CC BY
31
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 666.263.2
ЛУЦЕНКО АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ, соискатель, lucenko@myttk. ru
СКРИПНИКОВА НЕЛЛИ КАРПОВНА, докт. техн. наук, профессор, nks2003@mail. ru
ВОЛОКИТИН ГЕННАДИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kafpm@tsuab. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
ТУРАШЕВ АКЖАИК СЕЙТКОЖАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, tac60@bk. ru
Евразийский национальный университет им. Гумилева,
010008, р. Казахстан, г. Астана, ул. Мунайтпасова, 5
ПО.ЛУЧЕНИЕ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ СИЛИКАТСОДЕРЖАЩИХ РАСПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
В статье приведены результаты исследования возможности получения стеклокристаллических материалов в условиях высоких температур с применением низкотемпературной плазмы на основе природных минералов и техногенных отходов. При использовании данных методов за счет действия высоких температур происходит интенсификация процесса получения расплава, позволяющая получать стеклокристаллические материалы на основе техногенных отходов и природных минералов со значительным сокращением времени выработки и снижением энергопотребления, что при традиционной технологии невозможно.
Ключевые слова: стеклокристаллические материалы; зола; золошлаковые отходы; низкотемпературная плазма.
LUTSENKO, ALEKSANDER VALERIEVICH, P.G., lucenko@myttk. ru
SKRIPNIKOVA, NELLI KARPOVNA, Dr. of tech. sc., prof., nks2003@mail. ru
VOLOKITIN, GENNADY GEORGIEVICH, Dr. of tech. sc., prof., kafpm@tsuab. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia,
© А.В. Луценко, Н.К. Скрипникова, Г.Г. Волокитин, А.С. Турашев, 2012
TURASHEV, AKZHAIKSEYTKOZHANOVICH, Cand. oftech sc., assoc, prof., tac60@bk. ru
Eurasian National Technical University named after Gumilev,
5 Munaitpasov st., Astana, 010008, Kazakhstan
PRODUCTION OF GLASS - CRYSTALLINE MATERIALS FROM SILICATE MELTS WITH THE USE OF LOW-TEMPERATURE PLASMA
The possibility of production of glass-crystalline materials on the basis of natural minerals and waste products at high temperatures using the low-temperature plasma and electro-arc warming up was investigated. When using these methods, due to action of high temperatures the intensification of the process of melt is taking place. It allows to receive glass-crystalline materials on the basis of waste products and natural minerals with considerable decrease of production time and power consumption that at traditional technology is not possible.
Keywords: glass-crystalline materials; ash; ash and slag wastes; low-temperature plasma.
Стеклокристаллические материалы - это синтетические неорганические материалы на силикатной основе, по своим свойствам сопоставимые, а зачастую и превосходящие натуральные камни. Цветовая гамма и текстура их могут варьироваться в необычайно широком диапазоне, значительно перекрывающем спектр природных декоративных минералов. Из стеклокристаллических материалов можно изготавливать изделия методами литья (из расплава), прессования, проката. В этом их большое преимущество перед природными и синтетическими кристаллами [1]. В основном для изготовления стеклокристаллических материалов используют: доменный шлак - для получения шла-коситаллов; различные горные породы (базальты, сланцы и т. д.), нефелиновый концентрат - для получения петроситаллов, золошлаковые отходы - для получения золоситаллов [2].
Цель данной работы - исследование возможности получения стеклокристаллических материалов из силикатсодержащих расплавов с использованием низкотемпературной плазмы. В качестве техногенного сырья для получения силикатного расплава использовалась зола ТЭС г. Северска Томской области, а в качестве природных материалов - известняк и кварцевый песок. Их исходный химический состав представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав исследуемых материалов
Наименование оксида Содержание оксидов в материале, % масс.
Зола ТЭС Известняк Кварцевый песок
SiO2 51,16 1,12 98,02
ЛЪОз 34,57 0,43 0,22
Fe2Os 3,62 0,28 0,51
CaO 8,33 94,14 0,25
MgO 0,91 0,03 0,2
Атпрк 1,41 4,00 0,8
Как видно из табл. 1, по химическому составу зола близка к составу высокоглиноземистых (т. к. содержание А1203 превышает 30 %) силикатных систем. Суммарное количество основных стеклообразующих оксидов 8Ю2, А1203 и СаО превышает 90 %. Это дает основание утверждать, что она представляет собой перспективный материал для получения силикатного расплава. Поскольку основным требованием, предъявляемым к отходам, является постоянство химического и минералогического составов, можно отметить, что зола представляет собой сравнительно однородный материал. Известняк и кварцевый песок использовался в качестве корректирующих добавок. Известняк применялся как кальцийсодержащая добавка. Он придает химическую стойкость стеклокристаллическому материалу, повышает основность расплава и может служить стимулятором кристаллизации. Основным стеклообразующим оксидом является 8Ю2, скорректировать его количество в шихте позволяет добавка кварцевого песка [3, 4].
Для выявления приемлемых составов с вышеуказанными корректирующими добавками нами была использована тройная диаграмма состояния СаО - А1203 - 8Ю2 (рис. 1).
Рис. 1. Область расположения составов:
1 - зола; 2-7 - сырьевые смеси на основе золошлаковых отходов ТЭС; 8 - известняк; 9 - кварцевый песок
Для определения точек, выражающих состав шихт на треугольнике концентраций, осуществлялся перерасчет составов тройной системы Са0 -А1203 - 8Ю2 с использованием переводных коэффициентов, введение которых обосновывается правилом: легкоплавкие оксиды понижают температуру плавления материала соответственно их эквивалентным массам [5]. При анализе составов установлено, что они попадают в область кристаллизации анортита. Материалы, содержащие эту фазу, имеют хорошие прочностные характеристики, высокую химическую стойкость и высокую стойкость к истиранию [6].
Для получения анортитового стеклокристаллического материала необходимо было опытно-аналитическим путем подобрать процентное содержание компонентов сырьевой смеси таким образом, чтобы данный состав отвечал стехиометрическому соотношению компонентов, отвечающих структурной формуле анортита. При моделировании составов сырьевых смесей для получения стеклокристаллического материала исходили из принципа получения анортитоподобной фазы [7]. В табл. 2 представлены составы шихты для получения стеклокристаллических материалов.
Таблица 2
Составы шихты на основе золошлаковых отходов ТЭС, известняка и кварцевого песка
№ п/п Количество сырьевых материалов, % масс.
№ состава Золошлаковые отходы Известняк Кварцевый песок
1 1 100 - -
2 2 60 20 20
3 3 60 17 23
4 4 70 20 10
5 5 75 25 -
6 6 78 22 -
7 7 90 10 -
Составы сырьевых смесей отмечены точками 1-7 на диаграмме состояния СаО - А1203 - 8Ю2 (см. рис. 1) и располагаются в области кристаллизации анортита.
Для определения области температур плавления сырьевых материалов и компонентных составов 1-7 построены кривые плавкости (рис. 2) [5].
Рис. 2. Кривые плавкости:
1 - золошлаковые отходы; 2-7 - сырьевые смеси составов 2-7; 8 - известняк; 9 -кварцевый песок
Исследования полученных кривых плавкости показали, что наиболее широким интервалом кристаллизации обладает известняк (рис. 2, (8)). Для
него характерна кристаллизация 95 % расплава в интервале температур от 2570 до 1475 °С. Поэтому введение его в состав сырьевой смеси позволит улучшить ее кристаллизационные способности. Кварцевый песок снижает температуру плавления смеси. Исходя из кривых плавкости следует, что температура плавления сырьевых смесей снижается благодаря сбалансированному количеству сырьевых компонентов.
Данные сырьевые смеси подвергались плавлению с использованием низкотемпературной плазмы следующим образом. В плазменную плавильную печь объемом 0,025 м3, нагретую до температуры 700-800 °С, осуществлялась дозированная подача предварительно подготовленной сырьевой шихты со скоростью 0,5 кг/мин. Нагрев шихты осуществлялся воздушной плазмой в рабочем интервале температур 2000-3000 °С, скорость нарастания температуры шихты 10-15 °С/с. Регулирование темпа нагрева шихты обеспечивалось изменением вольт-амперных характеристик источника питания. Плавящаяся в плазменном потоке шихта растекалась по дну печи, охватывая поверхность всего объема. На границе раздела жидкой и твердой фаз устанавливалась температура, равная температуре плавления сырья [8]. Время проведения эксперимента составляло 7-10 мин. При работе данной установки вольт-амперные характеристики находились в пределах: I = 240-260 А; и = 120-140 В. Это позволяло произвести полное проплавление сырьевой смеси и удалить выделяющиеся газы. Потери материала по массе после плавления составляли 15 %.
Для осуществления процесса направленной кристаллизации полученный расплав было необходимо подвергать изотермической выдержке.
При определении оптимальных параметров термообработки отбирали пробы расплава массой 50 г методом свободного литья в графитовую цилиндрическую форму. Для предотвращения термоудара форма предварительно подогревалась до температуры 700 °С. Отлитые в форму образцы подвергались изотермической выдержке в муфельной печи.
Термообработка образцов расплава золы показала, что кристаллизация проходит более интенсивно при двухступенчатом режиме с изотермической выдержкой 1 ч при 650 °С и 3 ч при 925 °С. Кристаллическая фаза формируется из муллита и анортита. Рентгенограммы термообработанных образцов отражают присутствие только кристаллического муллита, анортита и аморфной фазы (рис. 3). Проведенные эксперименты показали, что кристаллизация расплава золы проходит в поверхностных слоях образцов, при этом степень кристалличности образцов не превышает 20 %. С целью изучения кристаллизационных способностей золы осуществлялось плавление ранее указанных сырьевых смесей 2-7 (см. табл. 1).
Пробы на основе сырьевых смесей составов 2, 3, 4 после отжига при температуре 570-610 °С показали незначительное содержание кристаллов анортита. При дальнейшей 2-ступенчатой термообработке (1-я ступень -700 °С в течение 1 часа и 2-я ступень - 925 °С в течение 3 часов ) в образце сформировалась плотная кристаллическая структура, представленная анортитом, волластонитом и геленитом, о чем свидетельствуют данные рентгенофазового анализа образцов 2, 3, 4 (рис. 4). Степень кристалличности указанных составов составляет 60-65 %.
а ЛЮ I
Рис. 4. Рентгенограмма стеклокристаллического материала на основе золошлаковых отходов, известняка и кварцевого песка:
а - состав 2; б - состав 3; с - состав 4
Образцы состава 5, 6, 7 (отличались отсутствием в составе кварцевого песка) полностью расплавляются в процессе воздействия на них плазменной струи. После отжига в муфельной печи при температуре 600 °С структура материала оставалась аморфной. При двухступенчатой термообработке с температурами 1-й ступени 700 °С в течение 1 часа, 2-й ступени 925 °С в течение
3 часов возникала поверхностная кристаллизация образцов.
На основании проведенных исследований можно сделать следующее заключение:
- возможно получение стеклокристаллического материала из силикатсодержащих расплавов на основе золы ТЭС г. Северска Томской области с использованием низкотемпературной плазмы;
- подобран оптимальный состав для получения стеклокристаллического материала со следующим соотношением компонентов: ЗШО - 70 %; известняк - 20 %; песок - 10 %;
- определены режимы термообработки полученного силикатного расплава, при которых возможно получение плотной однородной структуры
б I
20 30 йО 50
Рис. 3. Рентгенограммы:
а - зола; б - зольное стекло после термообработки
стеклокристаллического материала с наибольшей степенью кристалличности (60-65 %). Кристаллическая фаза представлена анортитом, волластонитом и геленитом.
Полученный материал может найти самое широкое применение в строительной индустрии.
Библиографический список
1. Тюльнин, В.А. Разработка новых технологий и материалов с использованием отходов горных предприятий и создание на их базе высокоэффективных вспомогательных производств / В.А. Тюльнин // Горный журнал. - 1998. - № 9-10. - С. 19-23.
2. Павлушкин, Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов / Н.М. Павлушкин. - М. : Стройиздат, 1983. - 432 с.
3. Марченко, А.А. Металлургические шлаки и применение их в строительстве / под общ. ред. А.А. Марченко. - М. : Госстройиздат, 1963. - 546 с.
4. Есин, О.А. О природе жидких шлаков / О.А. Есин // Металлургические шлаки и применение их в строительстве / под общ. ред. А. А. Марченко. - М. : Госстройиздат, 1962. -С. 51-62.
5. Физическая химия силикатов / А.А. Пащенко, А.А. Мясников, Е.А. Мясников [и др.] ; под ред. А.А. Пащенко. - М. : Высш. шк., 1986. - 368 с.
6. Странд, З. Стеклокристаллические материалы / З. Странд ; пер. с чеш. И.Н. Князевой. -М. : Строийиздат, 1988. - 256 с.
7. Павлушкин, Н.М. Основы технологии ситаллов / Н.М. Павлушкин. - М. : Стройиздат, 1970.
8. Плазменные технологии в строительстве / Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, А.М. Шиляев [и др.]. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 1997. - 290 с.
