Использование энергии низкотемпературной плазмы для выработки силикатного расплава
, к. т.н., доц.,
, студент гр. 340/1
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
E-mail: *****@***ru
Плазменные технологии, развивается для решения широкого круга задач. Используя потоки энергии низкотемпературной плазмы для получения высокотемпературных силикатных расплавов, позволяют добиться стабильно высоких температур, обеспечивают переход исходных силикатных материалов в расплавленное состояние [1-2]. Степень химической однородности расплава зависит от температуры плавления сырья и времени выдержки в расплавленном состоянии. Чем выше температура расплава и больше время его выдержки, тем интенсивнее происходит разрушение силикатных соединений и приближение к структуре истинных растворов оксидов в расплаве. Разрушение зон дальнего порядка в расплаве приводит к большей его разупорядоченности. Однородность расплава можно добиться либо повышением температуры, либо увеличением времени выдержки в расплавленном состоянии.
Целью настоящей работы является исследование процессов, протекающих в плазмохимическом реакторе при производстве силикатного расплава из кварц-полевошпатсодержащего сырья.
В качестве исходного материала для получения расплава использовались кварц-полевошпатсодержащие отходы обогащения молибденовых руд. Химический состав указанных сырьевых материалов представлен в табл.1.
Таблица 1. Химический состав исходных сырьевых материалов
Материал | Содержание оксидов, % мас. | |||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Na2O | K2O | Мк* | |
Отходы обогащения молибденовых руд | 62,05 | 15,94 | 4,18 | 4,72 | 2,01 | 4,27 | 3,85 | 11,59 |
* модуль кислотности, |
;Из данных, представленных в таблице следует, что химический состав исследуемого сырья характеризуются содержанием SiO2 (62 %), которое аналогично содержанию кремнезема в технических стеклах и может быть использовано для получения силикатных расплавов, в том числе при производстве минеральных волокон [4-5].
Указанные сырьевые материалы подвергались плавлению на плазменной установке [3]. Технологические режимы при этом соответствовали значениям U=160 В, I=220 А, Р=35,2 кВт, q=1,8·106 Вт/м2. Принцип работы установки основан на взаимодействии высококонцентрированных потоков плазмы с порошкообразным силикатсодержащим материалом, в результате, которого осуществляется нагрев дисперсных частиц с последующим образованием гомогенного расплава. Используемая схема плазмохимического реактора позволяет исключить потерю мелкодисперсных частиц, выдуваемых потоком низкотемпературной плазмы, кроме того, вырабатываемый расплав характеризуется однородностью по всему объему печи.
С целью выяснения процессов, протекающих при высокотемпературном синтезе расплавов, были проведены физико-химические исследования: рентгеноструктурный и дифференциально-термический анализы.
Рентгеноструктурные исследования проводились на ДРОН4 – 07, который был модифицирован к цифровой обработке сигнала. Съемки производились на медном излучении (Kα) по схеме Брегга – Бретано с шагом 0.020, временем экспозиции в точке 1 сек, в угловом диапазоне 20 – 920, с напряжением на трубке 30 кВ и током пучка 25 мА. Порошкообразные пробы отходов молибденовых руд изучались в исходном и аморфном состояниях. Аморфное состояние было получено в результате воздействия потоков низкотемпературной плазмы.
На (рис.1,2) приведены результаты съемок дифрактограмм рудного сырья в различных состояниях. На рисунках приведены экспериментальная и расчетные дифрактограммы. Как видно на рисунках для исследуемых состояний наблюдается хорошее совпадение суммарных (расчетных) и экспериментальных дифрактограмм.
Рис.1. Количественный фазовый анализ отходов обогащения сырья в
исходном состоянии:
а) Экспериментальная (1) и суммарная дифрактограммы (2);
Разность между суммарной и экспериментальной дифрактораммами (3).
б) Расчетные дифрактограммы фаз: O2Si (1); O22Al20 (2); O6Si6 (3).
Рис. 2. Количественный фазовый анализ отходов обогащения сырья в
аморфном состоянии:
а) Приведены: суммарная дифрактограмма (1);
экспериментальная дифрактограмма (2);
разность между суммарной и экспериментальной дифрактораммами (3).
б) Приведены фазы: O2Si (1); O22Al20 (2); O192Si96 (3).
Из рис. 1, а, видно, что основными фазами для отходов обогащения молибденовых руд являются кварц и полевой шпат. Рентгенофазовый анализ показал, что продукт плавления характеризуется отсутствием характерных пиков рис. 2, а, что говорит об отсутствии кристаллической структуры, т. е. расплав после остывания является рентгеноаморфным [5].
На следующим этапе был проведен термический анализ на синхронном термоанализаторе STA 449 C Jupiter Netzsch (Германия) в атмосфере воздуха со скоростью нагрева 10 град/мин.
Полевой шпат, являясь природным материалом, содержит компоненты, в состав которых входят гидроксильные и карбонатные группы. Наличие таких термически неустойчивых соединений подтверждается результатами термического анализа. На термогравиметрических кривых (ТГ – кривая) исходного полевого шпата в интервале температур 25 – 1000 °С (рис. 3) наблюдается плавное уменьшение массы.
Анализ температур максимальной скорости разложения (ДТГ – кривая) дает основание предполагать присутствие в образце кристаллизационной воды до 0,16%мас. с температурой дегидратации 117,7 °С.
Рис. 3. Термограмма исходного образца полевого шпата.
Высокое сродство оксидов кальция и магния к углекислому газу способствует образованию в воздушной атмосфере соответствующих карбонатов, присутствующих в малых количествах в исследуемом образце. Падение массы (ТГ – кривая) в интервале 260 - 380°С (0,28% мас.) обусловлено разложением карбоната магния, имеющего согласно литературным данным температуру разложения 350 °С [6]. Уменьшение массы (1,83% мас.) в области 700 – 840 °С подтверждает присутствие в образце карбоната кальция. В интервале температур 500 - 540 °С с ярко выраженным эндо эффектом 528°С очевидно разлагаюся гидроксосоединения алюминия.
Термический анализ полевого шпата, прошедшего плазменную обработку, указывает на его стабильность (рис.4). В исследуемом интервале температур наблюдается незначительный рост массы 0,35%мас. Образец отличается термодинамической стабильностью (ДСК – кривая) и химической инертностью в атмосфере воздуха в интервале температур 25 – 1000 °С. Обработка приводит к разрушению термически неустойчивых примесей полевого шпата.
Рис. 4. Термограмма полевого шпата, прошедшего плазменную обработку
Таким образом, на основании результатов физико-химических исследований следует заключить, что технология получения силикатного расплава из кварц-полевошпатсодержащего сырья с использованием энергии низкотемпературной плазмы позволяет получить упорядоченную систему алюмосиликатного стекла. Продукты плавления характеризуются однородностью и упорядоченностью, т. е. процесс плавления сырьевых материалов обеспечил полную гомогенизацию расплава.
Работа частично поддержана грантом Президента РФ МК-2330.2013.8
Список литературы:
1. Махова производства базальтовых волокон и изделий // М., Теплоэнергетик. 2002. с. 170.
2. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы / , , и др. – Новосибирск: Наука, 2004. – 464 с. – (Низкотемпературная плазма. Т.20).
3. Пат. 2503628 Российская Федерация. Плазменная установка для получения тугоплавкого силикатного расплава. Волокитин Е. В., ,
4. Верещагин использования вторичного сырья для получения строительной керамики и ситаллов / , , и. В. Кащук // Строительный материалы. – 2000. – № 7. – С. 20-22.
5. Волокитин процессов протекающих при плазмохимическом синтезе высокотемпературных силикатных расплавов. Часть 1: Анализ отходов обогащения молибденовых руд / , , // Вестник ТГАСУ– 2013. – №4. – С. 197–202.
6. Лукин анализ и контроль производства керамики / , . – М.: Стройиздат, 1986. – 272 с.
