Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические основы получения микросфер из тугоплавких оксидов в потоке термической плазмы. Монография
.pdf
3. Моделирование процессов формирования оксидных микросфер
91
ким образом, рассматривая данную многокомпонентную систему (зольный остаток ГРЭС), можно сделать вывод о допустимом перегреве частицы (рис. 3.17, 2) на 800 K выше температуры плавления (T
melt
) с целью
достижения расплавленной каплей полной гомогенизации по объему за
счет интенсивного конвективно-диффузионного переноса.
Рассматривая процессы газонасыщения полых микросфер при активном нагреве в условиях высокоэнергетической среды, необходимо
выделить две группы факторов. К первой группе факторов относятся
параметры, связанные со структурными особенностями исходных частиц, вводимых в поток. К таким параметрам, вносящим принципиальный вклад, можно отнести содержание открытых и замкнутых межзерновых пор, их размер и наличие концентрации легкоплавких компонентов в составе. Вторая группа факторов связана с взаимодействием
несущей среды с частицами (массоперенос).
Ввиду того, что основным фактором газонасыщения все-таки являются структурные особенности исходных частиц, в работе произведена оценка газонасыщения полых частиц под действием испарения
конденсированной фазы в процессе нагрева. На рис. 3.18 представлен
переход конденсированных фаз в газообразные (программный комплекс [178] позволяет установить все возможные фазы при заданном
составе, что дает возможность осуществить объективную оценку газонасыщения) при нагреве полых микросфер.
По результатам термодинамического моделирования установлена
динамика формирования газообразных фаз в процессе нагрева многокомпонентной оксидной системы в широком диапазоне температур. Поскольку релаксация (формирование стабильной жидкой фазы) агломери-
рованных частиц достигается в температурном диапазоне от 1993 до
2750 K и потеря массы конденсированной фазы не превышает менее
1 масс. %, уровень газонасыщения за счет частичного испарения конден-
сированной фазы наблюдается на уровне не более 1 масс. %.
Оценивая область стабильного состояния жидкой фазы
(1993–2750 K) на основе рассматриваемой оксидной системы, отмечаем, что способность газонасыщения полой капли осуществляется за
счет инконгруэнтного испарения минералов, представленных исходными оксидами Fe2O3 и Na2O. Исследуемый диапазон температур
нагрева показал наличие атомных и молекулярных частиц, способных
Технологические основы получения микросфер
92
вносить вклад в газонасыщение полой микросферы порами FeO и Na,
однако стоит отметить, что испарение оксидов осуществляется как на
поверхности, так и в объеме полой частицы и в оболочке (разность
между внутренним и внешнем диаметром капли). На рис. 3.19 представлены особенности испарения конденсированной фазы в системе
«полая капля расплава – плазма».
Рис. 3.18. Формирование газообразных фаз при нагреве многокомпо-
нентной оксидной системы
Рис. 3.19. Газонасыщение микросферы при воздействии потоков терми-
ческой плазмы
3. Моделирование процессов формирования оксидных микросфер
93
Анализ представленной схемы газонасыщения микросферы отражает наличие трех возможных стадий испарения конденсированной
фазы и вклад в газонасыщение. Если предположить, что начальное содержание газовой фазы соответствует m
(1)
= 27,1 масс. % конденсирован-
ного материала (зольный остаток ГРЭС) и воздуха m
(2)
= 72,9 масс. %,
а испарение конденсированной фазы при рациональном режиме нагрева
не превышает 1 масс. %, можно утверждать, что главным параметром
формирования полых микросфер является исходная пористость агломерированного порошка.
Выводы по разделу 3
1. Разработанный и изготовленный электроплазменный стенд для
получения микросфер на основе агломерированных тугоплавких оксидов
(патент РФ № 2664287) обеспечивает нагрев и плавление агломерированных частиц с последующим формированием полых микросфер. Нагрев
производится в ламинарной плазменной струе, характеризующейся следующими технологическими параметрами: сила тока 200–300 А, напряжение 90–100 В, тепловое КПД плазменной струи 60 %, расход плазмообразующего газа (воздух) 0,8–1,0 г/с.
2. Предложенная физико-математическая модель динамики дви-
жения, нагрева и плавления пористых частиц кремнезема в потоке термической плазмы и приведенное численное решение уравнений движения и энергии частиц позволяют прогнозировать эволюцию параметров
частиц в потоке плазмы при варьировании их диаметра и объемной пористости. Анализ результатов численных расчетов по предложенной
модели показал, что пористость исходной частицы кремнезема существенно влияет на динамику ее движения, нагрева и испарения в потоке
термической плазмы. Предложенная модель позволяет путем проведения параметрических расчетов выбрать геометрические и режимные
параметры электроплазменной установки, обеспечивающие требуемую
динамику нагрева и плавления частиц.
3. Численный анализ динамики образования полых частиц показывает, что значения внешнего и внутреннего диаметра жидкой пленки и ее
толщина определяются, главным образом, в процессе плавления и слабо
меняются при дальнейшем нагреве. Значения конечного диаметра ча-
Технологические основы получения микросфер
94
стиц сильно отличаются в случаях открытых и замкнутых пор. В рассмотренных случаях это отличие достигает 70 %. При малом количестве
замкнутых пор (α < 0,1) значение конечного диаметра частицы слабо от-
личается от начального диаметра агломерированной частицы.
4. Результатом термодинамического моделирования многокомпонентной оксидной системы является отсутствие потери массы конденсированной фазы до температуры плавления. Таким образом, можно сделать вывод о допустимом перегреве частицы на 800 градусов выше температуры плавления с целью достижения расплавленной каплей полной
гомогенизации по объему за счет интенсивного конвективно-диффузионного переноса.
Результаты исследований опубликованы в цикле работ [179–187].
95
4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ
И СВОЙСТВ ОБОЛОЧКИ МИКРОСФЕРЫ
Основными физическими параметрами микросфер являются диа-
метр D
p,m
, плотность ρp и относительная толщина оболочки δ/D
p,m
.
В настоящем разделе рассмотрены особенности формирования структуры, фазового состава и физических параметров полученных микросфер на основе агломерированных тугоплавких оксидов в потоке термической плазмы. Результаты исследований опубликованы в следующих материалах [179–187].
4.1. Оценка формы и рельефа поверхности оболочки микросфер
Эффективность плазменного воздействия целесообразно оцени-
вать по сфероидизации частиц и формированию беспористой оболочки.
Особенностью используемых сырьевых материалов является их высокая температура плавления, типичные точки плавления составляют от
2000 до 2800 K. На рис. 4.1, а представлены массовое и атомное содержание элементов на поверхности полученных микросфер на основе агломерированного порошка бемита. Полученные энергетические спектры указывают, что в составе присутствует высокое содержание алюминия (Al) – 67,42 масc. %. Содержание кислорода (О) зафиксировано
на отметке 29,66 масc. %. Присутствуют следы кремния (Si) с концентрацией 2,92 масc. %. На рис. 4.1, б – д представлена морфология полу-
ченных микросфер на основе бемита.
В процессе исследований микросфер, полученных на основе бе-
мита (Al2O3), можно выделить три вида сформировавшихся оболочек
полых частиц. Первый вид (рис. 4.1, в) структуры поверхности частицы характеризуется наличием кратеров остроугольной формы. Некоторые кратеры связаны между собой, размер кратеров находится
в пределах 2–5 мкм.
Второй вид (рис. 4.1, в) структуры поверхности микросферы вклю-
чает в себя сплавленные между собой частицы призматической формы
с округленными углами размером 5–10 мкм. Третий вид (рис. 4.1, г) поверхности частицы представлен в виде отдельных холмистых слоев. Раз-
Технологические основы получения микросфер
96
личный вид структуры поверхности частиц, полученных в высокотемпературном потоке плазмы, связан с особенностями приготовления агломерированных порошков на основе бемита (Al2O3) и трудно регулируется в процессе термического воздействия. Отличия элементного состава
от морфологии полученных микросфер обнаружено не было.
а
б
в
г
д
Рис. 4.1. Элементный состав (а) и микрофотографии микросфер на ос-
нове бемита (б – д)
Микросферы, полученные на основе кварцевого песка, обладают
высоким коэффициентом сферичности (рис. 4.2). Полученный энергетический спектр говорит о высоком содержании кремния (Si) 64,17 масс. %,
также присутствуют следы алюминия (Al) 3,68 масс. %. Концентрация
кислорода составляет 32,15 масс. %.
Зольный остаток ГРЭС имеет наименьшую температуру плавления
из рассматриваемых сырьевых материалов (1850–1980 К), однако включает в себя высокое содержание различных элементов, представленных
в разупорядоченном виде в исходной шихте. Таким образом, стоит рассматривать эффективность плазменного воздействия с учетом распределе-
4. Исследование состояний и свойств оболочки микросферы
97
ния элементов по объему частицы. На рис. 4.3 представлены массовая
и атомная доли элементов (а) и морфология полученных микросфер (б).
Рис. 4.2. Элементный состав (а) и микрофотография микросфер на ос-
нове кварцевого песка (б)
Рис. 4.3. Элементный состав (а) и микрофотография поверхности мик-
росфер на основе зольного остатка ГРЭС (б)
Элементный состав (массовый и атомный) для микросфер на ос-
нове зольного остатка ГРЭС согласуется с результатами химического
анализа (см. подразд. 2.1). Содержание кремния (Si) и алюминия (Al) достигает 34,41 и 11,34 масс. % соответственно. Достаточно весомый вклад
вносит железо (Fe) и калий (К) с концентрациями 6,23 и 5,29 масс. %.
Присутствуют следы натрия (Na), магния (Mg ), титана (Ti) и кальция
(Ca), суммарная концентрация которых достигает 4,96 масс. %. Концентрация кислорода (О) соответствует значению 23,67 масс. %. Наличие
углерода (С) 14,10 масс. % обосновано исходным составом сырья.
Морфология полученных микросфер на основе зольного остатка
ГРЭС, как и у частиц кварцевого песка, характеризуется отсутствием
ярко выраженных дефектов в виде трещин, открытых пор, присутствием
а б а
б
Технологические основы получения микросфер
98
на поверхности приплавленных частиц исходного сырья микронного
размера. Это связано с наличием слабо скрепленных между собой частиц
на поверхности подаваемых агломератов. Степень отклонения частиц от
сферичности достаточно низкая, что говорит о достижении частицей расплавленного состояния в процессе движения в потоке термической
плазмы. Как отмечалось выше, при рассмотрении многокомпонентных
систем стоит учитывать распределение элементов в объеме частицы. На
рис. 4.4 представлены результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в виде качественных карт распределения элементного состава
в поверхностном слое оболочки микросферы. Наличие затемненных левых нижних углов на полученных элементных картах обусловлено сферической формой частиц.
Рис. 4.4. Качественное распределение элементного состава в спектре
Оценивая качественные карты распределения элементного состава, полученные для полых микросфер на основе зольного остатка
ГРЭС, следует сделать вывод, что воздействие потока термической
плазмы приводит к гомогенизации расплава (полая капля) за счет высокой концентрации энергии, воздействующей на многокомпонентную
систему (агломерат). Таким образом, можно считать, что оболочка полученных полых микросфер на основе зольного остатка ГРЭС является
гомогенной и представлена алюмосиликатным составом.
4.2. Исследование свойств микросфер,
полученных на основе агломерированных
тугоплавких порошков оксидов кремния, алюминия
и алюмосиликатных композиций
В процессе движения частиц происходят сложные неравновес-
ные процессы, связанные с изменением формы, структуры и, соответ-
4. Исследование состояний и свойств оболочки микросферы
99
ственно, гранулометрического состава. Ниже представлены результаты
изменения гранулометрического состава, плотности и относительной
толщины оболочки полученных микросфер на основе агломерированных тугоплавких частиц (зольный остаток, кварцевый песок, бемит)
в потоке термической плазмы.
Производилась обработка агломерированного порошка, имею-
щего следующий фракционный состав: зольный остаток 125– 200 мкм;
кварцевый песок 71–125 мкм; бемит 50–90 мкм. Средняя закрытая объёмная пористость порошка находилась на уровне 35 %. На рис. 4.5
представлена гистограмма распределения размера частиц и их плотности, полученных в потоке термической плазмы, при технологическом
режиме № 2 работы электроплазменной установки.
Рис. 4.5. Распределение полученных
микросфер по гранулометрическому составу и насыпной плотности. Микросферы на основе:
а – зольного остатка ГРЭС; б –
кварцевого песка; в – бемита
Из анализа данных следует, что внешний диаметр полученных
микросфер соответствует гранулометрическому составу введенных агломерированных частиц в исходном состоянии. Гранулометрический
состав полученных микросфер на основе зольного остатка (D
p,m
=
= 100–180 мкм); кварцевого песка (D
p,m
= 75–125 мкм); бемита (D
p,m
=
= 63–100 мкм). Насыпная плотность полых микросфер варьируется
в диапазоне от 0,5 до 2,5 г/см3.
а б в
Технологические основы получения микросфер
100
На рис. 4.6 представлены результаты экспериментальных данных
потери массы частиц при обработке в потоке термической плазмы (P =
= 23,5 кВт; Tg= 6700 K; ug= 515 м/с). Обработка агломерированного порошка в плазменной струе осуществлялась при различном расходе транспортирующего газа 0,3–0,5 г/с. Масса вводимого агломерированного по-
рошка при каждом эксперименте составляла 500 г. Для каждого вида ма-
териала эксперимент повторялся пять раз. Для оценки потери массы
частиц в работе использовались аналитические весы серии DA (BEL).
Рис. 4.6. Изменение массы обработанного агломерированного порошка
при различном расходе транспортирующего газа. Агломерированный порошок на основе (окончание см. на с. 101):
а – зольного остатка; б – кварцевого песка
450,0
460,0
470,0
480,0
490,0
500,0
1 2 3 4 5
Масса, г
Номер пробы
1 2 3
450,0
460,0
470,0
480,0
490,0
500,0
1 2 3 4 5
Масса, г
Номер пробы
1 2 3
а
б
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]