Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора (стр. 1 )

На правах рукописи

КОНДРАТЕНКО Анатолий Сергеевич

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ВОЛОКНИСТОЙ СТРУКТУРЫ ИЗ БАЗАЛЬТА И ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕАКТОРА

Специальность: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

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

, генеральный директор 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  г. Улан-Удэ, 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 dср  = 10 мкм, золошлаковых волокон – dср = 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 № 000. 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.