состоит в решении, в первую очередь, экологической проблемы утилизации отходов горнодобывающей, металлургической и энергетической промышленности, а также в создании плазменной технологии производства минерального волокна из этих отходов, выполняемой в рамках хозяйственного договора № 414 для Гусиноозерской ГРЭС (Бурятия), что позволяет резко сократить потребность в дорогостоящих видах сырьевых материалов (диабаз, базальт и др.).

Вклад автора в проведенное исследование состоит в единоличном обосновании общей концепции работы, осуществлении поста-

новки задачи исследований и получении научных результатов, на базе которых разработана технология получения минерального волокна с использованием вращающегося плазмохимического реактора, разработке технологической карты процесса промышленного производства волокна.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на Международной конференции " Ресурсе- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (г. Белгород, 1995 г.), на научном семинаре по экологическим проблемам крупного промышленного центра (г. Новокузнецк, 1995 г.), на 52'а научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава с участием представителей строительных, проектных и научно-исследовательских организаций в Новосибирской государственной академии строительства (г. Новосибирск, 1996 г.), на научно-технической конференции в Новосибирской государственной академии строительства (г. Новосибирск, 1997 г.).

Публикации основных научных результатов работы изложены в 14 печатных работах. Получен патент России и два положительных решения на выдачу патента.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 81 наименования и приложений с материалом о внедрении результатов, имеет общий объем 137 страниц, включая 29 рисунков и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и научная новизна работы, ее практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена рассмотрению современного состояния вопроса по производству минерального волокна.

При изучении известных в литературе способов производства минерального волокна характерным для всех является, то что принципиальные вопросы технологии решены на технической базе и научном заделе 30-х годов, то есть морально устарели на данный период и являются однотипными.

Сам процесс плавления и получения расплава в вагранках и ванных печах - медленный. Отсутствует механизм управления волок-нообразованием, а также возможность получения специального волокна небольшими партиями.

Анализ выполнен на основе результатов работ проведенных под руководством профессора Жилина А.И., профессора Горяйнова К.Э., профессора Горлова Ю.П., с позиций современных представлений о термодинамике, строении расплава и физической химии, а также с ориентацией на современные прогрессивные технологии производства минерального волокна основанных на использовании и развитии положений, разработанных школами академика Жукова М.Ф. и профессора Моссе А.Л., в частности на плазменные технологии. Плазменные технологии получения стекловидного расплава из различных тугоплавких соединений, при достигнутых масштабах развития, сохраняют тенденции расширения области применения в изменяющихся условиях экономики за счет ряда преимуществ перед другими технологиями.

На этой основе усиливаются тенденции по созданию новых конструктивных и технологических решений, которые позволяют вывести многие технические устройства на необходимый уровень зкологичности, себестоимости, материалоемкости.

Для промышленного внедрения плазменных технологий получения минерального волокна на предприятиях стройиндустрии необходимо провести комплекс исследований и проработать научные и технологические вопросы получения расплава из природного и техногенного силикатсодержащего сырья с последующим его распылом в волокна.

Во второй главе представлено описание экспериментальных стендов, рассматриваются методики проведения экспериментальных исследований по получению стекловидного расплава, а также физико-химические методы исследования свойств полученного минерального волокна. Объектом исследований являлись образцы минерального волокна, полученного во вращающемся плазмохими-ческом реакторе.

Для исследования электро- и теплофизических процессов при плавлении порошкообразного стеклообразующего материала потоками низкотемпературной плазмы во вращающемся реакторе, а

также для исследования физико-химических процессов, протекаю-; щих при получении гомогенного расплава из исходной шихты с последующим волокнообразованием и для отработки оптимальных режимов работы, обеспечивающих получение качественного минерального волокна создан комплексный автоматизированный опытный стенд «Плазмовата» (рис. 1), моделирующий промышленную пилотную станцию по производству минерального волокна.

Рис.1. Комплексный автоматизированный опытный стенд «Плазмовата».

1 - цилиндрический реактор, 2 - профилированный анод, 3 - подвижная каретка подъемного механизма, 4 - трубчатый катод, 5 -узел подачи охлаждающей жидкости, 6 - соленоид, 7 - блок зондов и датчиков, 8 - автоматическая система регистрации, 9 - ЭВМ, 10 -пульт управления, 11 - источник постоянного тока, 12 - оптический пирометр, 13 - дозатор дисперсного материала.

Приведено описание систем контроля температуры на внешней стенке реактора и регистрации экспериментальных данных, средств измерений и методик определения температур и тепловых потоков при работе плазменной установки. При проведении экспе-

риментов измерения температуры пленки расплава и горячего торца трубчатого катода производились бесконтактным способом с помощью оптических пирометров первого класса точности ОППИР 017Э и ЭОП-66, температура по длине электрода измерялась вольфрам-рениевон термопарой, контроль температуры на внешней стенке реактора осуществлялся при помощи лучкового термодатчика с хромель-алюмелевой термопарой. Э.Д.С. термопар усиливалась прибором Ф 116/2, а затем после согласования на приборе Р009 записывалась на фотоленте светолучевого осциллографа Н 030А. Мощность дуги определялась по измеренным значениям силы тока I и падения напряжения на дуге U с помощью двух стрелочных приборов М381 с относительной погрешностью 2%. Определялся выход расплава и получаемого минерального волокна.

Структурные и физико-химические превращения исследовались следующими методами: электронномикроскопического (ЭМА), рентгенофазового (РФА) анализа и подтверждены методом дифференциального термического анализа (ДТА). Кроме того проводились исследования по определению химической стойкости по методу порошка по отношению к воде, кислоте и щелочи. Рентге-нофазовый анализ осуществлялся на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Микроскопический анализ производился с помощью вертикального металлографического микроскопа МИМ - 7, электронномикроско-пический анализ на растровом электронном микроскопе РЭМ - 200 при различном увеличении. При исследовании образцов проводились оценки наличия пор, трещин, кристаллов. Определение диаметра волокон производили по замерам двух поперечных сечений. Длину волокон измеряли при помощи масштабной линейки с точностью до 1 мм.

В качестве сырьевых материалов использовались различные техногенные отходы и отходы горноперерабатывающей и стекольной промышленности. На основе которых готовились шихтовые смеси (табл. 1), как с модулем кислотности близким к стандартному, так и обеспечивающим получение минерального волокна с повышенными качественными показателями и специального волокна. С целью определения оптимального состава шихты для получения минерального волокна во вращающемся плазмохимическом реакто-

ре, обеспечивающего модуль кислотности близкий к стандартному был использован метод математического планирования эксперимента. По результатам расчетов были определены компонентные составы шихт, которые приведены в таблице 2.

Таблица 1

Компонентный состав, масс. % БЮ2 А1203 Ре203 СаО ТЮ2 1120 мк

Зола - 85 Сода -15 57,90 21,00 4,80 4,74 1,62 0,38 9,56 1,23

Зола - 47 Известняк - 53 39,66 14,52 3,37 41,05 1,13 0,30 - 1,28

Диопсид -100 50,32 3,38 5,85 24,55 15,58 - 0,27 1,34

Зола - 60 Тремолит - 40 58,90 14,61 3,60 13,87 8,58 0,31 0,10 3,27

Топазовый концентрат-100 39,52 47,43 - 5,60 2,00 - 4,35 8,74

Зола - 90 Стеклобой -10 64,95 21,43 4,65 5,23 2,02 0,43 2,14 11,90

Зола -100 61,95 22,53 5,15 5,09 1,75 0,48 - 12,35

Зола - 60 Гранит - 40 63,17 20,28 5,69 4,45 1,65 2,21 2,52 13,60

Зола - 80 Глинозем - 20 49,64 37,52 4,13 4,14 1,40 1,81 1,82 15,70

Таблица 2

Компонентные составы шихт для получения минерального волокна, масс %

№ п/п Глина Известняк Диопсид Зола мк

1. 25 40 - 35 1,49

2. 30 50 20 - 1,31

3. 40 50 - 10 1,18

4. 25 50 - 25 1,24

5. - 20 30 50 1,44

6. 5 10 5 80 1,36

В третьей главе приведены результаты исследований влияния различных факторов на качество волокна получаемого из силикат-содержащего материала, установлена последовательность протекания процессов при образовании расплава и получении минерального волокна, изучена термодинамика процесса образования расплава в зависимости от химического и минералогического состава шихты.

Основным классификационным признаком минерального волокна является модуль кислотности. В традиционных технологиях (вагранки, ванные печи и т.д.), для получения расплава, применяются составы сырьевых шихт с модулем кислотности 1,2... 1,6. Процесс получения расплава при высоких температурах, реализуемых в условиях воздействия низкотемпературной плазмы, существенно отличается от процесса получения расплава традиционным способом. Состав расплава и его количество определяется составом шихты и зависит от температуры его образования. Исходя из химического состава шихты, производился перерасчет на трехкомпо-нентную систему, и по диаграмме состояния С-А-Б определялись величины температур плавления для построения кривых плавкости (рис.2).

2 4 15 3

Рис.2. Кривые плавкости силикатного расплава: 1 - зола 100,2 - зола 60 + гранит 40, 3 - зола 80 + глинозем 20, 4 - днопсид 100,5 - топазовый концентрат 100.

Расплав зольной шихты представлен в основном муллитопо-добными силикатами с их высокой кристаллизационной способностью, процесс выработки волокна может быть осуществлен в интервале температур 1920... 1970 К. Так как температура в ВПХР значительно выше, то происходит интенсивное кипение расплава с выделением газообразной фазы, содержащей, прежде всего легкоплавкие силикаты и определенное количество кремнезема. Вследствие этого происходит насыщение расплава оксидом алюминия, и он достигает состава муллита.

Учитывая тот факт, что в составе 1 исходного сырья присутствуют оксиды железа (5... 10 %), инконгруэнтное плавление шихты будет способствовать первичной кристаллизации фаялита, мелшшта и муллита. При введении в состав золы добавки в виде отходов горнодобывающей промышленности типа гранита (состав 2) температура образования расплава снижается, и составляет 1620 К получение минерального волокна желательно проводить при температуре не ниже 1723 К, так как в случае более низкой температуры выкри-сталлизовываетя анортит. Введение в состав шихты глинозема ( состав 3) увеличивает температуру образования расплава до 2000 К, выработка волокна может быть осуществлена в интервале температур 2020...2050 К.

С целью выяснения фазовых превращений, протекающих при получении минерального волокна из расплава, полученного в ВПХР, проводились рентгенофазовый и химический анализы исходного сырья и полученного волокна.

Из полученных рентгенограмм видно, что зола (см. рис.3(1)) представлена следующими основными компонентами: белит (с1 = 3,02; 2,76; 2,32), четырехкальциевый алюмоферрит (<1 = 2,77; 1,81; 1,53), алюминаты кальция (<1 = 2,94; 1,59; 1,53; 1,35) и стеклофаза. Кроме того, в золе содержатся свободные оксиды кальция и магния различной степени пережженности. Из рентгенограммы зольного волокна (рис.3(1а)) следует, что оно представлено, в основном, стеклофазой и небольшим количеством новообразованных кристаллических фаз (мелилита и фаялита). Кристаллических фаз, характерных для исходного состава не обнаружено. Это свидетельствует о высокой степени диссоциации исходных продуктов при кратковременном воздействии низкотемпературной плазмы.

Зарождение кристаллических фаз в составе минволокна можно объяснить неравновесностью процессов, протекающих в плазмохи-мическом реакторе, недостаточно полной гомогенизацией расплава. Наличие кристаллических фаз приводит к нарушению прозрачности и хрупкости стекловолокна в месте образования кристалла, к ухудшению других физико-механических свойств, Для предотвращения кристаллизации расплава при производстве стекловолокна необходимо до минимума сократить пребывание стекла в температурном интервале его кристаллизации, то есть, процесс стеклования во многом зависит от скорости охлаждения пленки расплава.

70 «О 50 40 30 20 УгШГДЕфрЗИ5ЕЭ20

Рис. 3. Рентгенограммы: 1 - зола, 1а - зольное волокно, 2 - гранито-зольная смесь, 2а - гранитозольное волокно, 3 - диопсвдовозольная смесь, За - диопсидовозольное волокно.

При введении в состав зольной шихты до 40 % отходов горнодобывающей промышленности (гранита), с целью снижения температуры образования расплава видно, что гранитнозольная смесь (см. рис.3(2)) представлена компонентами характерными для золы и соединениями в виде кварца и полевых шпатов типа микроклина (<1 = 4,04; 3,19), альбита (б = 3,23; 1,99). Добавка в состав зольной шихты диопсида позволяет не только снизить температуру плавления смеси, но и улучшить стеклообразование. Исходя из рентгенограммы (рис. 3(3)) диопсидозольная смесь представлена как компонентами характерными для зол, так и метасиликатами кальция и магния [Са, М§ фгОб)] (<1 = 2,99; 2,52; 2,29; 2,89). Гранитозольное волокно, как и диопсидозольное (рис.3(2а) и (За)) практически полностью состоит из стеклофазы, что свидетельствует о его рентге-ноаморфности.

Для исследования возможности получения минерального волокна и его свойств, в качестве тугоплавкого материала природного происхождения в экспериментах использовался топазовый концентрат руды Беловского месторождения "Копна". Исходя из химического состава топазового концентрата была построена кривая плавкости 5 (см. рис. 2(5)). На основании расчетных данных установлено, что начало образования расплава происходит при 1830 К и при 1935 К идет полное плавление смеси. Состав расплава, исходя из диаграммы состояния, представлен в основном муллитом. Учитывая, что расплав представлен преимущественно муллитоподобными силикатами с их высокой кристаллизационной способностью, то процесс выработки стекловолокна может быть осуществлен в интервале температур 1950-2000 К, а так как температура в ВПХР значительно выше, то происходит интенсивное испарение с поверхности пленки движущегося расплава с выделением газообразной фазы, содержащей фториды, легкоплавкие щелочные соединения, а также частично кремнезем. Вследствие этого происходит насыщение расплава оксидом алюминия и достижения состава муллита, что подтверждается данными химического анализа таблица 3.

Таблица 3

Результаты химического анализа, масс. % ____

Материал П.п.п. БЮг А12Оз Ре20, СаО М^О я2о

Топазовое стекловолокно 1,81 22,61 73,06 1,81 0,42 0,29 -

Закристаллизованный расплав топазового концентрата - 12,24 86 ДО 0,71 0,52 0,43 -

Исходя из химического анализа следует, что расплав из топазового концентрата, полученный в ПХР представлен алюмосиликатами, обогащенный глиноземом. Это свидетельствует, о том, что при плазменной диссоциации топазового концентрата образуются преимущественно муллитоподобные алюмосиликаты по следующему механизму реакции:

Р2 + Н20

4[А128Ю4(Р;ОН)] => А1203 * БЮг + 8Ю2 + 3А1203 *.28Ю2

Исследования фазовых превращений, происходящих при высокотемпературной диссоциации топазового концентрата были проведены на основе рентгенофазового анализа топазового концентрата и полученного из него стекловолокна. Рентгенограммы показали, что топазовый концентрат (рис.4(1)) представлен в основном топазом (с! = 3,20; 2,96; 1,65; 1,40; 1,37; 1,34; 1,14), кварцем ((1 = 1,86; 1,52; 1,34) и алюмосиликатами типа кианита и силлиманита. Данные рентгенофазового анализа стекловолокна (рис.4(3)) свидетельствуют, что оно представлено стеклофазой и является рентгеноа-морфным.

С целью идентификации состава стекловолокна был осуществлен плазмохимический процесс получения расплава и медленное его охлаждение для осуществления процесса кристаллизации полученного материала. Рентгенограмма (рис. 4(2)) полученного материала свидетельствует о том, что это соединение представлено в основном муллитоподобными силикатами (с! = 5,37; 3,39; 2,69; 2,21; 2,12; 1,69; 1,52).

Микроструктура образцов минерального волокна была исследована методом электронной микроскопии.

Угол днфрахцки 20 —

Рис. 4. Рентгенограммы: 1 - топазовый концентрат, 2 - закристаллизованный расплав топазового концентрата, 3 - стекловолокно из топазового концентрата.

Микрофотография, полученная при кратности увеличения х 400, позволяет различить неоднородность формирования волокон различного химического состава. Вполне возможно, что неоднородность волокна является началом фазового разделения. Это свойственно ионной модели структуры стекла, согласно которой структура стекловолокна и замороженного силикатного расплава соответствуют друг другу и строятся из силикатных анионов, окруженных одно- и двухвалентными катионами.

Таким образом, физико - химическими методами исследования установлено, что при плазмохимическом синтезе минерального волокна происходят процессы, отличные от процессов при традиционных способах стекловарения, а именно: процесс стеклообразова-ния происходит за доли секунды с одновременным протеканием процессов силикатообразования, осветления и гомогенизации стекломассы.

Высокая температура, реализуемая в ВПХР, приводит к интенсивному кипению расплава и улетучиванию легкоплавких соединений в виде газовой фазы, а следовательно и к образованию рас-

Таблица 4

Химическая стойкость минерального волокна_

Наименование № Потеря массы в % по отношению к:

образца пробы н2о 1н -НСЬ 1н -ЫаОН

3-1 0,4 0,3 1,4

Зольное волокно 3-2 0,8 0,5 2,3

3-3 0,3 0,7 1,9

Д-1 0,8 0,9 1,4

Диопсвдовое волокно Д-2 1,2 1,4 1,9

д-з 0,9 1Д 2,1

Зольно-гранитное ЗГ- I 0,5 1,6 1,2

волокно ЗГ-2 0,8 2,2 1,8

ЗГ-З 1,4 2,8 1,5

Зольно-тремолитовое ЗТ- 1 2,4 3,2 1,8

волокно ЗТ-2 2,6 3,8 1,2

ЗТ-З 2,9 2,9 0,9

Зольно-известняковое ЗИ-1 2,8 2,4 1,8

волокно ЗИ-2 3,0 2,8 1,4

ЗИ-З 2,6 2,5 1,9

Т- 1 0,3 0,4 0,2

Топазовое волокно Т - 2 0,5 0,5 0,5

Т-3 0,2 0,2 0,3

плава с повышенным содержанием ЗЮ2 и АЬОз (60...80 %). Поэтому минеральное волокно, полученное плазмо-химическим способом характеризуется большим модулем кислотности (до Мк=12,5) и обладает высокой химической стойкостью (табл. 4). Содержание кремнезема, как основного компонента стекла, повышает его устойчивость в кислых, щелочных растворах и в воде.

На основании проведенных физико-химических исследований процессов получения расплава по плазменной технологии предложена схема получения минерального волокна, которая в сравнении с традиционной схемой отличается тем, что дегидратация, декарбонизация, сшшкатообразование и гомогенизация расплава в традиционных процессах (в вагранках) протекают постадийно в течение 50...60 мин, а при плазменной технологии шихта, по ступающая в плазменный реактор нагревается до температуры 2773 К за несколько секунд и все перечисленные стадии протекают одновремен-

но в течение 5... 10 секунд. Кроме того плазменная технология позволяет использовать нетрадиционные составы сырьевых шихт со значительным содержанием тугоплавких соединений.

Термодинамические расчеты позволили осуществить анализ степени совершенства плазмохимических процессов. Главным содержанием процессов, происходящих в плазменных реакторах, является взаимопревращение различных видов энергии органически сочетающееся с превращениями вещества - переходами его из одних состояний (химических, физических, ионных) в другие. При этом система будет характеризоваться различными значениями внутренней энергии и энтальпии.

Термодинамическому анализу подвергались реакции разложения золы и диопсида. Из полученных данных следует, что в зоне высоких температур возможно протекание процессов: диссоциации сюшкатсодержащих соединений, оксидов кремния, кальция и алюминия; процессов атомизации; образование высокотемпературных частиц.

В четвертой главе представлена разработка и конструирование технологических схем плазмохимического реактора для переработки шихты. На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснована эффективность использования выбранной технологии.

Разнообразие задач и нерешенных проблем в области технологии создания различных тугоплавких соединений с использованием плазменного нагрева* обусловило разработку и создание плазмохимических реакторов различного типа.

Учитывая результаты теоретических и экспериментальных исследований проведенных минскими и новосибирскими учеными, а также используя опыт разработок проведенных в лаборатории НИИ СМ при ТГАСУ, можно спрогнозировать основные технологические параметры электроплазменной технологии получения минерального волокна из стеклообразующего вещества. Параметрами, влияющими на качество получаемого волокна, а также на энергети-

ческие показатели процесса могут являться следующие величины: физико - химические свойства исходного материала; теплофизиче-ские параметры плазменного потока; количество подаваемого сырьевого материала; геометрические параметры реактора; место ввода сырья в реактор; частота вращения емкости плазмохимиче-ского реактора; время контакта сырья с теплоносителем; теплофи-зические характеристики расплава; теплопроводность материала стенок реактора; энергозатраты технологии в целом.

Проведенная разработка технологической схемы одностадийного получения минерального волокна позволила произвести выбор оптимальной конструкции плазмохимичеекого реактора (рис. 5), позволяющей под действием плазменного потока и центробежных сил обеспечить образование гомогенного стекловидного расплава. Применение вращающейся цилиндрической емкости-гомогенизатора I совмещенного с источником тепловой энергии - генератором плазмы позволяет уменьшить энергетические затраты и исключить ряд технологических звеньев в производстве минерального волокна. В качестве источника низкотемпературной плазмы в этом случае используется дуговой плазмотрон, профилированный графитовый анод 2 которого вмонтирован в дно емкости-гомогенизатора, а катод 3 установлен на движущейся вертикально каретке 4 подъемного механизма. В процессе работы, после возбуждения основной электрической дуги катод плазмотрона поднимается вверх на расстояние, обеспечивающее стабильную работу реактора и необходимую плотность теплового потока. За счет воздействия магнитного поля создаваемого, соленоидом 6 и центробежной силы электрический разряд занимает практически весь внутренний объем емкости. В зону горения дуги 5 дозированно подается исходный дисперсный стеклообразую-щий материал (шихта), который являясь псевдожидкостью, оседает на внутренних стенках устройства, принимая форму усеченного очень вытянутого параболоида при большой частоте вращения - это практически цилиндрическая поверхность.

шихта

Рис. 5. Схема вращающегося плазмохимического реактора 1 - емкость-гомогенизатор, 2 - графитовый анод, 3 - катод, 4 - каретка подъемного механизма, 5 - плазменная дуга, б - соленоид, 7 - трубки для подачи охлаждающей жидкости, 8 - жидкая пленка расплава, 9 - гарнисажный слой, 10 - стальная стенка, со - угловая скорость вращения реактора.

Плавящееся в плазменном потоке исходное сырье растекается по дну и выбрасывается на стенку реактора 10, поднимаясь к его верхней кромке в виде пленки расплава 8. За счет высокой скорости вращения реактора движущаяся пленка расплава достаточно тонкая и все химические реакции в ней, в том числе и стеклообразование, происходят очень быстро. Для предупреждения прогорания стенки реактора предусмотрено принудительное водяное охлаждение 7. За счет низкой теплопроводности порошкообразного сырья по сравнению со стальными стенками формируется большой градиент температуры, приводящий к образованию гарнисажного слоя 9, который одновременно выполняет роль теплозащиты. На границе раздела жидкой и твердой фаз устанавливается температура, равная температуре плавления сырья.

Количество тепла, вносимого в систему (без учета тепловых потерь в торцы цилиндра), частично идет на плавление (размягчение) материала и уносится жидкой пленкой, а частично проходит через гарнисажный слой и стенку реактора, осуществляя внешний теплообмен устройства. Таким образом, в системе устанавливается тепловой баланс. Пленка расплава под действием динамических усилий и сил поверхностного натяжения распадается на струйки (волокна), которые увлекаются воздушным потоком в камеру осаждения. Длина, толщина и прочностные свойства получаемого минерального волокна будут зависеть как от химического состава стеклообразующего сырья, так и от физических характеристик процесса получения расплава.

В процессе проведения экспериментов исследовалась работа опытного стенда (рис. 1) с несколькими типами энергетических устройств: с плазмотроном ПВР-402; со стержневыми графитовыми электродами; с трубчатым графитовым электродом. Наиболее выгодным является использование в качестве катода трубчатого графитового электрода, позволяющего совместить положительные стороны предыдущих схем. При такой схеме осуществляется разогрев, проходящего через полость, сырьевого материала и подача его непосредственно в зону горения дуги, что позволяет повысить эффективность использования тепловой энергии, выделяемой в дуге плазмы. Но электродуговые нагреватели газа с большой зоной энерговыделения подобного типа еще недостаточно изучены. Слабая изученность объясняется неполнотой знаний о процессах, происходящих в нагревателях подобного типа: не исследованы энергетические характеристики. Мало сведений по теплопроводности в стержневом полом электроде при различном положении разряда, не отработана методика определения тепловых потоков в тело электрода при воздействии на его торец дугового разряда.

Из рассчитываемых рабочих параметров данной схемы плазменного генератора, следует рассматривались те, которые в первую очередь характеризуют данную конструкцию с точки зрения ресурса работы электродов и их надежности. К таковым относятся эрозионные и энергетические характеристики.

К энергетическим характеристикам плазмотрона относятся зависимости параметров дуги от условий работы - рода плазмообра-зующего газа, давления, геометрических размеров электродов, их температуры и эмиссионной способности, скорости разрушения. Одновременный учет всех этих факторов возможно осуществить в результате критериального обобщения многочисленных экспериментальных данных.

С электрофизической точки зрения необходимо соблюдение совместимости вольт-амперной характеристики источника питания и собственно плазмотрона. Вольт-амперные характеристики плазменной дуги, полученные при различном межэлектродном расстоянии рис. 6 позволяют установить оптимальный диапазон изменения режимных параметров плазмотрона с вращающимся анодом с точки зрения совместимости с источником питания и критерия уменьшения энергетических потерь. Как и для других плазмотронов подобной конструкции, ВАХ плазмотрона с "горячими электродами" зависит от расхода плазмообразующего газа, с ростом которого кривые ВАХ смещаются вверх вследствие увеличения степени деиони-зации дугового разряда и роста его сопротивления. Кроме этого установлено, что в наших условиях с увеличением расхода плазмообразующего газа резко возрастает напряжение в рабочем диапазоне тока дуги от 90 до 200 В.

Рис. 6 Вольтамперные характеристики плазменной дуги при

различном межэлектродном расстоянии (Ь): 1 -11=0,02 м; 2 -11=0,04 м; 3 - 11=0,06 м; 4 -11=0,08 м; 5 - 11=0,10 м; частота вращения реактора - 450 1/с.

Проведенные исследования по влиянию величины тока дуги в рабочем диапазоне (1=200...400 А) и рабочей поверхности (торца) катода на его эрозию показали, что наименьшая величина эрозии возникает при величине его рабочей поверхности в пределах 10-12 см2. В результате визуального осмотра стержневых полых электродов установлено, что большая часть материала уносится с торца электрода вследствие электрической эрозии и меньшая часть - с боковой поверхности из-за окисления графита в потоке воздуха. Таким образом в результате исследований установлено, что удельная эрозия графитового электрода в рабочем диапазоне токов не превышает - 4*10"* г/Кл. Использование в качестве материала электрода графита, стоимость которого относительно мала и учитывая, что его конструкция обеспечивает подачу дисперсного сырья и его подогрев можно говорить о технологической целесообразности плазменных генераторов с расходуемыми графитовыми электродами.

Исследование энергетических, тепловых и эрозионных характеристик плазмотрона данной схемы позволило определить влияние на рабочие режимы и качество получаемого из расплава минерального волокна различных факторов, таких как: расход плазмо-образующего газа, магнитная индукция, межэлектродное расстояние, частота вращения реактора. Тепловой к.п.д. генератора составляет 0,4...0,6. Это свидетельствует о том, что часть тепловой энергии дуги расходуется на разогрев электродов, а также на конвективные и лучевые потери.

Существенное влияние на качественные характеристики, получаемого минерального волокна оказывают частота вращения и геометрические параметры реактора. На рис. 7 приведены результаты исследований по образованию количества минерального волокна и среднего диаметра от частоты вращения реактора.

Проведенные эксперименты и конструктивная проработка с учетом технических требований к конструкции узлов вращающегося реактора позволили установить геометрические параметры вращающейся емкости, оптимальное соотношение высоты (Н) и внутреннего диаметра (Б) лежит в интервале 0,95... 1,1. При соотношении НЛЭ более 1,1 производительность установки снижается и уменьшается длина получаемых волокон, а при соотношении ме-

м

0,8

0,7 0,6

0,5

0,4,

200 250 300 350 400 ta,l/c а)

dcp,

мкм

13

12

11 10

9

200 250 300 350 400 б)

Рис. 7. Выход минерального волокна (а) и средний диаметр волокон (б) _в зависимости от числа оборотов реактора М=Мп/Мтах-относигельный выход продукта, где Mn-выход продукта (кг) при числе оборотов реактора (в секунду); Мтах-максимальный выход продукта

нее 0,95 ухудшаются качественные характеристики получаемого волокна и возникает опасность "выброса" дуги плазмы на кромку вращающейся емкости, что приводит к выходу из строя реактора.

Эксперименты показали, что оптимальные условия, обеспечивающие стабильную работу и максимальную эффективность реактора, достигаются при мощности плазмотрона 70 кВт и частоте

вращения реактора 450 1/с. Проведенные исследования минерального волокна, полученного во вращающемся плазмохимическом реакторе из шихт на основе зол дают оценку основных физико-химических свойств полученного продукта (см. табл. 5).

Таблица 5

Физико-химические свойства минерального волокна_

№ п/п Свойство Минеральное волокно, полученное плазменным методом Минеральное волокно, полученное традиционно (в вагранке)

шихта №1* шихта №2"

1. Модуль кислотности 12,35 4,2 1,2...2,0

2. Водостойкость (рН) 2,0 2,1 4...7

3. Средний диаметр волокон, мкм 9,0 8,0 6...12

4. Средняя длина волокон,мм 100 90 25

5. Относительная влажность, % 0,2 0,2 1

6. Содержание корольков, % 22 23 12...25

7. Плотность, кг/м3 109 100 80...100

8. Кислотостойкость, % 99,5 97,4 97,0

9. Щелочестойкость, % 98,1 98,3 97,0

10. 'Гемпературоустойчивость, К 1500 1200 >600

11. Прочность на разрыв, МПа 10...12 12...14 3...5

*- шихта состоящая из 100% золы (или ишака)

** - шихта состоящая из 80% золы (или шлака) и 20% известняка

Полученное минеральное волокно характеризуется высокими эксплуатационными характеристиками, благодаря чему может быть использовано для производства конструкционных материалов, а высокая температурная стойкость (до 1700 К) и значительная длина волокон позволяет говорить о перспективности данного материала не только в строительной индустрии, но и в производстве огне - и теплозащитных материалов.

В пятой главе дано описание опытно-промышленной установки и технологической линии производства минерального волокна при помощи низкотемпературной плазмы. Приведена технологическая схема производства минерального волокна во вращающемся плазмохимическом реакторе. Определены оптимальные режимы работы установки.

Показана принципиальная возможность получения высоко-сорбционного волокна из полимерных материалов, а также утилизации асбестосодержащих отходов техногенного происхождения, основанная на использовании разработанной схемы вращающегося плазмохимического реактора. Это говорит о возможности расширения области применения предложенной технологии для переработки термопластичных материалов и наметить пути проведения дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 .Физико-химическими методами исследований установлено, что при получении минерального волокна с помощью низкотемпературной плазмы происходят процессы сшшкатообразования, декарбонизации, гомогенизации и осветления расплава одновременно, в течение 5... 10 секунд.

2.Из результатов рентгенофазового и химического анализа следует, что волокно, полученное на основе техногенных зольных отходов, представлено в основном стеклофазой. Это свидетельствует о высокой степени диссоциации исходных продуктов при кратковременном воздействии низкотемпературной плазмы.

3.Впервые установлено, что при плазмохимическом способе возможно получение волокна с повышенным модулем кислотности (до 15) и температуроустойчивостью 1500 К, что позволяет говорить о перспективности его использования, как в качестве теплоизоляционного, огнезащитного, так и конструкционного материала.

4.Впервые разработана технология получения минерального волокна из природных и техногенных силикатсодержащих отходов во вращающемся плазмохимическом реакторе.

5.Анализ полученных результатов исследований энергетических, эрозионных и геометрических параметров плазмохимического реактора определили надежность работы устройства в целом и впервые открыл возможность использования данной технологии в промышленном варианте для производства волокна из силикатсо-держащего природного сырья и техногенных отходов.

Основные результаты диссертационной работы отражены в

следующих публикациях:

1. Разработка теории взаимодействия низкотемпературной плазмы со строительным материалом, исследование теплофйзических процессов при получении расплава с помощью низкотемпературной плазмы в производстве минерального волокна: Отчет о НИР/ Научно-исследовательский институт строительных материалов при Томском инженерно строительном институте (НИИ СМ): Научный руководитель Г.Г. Волокитин. - № гос. per. 01910029094, Томск, 1993 г. - 162 е.: ил..

2. Волокитин Г.Г., Борзых В.Э., Унжаков С.О., Никифоров A.A.. Плазменная технология получения минерального волокна. //Сибирский физико-технический журнал, 1994. - Том. 1, № 2. с. 165-169.

3. Бородина О.И., Унжаков С.О., Никифоров A.A.. Волокнистые фильтрующие материалы из вторичного полимерного сырья доя очистки нефтепродуктов. //Тезисы доклада научного семинара "Экологические проблемы крупного промышленного центра".-г. Новокузнецк, 1995.-е. 28-29.

4. Никифоров A.A., Унжаков С.О.. Утилизация золоотходов промышленности в минеральное волокно во вращающемся плазмо-химическом реакторе. //Тезисы доклада научного семинара "Экологические проблемы крупного промышленного центра". -г. Новокузнецк, 1995. - с. 64-65.

5. Волокитин Г.Г.,. Никифоров А.А, Унжаков С.О.. Разработка технологии получения сорбирущих материалов и оборудования для сбора разлитой нефти и нефтепродуктов. // Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций/ Тезисы доклада Международной конференции. - г. Белгород, 1995. - с. 75.

6. Разработка и реализация технологии получения минеральной ваты при помощи низкотмпературной плазмы из зол ГО ГРЭС: Отчет о НИР/ Научно-исследовательский институт строительных материалов при Томском инженерно строительном институте (НИИ СМ): Научный руководитель Г.Г. Волокитин. - № гос. per. 02903027056, Томск, 1995 г. - 43 е.: ил..

7. Никифоров A.A., Скрипникова Н.К., Волокитин Г.Г.. Плазменная технология производства минераловатных скорлуп для теп-

лозащиты трубопроводов. //Тезисы доклада 52'й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава с участием представителей строительных, проектных и научно-исследовательских организаций в Новосибирской государственной академии строительства, г. Новосибирск, 1996. - с. 4041.

8. Скрипникова Н.К., Никифоров A.A., Юшин В.Я.. Высокоадсорбционное волокно из термопластичных материалов для сбора нефтепродуктов. //Тезисы доклада научного семинара в ТНХК, г. Томск, 1996. с. 20.

9. Патент № 2075204 РФ. Устройство для получения минерального волокна/. Г.Г. Волокитин, В.Э. Борзых, A.M. Шиляев, С.О. Ун-жаков, A.A. Никифоров, В.А. Терехов, П.М. Лукьянчук (Россия). - БИ№ 15, 1997, с. 211.

10. Способ получения волокна из термопластичного материала. Пол.решение на выдачу патента по заявке № 95104902 от 16.03.95. авторы: Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, В.Э. Борзых, С.О. Унжаков, A.M. Шиляев, A.A. Никифоров и др..

11. Способ восстановления плавленных огнеупоров. Пол.решение на выдачу патента по заявке № 97103270 от 12.03.97. авторы: Г.Г. Волокитин, В.Э. Борзых, А.П. Кошин, A.A. Никифоров и Др..

12. Скрипникова Н.К., Никифоров A.A.. Технология производства теплоизоляционных скорлуп на минераловатной основе с помощью низкотемпературной плазмы. //Тезисы доклада международной научно-технической конференции, г. Красноярск, 1996. с. 25-26.

13. Скрипникова Н.К., Никифоров A.A.. Производство строительных материалов на основе зольного волокна. //Тезисы доклада научно-технической конференции в Новосибирской государственной академии строительства, г. Новосибирск, 1997. - с. 27-28.

14. Исследование плазмохимического способа получения минерального волокна зол из руды месторождения "Копна" и топазового концентрата: Отчет о НИР/ Научно-исследовательский институт строительных материалов при Томском инженерно строительном институте (НИИ СМ): Научный руководитель Г.Г. Волокитин. - № гос. per. 01330128062, Томск, 1997 г. - 44 е.: ил..