Исследование наноструктурных фрагментов продуктов плавления кварцевого песка полученного в агрегатах низкотемпературной плазмы

THE STUDY OF NANOSTRUCTURED FRAGMENTS OF QUARTZ SAND MELTING PRODUCTS OBTAINED IN THE UNITS OF LOW TEMPERATURE PLASMA

Volokitin Gennady G., Doctor Technical Sciences, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, Head Department of Applied Mechanics and Materials

• 2,    Solyanaya, sq., Tomsk, 634003, Russia

Skripnikova Nelly K., Doctor Technical Sciences, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, Department of Applied Mechanics and Materials

• 2,    Solyanaya, sq., Tomsk, 634003, Russia

Volokitin Oleg G., candidate of technical sciences, associate Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, Department of Applied Mechanics and Materials

• 2,    Solyanaya, sq., Tomsk, 634003, Russia

Shekhovtsov Valentin V., student, Tomsk State University of Architecture and Building

• 2,    Solyanaya, sq., Tomsk, 634003, Russia

В настоящее время интенсивно проводятся исследования процессов получения высокотемпературных силикатных расплавов из сырья с различным содержанием SiO 2 (40–60 %) с использованием энергии низкотемпературной плазмы [1–4]. Установлено, что получение расплавов сопряжено с трудностями, связанными с высокой температурой плавления материалов и высокой вязкостью получаемых из них. Для решения этих проблем предлагается использовать энергию низкотемпературной плазмы, которая позволяет, за счет резкого повышения температуры, расплавлять высококремнеземистое сырье, имеющее температуру плавления около 1700 ^○С [4–5].

В качестве сырья для получения высококремнеземистого расплава использовались отсевы кварцевого песка Туганского месторождения (Томская область). Высокая дисперсность используемого сырьевого материала создает дополнительные трудности при его плавлении. Под действием ударной волны потока плазмы частицы дисперсностью менее 100 мкм удаляются из зоны плавления, что негативно влияет на коэффициент полезного действия установки. Химический состав дисперсной фракции песка Туганского месторождения представлен в табл.

Таблица

Химический состав кварцевого песка

Сырьевые материалы	Содержание оксидов, мас. %
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	п.п.п.
Песок Туганского месторождения	98,15	0,67	0,12	0,07	0,05	0,94

Анализ фазового состава исследуемых сырьевых материалов показал, что исследуемый песок является высококремнеземистым продуктом с достаточно низким содержанием примесей. Высокое значение модуля кислотности исследуемого кварцевого песка Туганского месторождения (М к =823,5) значительно выше модуля кислотности силикатного сырья, ранее используемого для получения высокотемпературных расплавов. Высокий модуль кислотности положительно влияет на химическую и термическую стойкость готовых изделий. С уменьшением модуля кислотности возрастает склонность к кристаллизации – долговечность уменьшается [4]. Содержание оксида кремния Туганского песка составляет 98,15 мас. %, отсевы песка являются высококремнеземистым продуктом с достаточно низким содержанием примесей. Средний размер зерна 80 мкм.

Эксперименты по получению силикатного расплава проводили на электроплазменной установке [5] со шнековой системой подачи сырьевого материала, исключающей выдув плазменным потоком мелкодисперсных частиц из зоны плавления.

Высокое содержание SiO 2 предопределяет использование кварцевого песка в качестве сырьевого материала при получении силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы. Исходный сырьевой материал представлен мелкодисперсной фракцией (80–120 мкм). Продукт плавления представляет собой стекловидный полупрозрачный материал с разводами углерода.

Определение микроструктурных характеристик продукта плавления кварцевого песка проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM-7500F (JEOL, Япония) с энергодисперсионным микроанализатором EDXS (рис.).

илЛг^э

Ш1Ф/’£Р      1                      ^t              52.44ПГП шиэгзй

52.90nm
шОЗО 09 шиЙг^	cjuvV V* ^SZSt,	СП 3	^‘6V

Рис. Электронно-микроскопический снимок поверхности продукта плавления кварцевого песка

Установлено, что полученный продукт плавления кварцевого песка Туганского месторождения имеет неоднородное микрогетерогенное строение, включающее как остаточный кварц, так и аморфные области. В стекловидной массе равномерно распределены элементы различной формы, частично спаянные между собой. Размеры областей находятся в пределах от 19 до 60 нм.

В общем можно сказать, что полученный с помощью энергии низкотемпературной плазмы продукт плавления кварцевого песка Туганского месторождения характеризуется структурной неоднородностью.