Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора (стр. 2 )

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

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 Qуд (кВт*ч/кг) имеет следующий вид:

  Qуд = Iравн. – Iисх.  (1)

где Iисх и Iравн – 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.