Помощь студентам в учебе
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ РАСПЛАВОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ И МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ
|
Перечень условных обозначений 5
Введение 6
1. Современное состояние вопроса в области получения силикатных расплавов с использованием различных видов энергоносителя: 13
1.1 Способы получения силикатных расплавов 15
1.2Высокоэнергетические источники нагрева, используемые для получения
силикатных расплавов 26
1.3Физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии высо
коконцентрированных потоков плазмы с твердым телом 39
1.4Обобщенные модели плазмохимических процессов 49
1.5Постановка цели и задач исследований 56
2 Характеристика сырьевых материалов, методы работы 62
2.1 Силикатсодержащие сырьевые материалы: 63
2.1.1 Базальтовые породы 64
2.1.2 Золошлаковые отходы ТЭЦ 69
2.1.3 Продукты сжигания горючих сланцев 74
2.1.4 Кварц-полевошпатсодержащее сырье 78
2.1.5 Кварцевый песок 83
2.2Методы исследования сырьевых материалов и изделий 88
2.3 Методология работы 94
3 Моделирование процессов плазмохимического плавления силикатов 96
3.1Нестационарные режимы гидродинамики и теплопереноса при получении высокотемпературных силикатных расплавов 96
3.1.1 Математическое моделирование процессов теплопереноса и методы его реализации при плавлении дисперсных силикатов... .98
3.1.2 Численное моделирование процессов распространения температурных полей 102
3.2Образование расплавов из тугоплавких силикатных смесей в условиях низкотемпературной плазмы 109
З.ЗРасчет времени плавления частицы кварца в условиях низкотемператур
ной плазмы 118
3.3.1 Нагревание и плавление частицы кварца в плазменном потоке 123
3.3.2 Нагревание и плавление частицы кварца в расплаве 125
3.3.3 Нагревание и плавление частицы песка в расплаве с учетом теп
ловыделения при прохождении электрического тока в частице песка 130
3.3.4 Нагревание и плавление песка в расплаве с учетом фазовых переходов 134
Выводы по главе 137
4 Разработка плазменной технологии получения силикатных расплавов 138
4.1Динамика развития конструкций агрегатов низкотемпературной плазмы для получения высокотемпературных силикатных расплавов 138
4.2Исследование теплофизических и электрофизических характеристик плазменного генератора для получения силикатных расплавов 154
Выводы по главе 164
5 Высокотемпературные процессы в силикатных системах в условиях низкотемпературной плазмы 165
5.1Анализ равновесных процессов плавления исследуемых силикатных сис
тем 166
5.2 Процессы силикатообразования и плавления под действием низкотемпе
ратурной плазмы 177
5.2.1 Процессы плавления базальтовой породы в условиях низкотемпературной плазмы 178
5.2.2 Процессы плавления золошлаковых отходов ТЭЦ в условиях
низкотемпературной плазмы 185
5.2.3 Процессы плавления продуктов сжигания горючих сланцев в
условиях низкотемпературной плазмы 193
5.2.4 Процессы плавления кварц-полевошпатсодержащего сырья в
условиях низкотемпературной плазмы 200
5.2.5 Процессы плавления кварцевого песка в условиях низкотемпературной плазмы 214
5.3 Неравновесные процессы образования расплава силикатных смесей с различным содержанием SiO2 в условиях низкотемпературной плазмы 229
Выводы по главе 235
6 Реализация и перспективы развития плазменных технологий в области обработки и получения силикатных материалов 236
6.1 Плазменная технология создания защитно-декоративного покрытия на
строительных материала 238
6.2 Плазменная технология получения минеральных волокон 242
6.3 Получение стеклокристаллических материалов с использованием энергии низкотемпературной плазмы 248
6.4 Получение кварцевого стекла с использованием энергии низкотемпературной плазмы 253
Выводы по главе 257
Общие выводы 259
Список использованной литературы 262
Введение 6
1. Современное состояние вопроса в области получения силикатных расплавов с использованием различных видов энергоносителя: 13
1.1 Способы получения силикатных расплавов 15
1.2Высокоэнергетические источники нагрева, используемые для получения
силикатных расплавов 26
1.3Физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии высо
коконцентрированных потоков плазмы с твердым телом 39
1.4Обобщенные модели плазмохимических процессов 49
1.5Постановка цели и задач исследований 56
2 Характеристика сырьевых материалов, методы работы 62
2.1 Силикатсодержащие сырьевые материалы: 63
2.1.1 Базальтовые породы 64
2.1.2 Золошлаковые отходы ТЭЦ 69
2.1.3 Продукты сжигания горючих сланцев 74
2.1.4 Кварц-полевошпатсодержащее сырье 78
2.1.5 Кварцевый песок 83
2.2Методы исследования сырьевых материалов и изделий 88
2.3 Методология работы 94
3 Моделирование процессов плазмохимического плавления силикатов 96
3.1Нестационарные режимы гидродинамики и теплопереноса при получении высокотемпературных силикатных расплавов 96
3.1.1 Математическое моделирование процессов теплопереноса и методы его реализации при плавлении дисперсных силикатов... .98
3.1.2 Численное моделирование процессов распространения температурных полей 102
3.2Образование расплавов из тугоплавких силикатных смесей в условиях низкотемпературной плазмы 109
З.ЗРасчет времени плавления частицы кварца в условиях низкотемператур
ной плазмы 118
3.3.1 Нагревание и плавление частицы кварца в плазменном потоке 123
3.3.2 Нагревание и плавление частицы кварца в расплаве 125
3.3.3 Нагревание и плавление частицы песка в расплаве с учетом теп
ловыделения при прохождении электрического тока в частице песка 130
3.3.4 Нагревание и плавление песка в расплаве с учетом фазовых переходов 134
Выводы по главе 137
4 Разработка плазменной технологии получения силикатных расплавов 138
4.1Динамика развития конструкций агрегатов низкотемпературной плазмы для получения высокотемпературных силикатных расплавов 138
4.2Исследование теплофизических и электрофизических характеристик плазменного генератора для получения силикатных расплавов 154
Выводы по главе 164
5 Высокотемпературные процессы в силикатных системах в условиях низкотемпературной плазмы 165
5.1Анализ равновесных процессов плавления исследуемых силикатных сис
тем 166
5.2 Процессы силикатообразования и плавления под действием низкотемпе
ратурной плазмы 177
5.2.1 Процессы плавления базальтовой породы в условиях низкотемпературной плазмы 178
5.2.2 Процессы плавления золошлаковых отходов ТЭЦ в условиях
низкотемпературной плазмы 185
5.2.3 Процессы плавления продуктов сжигания горючих сланцев в
условиях низкотемпературной плазмы 193
5.2.4 Процессы плавления кварц-полевошпатсодержащего сырья в
условиях низкотемпературной плазмы 200
5.2.5 Процессы плавления кварцевого песка в условиях низкотемпературной плазмы 214
5.3 Неравновесные процессы образования расплава силикатных смесей с различным содержанием SiO2 в условиях низкотемпературной плазмы 229
Выводы по главе 235
6 Реализация и перспективы развития плазменных технологий в области обработки и получения силикатных материалов 236
6.1 Плазменная технология создания защитно-декоративного покрытия на
строительных материала 238
6.2 Плазменная технология получения минеральных волокон 242
6.3 Получение стеклокристаллических материалов с использованием энергии низкотемпературной плазмы 248
6.4 Получение кварцевого стекла с использованием энергии низкотемпературной плазмы 253
Выводы по главе 257
Общие выводы 259
Список использованной литературы 262
Актуальность проблемы. При выполнении государственной программы Российской Федерации по приоритетным направлениям модернизации российской экономики: энергоэффективность и энергосбережение, получение высокотемпературных силикатных расплавов и материалов на их основе с использованием энергии низкотемпературной плазмы является одним из важных аспектов. Получить однородный по температуре и химическому составу силикатный расплав из сырьевых материалов, имеющих температуру плавления 1700-1800 ОС, с использованием традиционных технологий не представляется возможным. В настоящее время накоплен значительный научный и практический опыт в области традиционных технологий получения силикатных расплавов, который позволил сформировать фундаментальные основы процессов плавления силикатов при обычных скоростях нагрева. Использование энергии низкотемпературной плазмы позволит в сотни раз увеличить скорость нагрева силикатных смесей и позволит добиться стабильно высоких температур 3000-3500 ОС при получении высокотемпературных силикатных расплавов из сырья с температурой плавления 17001800 ОС. Кроме того, использование в качестве сырьевых материалов силикатные отходы позволит улучшить экологическую обстановку на территории Российской Федерации и уменьшить себестоимость материалов на их основе за счет использования вторичного сырья.
Актуальным является разработка основ технологии получения силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы. Использование энергии низкотемпературной плазмы при плавлении силикатных смесей позволит значительно снизить энергетические затраты и вредные выбросы в атмосферу. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы расширения сырьевой базы для получения строительных материалов силикатной группы за счет использования распространенного природного сырья и техногенных отходов, в том числе некондиционных для стекловарения.
Системное решение научных и практических задач определения номенклатуры используемых силикатных смесей, установление режимов работы генератора низкотемпературной плазмы, обеспечивающих получение высокотемпературных силикатных расплавов из материалов с различным содержанием оксида кремния и достижение необходимой однородности конечного продукта является определяющим в решении рассматриваемой проблемы.
Значительный вклад в исследование низкотемпературной плазмы внесли научные коллективы под руководством М.Ф. Жукова, Н.Н. Рыкалина, Л.С. Полака, А.В. Болотова, Г.Ю. Даутова. Способствовали развитию плазменных технологий в области разработки и создания генераторов низкотемпературной плазмы исследования ученых Института теплофизики СО РАН: А.С. Аньшакова, а также В.Д. Шимановича, Ф.П. Вурзеля, А.Л. Моссе. Однако на сегодняшний день отсутствуют результаты системных исследований использования в строительной отрасли низкотемпературной плазмы при получении силикатных расплавов, что и обуславливает актуальность данной работы. Широко известны результаты исследований по взаимодействию плазмы с силикатными материалами таких ученых как Н.И. Минько, С.А. Крапивина, В.С. Бессмертный.
Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках государственных научных и научно-технических программ: грант Президента РФ (МК 2330.2013.8), гранты Российского фонда фундаментальных исследований (№ 11- 08-90702-моб_ст, 12-08-90705-моб_ст, 13-08-90718 мол_нр_рф, 14-38-50031 мол_нр), стипендия Президента РФ (СП-211.2015.1), в рамках государственного задания Минобрнауки по базовой части - № 920, по проектной части - № 11.351.2014/К.
Объекты исследования - природные, техногенные материалы и смеси с содержанием оксида кремния от 50 до 100 % (базальтовые породы, золошлаковые отходы тепловых электростанций, золы после сжигания горючих сланцев, квац- полевошпатсодержащие материалы, кварцевые пески), продукты их плавления, а так же материалы на их основе.
Предмет исследования - физико-химические процессы получения силикатных расплавов, протекающие при воздействии низкотемпературной плазмы на силикатсодержащие материалы с содержанием оксида кремния от 50 до 100 %.
Цель работы - установление физико-химических закономерностей получения силикатных расплавов из сырья с содержанием оксида кремния 50-100 % с использованием низкотемпературной плазмы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установить закономерности процессов теплопереноса при плавлении дисперсных силикатов в условиях низкотемпературной плазмы.
2. Обосновать и провести теоретический расчет времени плавления частицы кварца в зависимости от ее размера в потоке низкотемпературной плазмы и в силикатном расплаве.
3. Выявить особенности конструкций агрегатов низкотемпературной плазмы для получения высокотемпературных силикатных расплавов и установить теплофизические и электрофизические характеристики плазменного генератора.
4. Определить температурные режимы плазменного воздействия на силикатные материалы и разработать конструкцию плазменного реактора для получения высокотемпературных силикатных расплавов.
5. Исследовать физико-химические процессы получения силикатных расплавов при плавлении в плазмохимическом реакторе.
6. Исследовать и провести сравнительный анализ равновесных и неравновесных процессов при образовании расплава силикатных смесей с различным содержанием SiO2.
7. На основе выявленных закономерностей разработать общие положения технологии получения силикатных расплавов из сырья с содержанием оксида кремния 50-100% с использованием низкотемпературной плазмы.
8. Исследовать структуру и свойства материалов на основе силикатных расплавов, установить особенности процессов их получения с использованием энергии низкотемпературной плазмы.
Научная новизна заключается в том, что в работе установлены общие закономерности образования силикатных расплавов с различным содержанием оксида кремния от 50 до 100 %, обеспечивающие создание новых технологий получения силикатных материалов различного назначения с использованием энергии низкотемпературной плазмы.
1. Установлено, что плавление многокомпонентных силикатных систем при завершенности процессов силикатообразования в условиях, близких к равновесным протекает в две стадии. На первой стадии происходит нарастание расплава за счет последовательного плавления бинарных и тройных эвтектик (температуры 1170— 1350 ОС). На второй стадии происходит растворение тугоплавких компонентов в расплаве эвтектик (температуры 1350-1400 ОС). Что положено в основу алгоритма и методики расчета кривых плавкости многокомпонентных систем.
2. Установлено, что процесс получения гомогенного расплава в условиях низкотемпературной плазмы происходит в два этапа: одновременное плавление всех компонентов (температуры 1800-2000 ОС) и их гомогенизация (температуры > 2000 ОС) в отличие от схемы образования расплава при технических скоростях нагрева, состоящей из четырех этапов: образования эвтектического расплава, растворение тугоплавких компонентов в эвтектическом расплаве, получение гетерогенного расплава и его гомогенизация.
3. Установлено, что время нахождения силикатной частицы размером не более
2 мм в зоне низкотемпературной плазмы (3000-3500 ОС) не должно превышать
3 секунд. За этот период осуществляется нагрев частицы до температуры плавления и переход ее в расплавленное состояние, при этом проявление процессов сублимации и испарения не обнаружено, удельные тепловые потоки составляют 4=1,8-106 Вт/м2.
4. Установлено, что перегрев расплава относительно температуры плавления более 300 ОС обеспечивает снижение вязкости расплава до значения менее 10 Па-с и его гомогенизацию, кроме того дополнительный омический нагрев расплава ускоряет процессы гомогенизации. Вязкость силикатного расплава зависит от содержания оксида кремния, что определяется степенью полимеризации кремнекислородных тетраэдров.
5. Установлено, что плавление кварца в низкотемпературной плазме в условиях перегрева от температуры плавления более 300 ОС в течении 2 секунд происходит изменение структуры продукта не только в дальнем порядке, но и в ближнем, что приводит к изменению координат атомов и смещению основной полосы поглощения в ИК-спектре от 1087,2 до 1105,4 см-1.
6. Установлено, что получение расплава в условиях низкотемпературной плазмы со скоростью нагрева сырьевых материалов более 1000 ОС в секунду характеризуется одновременным плавлением всех фаз, в отличие от процессов протекающих при обычных скоростях нагрева 0,5-1 ОС в секунду. Сверхвысокие скорости нагрева сокращают время образования расплава и уменьшают удельные энергозатраты в 1,5-1,8 раза. При этом требования к исходной шихте сводятся к ее одно- компонентности, отсутствию в ее составе разлагающихся компонентов и завершенности процессов силикатообразования.
Практическая ценность работы:
1. Предложена технология получения высокотемпературных силикатных расплавов с содержанием оксида кремния от 50 до 100 % с использованием энергии низкотемпературной плазмы для создания материалов различного назначения.
2. Разработаны конструкции электроплазменных установок, включающие генератор низкотемпературной плазмы, плазмохимический реактор и устройство для переработки расплава в силикатные материалы различного назначения из сырья с содержанием оксида кремния 50-100 %.
3. Предложена конструкция плазменного реактора со шнековой подачей сырьевых материалов непосредственно в зону плавления, которая позволяет исключить выдувание мелкодисперсных частиц потоками низкотемпературной плазмы и в процессе плавления понизить вязкость расплава и обеспечить его равномерный прогрев.
4. Разработан способ дополнительного омического нагрева, который позволяет повышать температуру силикатного расплава за счет его электропроводности, что приводит к ускорению процесса плавления силикатного сырья.
5. Предложена конструкция плазменного реактора для получения расплава с вязкостью более 105 Па-с, в которой предусмотрено получение высоковязких расплавов для последующего наплавления продукта без его слива.
6. Предложена методика оценки неравновесных процессов при плавлении потоками низкотемпературной плазмы силикатных материалов с учетом химического состава для курса физическая химия тугоплавких, неметаллических и силикатных материалов (Внедрена в учебный процесс ТГАСУ и НИ ТПУ).
Апробация работы
Материалы диссертации представлены на конференциях регионального, всероссийского и международного уровня: Всероссийская научно-практическая конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Белокуриха, 2010, 2012, 2014); Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2010, 2012, 2013, 2014); Китайско-Российский семинар “Creating of nano-structural materials with the low-temperature plasma application” (Da lian, China, 2010); Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 2011); Всероссийская (с международным участием) конференция Физика низкотемпературной плазмы - 2011 (Петрозаводск, 2011); Symposium on Plasma Physics and Technology (Czech Republic, 2011, 2012); 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2012); Всероссийская научная конференция с международным участием «Наноматериалы и технологии: Наноструктурированные системы в физике конденсированного состояния. Техника и технология наноматериалов» (Улан-Удэ, 2012); VII International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, 2012); Международная конференция «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012); Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2013, 2014); 1st International Conference on Computational and experimental methods for composite materials and structures (Harbin, China, 2014).
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 144 работы, в том числе 33 статьи в рецензируемых журналах, 8 патентов.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения и шести глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 252 наименований и приложения. Работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включая 94 рисунка, 55 таблиц.
Актуальным является разработка основ технологии получения силикатных расплавов с использованием энергии низкотемпературной плазмы. Использование энергии низкотемпературной плазмы при плавлении силикатных смесей позволит значительно снизить энергетические затраты и вредные выбросы в атмосферу. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы расширения сырьевой базы для получения строительных материалов силикатной группы за счет использования распространенного природного сырья и техногенных отходов, в том числе некондиционных для стекловарения.
Системное решение научных и практических задач определения номенклатуры используемых силикатных смесей, установление режимов работы генератора низкотемпературной плазмы, обеспечивающих получение высокотемпературных силикатных расплавов из материалов с различным содержанием оксида кремния и достижение необходимой однородности конечного продукта является определяющим в решении рассматриваемой проблемы.
Значительный вклад в исследование низкотемпературной плазмы внесли научные коллективы под руководством М.Ф. Жукова, Н.Н. Рыкалина, Л.С. Полака, А.В. Болотова, Г.Ю. Даутова. Способствовали развитию плазменных технологий в области разработки и создания генераторов низкотемпературной плазмы исследования ученых Института теплофизики СО РАН: А.С. Аньшакова, а также В.Д. Шимановича, Ф.П. Вурзеля, А.Л. Моссе. Однако на сегодняшний день отсутствуют результаты системных исследований использования в строительной отрасли низкотемпературной плазмы при получении силикатных расплавов, что и обуславливает актуальность данной работы. Широко известны результаты исследований по взаимодействию плазмы с силикатными материалами таких ученых как Н.И. Минько, С.А. Крапивина, В.С. Бессмертный.
Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках государственных научных и научно-технических программ: грант Президента РФ (МК 2330.2013.8), гранты Российского фонда фундаментальных исследований (№ 11- 08-90702-моб_ст, 12-08-90705-моб_ст, 13-08-90718 мол_нр_рф, 14-38-50031 мол_нр), стипендия Президента РФ (СП-211.2015.1), в рамках государственного задания Минобрнауки по базовой части - № 920, по проектной части - № 11.351.2014/К.
Объекты исследования - природные, техногенные материалы и смеси с содержанием оксида кремния от 50 до 100 % (базальтовые породы, золошлаковые отходы тепловых электростанций, золы после сжигания горючих сланцев, квац- полевошпатсодержащие материалы, кварцевые пески), продукты их плавления, а так же материалы на их основе.
Предмет исследования - физико-химические процессы получения силикатных расплавов, протекающие при воздействии низкотемпературной плазмы на силикатсодержащие материалы с содержанием оксида кремния от 50 до 100 %.
Цель работы - установление физико-химических закономерностей получения силикатных расплавов из сырья с содержанием оксида кремния 50-100 % с использованием низкотемпературной плазмы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установить закономерности процессов теплопереноса при плавлении дисперсных силикатов в условиях низкотемпературной плазмы.
2. Обосновать и провести теоретический расчет времени плавления частицы кварца в зависимости от ее размера в потоке низкотемпературной плазмы и в силикатном расплаве.
3. Выявить особенности конструкций агрегатов низкотемпературной плазмы для получения высокотемпературных силикатных расплавов и установить теплофизические и электрофизические характеристики плазменного генератора.
4. Определить температурные режимы плазменного воздействия на силикатные материалы и разработать конструкцию плазменного реактора для получения высокотемпературных силикатных расплавов.
5. Исследовать физико-химические процессы получения силикатных расплавов при плавлении в плазмохимическом реакторе.
6. Исследовать и провести сравнительный анализ равновесных и неравновесных процессов при образовании расплава силикатных смесей с различным содержанием SiO2.
7. На основе выявленных закономерностей разработать общие положения технологии получения силикатных расплавов из сырья с содержанием оксида кремния 50-100% с использованием низкотемпературной плазмы.
8. Исследовать структуру и свойства материалов на основе силикатных расплавов, установить особенности процессов их получения с использованием энергии низкотемпературной плазмы.
Научная новизна заключается в том, что в работе установлены общие закономерности образования силикатных расплавов с различным содержанием оксида кремния от 50 до 100 %, обеспечивающие создание новых технологий получения силикатных материалов различного назначения с использованием энергии низкотемпературной плазмы.
1. Установлено, что плавление многокомпонентных силикатных систем при завершенности процессов силикатообразования в условиях, близких к равновесным протекает в две стадии. На первой стадии происходит нарастание расплава за счет последовательного плавления бинарных и тройных эвтектик (температуры 1170— 1350 ОС). На второй стадии происходит растворение тугоплавких компонентов в расплаве эвтектик (температуры 1350-1400 ОС). Что положено в основу алгоритма и методики расчета кривых плавкости многокомпонентных систем.
2. Установлено, что процесс получения гомогенного расплава в условиях низкотемпературной плазмы происходит в два этапа: одновременное плавление всех компонентов (температуры 1800-2000 ОС) и их гомогенизация (температуры > 2000 ОС) в отличие от схемы образования расплава при технических скоростях нагрева, состоящей из четырех этапов: образования эвтектического расплава, растворение тугоплавких компонентов в эвтектическом расплаве, получение гетерогенного расплава и его гомогенизация.
3. Установлено, что время нахождения силикатной частицы размером не более
2 мм в зоне низкотемпературной плазмы (3000-3500 ОС) не должно превышать
3 секунд. За этот период осуществляется нагрев частицы до температуры плавления и переход ее в расплавленное состояние, при этом проявление процессов сублимации и испарения не обнаружено, удельные тепловые потоки составляют 4=1,8-106 Вт/м2.
4. Установлено, что перегрев расплава относительно температуры плавления более 300 ОС обеспечивает снижение вязкости расплава до значения менее 10 Па-с и его гомогенизацию, кроме того дополнительный омический нагрев расплава ускоряет процессы гомогенизации. Вязкость силикатного расплава зависит от содержания оксида кремния, что определяется степенью полимеризации кремнекислородных тетраэдров.
5. Установлено, что плавление кварца в низкотемпературной плазме в условиях перегрева от температуры плавления более 300 ОС в течении 2 секунд происходит изменение структуры продукта не только в дальнем порядке, но и в ближнем, что приводит к изменению координат атомов и смещению основной полосы поглощения в ИК-спектре от 1087,2 до 1105,4 см-1.
6. Установлено, что получение расплава в условиях низкотемпературной плазмы со скоростью нагрева сырьевых материалов более 1000 ОС в секунду характеризуется одновременным плавлением всех фаз, в отличие от процессов протекающих при обычных скоростях нагрева 0,5-1 ОС в секунду. Сверхвысокие скорости нагрева сокращают время образования расплава и уменьшают удельные энергозатраты в 1,5-1,8 раза. При этом требования к исходной шихте сводятся к ее одно- компонентности, отсутствию в ее составе разлагающихся компонентов и завершенности процессов силикатообразования.
Практическая ценность работы:
1. Предложена технология получения высокотемпературных силикатных расплавов с содержанием оксида кремния от 50 до 100 % с использованием энергии низкотемпературной плазмы для создания материалов различного назначения.
2. Разработаны конструкции электроплазменных установок, включающие генератор низкотемпературной плазмы, плазмохимический реактор и устройство для переработки расплава в силикатные материалы различного назначения из сырья с содержанием оксида кремния 50-100 %.
3. Предложена конструкция плазменного реактора со шнековой подачей сырьевых материалов непосредственно в зону плавления, которая позволяет исключить выдувание мелкодисперсных частиц потоками низкотемпературной плазмы и в процессе плавления понизить вязкость расплава и обеспечить его равномерный прогрев.
4. Разработан способ дополнительного омического нагрева, который позволяет повышать температуру силикатного расплава за счет его электропроводности, что приводит к ускорению процесса плавления силикатного сырья.
5. Предложена конструкция плазменного реактора для получения расплава с вязкостью более 105 Па-с, в которой предусмотрено получение высоковязких расплавов для последующего наплавления продукта без его слива.
6. Предложена методика оценки неравновесных процессов при плавлении потоками низкотемпературной плазмы силикатных материалов с учетом химического состава для курса физическая химия тугоплавких, неметаллических и силикатных материалов (Внедрена в учебный процесс ТГАСУ и НИ ТПУ).
Апробация работы
Материалы диссертации представлены на конференциях регионального, всероссийского и международного уровня: Всероссийская научно-практическая конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Белокуриха, 2010, 2012, 2014); Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2010, 2012, 2013, 2014); Китайско-Российский семинар “Creating of nano-structural materials with the low-temperature plasma application” (Da lian, China, 2010); Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 2011); Всероссийская (с международным участием) конференция Физика низкотемпературной плазмы - 2011 (Петрозаводск, 2011); Symposium on Plasma Physics and Technology (Czech Republic, 2011, 2012); 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2012); Всероссийская научная конференция с международным участием «Наноматериалы и технологии: Наноструктурированные системы в физике конденсированного состояния. Техника и технология наноматериалов» (Улан-Удэ, 2012); VII International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, 2012); Международная конференция «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012); Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2013, 2014); 1st International Conference on Computational and experimental methods for composite materials and structures (Harbin, China, 2014).
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 144 работы, в том числе 33 статьи в рецензируемых журналах, 8 патентов.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения и шести глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 252 наименований и приложения. Работа изложена на 285 страницах машинописного текста, включая 94 рисунка, 55 таблиц.
1. Значительная разница температур плазменного потока и температуры плавления силикатов и оксидов более 1000 ОС обеспечивает условия плавления силикатных частиц размером до 2 мм в течение 3 секунд, что является основой создания технологии получения силикатных расплавов с содержанием SiO2 50-100% с использованием энергии низкотемпературной плазмы.
2. Реализуемое в плазменном реакторе температурное поле 3000-3500 ОС обеспечивает расплавление силикатных смесей с температурами плавления до 1700 ОС и более, при этом, реализуемые генератором плазмы удельные тепловые потоки (q= 1—3-106 Вт/м2) обеспечивают сокращение времени нахождения частицы в плазмохимическом реакторе. Полное расплавление частицы кварца радиусом 0,64 мм в потоке низкотемпературной плазмы происходит за 0,24 сек. При попадании частицы кварца радиусом 1 мм в высокотемпературный силикатный расплав ее полное расплавление происходит за 2,6 сек, частица радиусом 0,2 мм расплавится за 0,1 сек. Для получения однородного расплава размер частиц сырьевых материалов не должен превышать 2 мм, что определяется временем нахождения частицы в плазмохимическом реакторе до ее полного расплавления.
3. Процесс получения расплава в условиях низкотемпературной плазмы со скоростью нагрева сырьевых материалов более 1000 ОС в секунду характеризуется одновременным плавлением всех фаз, в отличие от процессов протекающих при обычных скоростях нагрева 0,5—1 ОС в секунду. Сверхвысокие скорости нагрева сокращают время образования гетерогенного расплава, при этом гомогенизация обеспечивается низкими значениями вязкости расплава.
4. Получение силикатных расплавов в условиях низкотемпературной плазмы протекают в две стадии: одновременное плавление всех фаз шихты с образованием гетерогенного расплава и гомогенизация расплава в условиях пониженной вязкости за счет перегрева материала выше температуры плавления. При этом требованием к исходному материалу шихты является отсутствие разлагающихся компонентов и завершенностью процессов силикатообразования. Получение силик- таных расплавов по традиционным технологиям включает стадии: силикатообраз- воание, плавление первичного эвтектического расплава, растворение тугоплавких оксидов (SiO2, Al2O3 и др.) в первичном расплаве, гомогенизация расплава при температурах 1450-1500 ОС.
5. При температурах 3000-3500 ОС реализуемых генератором низкотемпературной плазмы вязкость расплава с содержанием оксида кремния 40-50% составляет 2-5 Па-с, с содержанием SiO2 50-65% составляет 5-20 Па-с. Электромагнитное перемешивание и дополнительный омический нагрев силикатного расплава в плазмохимическом реакторе обеспечивает гомогенизацию расплава. Высокая вязкость расплава из кварцевого песка - 106 Па-с при температуре 2000 ОС ограничивает способы выработки кварцевого стекла. При таких значениях температуры и вязкости применяются методы, используемые при традиционном стекловарении - поэтапная наплавка стекла и получение стеклянных блоков.
6. Разработанный плазмохимический реактор, обеспечивает получение силикатных расплавов из материалов с содержанием оксида кремния 50-100%, при этом время расплавления подаваемых дисперсных частиц размером до 2 мм не превышает 3 с.
7. Удельные тепловые потоки q= 1,8-2,6-106 Вт/м2, реализуемые генератором низкотемпературной плазмы позволяют получать однородный по химическому составу высокотемпературный силикатный расплав.
8. В процессе плавления силикатных смесей создается рециркуляционная зона движения дисперсных частиц в расплаве, обеспечивающая нагрев частиц и их полное расплавление с образованием однородного по температуре и химическому составу силикатного расплава. Такая траектория движения расплава представляется наиболее оптимальной в отношении роста времени прогрева материала до 3 секунд, что обеспечивает полное расплавление частиц.
9. Выбор конструкции реактора определяется вязкостью силикатного расплава. При значениях вязкости силикатного расплава более 105 Па-с необходимо использовать плазмохимический реактор с замкнутым объемом, при вязкости менее 105
Па-с используется схема, обеспечивающая слив высокотемпературного силикатного расплава. Прохождение электрического тока через силикатный расплав в процессе работы плазмохимического реактора позволяет оперативно влиять на значения температуры и вязкости расплавленного материала и как следствие на качество получаемой готовой продукции.
10. Реализованные плазменные технологии создания защитно-декоративного покрытия на строительных материалах и получения минеральных волокон, позволяют получать продукт с повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
11. Предложенная технологическая схема получения стеклокристаллических материалов и кварцевого стекла с использованием энергии низкотемпературной плазмы являются альтернативой газопламенной технологии, при этом удельный расход энергии сокращается в 1,5-1,8 раза.
12. Использование плазменной технологии обеспечивает решение задачи получения стеклогранулята для пеностекла и пеностеклокристаллических материалов. При этом сокращается размер агрегатов, энергия и время образования расплава.
2. Реализуемое в плазменном реакторе температурное поле 3000-3500 ОС обеспечивает расплавление силикатных смесей с температурами плавления до 1700 ОС и более, при этом, реализуемые генератором плазмы удельные тепловые потоки (q= 1—3-106 Вт/м2) обеспечивают сокращение времени нахождения частицы в плазмохимическом реакторе. Полное расплавление частицы кварца радиусом 0,64 мм в потоке низкотемпературной плазмы происходит за 0,24 сек. При попадании частицы кварца радиусом 1 мм в высокотемпературный силикатный расплав ее полное расплавление происходит за 2,6 сек, частица радиусом 0,2 мм расплавится за 0,1 сек. Для получения однородного расплава размер частиц сырьевых материалов не должен превышать 2 мм, что определяется временем нахождения частицы в плазмохимическом реакторе до ее полного расплавления.
3. Процесс получения расплава в условиях низкотемпературной плазмы со скоростью нагрева сырьевых материалов более 1000 ОС в секунду характеризуется одновременным плавлением всех фаз, в отличие от процессов протекающих при обычных скоростях нагрева 0,5—1 ОС в секунду. Сверхвысокие скорости нагрева сокращают время образования гетерогенного расплава, при этом гомогенизация обеспечивается низкими значениями вязкости расплава.
4. Получение силикатных расплавов в условиях низкотемпературной плазмы протекают в две стадии: одновременное плавление всех фаз шихты с образованием гетерогенного расплава и гомогенизация расплава в условиях пониженной вязкости за счет перегрева материала выше температуры плавления. При этом требованием к исходному материалу шихты является отсутствие разлагающихся компонентов и завершенностью процессов силикатообразования. Получение силик- таных расплавов по традиционным технологиям включает стадии: силикатообраз- воание, плавление первичного эвтектического расплава, растворение тугоплавких оксидов (SiO2, Al2O3 и др.) в первичном расплаве, гомогенизация расплава при температурах 1450-1500 ОС.
5. При температурах 3000-3500 ОС реализуемых генератором низкотемпературной плазмы вязкость расплава с содержанием оксида кремния 40-50% составляет 2-5 Па-с, с содержанием SiO2 50-65% составляет 5-20 Па-с. Электромагнитное перемешивание и дополнительный омический нагрев силикатного расплава в плазмохимическом реакторе обеспечивает гомогенизацию расплава. Высокая вязкость расплава из кварцевого песка - 106 Па-с при температуре 2000 ОС ограничивает способы выработки кварцевого стекла. При таких значениях температуры и вязкости применяются методы, используемые при традиционном стекловарении - поэтапная наплавка стекла и получение стеклянных блоков.
6. Разработанный плазмохимический реактор, обеспечивает получение силикатных расплавов из материалов с содержанием оксида кремния 50-100%, при этом время расплавления подаваемых дисперсных частиц размером до 2 мм не превышает 3 с.
7. Удельные тепловые потоки q= 1,8-2,6-106 Вт/м2, реализуемые генератором низкотемпературной плазмы позволяют получать однородный по химическому составу высокотемпературный силикатный расплав.
8. В процессе плавления силикатных смесей создается рециркуляционная зона движения дисперсных частиц в расплаве, обеспечивающая нагрев частиц и их полное расплавление с образованием однородного по температуре и химическому составу силикатного расплава. Такая траектория движения расплава представляется наиболее оптимальной в отношении роста времени прогрева материала до 3 секунд, что обеспечивает полное расплавление частиц.
9. Выбор конструкции реактора определяется вязкостью силикатного расплава. При значениях вязкости силикатного расплава более 105 Па-с необходимо использовать плазмохимический реактор с замкнутым объемом, при вязкости менее 105
Па-с используется схема, обеспечивающая слив высокотемпературного силикатного расплава. Прохождение электрического тока через силикатный расплав в процессе работы плазмохимического реактора позволяет оперативно влиять на значения температуры и вязкости расплавленного материала и как следствие на качество получаемой готовой продукции.
10. Реализованные плазменные технологии создания защитно-декоративного покрытия на строительных материалах и получения минеральных волокон, позволяют получать продукт с повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
11. Предложенная технологическая схема получения стеклокристаллических материалов и кварцевого стекла с использованием энергии низкотемпературной плазмы являются альтернативой газопламенной технологии, при этом удельный расход энергии сокращается в 1,5-1,8 раза.
12. Использование плазменной технологии обеспечивает решение задачи получения стеклогранулята для пеностекла и пеностеклокристаллических материалов. При этом сокращается размер агрегатов, энергия и время образования расплава.