научная статья по теме ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»