Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod University of Cooperation, Economics and Law
Stary Oskol Technological Institute after A. A. Ugarov, National University of Science and Technology “MISiS” branch
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Stariy Oskol, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 61.29 Химическое сырье
BBK 35 Химическая технология. Химические производства
The traditional technology of obtaining silicate-clod is quite energy-intensive and long-lasting in time. The use of low-temperature plasma in various industries today is a promising direction. The paper presents the results of studies of the influence of the heat treatment temperature of the pelletized charge on its phase composition, as well as the synthesis of silicate-clod using a plasma jet. The carried out researches allowed to establish regularities of plasma synthesis of silicate-clods with the use of plasma heating
synthesis, silicate-clod, plasma jet, plasma heating, charge
Жидкое стекло представляет собой общедоступный ресурс растворимого кремнезема, используемого при синтезе неорганических и кремнийорганических соединений, который не имеет природных аналогов [1–3]. Известны три способа производства жидкого стекла: сухой способ, мокрый способ и способ возгонки [3–4]. Однако современные технологии получения силикат-глыбы являются достаточно энергоёмкими, длительными во времени, требующими значительного количества дробильно-помольного оборудования [5–7]. Использование низкотемпературной плазмы позволило создать высокоэффективные, экологически чистые технологии синтеза минералов, получения защитно-декоративных покрытий на бетоне, силикатном кирпиче, пеностекле, изделиях из стекла и др. [8–14].
В работе представлены результаты исследований синтеза силикат-глыбы с использованием плазменной струи. Для синтеза силикат-глыбы использовали соду кальцинированную марки Б по ГОСТ 5100–85, поташ первого сорта по ГОСТ 10690–73 и кварцевый песок марки Б-100-1 по ГОСТ 22551–77. В качестве высокотемпературного источника использовали многофункциональный прибор Мультиплаз–2500.
Разработанная технология синтеза силикат-глыбы предусматривает следующие технологические операции:
Ранее проведенными исследованиями [15] доказано, что важным технологическим этапом является стадия таблетирования и последующая термообработка таблеток шихты. Таблетирование шихты связано с особенностями плазменного факела, истекающего из плазменной горелки со скоростью 150 м/с. В случае использования порошковой шихты, последняя будет выдуваться плазменной струёй из тигля и расслаиваться.
Количественный химический состав до и после плазменной обработки определяли рентгенофлуоресцентным методом анализа с использованием спектрометра APL 9900 «Thekmoscientific».
Таблетки шихты термообрабатывали при температурах 400 °С и 500 °С. После термообработки таблетки подвергали рентгенофазовому анализу. Фазовый состав термообработанных шихт определяли на дифрактометре ARLXTRA.
Рис. 1. Порошковая рентгеновская дифрактограмма натриевой шихты при 400 °С
Рис. 2. Порошковая рентгеновская дифрактограмма натриевой шихты при 500 °С
На рисунках 1 и 2 представлены фазовые составы шихт термообработанных при 400 °С и
500 °С с содержанием в пересчёте на силикат-глыбу 26 % Na2O и 74 % SiO2.
С увеличением температуры термообработки с 400 °С до 500 °С помимо пиков кварца и соды увеличивается интенсивность пиков NaHCO3, CHNaO2. Повышение прочности на сжатие с 0,8 МПа до 1,5 МПа связано с твердофазными реакциями с образованием пространственного каркаса.
На рисунках 3 и 4 представлен фазовый состав термообработанных шихт при температурах 400 °С и 500 °С с содержанием в пересчёте на силикат-глыбу 31 % K2O и 69 % SiO2.
С увеличением температуры термообработки с 400 °С до 500 °С помимо основных пиков SiO2 и K2CO3 увеличивается интенсивность пиков K4H2(CO3)3. Это также способствует образованию пространственного каркаса и увеличению прочности с 0,85 МПа до 1,6 МПа.
После термообработки таблеток шихт проводили синтез силикат-глыбы в керамических тиглях с использованием плазменной струи с температурой 5000 °С.
Рис. 3. Порошковая рентгеновская дифрактограмма калиевой шихты при 400 °С
Рис. 4. Порошковая рентгеновская дифрактограмма калиевой шихты при 500°С
а 
б 
в 
г 
Рис. 5. Силикат-глыба:
а – с 26 % Na2O; б – с 8 % Na2O и 24 % K2O; в – с 19 % Na2O и 8% K2O; г – с 31 % K2O
Как известно, высокие температуры плазменной струи приводят к диссоциации и испарению оксидов [16]. При высоких температурах происходит инконгруэнтное испарение оксидов. Так, в работе [17] рассчитаны величины суммарного давления паров ΣР(SiО2) и парциальные давления монооксида кремния Р(SiО) и молекулярного кислорода Р(О2) (атм) над диоксидом кремния.
Результаты исследований представлены в таблице 1, по сравнению с исходным химическим составом при плазменном синтезе силикат-глыбы расплав обогащался оксидом кремния и обеднялся оксидами калия и натрия за счёт процесса испарения.
Таблица 1
Химический состав синтезированной силикат-глыбы до и после плазменного синтеза
|
№ |
Na2O, % |
K2O, % |
SiO2, % |
|||
|
до |
после |
до |
после |
до |
после |
|
|
1 |
26,0 |
2,0 |
– |
– |
74,0 |
75,3 |
|
2 |
8,0 |
7,5 |
24,0 |
23,4 |
68,0 |
79,1 |
|
3 |
19,0 |
18,1 |
8,0 |
7,4 |
73,0 |
74,5 |
|
4 |
– |
– |
31,0 |
29,8 |
69,0 |
71,2 |
Традиционная технология получения силикат-глыбы предусматривает последовательные стадии образования силикатов, растворение тугоплавких компонентов, образование гетерогенного расплава и его гомогенизации. Синтез силикат-глыбы с использованием плазменной струи существенно отличается от данной технологии. На первой стадии происходит одновременное образование силикатов, растворение тугоплавких компонентов с образованием гетерогенного расплава, а на второй – гомогенизация расплава. Это сокращает время синтеза в 2,5–3 раза, уменьшает энергозатраты.
Проведённые исследования позволили установить закономерности плазменного синтеза силикат-глыбы с использованием плазменного нагрева.
1. Korneev V.I., Danilov V.V. Rastvori-moe i zhidkoe steklo. SPb.: Stroyizdat, 1996. 216 c.
2. Kuatbaev K.K., Puzhanov G.T. Stroi-tel'nye materialy na zhidkom stekle. Alma-Ata: Izd. Kazahstan; 1968. 62 s.
3. Obzor rynka silikat-glyby i zhidkogo stekla v SNG [Elektronnyy resurs]. Sistem. trebovaniya: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.infomine.ru/files/catalog/176/file_176.pdf (data obrascheniya: 11.10.2017).
4. Vinogradov B.N. Syr'evaya baza pro-myshlennosti vyazhuschih veschestv SSSR. M.: Izd. Nedra, 1971. 486 s.
5. Kitaygorodskiy I.I. Tehnologiya stek-la. M.: Stroyizdat, 1961. 564 s.
6. Pat. 2156222 Rossiyskaya Federaciya. MPKC 01B33/32. Sposob polucheniya «sili-kat-glyby» / Dubinin N.A., Digonskiy S.V., Kravcov E.D., Ten V.V.; zayavitel' i patento-obladatel' OAO MNPO «Polimetall». - № 99104641/03, zayavl. 04.03.1999, opubl. 20.09.2000. Byul. № 26.
7. Pat. 2053970 Rossiyskaya Federaciya. MKI S 03 S 6/02, S 03 V 1/02. Sposob prigo-tovleniya stekol'noy shihty / Vezencev A.I.; zayavitel' i patentoobladatel' Nauchno-proizvodstvennoe predpriyatie «Silikoll». - № 92014433/33, zayavl. 23.12.1992; opubl. 10.02.96, Byul. № 4.
8. Fedosov S.V., Akulova M.V., Schepoch-kina Yu.A. Steklovidnoe pokrytie dlya betona // Stroitel'nye materialy. 2000. № 8. S. 28.
9. Fedosov S.V., Akulova M.V., Schepoch-kina Yu.A., Podloznyy E.D., Naumenko N.N. Plazmennoe oplavlenie stroitel'nyh kompo-zitov. M.: Izd. ASV, Ivanovo: Izd. IGASU, 2009. 228 s.
10. Puchka O.V., Vaysera S.S., Sergeev S.V. Plazmohimicheskie metody polucheniya pokrytiy na poverhnosti penostekla // Bel-gorodskogo gosudarstvennogo tehnologiche-skogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. № 3. S. 147-150.
11. Puchka O.V., Min'ko N.I., Stepanova M.N. Razrabotka neorganicheskih dekorativ-no-zaschitnyh pokrytiy dlya teploizolyacion-nogo penostekla // Tehnika i tehnologiya si-likatov. 2009. T. 16. № 2. S. 9-10.
12. Bessmertnyy V.S., Min'ko N.I., Dyu-mina P.S., Sokolova O.N., Bahmutskaya O.N., Simachev A.V. Poluchenie licevogo kirpicha metodom plazmennoy obrabotki s ispol'zo-vaniem syr'ya tehnogennyh mestorozhdeniy // Steklo i keramika. 2008. № 1. S. 17-19.
13. Bessmertnyy V.S., Bondarenko N.I., Borisov I.N., Bondarenko D.O. Poluchenie zaschitno-dekorativnyh pokrytiy na stenovyh stroitel'nyh materialah metodom plazmen-nogo oplavleniya. Belgorod: Izd. BGTU, 2014. 104 s.
14. Zdorenko N.M., Il'ina I.A., Bonda-renko N.I., Gaschenko E.O., Bondarenko D.O., Izofatova D.I. Zaschitno-dekorativnye po-krytiya dlya stenovyh stroitel'nyh materia-lov avtoklavnogo tverdeniya // Mezhdunarod-nyy zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya. 2015. № 9. S. 81-82.
15. Bondarenko D.O., Bondarenko N.I., Bessmertnyy V.S., Izofatova D.I., Dyumina P.S., Voloshko N.I. Energosbeergayuschaya teh-nologiya polucheniya silikat-glyby dlya proiz-vodstva zhidkogo stekla // Belgorodskogo gos-udarstvennogo tehnologicheskogo universite-ta im. V.G. Shuhova. 2017. № 10. S. 111-115.
16. Kulikov I.S. Termodinamika oksi-dov: spravochnik. M.: Metallurgiya, 1984, 324 s.
17. Kulikov I.S. Termicheskaya dissocia-ciya soedineniy. M.: Metallurgiya, 1966. 250 s.
