Расчет процесса высокотемпературной плавки базальта Селендумского месторождения

Потребность различных отраслей промышленности в теплоизоляционных строительных материалах постоянно возрастает. На сегодняшний день наибольшее применение находят теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон [1]. 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.

В работе представлены данные по экспериментальному получению расплавов из базальта с применением в качестве плавильного аппарата электромагнитного технологического реактора [2].

Процесс производства минеральных волокон состоит из двух основных стадий – получения гомогенного сырьевого расплава и его раздува в волокна. Для получения расчетно-теоретических и экспериментальных результатов по плавлению базальта с определением оптимальных технологических режимов при получении расплавов и волокон необходимо проведение расчетов процесса высокотемпературной плавки (переработки) рассматриваемого сырья. При изучении механизма плавления сырья с помощью электромагнитного технологического реактора использована среда моделирования в виде компьютерной программы ТЕРРА для расчетов процессов плавления базальта [3].

Описываемый программный комплекс позволяет моделировать предельно равновесные состояния и реализует созданный для него метод и алгоритм расчетов. Для каждого вещества набор свойств должен состоять из его химической формулы, пределов аппроксимации термодинамических функций T min , T max , семи коэффициентов для приведенного термодинамического потенциала Ф i (T) (φ 1 – φ i ), стандартной энтальпии образования H f ⁰ (298). Каждому индивидуальному веществу, находящемуся в базе данных программного комплекса ТЕРРА, соответствует один или несколько комплектов свойств, в которые помимо перечисленных термодинамических функций входят параметры функций Леннарда-Джонса для расчета теплофизических констант (коэффициенты теплопроводности, вязкости, диффузии) многокомпонентных газовых смесей.

Удельные энергозатраты на процесс термообработки состоят из затрат энергии на нагрев сырья до заданной температуры и плавления, приводящего к химическим превращениям, для установления термодинамического равновесия в системе. Выражение для Q уд имеет вид:

Q_уд = I_равн -I_исх, кВт ⋅ ч/кг,                                             (1)

С.Л. Буянтуев, А.С. Кондратенко, С.А. Цыренов. Расчет процесса высокотемпературной плавки базальта Селендумского месторождения где Iисх и Iравн – полная энтальпия, отнесенная к 1 кг рабочего тела (шихта + окислитель), находящегося в исходном и равновесном (после всех превращений) состояниях.

Для конкретных термодинамических систем значение I равн вычисляют методами химической термодинамики многокомпонентных гетерогенных систем с помощью программы ТЕРРА.

Энтальпия исходного сырья может быть записана выражением:

I исх = ∆H^o f (T 0 ) исх + ,                                                (2)

где ∆H^o f (T 0 ) исх – стандартная теплота образования рабочего тела, T 0 = 298,15 K – стандартная температура; T исх – исходная температура процесса, при которой реагенты поступают в зону реакции.

При равенстве T исх = T 0 , выражение будет иметь вид:

I исх = ∆H^o f (298) исх.                                                    (3)

Тогда необходимо по справочным данным определить I исх системы. Для этого производится суммирование энтальпий образования всех компонентов, входящих в состав сырья (базальт, золошлак):

∆H^o f (298) исх = ∆H^o f (298) SiO2 + ∆H^o f (298) Al2O3 + ∆H^o f (298) TiO2 + ∆H^o f (298) Fe2O3 + ∆H^o f (298) CaO + ∆H^o f (298) MgO + ∆H^o f (298) Na2О + ∆H^o f (298) К2О +∆H^o f (298) MnO + ∆H^o f (298) P2O5 + ∆H^o f (298) SO3.

Определяя энтальпию образования компонентов системы по вышеприведенной зависимости получаем значение I исх = 112074,3 кДж/кг.

При вычислении Q уд необходимо также учитывать массовые доли входящих в состав компонентов [4].

Итак, исходным материалом является базальт Селендумского месторождения, массовые доли образующих его состав компонентов распределяются следующим образом: SiO 2 = 0,4812; Al 2 O 3 =0,1387; TiO 2 = 0,0293; Fe 2 O 3 = 0,0528; FeO = 0,0674; CaO = 0,0880; MgO = 0,0375; Na 2 O = 0,0337; К 2 О = 0,0172; P 2 O 5 = 0,0078; SO 3 = 0,0021; MnO = 0,17.

Определяем Q уд (кВт*ч/кг) и рассчитываем минимально вкладываемую электрическую мощность P эл , кВт: результаты термодинамического расчета полной энтальпии I равн , количества конденсированной фазы Z (%), а также равновесного состава с помощью программы ТЕРРА представлены на рис. 1 а, б; 2 и табл. 1, 2.

Таблица 1

Зависимость удельных энергозатрат от температуры плавления базальта

T, °C	1000	1200	1400	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2800	3000
Q уд , кВт*ч/кг	0,40	0,685	0,98	1,37	1,71	1,874	1,96	2,07	2,16	2,32	2,76
P, кВт	-	70,3	81,4	98,1	114,75	148,1	159,2	187	200	225,9	292

А                                      Б

Рис. 1 Полная энтальпия плавления (А) и количество конденсированной фазы (Б) Селендумского базальта

Рис. 2 Состав конденсированной фазы базальта Селендумского месторождения

Как показали расчеты, в конденсированной фазе, в области температур T=1000-1800°C концентрация оксида кремния SiO₂ монотонно возрастает с 26,5 до 31,4%, затем при T=2000°C снижается до 27,4% в связи с ростом концентрации CaSiO₃ и при T=3000°C составляет 26,6%, а оксида алюминия Al₂O₃ остается практически постоянной и составляет 14,4%. Моносиликат кальция CaSiO 3 в интервале температур 1400-1800°C уменьшается до 12,6%, что связано с появлением в этом интервале CaTiO 3 (5,2%) и с падением до нуля концентрации TiO 2 . Затем происходит постепенное увеличение концентрации CaSiO 3 и при 2000°C она равна первоначальному значению. Это вызвано тем, что при температуре 2000°C происходит образование MgTi 2 O 5 с концентрацией 3,8%, что объясняется появлением при данной температуре CaTiO 3 (1,2%). Концентрация MgSiO 3 – 9,7%, а затем при 1800°C падает до нуля. Это связано с появлением Mg 2 SiO 4 . При 2000°C концентрация MgSiO 3 выравнивается и составляет 7,8%. При нагреве до температуры 1600°C наблюдается окисление Fe⁺³ до Fe⁺⁴, затем при температуре 2800°C происходит процесс восстановления катиона Fe⁺⁴ до Fe⁺² и при 3000°C – его переход в Fe 2 SiO 4 , но все же, как следует из состава конденсированных фаз, при 3000 °C происходит восстановление 1% Fe. Полученный железный сплав, обладая значительно большей плотностью, чем расплав, собирается на дне плавильного аппарата. Данное превращение становится возможным не только из-за влияния температуры, но и под действием электрического тока (протекающего в расплаве), являющегося мощным восстановителем [5, 6].

Таблица 2

Состав конденсированной фазы базальта Селендумского месторождения

Температура нагрева, °C	Состав базальта, %
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	TiO 2	CaSiO 3	CaTiO 3	MgSiO 3	K 2 Si 4 O 9	Na 2 Si 2 O 5
1000	26,5	14,48	13,3	3,0	17	-	9,7	5,4	7,7
1200	26,5	14,48	13,3	3,0	17	-	9,7	5,4	7,7
1400	28,8	14,48	13,3	-	12,5	5,2	9,7	5,4	7,7
1600	28,8	14,48	13,3	-	12,5	5,2	9,7	5,4	7,8
1800	31,5	14,48	Fe 3 O 4 12,8	-	12,5	5,2	Mg2SiO4 6,8	5,4	8,2
2000	27,4	14,48	12,8	-	17,5	-	7,8	5,2	8,1
2200	27,4	14,48	12,8	-	19,5	-	7,8	4,4	7,7
2400	27,4	14,48	12,8	-	19,5	-	7,8	4,5	7,6
2600	27,4	14,48	12,8	-	19,5	-	7,8	4,5	7,5
2800	27,8	14,48	FeO 12,0	-	19,5	-	7,8	4,3	7,0
3000	26,6	14,48	Fe 2 SiO 4 15,7	-	19,5	-	7,8	1,2	-

1000       1500       2000       2500       3000 у, °C

Рис. 3. Температурная зависимость удельных энергозатрат при плавлении базальта

Зависимость удельных энергозатрат от температуры представлена в табл. 1 и на рис. 3.

Таким образом, резюмируя содержание статьи, необходимо отметить, что определены диапазон температур и удельные энергозатраты высокотемпературной переработки (плавки) базальта. Как показал анализ, оптимальный температурный диапазон плавления данных материалов находится в пределе 1600-2200 °C, а удель-

Б.И. Михайлов и др. Получение синтез-газа с заданным СО-водородным числом ные энергозатраты в среднем составляют 1,1-1,3 кВт•ч/кг. Из экспериментальных данных следует, что мощность установки в зависимости от состава сырья варьирует от 65 до 200 кВт, при производительности по расплаву равной 150 кг/ч [7]. Данные по мощности электродугового плазменного реактора, вычисленные с помощью термодинамического расчета, согласуются с экспериментальными данными. Так, хорошая текучесть расплава базальта без подшихтовки наблюдалась при температуре 2000°C. Измерение проводилось на выходе струи из летки с помощью оптического инфракрасного пирометра. При этом электрическая мощность реактора при плавлении находилась в интервале 65-200 кВт. Данные по удельным энергозатратам относятся только к расплаву, а потому не включают в себя затраты на скрытую теплоту плавления, работу вспомогательного оборудования и другие факторы.