Исследование минеральных волокон, полученных путем смешения базальта и золошлаковой смеси с помощью электромагнитного технологического реактора

В настоящее время с развитием промышленности заводы выбрасывают различные виды отходов, в том числе и золошлаковые смеси. В области производства теплоизоляционных строительных материалов применяется технология низкотемпературной плазмы, с помощью которой расплавляют золошлак и базальт при высоких температурах с последующим получением минеральных волокон. Для повышения экономической эффективности утилизации твердых отходов в качестве объектов исследований выбраны золошлаковые смеси с мусоросжигающего завода провинции Шень-Чжень КНР, а также базальт Енхорского месторождения. Первоочередной задачей является исследование минерального волокна, полученного при совместном плавлении золошлака и базальта в электромагнитном технологическом реакторе, на прочность и размер волокон.

В строительной промышленности из-за климатических особенностей России значительное место занимает разработка новых теплоизоляционных материалов и технологий их производства, а также методик оценки их подбора и использования в определенных климатических зонах [1].

Цель работы - выявить новые данные по производству волокнистых теплоизоляционных материалов, их строению и химическому составу, полученных из совместного плавления в различных пропорциях базальта Енхорского месторождения и золошлаковой смеси китайского мусоросжигательного завода.

Материалы и методы исследования

В качестве основы исходной смеси для производства минерального волокна применялся базальт [2]. На территории России и во всем мире имется много разновидностей базальтов, отличающихся друг от друга не только составом, но и свойствами [3 - 13].

Вторым компонентом были выбраны золошлаковые смеси, оставшиеся после утилизации коммунальных отходов. Золошлаковые смеси – промышленный отход с высокой температурой плавления, лежащей в интервале температур 900 - 1400 ° С [14, 15].

Для плавления исходной смеси с последующим получением минерального волокна был применен электромагнитный технологический реактор (рис. 1) [16]. Он обладает следующими преимуществами: легкость управления за счет автоматизации процессов плавления, безинер-ционность плазменных процессов в реакторе, маневренность установки по мощности от 10 до 100 % [2]. Протекание процессов плавления исходной смеси организовано таким образом, что области тепловыделения и теплопоглощения сконцентрированы в одном месте, что позволяет производить плавление исходной смеси в уменьшенные промежутки времени, тем самым создавая большую тепловую область в зоне реакции для плазмы, а также сократить время выхода установки на рабочий режим, и как следствие повысить энергоэффективность процесса плавления.

Применение электродуговой плазмы открывает большие перспективы для проведения плавильных процессов золошлаков и базальтовых пород [17]. Практическими методами была определена средняя затрачиваемая мощность для получения расплава составляет 1,1 - 1,3 кВт/кг. Если сравнивать ее с затрачиваемой мощностью в традиционных технологиях, например для индукционных печей, затрачиваемая мощность составляет 6 кВт/кг [16].

Перед запуском установки происходит ее подготовка и засыпка в реактор. На летку, находящуюся на дне реакционной камеры, опускают центральный электрод. При этом необходимо, чтобы центральный электрод плотно закрывал отверстие летки, а остальные три электрода размещались на расстоянии 50-70 мм от дна реактора. Затем засыпают часть сырья, таким образом, чтобы концы электродов были закрыты на 40-50 мм. После этого на поверхности сырья размещают дорожку из графита толщиной 8 мм (используемый объем 500 мл) для создания электрической дуги и засыпают оставшееся сырье 100-150 мм высотой от поверхности с графитом. Необходимо перемешивание ингредиентов в печи и увеличение тока, чтобы поддерживать процесс нагрева постоянным и значительно сократить время установления относительно стабильного режима в реакторе, что положительно сказывается на энергоемкости процесса изготовления минеральных волокон.

Исходное сырье представляет собой смешение золошлаковой смеси и базальта. Золошлаковые смеси с мусоросжигающего завода провинции Шень-Чжень КНР представляют собой высокодисперсное порошкообразное вещество со средним размером частиц 0,01 - 0,3 мм (рис. 2) и элементным составом, представленным в таблице 1. Составы и внешний вид базальта Енхорского месторождения представлены на рисунке 3 и в таблице 2.

Рисунок 1 – Электромагнитный технологический реактор [16]:

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

Рисунок 2 – Растровая электронная микроскопия золошлаковой смеси при 500-кратном увеличении

Рисунок 3 – Растровая электронная микроскопия базальта Енхорского месторождения при 500-кратном увеличении

Таблица 1

Процентная концентрация элементов в составе золошлаков

C	O	Mg	Ca	Si	Cl	P	Na	Al	S	K	Ti	Fe
4,64	47,20	1,59	21,14	6,32	6,25	1,30	2,58	2,86	1,29	2,23	0,61	1,99
Итог: 100.00

Таблица 2

Процентная концентрация элементов в составе базальта

O	Mg	Ca	Si	Cl	Р	Na	Al	K	Ti	Fe	Итог
54,80	2,22	3,14	17,28	0,38	0,83	2,96	5,63	0,99	3,05	8,72	100,00

Результаты исследования и их обсуждение

Плавление смеси золошлака и базальта осуществлялось при номинальном токе от 50 до 150 А, время плавки составляло 40 - 50 мин при мощности реактора около 7 кВт. При разбрызгивании расплава на специальном валке было проведено получение минеральных волокон. Свойства волокон, образующих минеральную вату, и волокна, произведенного как из 100%-ного базальта без добавлений, так и смеси базальта и золошлака, представлены на рисунках 4, 5 и в таблицах 3, 4.

Таблица 3

Процентная концентрация элементов в составе волокон, полученных из расплава базальта

O	Mg	Ca	Si	Na	Al	K	Ti	Fe	Итог
56,74	2,84	3,06	21,15	3,57	8,21	0,96	0,57	2,90	100,00

Таблица 4

Процентная концентрация элементов в составе волокон, полученных из расплава из смеси базальта и золошлаков

O	Mg	Ca	Si	Na	Al	K	Ti	Fe	Итог
52,24	2,93	4,23	22,92	3,26	8,38	1,27	0,82	3,95	100,00

Рисунок 4 – Микрофотография волокон, полученных из базальта Енхорского месторождения электроплазменным способом при 70-кратном увеличении

Рисунок 5 – Микрофотография волокон, полученных из золошлаковой смеси и базальта центробежным вытягиванием расплава при 70-кратном увеличении

При описании химической стойкости минеральной ваты применяют такой показатель, как модуль кислотности Mk [18], который, в свою очередь, может быть определен следующим образом (1):

SiO + Al O

_M=   2   2 3

.

k CaO + MgO

Анализ таблиц 3 и 4 показал, что расчетный модуль кислотности для минеральной ваты, полученной из базальта Енхорского месторождения равен М k =4,98, для смеси базальта Енхор-ского месторождения с золошлаковыми отходами мусоросжигательного завода составляет M k =5,76.

Заключение

Химическая стойкость минеральной ваты находится в прямой зависимости от модуля кислотности: чем он выше, тем больше химическая стойкость минеральной ваты. Данные экспериментов показывают, что наибольшее значение по модулю кислотности имеют волокна с содержанием золошлаковых отходов в исходной смеси и, как следствие, эти волокна обладают наибольшей химической стойкостью.

Проведенные исследования показали, что производство теплоизоляционных материалов из смешения 70 % базальта и 30 % золошлаковой смеси имеет достаточный для масштабного производства потенциал. Использование данной технологии на мусоросжигательных заводах позволит повысить степень переработки твердых коммунальных отходов с улучшением экологической обстановки городов, а полученный расплав применить для получения минеральной ваты или изделий каменного (минерального) литья.