Исследование физико-химических свойств минеральных волокон, полученных с помощью электромагнитного технологического реактора

Потребность различных отраслей промышленности в теплоизоляционных строительных материалах постоянно возрастает. В настоящее время наибольшее применение находят теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон [1].

В Российской Федерации имеются неограниченные ресурсы горных пород, таких как базальт, габбро, диабаз, порфирит и др., представляющие ценность не только в качестве облицовочных материалов, но и как потенциальное односоставное сырье для производства минеральных волокон с уникальными свойствами.

Для производства минеральных волокон большое значение имеет использование не только добываемых горных пород, а также местных техногенных отходов, образующихся, в частности, при сжигании твердых топлив. При этом наибольший экономический эффект достигается благодаря тому, что происходит ориентация технологий и оборудования не только на природную сырьевую базу, но и потому, что одновременно используются и отходы местных промышленных производств [2].

Однако золошлакоотходы имеют повышенную температуру плавления, поэтому не могут быть использованы для производства минеральной ваты с помощью известных тепло-агрегатов (вагранок, ванных печей и т.д.) [3].

Для получения силикатных расплавов в минераловатном производстве применяют различные типы плавильных печей, различающиеся по принципу сжигания топлива, зависящего от его вида: шахтные (вагранки), ванные, электродуговые, индукционные.

Одним из перспективных направлений в этой области является применение электротермического метода для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов [4].

В отличие от ваграночного и ванного способов при электротермическом методе многостадийность процессов заменяется одностадийностью, что позволяет сократить затраты на производство оборудования и облегчает его эксплуатацию.

В качестве объектов исследований выбран базальт Селендумского месторождения, а также золошлак, полученный при сжигании окиноключевского угля, большие запасы которых имеются в Республике Бурятия.

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

Таблица 1

Химический состав базальтов различных месторождений

Содержание компонентов, %	Базальты
	селендумский	судунтуйский	марнеульский	берестовецкий
SiO 2	48,12	48,43	46,0	49,03
Al 2 O 3	13,87	14,23	16,75	12,58
TiO 2	2,93	3,15	1,13	2,85
Fe 2 O 3	5,28	5,46	6,66	3,88
FeO	6,74	6,90	3,60	10,15
CaO	8,80	8,58	9,07	9,53
MgO	3,75	3,58	4,65	5,47
Na 2 О	3,37	3,36	3,88	2,34
К 2 О	1,72	2,20	1,00	0,66
MnO	0,17	0,15	0,18	0,32
P 2 O 5	0,78	1,15	0,40	0,30
SO 3	0,21	0,24	0,24	0,21

Таблица 2

Химический состав золошлаков различных твердых топлив

Содержание компонентов, %	Золошлаковые отходы
	окиноключевского угля	тугнуйского угля	холбольджинского угля
SiO 2	56,50	45,00	52,00
Al 2 O 3	20,87	14,60	23,00
TiO 2	0,71	0,82	0,80
Fe 2 O 3 + FeO	14,38	14,25	12,40
CaO	3,80	12,62	13,50
MgO	1,86	9,05	4,95
Na 2 О	0,57	0,58	1,00
К 2 О	0,82	2,15	2,00
P 2 O 5	0,28	0,93	0,35
SO 3	0,21	0,24	0,24

В результате исследований выявлено, что золошлаковые отходы окиноключевского угля для получения минеральных (шлаковых) волокон по химическому составу входят в следующие пределы: 45-65% SiO 2 ; 10-25% Al 2 O 3 ; 10-45% CaO; 5-10% MgO; а селендумский базальт: 47,5-55,0 SiO 2 ; l4,0-20,0 Al 2 O 3 ; 3,0-8,5 MgO; 7,-11,0 CaO; прочие породы - не более 5%. Таким образом, данные сырьевые вещества принципиально пригодны для получения минеральной ваты электротермическим методом [5].

В работе 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 (рис.).

а

б

Рис. Продольный (а) и поперечный (б) разрез электромагнитного технологического реактора:

• 1    – реакционная камера; 2 – водоохлаждаемая крышка; 3 – водоохлаждаемое дно;

4 – стержневые электроды (3 шт.); 5 – стержневой запирающий электрод; 6 – полюсный наконечник;

• 7 – сериесная обмотка; 8 – источник питания; 9 – дополнительный источник питания для подогрева струи; 10 – устройство для вывода расплава (летка); 11 – футерованное днище камеры; 12 – патрубок в реакционную камеру для подачи сырья; 13 – футеровка

При этом конструктивные особенности реактора позволили получать чистый расплав, свободный от окклюдированных газов и восстановленных металлов, дающий возможность производства более качественной продукции.

Таким образом, удалось организовать режим выплавки в один этап, состоящий из комбинированного нагрева сырья. При пуске происходят электродуговой плазменный нагрев и расплавление сырьевого материала, а в дальнейшем, по мере проплавления и образования токопроводной чаши расплава, происходят подсыпка сырья и протекание тока через расплавленную алюмосиликатную массу, с ее одновременным электромагнитным перемешиванием и гомогенизацией при помощи последовательно включенных сериесных электромагнитов, что 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/ч, составляет 1,1-1,3 кВт/кг (для сравнения, затрачиваемая мощность работающих индукционных печей – 6 кВт/кг) [6].

Полученные с помощью электромагнитного технологического реактора минеральные волокна были исследованы для определения их физико-химических свойств.

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

В таблице 3 показан химический состав волокна, полученного из базальта Селендум-ского месторождения, а также волокна из золошлака.

Из таблицы видно, что содержание оксидов кремния и алюминия в базальтовом и золошлаковом волокне снижается незначительно, при этом замечено небольшое снижение оксида железа, вызванное тем, что при плавлении происходит восстановление содержащихся в них металлических оксидов до компактного металла, попутно сливаемого при выливании расплава. Данные особенности работы плавильного агрегата позволили получить чистый расплав, свободный от окклюдированных газов и восстановленных металлов и дающий возможность производства более качественной продукции.

Химический состав волокон

Таблица 3

Оксид	Содержание оксида в волокне, масс. %
	базальт	золошлак
SiO 2	46,11	54,69
Al 2 O 3	18,74	19,73
TiO 2	1,93	1,31
Fe 2 O 3 + FeO	11,82	12,47
CaO	9,70	3,98
MgO	3,43	3,49
Na 2 О	3,37	1,37
К 2 О	2,72	1,23
MnO	0,17	0,21
P 2 O 5	0,78	0,28
M к	4,94	9,96

Для суждения о пригодности минеральных волокон в качестве теплоизоляционных материалов большое значение имеет определение среднего диаметра волокон, так как, чем тоньше волокна, тем меньшей теплопроводностью они обладают [7]. Для определения среднего диаметра волокон использовался микроскопический метод анализа образцов. Средний диаметр рассчитывается по формуле:

d ср = g*Ц, (1) 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 = 5-15 мкм, а золошлаковые волокна – d ср =4-12 мкм. Таким образом, представленные волокнистые материалы относятся к тонким минеральным волокнам [8].

В агрессивных средах волокна подвергаются коррозионному воздействию. Различают два вида воздействия агрессивной среды на волокна – химическое (выщелачивание) и растворение в объеме внешней среды. 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 (ультранизкий M к ).

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

Таблица 4

Химическая стойкость волокон

Тип волокна	d ср , мкм	Химическая устойчивость (потеря веса) χ, %
		H 2 O	HCl	KOH
Селендумский базальт	9	99,6	69,3	91,5
Золошлак окиноключевского угля	8	99,4	78,57	90,56

Из данных таблицы 4 видно, что представленные волокона обладают достаточно высокой водостойкостью. По кислотостойкости волокна условно подразделяются на три группы: растворяющиеся, выщелачивающиеся и относительно стойкие. 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.

Для объяснения причин высокой химической стойкости золошлаковолокон также проводилось определение модуля кислотности M к полученных минеральных волокон по формуле:

SiO. + ALO, M =22_^_ . ^K CaO + MgO

Как следует из расчета, модуль кислотности для волокон, полученных из золошлака, составил М к = 9,96, а для базальта М к = 4,94. Таким образом, химическая стойкость волокон значительно возрастает при увеличении М к , что и наблюдается в золошлаковолокнах. Однако при получении волокон из расплава картина изменяется – плавить базальт легче, чем зо-лошлак [9].

Далее проводилось определение коэффициента теплопроводности. Низкая теплопроводность представленных волокон обусловлена их высокоразвитой поровой поверхностью, препятствующей конвекции и тепловому излучению. Однако теплопроводность волокон зависит от температуры, при которой они используются, а также от подшихтовки сырья. Зави- симость теплопроводности минеральных волокон от температуры, а также от подшихтовки представлена в таблице 5.

Таблица 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	0,037	0,030	0,034
100	0,046	0,035	0,041
200	0,064	0,051	0,058
300	0,091	0,076	0,084
400	0,125	0,095	0,109
500	0,189	0,137	0,151
600		0,172	0,194

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

σ = (4P * 104) / πd2,                                          (3)

где о - разрывное напряжение, МПа; Р - разрывная нагрузка; nd² - диаметр элементарной нити, мкм. Данные о зависимости прочности волокон от диаметра представлены в таблице 6.

Таблица 6

Зависимость прочностных свойств от диаметра волокон

Показатель	Тип волокна
	селендумский базальт	золошлак окиноключевского угля
Диаметр, мкм	5; 10; 15; 20	4; 8; 12; 16
	1874	1927
Прочность, МПа	1351	1390
	1180	1213
	1070	1130

Как видно из таблицы 6, удельная прочность на разрыв волокон зависит от их диаметра. Чем больше диаметр, тем меньше прочность [7, 10].

Таким образом, представленные волокна по механическим характеристикам (на разрыв) не уступают волокнам, полученным из известных (Берестовецкое, Марнеульское) месторождений, а также удовлетворяют требованиям ГОСТа.

Полученные волокна характеризуется высокими эксплуатационными характеристиками, 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.

Физико-химическими методами определения установлено, что при электромагнитном технологическом методе получения минерального волокна происходят процессы, отличающиеся от процессов при традиционных способах: при высокой температуре обработки (16002500 К) наблюдается более глубокое разложение исходного сырья на элементарные составляющие в виде соответствующих оксидов (SiO 2 , СаО, MgO и т.д.). При этом конструктивные особенности реактора позволили получать чистый расплав, свободный от окклюдированных газов и восстановленных металлов, дающий возможность производства более качественной продукции.