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.
