ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 4, с. 52-58
УДК 691.666.619.8
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ © 2014 г. Е. С. Абдрахимова*, В. З. Абдрахимов**
* Самарский государственный аэрокосмический университет
** Самарский экономический университет Е-шаИ: 3375892@mail.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
Использование углеродсодержащих отходов топливно-энергетической промышленности в керамических массах способствует получению теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью. В составе керамики при обжиге образуется муллит, анортит и волластонит, которые повышают физико-механические свойства изделий.
БО1: 10.7868/80023117714040021
В последнее время становится актуальным выпуск теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью. Исходя из экономической целесообразности, в составы керамических масс необходимо вводить отходы топливно-энергетического производства, содержащие более 35% угольной составляющей: отходы при добыче, обогащении и сжигании твердого топлива. Эту группу отходов разделяют по источнику образования, виду топлива, числу пластичности минеральной части отходов, содержанию горючей части, зерновому составу, химико-минералогическому составу, степени плавкости, интервалу размягчения, степени вспучивания, минеральных составляющих и т.д. Использование отходов в составах керамических масс позволит получить эффективные теплоизоляционные материалы с теплопроводностью в пределах 0.20-0.25 Вт/(м • °С) [1, 2].
Задача настоящей работы — получить теплоизоляционные материалы с низкой теплопроводностью из отходов топливно-энергетического производства и исследовать их фазовый состав.
Для производства теплоизоляционных материалов основным глинистым сырьем (60 мас. % в смесях) служила межсланцевая глина (МГ) [1—3] — отход при добыче горючих сланцев. По числу пластичности МГ относится к высокопластичному глинистому сырью (число пластичности 27—32) с истинной плотностью 2.55—2.62 г/см3.
В качестве отощителей и выгорающих добавок (40 мас. % в смесях) использовались [4—8]:
К1 — золошлаковая смесь от сжигания горючих сланцев. При сжигании горючих сланцев образуются зольные уносы и шлаки, которые перемешиваются, в результате чего образуется золошлаковая смесь;
К2 — горелые породы — отходы горючих сланцев, которые по химическому составу идентичны алюмосиликатному природному сырью для производства керамических материалов, что позволяет использовать их в производстве теплоизоляционных материалах как важного компонента шихты;
К3 — отходы флотации углеобогащения фабрики (ГОФ) "Томусинская";
К4 — золошлаковый материал Тольяттинской ТЭС;
К5 — нефтяной шлам (кек), образующийся на нефтедобывающем предприятии в г. Нефтегорске (Самарская область) и представляющий собой мелкодисперсный порошок темно-коричневого цвета;
К6 — угольные шламы флотационного углеобогащения. В высушенном состоянии представляют собой темно-серый порошок, а во влажном — пластичную массу фракционного состава от 0.005 до 1 мм. Угольные шламы (ЦОФ) "Обуховская" (Ростовская область) являются малосернистыми по сравнению с другими отходами энергетики. Содержание угольной составляющей может достигать 40%, а минеральная часть представлена в основном гидрослюдой, кварцем, полевым шпатом и слюдой.
Химические характеристики исследуемых компонентов представлены в табл. 1 и 2.
Теплопроводность в расчетных условиях эксплуатации определяли по специальной методике, подробно изложенной в СП 23-101-2004 [9, 10].
Керамическую массу для получения теплоизоляционного материала готовили из составов, представленных в табл. 3. Компоненты измельчали до прохождения сквозь сито № 1.0, после чего
Таблица 1. Химический состав компонентов
Компонент Содержание оксида, мас. %
^2 А12О3 Fe2Oз СаО МБО R2O П.п.п.
МГ 45-47 13-14 5-6 11-13 2-3 3-4 9-20
К1 35-37 10-11 7.5-10 20-23 2-2.5 2-3 14-19
К2 39-40 12-13 7-8 19-19.5 2-3.5 0.5-1 14-15
К3 50.40 18.56 6.4 1.51 0.50 4.78 16.5
К4 48.15 16.7 7.42 3.99 2.36 0.1 20.84
К5 21.1 14.3 12.2 11.2 2.8 1.8 35.8
К6 28.4 13.7 5.83 1.53 1.24 1.24 47.38
Таблица 2. Поэлементный анализ компонентов
Компо-
Элемент
нент С О № МБ А1 + Т1 8 С1 К Са Мп Fe
МГ 7.73 50.06 0.46 1.04 7.20 17.66 1.83 - 1.75 10.53 - 3.35
К1 7.44 47.38 0.81 0.93 5.65 16.9 1.58 - 1.53 12.2 - 5.58
К2 27.32 46.94 0.37 0.61 2.65 9.15 2.87 - 0.76 8.46 - 1.17
К3 8.84 56.19 - - 11.64 + 0.29 19.03 0.28 0.08 2.39 0.38 - 0.88
К4 5.88 51.48 - - 11.5 + 1.44 17.56 1.1 - 3.59 3.03 - 4.42
К5 24.02 35.67 0.83 0.87 2.14 5.49 2.10 0.73 0.89 22.58 0.53 4.15
К6 8.84 56.19 - - 11.64 + 0.29 19.03 0.28 - 2.39 0.38 - 0.88
тщательно перемешивали и полученную шихту увлажняли до влажности 20—22%. Из увлажненной шихты пластическим способом формовали образцы в натуральную величину кирпича размером 120 х 250 х 65 мм. Сформованные образцы высушивали до остаточной влажности не более 5%, а затем обжигали при температуре 1050°С. Изотермическая выдержка кирпича при конечной температуре 1—1.5 ч.
Определение коэффициента теплопроводности шести различных проб (табл. 3) проводили измерителем теплопроводности ИТП-МГ 4 "250" [10].
Прибор обеспечивает определение коэффициента теплопроводности в диапазоне значений X = 0.02—1.5 Вт/мК с погрешностью не более ±5%. Принцип работы прибора заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины [8, 10].
Образцы для испытаний готовили в виде прямоугольного параллелепипеда, наибольшие (лицевые) грани которого имеют форму квадрата со стороной 250 х 250 мм. Температура обжига образцов — 1050°С. Длину и ширину образца измеряют линейкой с погрешностью не более 0.5 мм; толщина образца — от 5 до 50 мм. Толщину образца и разницу температур между нагревателем и холодильником необходимо выбирать в зависи-
мости от прогнозируемой теплопроводности материала [8, 10].
Вычисление коэффициента теплопроводности X, Вт/(м • °С) и термического сопротивления Я (м2 • °С)/Вт проводится вычислительным устройством прибора (табл. 4).
В зависимости от плотности теплоизоляционный легковесный кирпич подразделяется на три класса:
класс А — от 700 до 1000 кг/м3; марки по прочности 75, 50 и 35;
класс Б — от 1000 до 1300 кг/м3; марки по прочности 100, 75 и 50;
Таблица 3. Составы керамических масс
Компонент Содержание компонента в составах, мас. %
1 2 3 4 5 6
МГ 60 60 60 60 60 60
К1 40 - - - - -
К2 - 40 - - - -
К3 - - 40 - -
К4 - - - 40 - -
К5 - - - - 40 -
К6 - - - - - 40
Таблица 4. Физико-механические показатели теплоизоляционных материалов
Состав
1 2 3 4 5 6
Механическая прочность при сжатии, МПа 14.5 15.2 14.8 13.4 11.2 14.1
Плотность, кг/м3 1380 1420 1400 1320 1280 980
Морозостойкость, % 32 45 42 30 28 48
Теплопроводность (Л), Вт/(м • °С) 0.198 0.202 0.234 0.268 0.175 0.187
класс В — от 1300 до 1450 кг/м3; марки по прочности 100, 75 и 50.
Как видно из табл. 4, теплоизоляционные легковесные кирпичи из составов 1—4 относятся к классу В, образцы из состава 5 — к классу Б, а из состава 6 — к классу А. Таким образом, исследования показали, что использование углеродсодержа-щих отходов с повышенным содержанием несго-ревших частиц позволяет получить легковесный керамический материал с низкой теплопроводностью и высокими физико-механическими показателями по морозостойкости (выше требования).
В производстве керамических материалов вопросу фазового состава, спеканию и физико-химическим процессам при обжиге изделий придается особое значение, так как именно они определяют, главным образом, эксплуатационные свойства изделий. Физико-механические и химические свойства керамических материалов зависят от фазового состава, а именно от содержания в изделиях стеклофазы, муллита, волластонита, анортита, гематита, магнетита, кристобалита, кварца и других минералов.
Физико-химические процессы структурообра-зования в керамических материалах на основе отходов производств существенно отличаются от аналогичных процессов, происходящих при использования традиционного природного сырья. Эти отличия обусловлены наложением дополнительных эффектов, что осложняет исследование новых материалов и требуют более подробного изучения используемого техногенного сырья. Например, в золошлаковом материале и золошлако-вой смеси, в отличие от природных традиционных материалов, отмечается наличие муллита (3А1203 • 28Ю2), который будет способствовать и образованию муллита при обжиге керамического материала.
Механизм кристаллизации муллита в керамических материалах, как указывалось ранее, включает две стадии: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов в них [11, 12]. По-видимому, при обжиге кирпича, при использовании в составах керамических масс зо-лошлака, будет происходить гетерогенная кристаллизация муллита.
Рентгенофазовый состав керамических составов 1—6 проводился на дифрактометре ДРОН-6 с использованием СоКа-излучения при скорости вращения столика с образцом 1 град/мин. На ди-фрактограмме порошка состава 1 (рис. 1) видны характерные интенсивные линии (й/п = 0.187; 0.246; 0.248 и 0.403 нм) кристобалита, присутствие линии (й/п = 0.196; 0.241; 0.313; 0.321; 0.420 и 0.483 нм) обусловлено анортитом, линии (й/п = = 0.205; 0.222; 0.230; 0.334 и 0.424 нм) кварцем, линии (й/п = 0.211; 0.220; 0.339 и 0.376 нм) муллитом, линии (й/п = 0.247; 0.297; 0.309 и 0.352 нм) волластонитом, линии (й/п = 0.251; 0.269 и 0.365 нм) гематитом. Кристаллизация кристоба-лита в образцах при температуре обжига 1100°С подтверждается и увеличением полосы поглощения V = 1010 см-1 на соответствующем ИК спектре (рис. 2, 1).
ИК-спектры поглощения исследуемых теплоизоляционных материалов из составов 1-6 получены на спектрофотометре " 8рвкогй-751К". Образцы приготовлены в виде суспензии порошка с вазелиновым маслом.
Содержание кристобалита снижает механическую прочность изделий, а образование его из аморфного кремнезема, выделившегося в результате муллитизации, обусловливает проницаемость изделий [11, 13-15]. В связи с этим необходимо найти способы регулирования процессов фазообразования,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.