Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod University of Cooperation, Economics and Law
Stary Oskol Technological Institute after A. A. Ugarov, National University of Science and Technology “MISiS” branch
employee
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
BBK 35 Химическая технология. Химические производства
The use of low-temperature plasma in various industries today is a promising direction. An energy-saving technology for producing silicate-clod using a plasma jet has been developed. The effect of preliminary heat treatment on strength characteristics of preform furnace-charge is studied. It was experimentally confirmed that with an increase in the heat treatment temperature from 400 ° C to 620 ° C, the compressive strength increased from 0.8 MPa to 2.1 MPa.
energy-saving technology, silicate-clod, plasma jet, heat treatment of charge
В настоящее время важнейшей задачей нашего общества является развитие отечественной экономики на основе современных достижений науки, техники и технологии. Использование нетрадиционных источников энергии, в частности, низкотемпературной плазмы, позволяет не только существенно снизить энергозатраты и экологическую нагрузку на природу, но и интенсифицировать технологические процессы, повысить качество конечного продукта и снизить его себестоимость.
Низкотемпературную плазму используют в различных отраслях промышленности: при синтезе синтетических минералов и тугоплавких стекол, получении защитно-декоративных покрытий, стекломикрошариков, микросфер, оптических волокон и др. [1–8].
Индустрия строительных материалов является достаточно энергоемкой отраслью, в том числе и в технологии получения силикат-глыбы для производства жидкого стекла.
Соли кремниевой кислоты натрия или калия представляют собой продукты производства предприятий стекольной промышленности России, общий выпуск которых более 700000 т/год. Основную долю производства, свыше 90 %, составляет натриевая силикат-глыба [9, 10].
Силикат-глыбу получают путем плавления кварцевого песка и кальцинированной соды и/или поташа, которая в зависимости от наличия солей в ее составе бывает одно- или двухкомпонентной [11]. Повышенное внимание к силикатным продуктам вызвано такими характеристиками, как огнеустойчивость и нетоксичность [11]. Однако современное производство силикат-глыбы представляет собой весьма энергоёмкий, длительный и многостадийный процесс, который также требует специального оборудования.
На сегодняшний день, существует ряд технологий изготовления силикат-глыбы, вместе с тем каждая из них имеет ряд недостатков. Получение силикат-глыбы и дальнейшее её дробление на мелкие куски требует дополнительных энергетических затрат и оборудования [12]. Разработанная плазменная технология позволяет сразу получить необходимую мелкую фракцию силикат-глыбы.
Варка силикат-глыбы осуществляется в газопламенных и электростекловаренных печах представляет собой наиболее известные технологии [13–15]. Недостатком газопламенных печей является большой расход топлива, низкий КПД и ухудшение экологической обстановки в процессе производства. Снижение экологического прессинга решает использование стекловаренных печей с электрообогревом, однако не отменяет проблему энергосбережения.
Обобщая вышеуказанное, можно заключить, что современные технологии получения силикат-глыбы являются длительными во времени, требующими специализированного оборудования и энергозатрат.
Целью исследований являлась разработка энергосберегающей технологии получения силикат-глыбы с использованием низкотемпературной плазмы.
В качестве исходных материалов для подготовки шихт использовали:
– кварцевый песок марки Б-100-1 по ГОСТ 22551–77;
– сода кальцинированная марки Б по ГОСТ 5100–85;
– поташ 1-го сорта по ГОСТ 10690–73.
Для синтеза использовали кварцевый песок Грушевского месторождения (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав кварцевого песка
|
Наименование сырьевого материала |
Содержание оксида, мас. % |
||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
|
|
Песок Грушевского месторождения |
98,55 |
1,20 |
0,25 |
В соответствии с требованиями нормативных документов в России предусмотрено получение силикат-глыбы со следующим содержанием щелочей (табл. 2).
Согласно данным, представленным в таблице 2, для плазменного синтеза выбраны четыре состава: натриевая силикат-глыба, натриево-калиевая силикат-глыба, калиево-натриевая силикат-глыба и калиевая силикат-глыба (табл. 3).
Таблица 2
Виды силикат-глыбы регламентируемые нормативными документами
|
Наименование глыбы |
Силикатный модуль |
Содержание щелочей, % |
|
Натриевая |
2,7–3,0 |
25,3–27,9 |
|
Калиево-натриевая 75/25 |
2,85–3,25 |
28,5–33,2 |
|
Натриево-калиевая 70/30 |
2,75–3,1 |
25,9–29,9 |
|
Калиевая |
2,65–2,85 |
28,1–34,4 |
Таблица 3
Расчётные составы силикат-глыбы
|
№ |
Содержание компонентов, % |
||
|
Na2O |
K2O |
SiO2 |
|
|
1 |
26 |
– |
74 |
|
2 |
8 |
24 |
68 |
|
3 |
19 |
8 |
73 |
|
4 |
– |
31 |
69 |
Необходимые компоненты шихты усредняли в лабораторном смесителе. Для предотвращения расслоения шихты и проведения более эффективного плазменного синтеза силикат-глыбы прессовали таблетки диаметром 10 мм и толщиной 5–7 мм (рис. 1). Для точности и чистоты эксперимента было отпрессовано 4 партии.
После формования проводили термообработку отформованных таблеток (рис. 2).
Рис. 1. Отпрессованные таблетки исследуемых шихт, четырех составов:
1 – натриевых; 2 – натриево-калиевых; 3 – калиево-натриевых; 4 – калиевых
Рис. 2. Отпрессованные термообработанные таблетки шихты
Термическую обработку таблеток производили с целью повышения их прочности, т.к. плазменные струи обладают не только высокой температурой, порядка 5000–10000 К, но и значительным динамическим напором при скорости истечения струи 150 м/с.
Исследование прочности образцов на сжатие определяли на лабораторном прессе.
Влияние температуры термообработки на прочность образцов представлена на рисунке 3.
|
|
С увеличением температуры термообработки с 400 °С до 620 °С прочность на сжатие возрастала с 0,8 МПа до 2,1 МПа. При более высокой температуре образцы деформировались, растрескивались и разрушались.
Плазменный синтез силикат-глыбы проводили с использованием электродугового плазмотрона Мультиплаз 2500 и температурой плазменного факела 5000 К. Полученный силикатный расплав охлаждали в резервуаре с водой. В связи с тем, что расплав образовывался за весьма короткие промежутки времени и обладал температурой 1600 °С, низкой вязкостью, образовывался высококачественный однородный по свойствам стеклогранулят размером 750–2500 мкм. Схема синтеза силикат-глыбы представлена на рисунке 4.
После синтеза образцы извлекали из тиглей и подвергали рентгенофазовому и рентгенофлуоресцентному анализу. Силикат-глыба шихты № 1 с содержанием 26 % Na2O, представлена на рисунке 5.
Энергозатраты на синтез 1 кг силикат-глыбы по разработанной технологии составляют
1900 кДж, что в три раза ниже, чем по традиционной технологии с использованием стекловаренных печей.
Рис. 4. Схема синтеза силикат-глыбы:
1 – плазменная горелка; 2 – плазменный факел;
3 – силикатный расплав, 4 – корпус тигля
Рис. 5. Силикат-глыба с 26 % Na2O
Разработанная плазменная технология является не только экологически чистой, но и энергосберегающей, что позволяет получить конкурентоспособную продукцию.
1. Bessmertny V.S., Krokhin V.P., Panasen-ko V.A., Drichd N.F., Dyumina P.S., Kolchina O.M. Plasma rod dekorating of household class // Glass and Geramics. 2001. Vol. 58. Issue 5-6. P. 214-215.
2. Bessmertnyi V.S., Minko N.I., Krokhin V.P., Semenenko S.V., Osykov A.I. Trend in contemporary methods for decoration of glass and class articles // Glass and Geramics. 2003. Vol. 60. Issue 11-12. P. 364-366.
3. Stepanova M.N. Razrabotka sostavov i tehnologii zaschitno-dekorativnyh pokrytiy dlya teploizolyacionnogo penostekla: avtoref. dis. kand. tehn. nauk. Belgorod, 2008. 20 s.
4. Bessmertnyy V.S., Bondarenko N.I., Borisov I.N., Bondarenko D.O. Poluchenie zaschitno-dekorativnyh pokrytiy na stenovyh stroitel'nyh materialah metodom plazmen-nogo oplavleniya. Belgorod: Izd. BGTU, 2014. 104 s.
5. Fedosov S.V., Akulova M.V., Schepoch-kina Yu.A. Steklovidnoe pokrytie dlya betona // Stroitel'nye materialy. 2000. № 8. S. 28.
6. Fedosov S.V., Akulova M.V., Schepoch-kina Yu.A., Podloznyy E.D., Naumenko N.N. Plazmennoe oplavlenie stroitel'nyh kompo-zitov. M.: Izd. ASV, Ivanovo: Izd. IGASU, 2009. 228 s.
7. Puchka O.V., Vaysera S.S., Sergeev S.V. Plazmohimicheskie metody polucheniya pokry-tiy na poverhnosti penostekla // Belgorod-skogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. № 3. S. 147-150.
8. Zdorenko N.M., Il'ina I.A., Bonda-renko N.I., Gaschenko E.O., Bondarenko D.O., Izofatova D.I. Zaschitno-dekorativnye po-krytiya dlya stenovyh stroitel'nyh materia-lov avtoklavnogo tverdeniya // Mezhdunarod-nyy zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya. 2015. № 9. S. 81-82.
9. Issledovanie materialov na osnove silikatnyh vyazhuschih materialov (zhidkih stekol) [Elektronnyy resurs]. Sistem. tre-bovaniya: Microsoft Word. URL: http://allbeton.ru/upload/iblock/9eb/issledovanie-materialov-na-osnove-silikatnih-vyajuschih-materialov-ajidkih-stekolc.doc. (data obrasche-niya: 04.09.2017).
10. Vinogradov B.N. Syr'evaya baza pro-myshlennosti vyazhuschih veschestv SSSR. M.: Izd. Nedra, 1971. 486 s.
11. Kuatbaev K.K., Puzhanov G.T. Stroi-tel'nye materialy na zhidkom stekle. Alma-Ata: Izd. Kazahstan; 1968. 62 s.
12. Korneev V.I., Danilov V.V. Rastvo-rimoe i zhidkoe steklo. SPb.: Stroyizdat, 1996. 216 c.
13. Pat. 2156222 Rossiyskaya Federaciya. MPKC 01B33/32. Sposob polucheniya «sili-kat-glyby» / Dubinin N.A., Digonskiy S.V., Kravcov E.D., Ten V.V.; zayavitel' i patento-obladatel' OAO MNPO «Polimetall». - № 99104641/03, zayavl. 04.03.1999, opubl. 20.09.2000. Byul. № 26.
14. Pat. 2053970 Rossiyskaya Federaciya. MKI S 03 S 6/02, S 03 V 1/02. Sposob prigo-tovleniya stekol'noy shihty / Vezencev A.I.; zayavitel' i patentoobladatel' Nauchno-proizvodstvennoe predpriyatie «Silikoll». - № 92014433/33, zayavl. 23.12.1992; opubl. 10.02.96, Byul. № 4.
15. Kitaygorodskiy I.I. Tehnologiya stekla. M.: Stroyizdat, 1961. 564 s.
