Исследование наноструктурных фрагментов продуктов плавления кварцевого песка полученного в агрегатах низкотемпературной плазмы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.19

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ ФРАГМЕНТОВ ПРОДУКТОВ ПЛАВЛЕНИЯ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА, ПОЛУЧЕННОГО В АГРЕГАТАХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ*

* Работа частично поддержана стипендией Президента РФ СП-211.2015.1

© Волокитин Геннадий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной механики и материаловедения Томского государственного архитектурно-строительного университета

Россия, 634003, г. Томск, Соляная пл., 2, e-mail: [email protected]

© Скрипникова Нелли Карповна, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной механики и материаловедения Томского государственного архитектурно-строительного университета

Россия, 634003, г. Томск, Соляная пл., 2

© Волокитин Олег Геннадиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной механики и материаловедения Томского государственного архитектурно-строительного университета Россия, 634003, г. Томск, Соляная пл., 2, e-mail: [email protected]

© Шеховцов Валентин Валерьевич, студент Томского государственного архитектурно-строительного университета

Россия, 634003, г. Томск, Соляная пл., 2, e-mail: [email protected]

Определены микроструктурные характеристики продукта плавления кварцевого песка, полученного в агрегатах низкотемпературной плазмы.

Ключевые слова: низкотемпературная плазма, кварцевый песок, кварцевое стекло, микростуктуры.

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

Microstructural characteristics of the melting quartz sand product obtained in the low temperature plasma units were defined.

Keywords: low-temperature plasma, quartz sand, quartz glass, microstructure.

В настоящее время интенсивно проводятся исследования процессов получения высокотемпературных силикатных расплавов из сырья с различным содержанием SiO2 (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].

Г. Г. Волокитин, Н. К. Скрипникова, О. Г. Волокитин, В. В. Шеховцов. Исследование наноструктурных фрагментов продуктов плавления кварцевого песка полученного в агрегатах низкотемпературной плазмы_

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, мае. %

БЮ2 АЬОз Ге2Оз СаО 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 (Мк=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 мае. %, 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 8Ю2 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 18М-7500Б (1БОЬ, Япония) с энергодисперсионным микроанализатором ББХ8 (рис.).

52.44пт

шиго оэ

52.90от

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.

Литература

1. Volokitin O. G., Shekhovcov V. V., Maslov E. A. Plasma treatment technology for silicate melt used in mineral fiber production // Advanced materials research. - 2014. - Vol. 880. - P. 233-236.

2. Получение силикатных расплавов с высоким силикатным модулем из кварц-полевошпатсодержащего сырья по плаз-

менной технологии / О. Г. Волокитин [и др.] // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 2014. - Т. 57, № 1. -С. 73-77.

3. Получение высокотемпературных силикатных расплавов в плазменных установках / О. Г. Волокитин [и др.] // Техни-

ка и технология силикатов. - 2013. - № 4. - С. 24-27.

4. Минеральное волокно, полученное в агрегатах низкотемпературной плазмы из продуктов сжигания каменного угля и

горючих сланцев / О. Г. Волокитин [и др.] // Строительные материалы. - 2013. - № 11. - С. 44-47.

5. Пат. 2503628 Российская Федерация. Плазменная установка для получения тугоплавкого силикатного расплава / О. Г. Волокитин, Е. В. Тимонов, Г. Г. Волокитин, А. А. Никифоров, В. К. Чибирков.

References

1. Volokitin O. G., Shekhovcov V. V., Maslov E. A. Plasma treatment technology for silicate melt used in mineral fiber production. Advanced materials research. 2014. V. 880. Pp. 233-236.

2. Volokitin O. G., Vereshchagin V. I., Volokitin G. G., Skripnikova N. K., Shekhovtsov V. V. Poluchenie silikatnykh rasplavov

s vysokim silikatnym modulem iz kvarts-polevoshpatsoderzhashchego syr'ya po plazmennoi tekhnologii [Obtaining of silicate melts with high silicate modulus from raw materials containing quartz-feldspar according plasma technology]. Izvestiya vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya - High school news. Chemistry and chemical technology. 2014. V. 57. No. 1. Pp. 73-77.

3. Volokitin O. G. Vereshchagin V. I., Volokitin G. G., Skroipnikova N. K. Poluchenie vysokotemperaturnykh silikatnykh rasplavov v plazmennykh ustanovkakh [Obtaining of high temperature silicate melts in plasma installations]. Tekhnika i tekhnologiya silikatov - Technique and technology of silicates. 2013. No. 4. Pp. 24-27.

4. Volokitin O. G., Skripnikova N. K., Volokitin G. G. et al. Mineral'noe volokno, poluchennoe v agregatakh nizkotemperaturnoi

plazmy iz produktov szhiganiya kamennogo uglya i goryuchikh slantsev [Mineral fiber produced in low temperature plasma units from combustion products of coal and shale]. Stroitel'nye materialy - Building Materials. 2013. No. 11. Pp. 44-47.

5. Volokitin O. G. Timonov E. V., Volokitin G. G., Nikiforov A. A., Chibirkov V. K. Plazmennaya ustanovka dlyapolucheniya

tugoplavkogo silikatnogo rasplava [Plasma apparatus for producing refractory silicate melt]. Pat. Rus. Fed. No. 2503628.