Введение к работе
Актуальность работы. Потребность различных отраслей промышленности в теплоизоляционных строительных материалах постоянно возрастает. На сегодняшний день наибольшее применение находят теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон. Для производства минеральных волокон в Российской Федерации имеются неограниченные ресурсы горных пород, таких как базальт, габбро, диабаз, порфирит и другие.
Для производства минеральных волокон также используются техногенные отходы, образующиеся при сжигании твердого топлива. Образование огромного количества золошлакоотходов имеет тенденцию значительного роста в будущем, что способствует накоплению твердых отходов.
Переработка твердых отходов в эффективные строительные материалы является важной научно-технической задачей. Золошлаковые отходы имеют повышенную температуру плавления, поэтому не могут быть использованы для производства минеральной ваты с помощью известных теплоагрегатов (вагранок, ванных печей и т.д.).
Во всем мире ведутся работы по получению волокнистых теплоизоляционных материалов с высокими физико-химическими и механическими свойствами. Однако едва ли не главной проблемой, наряду с соблюдением требований ГОСТ к качеству волокнистых материалов, всегда была и остается проблема снижения энергозатрат и себестоимости производства теплоизоляционных материалов. Решение этих сложных, порой противоречивых проблем требует проведения предварительных экспериментальных и теоретических исследований сырья с целью выработки практических рекомендаций для производства теплоизоляционных материалов с использованием современных достижений науки и новых технических решений.
Одним из перспективных направлений в этой области является применение электродуговой плазмы для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов. При использовании в качестве источника тепловой энергии электрической дуги, за счет высокой температуры резко снижается время получения расплава, из-за исключения индукционного периода плавления. Легкость управления и автоматизации, безинерционность электродуговых процессов способствуют широкому применению этого метода получения материалов в стройиндустрии.
Таким образом, исходя из вышеизложенного, исследование и получение теплоизоляционных материалов из базальтов и золошлаковых отходов при помощи электромагнитного технологического реактора, который представляет собой разновидность электродуговых реакторов, является актуальной и перспективной задачей.
Целью работы является: теоретическое обоснование и разработка технологии получения теплоизоляционных материалов волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов с применением для термической обработки электромагнитного реактора.
Для достижения намеченной цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Исследование сырьевых материалов (базальт, золошлак) на возможность использования в производстве минеральных волокон.
2. Термодинамический анализ и определение удельных энергозатрат, температуры плавления для получения расплавов из базальта с подшихтовкой и без подшихтовки, а также из золошлаковых отходов.
3. Экспериментальное определение технологических режимов электромагнитного реактора для получения расплавов и волокон из рассматриваемых сырьевых материалов.
4. Исследование структуры и физико-химических свойств полученных минеральных волокон и изделий на их основе.
5. Разработка технологии получения минеральных волокнистых материалов требуемого качества с низкими энергозатратами, применяемых в качестве теплоизоляционных материалов.
Научная новизна работы:
Установлена возможность получения минеральных волокон из базальта и золошлаковых отходов с использованием в качестве плавильного агрегата электромагнитного технологического реактора. Получены волокна с высокими физико-химическими и теплозащитными свойствами, отвечающими требованиям нормативных документов: высокой термостойкостью, механической прочностью, химической устойчивостью, экологичностью.
С помощью термодинамического анализа сырьевых материалов доказана возможность снижения энергозатрат и определены оптимальные значения температуры, полной энтальпии плавления, фазовых переходов, а также конденсированные фазы при получении расплавов.
При обработке сырьевых материалов (базальт, золошлак) в электромагнитном реакторе выявлена возможность получения чистого алюмосиликатного расплава, свободного от газов и металла, восстановленного из соответствующих оксидов.
Практическая ценность и реализация работы:
Разработана энергосберегающая технология получения минеральных волокнистых материалов при существенном снижении энергозатрат по сравнению с существующими технологиями.
Разработан оригинальный плавильный агрегат – электромагнитный реактор, который дает возможность плавного регулирования температуры, вязкости, перемешивания расплава во время плавления, что позволяет добиться хорошей текучести расплава, и снижает инерционность процесса.
Разработана технология получения минеральных волокон из базальта и золошлаковых отходов при обработке сырьевых материалов в электромагнитном реакторе. Полученные минеральные волокна характеризуются следующими показателями: средним диаметром базальтовых волокон dср = 10 мкм, золошлаковых волокон – dср = 8 мкм, температуростойкостью до 600 0C и теплопроводностью в пределах 0,037-0,040 Вт/м*К. Из данных волокон была получена минеральная вата с теплопроводностью 0,040 Вт/м*К при плотности 35 кг/м3, соответствующая марке ВМ-35 по ГОСТ 4640-2011.
Полученные результаты могут быть применены при строительстве заводов по производству теплоизоляционных материалов.
Достоверность результатов исследований подтверждается применением современных методов исследования (оптическая и электронная микроскопия, спектральный элементный анализ, измерение температуры расплава и теплопроводности волокон) и программного обеспечения. Результаты экспериментов не противоречат данным расчетов. Данные, представленные в различных разделах работы, дополняют друг друга и согласованы в целом с результатами, полученными другими авторами.
Результаты проведенных в работе исследований по получению расплава, волокон и волокнистых теплоизоляционных изделий из базальта и золошлаковых отходов были использованы при разработке промышленного образца электромагнитного реактора, производительностью по расплаву до 150 кг/час, на который получен патент РФ №2432719. Теоретические положения диссертационной работы могут быть использованы для обучения бакалавров и магистров по направлению 270800 «Строительство» и 140400 «Энергетика и электротехника».
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
Результаты исследования химического состава, теплофизических и физико-химических свойств базальта и золошлаковых отходов, используемых для получения волокнистых теплоизоляционных материалов.
Термодинамические расчеты процесса высокотемпературной плавки сырьевых материалов, позволяющие определять температурный диапазон плавления и удельные энергозатраты.
Технология получения минеральных волокнистых теплоизоляционных материалов с использованием нового энергосберегающего оборудования.
Результаты исследований физико-химических свойств минеральных волокнистых материалов, полученных из расплава сырья с применением электромагнитного реактора.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Бурятского государственного университета (г.Улан-Удэ, 2008-2011 г.). и Восточно-Сибирского государственного университета технологии и управления (г.Улан-Удэ, 2010 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (г.Улан-Удэ, 2008-2011 гг.); на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (г.Улан-Удэ, 2013 г.); на международной научно-практической конференции «Научное партнерство - 2013» (г. Пржемисль, Польша, 2013 г.).
Публикации
Основное содержание работы и ее результаты опубликованы в 5 статьях, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК. В соавторстве получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы, включающего 136 наименований. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, 52 таблицы, 15 формул и 3 приложения на 18 страницах
Похожие диссертации на Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора
