Цирконийсодержащие волокна на основе горных пород базальтоподобного состава

Ю.Н. Чувашов1, Г.Ф. Горбачев1, О.М. Ященко1, Е.И. Зубко2, Ю.Е. Зубко2, А.А. Фомичев2, С.Д. Черюканов3, Н.А. Скорик3
1 Государственное предприятие «БАВОМА», г. Киев, Украина
2 ООО «Магма Индустрия», г. Костополь, Ровенская область, Украина
3 ООО «Наномедтехника», г. Киев, Украина

Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады ХI Всероссийской научно-практической конференции 6 – 8 июня 2012.–Бийск: БТИ АлтГТУ, 2012.– С. 14–17.

The glass and glass-fiber materials based on basalt modified by zirconium dioxide are obtained with the help of induction melting method. The study of the interaction obtained fibers with acid and alkaline environments indicate much higher chemical stability of modified fibers, compared with the original basalt.

Введение


В настоящее время большое внимание уделяется энергосберегающим технологиям получения минеральных волокон и материалов с высокими физико-химическими свойствами: термостойкостью, химической устойчивостью, экологической чистотой. Масштабные исследования посвящены волокнам из горных пород разного состава, которые используются как самостоятельно, так и в виде разнообразных материалов и изделий [1-5]. В частности, многообещающими являются работы по изучению волокон базальтоподобного состава, модифицированных добавками, содержащими диоксид циркония. Для решения этой задачи нами использованы новые энергоэффективные технологии получения силикатного расплава и раздува его в волокна без применения дорогостоящих питателей и фильер из драгметаллов. Речь идет о разработанном в последние десятилетия методе индукционного плавления диэлектриков в индукционных печах с медным водоохлаждаемым тиглем и о последующем одностадийном процессе волокнообразования с помощью раздувочных головок акустического типа [6-7].



Цель работы


Получение расплавов и волокон на основе сырья горных пород базальтоподобного состава модифицированных силикатом циркония.



Объекты и методы исследований


Для исследований использованы базальтовая шихта Берестовецкого месторождения и порошок силиката циркония производства «Didier Taylor Refactories Inc». Готовились смеси с различным весовым содержанием силиката циркония. Плавку полученных смесей удалось провести в диапазоне 10-50 % весового содержания силицида циркония. Однако, уже начиная с 40 % концентрации силиката циркония, подача расплава в головки становилась прерывистой, вследствие его переохлаждения в зоне выпуска.

Получение расплава и выработка волокна проводились на производственных площадях и оборудовании компании «МАГМА ИНДУСТРИЯ», в индукционной печи технологического модуля «БАЗАЛЬТ-30». Пирометрический контроль процесса плавления показал среднюю температуру на зеркале расплава 2450 °С, а в зоне выпуска расплава 2140 °С. Далее расплав подавался в раздувочную головку, где высокоскоростными турбулентными потоками воздуха перерабатывался в волокно.

Анализ микроморфологии образцов и количественный микроанализ проводили с использованием растрового электронного микроскопа Tesca Mira 3 LMU (Tescan, Чехия) та энергодисперсионного спектрометра Oxford Instruments X-Max 80mm2 SDD (Oxford Instruments, Великобритания).

Химическую устойчивость определяли классическим методом.



Основная часть


Высокая температура нагрева расплава позволяет получать непрерывную струю гомогенизированного расплава стекла. В промышленных условиях получены силикатные стекла (эрклезы) на основе сырья горных пород и штапельные волокна на их основе (рисунок 1).



Волокна из стекол, полученных  индукционной плавкой (электронная микроскопия)

Рисунок 1 – Волокна из стекол, полученных индукционной плавкой (электронная микроскопия)


Диаметр волокон находился в пределах 0,3 – 3,4 мкм. Плотность холстов волокон 31 – 40 кг/м3. Поверхность волокон довольно гладкая, без особых изъянов и раковин, структура достаточно однородная.

Результаты подтверждаются анализом микроморфологии образцов волокон, полученных из стекол с разным содержанием концентрата циркония в исходном сырье (составы 1,2), и количественным микроанализом с использованием растрового электронного микроскопа (таблица 1,2).



Таблица 1 – Избирательный микрозондовый анализ состава волокон (состав 1):

Спектр C O Na Mg Al Si K Ca Ti Fe Zr Итого
1 23.21 34.30 1.16 2.23 4.58 15.80 0.56 6.10 1.54 8.99 1.55 100.00
2 15.25 43.06 1.81 2.94 5.36 17.13 0.49 4.66 1.05 6.68 1.57 100.00
3 13.21 44.68 1.68 2.81 5.57 17.48 0.51 4.89 1.14 6.39 1.66 100.00
4 11.99 47.11 1.88 3.10 5.46 17.22 0.44 4.38 1.06 5.59 1.77 100.00
5 24.12 40.34 1.21 2.40 4.34 14.40 0.32 4.26 1.10 6.05 1.47 100.00


Таблица 2 – Избирательный микрозондовый анализ состава волокон (состав 2):

Спектр C O Na Mg Al Si K Ca Ti Fe Zr Итого
1 7.55 38.69 1.67 2.17 4.39 18.88 0.50 4.85 1.48 6.85 12.95 100.00
2 7.00 41.12 1.77 2.34 5.04 20.27   4.35 0.95 3.92 13.25 100.00
3 5.62 45.51 1.62 2.55 4.56 18.06 0.37 3.85 0.80 4.49 12.56 100.00
4 6.06 43.27 1.68 2.43 4.80 18.49 0.46 3.58 1.12 5.11 12.99 100.00


Данные (таблица 1, 2) указывают на достаточно однородное распределение Zr как на поверхности, так и во всем объеме волокон.

На рисунке 2 представлены результаты исследований стойкости волокон разных составов в агрессивных средах (2N NaOH, 2NHCl, 0,5NNaOH, H2O), указывающие на высокую химическую стойкость полученных волокон. После пребывания в агрессивных средах.


Диаграмма результатов исследований стойкости
цирконийсодержащих волокон разных составов в агрессивных средах

Исследования поверхности синтезированных волокон показали, что структура волокон после пребывания в агрессивных средах практически не изменилась, трещин и раковин на поверхности волокон не наблюдалось. Цирконийсодержащие волокна химически более устойчивы и в щелочной и в кислой средах по сравнению с базальтовыми.



Заключение


Плавкой сырья горных пород базальтоподобного состава с силикатом циркония в индукционной печи при температуре более 2400 °С получены силикатные стекла различного химического состава. Благодаря высокой температуре нагрева получена непрерывная струя гомогенизированного расплава стекла и в дальнейшем штапельные цирконийсодержащие волокна.

Структура волокон однородная, поверхность волокон гладкая.

Результаты исследований пребывания волокон в (2N NaOH, 2NHCl, 0,5NNaOH, H2O) указывают на высокую стойкость волокон в агрессивных средах. Структура волокон не изменилась.

Проведенные исследования указывают на возможность синтеза способом индукционной плавки химически устойчивых цирконийсодержащих волокон, с целью использования их в разных отраслях промышленности.




Список литературы

  1. Джигирис Д.Д., Махова М.Ф.
    Основы производства базальтовых волокон и изделий
    – М., 2002.- С.48-53.
  2. Чувашов Ю.М., Дідук І.І., Ященко О.М., Горбачов Г.Ф.
    Вплив якісного та кількісного складу шихти та технологічних параметрів отримання стекол на властивості та структуру стекол
    // Композиционные материалы в промышленности: Материалы Тридцать первой международной конференции, 2011 г., Ялта – Киев: УИЦ «НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ», 2011.
  3. Чувашов Ю.М., Ященко О.М., Божко В.І. та ін.
    Матеріали на основі наповнювачів з гірських порід та силікатовмісних відходів
    // Строительные материалы и изделия, №3, 2007.
  4. Латаш Н.В., Горбачев Г.Ф., Коледа В.Н.
    Плазменно-дуговая технология получения комбинированных жаростойких питателей для базальтового литья.
    - "Проблемы специальной электрометаллургии" №3, 2001.
  5. Чувашов Ю.Н., Божко В.І, Ященко О.М., Горбачова Л.О.
    Пристрій для виготовлення штапельного волокна із силікатовмісних розплавів
    // Патент України на корисну модель № 31717. 2008. Бюл. № 8.
  6. Лесков С.П., Татаринцева О.С.
    Высокочастотный нагрев в технологии получения базальтовых волокон
    Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады X Всероссийской научно-практической конференции (26-28 мая 2010г., г. Бийск).- Бийск: БТИ АлтГТУ, 2010. – С. 10-13.
  7. Литвинов А.В.
    Разработка и совершенствование процессов и аппаратов технологи производства теплоизоляционных базальтоволокнистых материалов на основе создания и исследования автоматизированной опытно-промышленной установки
    // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Бийск: 2003.