Силикатные полые микросферы

Алюмосиликатные полые микросфсры образуются в составе золы- уноса при сжигании углей в результате расплавления минеральных компонентов, миграции расплава в газовом потоке в виде отдельных мельчайших капель и раздува последних за счет увеличения объема захваченных газовых включений (рис. 4.3.4.1). По своим свойствам техногенные глобулы из энергетических зол близки к полым микросферам, которые получают из расплавов промышленными методами и используют в качестве наполнителей различных композиционных материалов. В настоящее время из-за сложной технологии и высокой себестоимости масштабы производства этого продукта невелики. Стоимость полых микросфср, извлеченных из золы, значительно ниже промышленных, а их «производство» на ТЭС оценивается десятками тысяч тонн в год.

За рубежом микросферы находят широкое применение в производстве керамических легковесных теплоизоляционных материалов, теплоизоляционных жаростойких бетонов, сферопластиков и термопластиков, радиопрозрачных керамик, облегченных тампонажных и буровых растворов. В нашей стране использование полых микросфер крайне ограничено, обычно они вместе с золой сбрасываются в золоотвалы.

Алюмосиликатные полые микросферы под микроскопом (отражённый свет) (Кизилыитейн и др„ 1995)

Рис. 4.3.4.1. Алюмосиликатные полые микросферы под микроскопом (отражённый свет) (Кизилыитейн и др„ 1995)

Наиболее обстоятельным исследованием в данной области являются монографии Л.Я. Кизилылтсйна с соавторами (1995) и Э.В. Сокол с соавторами (2001).

Механизм формирования микросфер. При сгорании топлива капли расплавов различных составов транспортируются газовым потоком, приобретая форму, приближающуюся к сферической. Размер частиц, образующих летучие золы, определяется двумя факторами - их плотностью и подъемной силой потока. Поэтому максимальные диаметры (до 500 мкм) имеют полые силикатные микросферы, а минимальные (5...30 мкм) - ферросферы, хотя дисперсия размеров внутри каждого класса достаточно велика.

Поскольку растворимость газов в силикатных расплавах при Р ~ 1 атм ограничена, они образуют субмикронныс пузырьки, заключенные внутри капель. По мерс роста температуры объем газа увеличивается и пузырьки расширяются. Характер их дальнейшего взаимодействия с каплей расплава-хозяина в основном определяется временем нахождения частицы в высокотемпературной зоне и вязкостью жидкости. Обязательным условием образования полых микросфер является равенство сил поверхностного натяжения капель расплава и внутреннего давления газа. Образно говоря, микросферу можно уподобить тысячекратно уменьшенному стеклянному елочному шару или мыльному пузырю. Не исключена также возможность образования полых глобул в результате протекания на высокотемпературном этапе незавершенных ранее реакций дегидроксилации и дегазации расплавов. В этом случае механизм их формирования близок к технологии получения пеносиликатных материалов.

Из капель расплавов высокой вязкости (обогащенных SiC>2, АЬОз и обедненных FeO, CaO, Na?0 по сравнению с валовым составом золы- уноса), способных выдержать давление газового пузырька, формируются полые микросферы с тонкими (5... 15 мкм) непористыми и слабопористыми стенками. В том случае, если силы поверхностного натяжения пленки расплава оказываются меньше внутреннего давления газа, микросфера претерпевает разрыв. Если жидкость до момента закалки вновь успевает принять сферическую форму, то образуются сплошные микро- сферы малого диаметра (d = 10...30 мкм) (Природа..., 2001). Существует и иная точка зрения (Vassilev, Vassilcva, 1996), согласно которой сплошные силикатные микросферы возникают при закалке дегазированных расплавов. Процесс образования полых микросфер в большинстве случаев остается незавершенным из-за быстрого выноса частиц потоком воздуха из высокотемпературной зоны или вследствие разрыва их давлением газа.

Высокожелезистые силикатные расплавы, как правило, содержат значительные количества СаО и обладают низкой вязкостью. Движение газа в таких средах аналогично его продвижению через металлургический шлак, поэтому сохранение газовых пузырей и образование полых микросфер происходит значительно реже. Толщина стенок в этом случае достигает 1/3... 1/4 диаметра. При закалке капель жидкостей такого состава обычно формируются сплошные микросферы с переменным содержанием рудных минералов (шпинелиды ряда FeFe204-MgFe204- MnFe204-CaFe204, гематит, маггемит, вюстит, пирротин) и пизкокрем- ниевых Fe-Ca-стекол.

Существенное влияние на фазовый состав микросфер оказывает траектория движения частицы, которая определяет время её пребывания в зоне высоких (свыше 1500 °С) температур. В отдельных случаях внутри микросфср с неразрушенной оболочкой находятся более мелкие глобулы, которые, в свою очередь, могут содержать плотные микрошарики до 1 мкм в диаметре. Образование таких микросфер объясняется последовательным разогревом сначала наружных зон минеральных частиц с отделением расплава от еще твердого ядра, а затем разогревом и расплавлением самого ядра (Кизильштейн и др., 1995).

Плотные, пористые и ячеистые сферы, а также сферы с толстой оболочкой присутствуют в золах в наибольшем количестве (80...90 % объема). Стеклянные, полые и магнитные микросферы гораздо менее распространены. В целом содержание сферических частиц возрастает в тонких фракциях (<63 мкм) (Vassilev, Vassileva, 1996). По мнению Э.В. Сокол с соавторами (Природа..., 2001), силикатные полые микросферы наиболее типичны для легкоплавких зол-уноса, возникших при сжигании углей, обогащенных тонкодисперсным мусковитом и гидрослюдами. Благоприятным фактором является также наличие среди минеральных примесей карбонатов железа.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >