Воздействие кавитации на высокотемпературные силикатные расплавы

Аннотация

Экспериментально оценено воздействие акустических колебаний в режиме кавитации на высокотемпературный высоковязкий шлаковый расплав. Установлено существенное повышение кристаллизационной способности расплава после его ультразвуковой обработки, что может быть связано с деполимеризацией кремнекислородного каркаса силикатного расплава и созданием в расплаве развитой поверхности раздела газообразной и жидкой фаз. Показано, что акустическая обработка способствует диспергированию тугоплавкой твердой фазы в расплаве.

Ключевые слова: Акустические колебания, кавитация, силикатный расплав, кристаллизация, перемешивание, волновод.

Перемешивание и получение однородных расплавов играет существенную роль в производстве изделий из стекла и стеклокристаллических материалов на всех этапах стекловарения. Традиционно для перемешивания стекольных расплавов применяют механические мешалки, барботаж и электроподогрев, усиливающие конвективные потоки в стекломассе. Интенсифицирующее воздействие на стеклообразование, гомогенизацию, осветление стекломассы может оказать акустическая обработка расплава в режиме кавитации.

Акустическую обработку жидких сред достаточно широко применяют в химической технологии для интенсификации различных процессов [1]. В качестве ее основного метода используют введение акустических колебаний высокой интенсивности непосредственно в жидкую среду путем погружения рабочего инструмента колебательной системы (волновода) в технологический объем жидкости. При обработке в режиме кавитации в среде возникают кавитационные парогазовые пузыри, которые при расширении накапливают энергию, а при сжатии могут взрываться с интенсивным излучением ударных акустических волн, приводящих к сильным гидродинамическим возмущениям в жидкости – интенсивному перемешиванию, переменному движению частиц, интенсификации массообменных процессов. В ряде случаев в среде наблюдаются структурные изменения, например, механодеструкция полимеров [2].

Традиционно эти технологии применяют для интенсификации процессов растворения, очистки, экстрагирования, диспергирования в маловязких водных средах, органических растворителях. В последнее время успешно проводятся эксперименты по ультразвуковой интенсификации процессов и в высоковязких средах, а также в средах с высокой концентрацией твердой фазы [3].

В настоящем исследовании предпринята попытка в модельном эксперименте оценить характер воздействия кавитации на высокотемпературный силикатный расплав, выявить возможность перемешивания тугоплавкой твердой фазы в вязком силикатном расплаве, а также проверить применимость волновода, изготовленного из молибдена, для создания акустических колебаний в расплаве при температурах, характерных для стекловарения.

В качестве объекта исследования использовали доменный шлак состава (мас.%): SiO₂ – 44,30; Al₂O₃ – 5,84; CaO – 44,40; MgO – 4,59; Fe₂O₃– 0,44; SO₃ – 0,44, образующий однородный расплав при температуре 1450 ОС. Вязкость расплава при этой температуре ориентировочно составляет порядка десятков Па•с. В качестве диспергируемой твердой фазы применяли стекольный кварцевый песок с размером зерна 0,3-0,5 мм. Эксперимент проводили на установке, состоящей из высокотемпературной лабораторной электрической печи с карбидокремниевыми нагревателями и платино-платинородиевой термопарой, генератора ультразвуковых колебаний с переменной мощностью до 5кВ (разработан и изготовлен ООО «Криамид») и цилиндрического волновода-излучателя, изготовленного из молибдена (рис.1). Диаметр волновода составлял 40 мм, коэффициент усиления – 1, максимальная амплитуда колебаний торца – 15 мкм, частота колебаний – 17,4 кГц. Волновод был рассчитан и настроен на резонансную частоту преобразователя ПМС15А–18 с учётом того, что он будет работать в расплаве при температурах 1450–1500ºС. Для снижения коррозии молибдена на воздухе поверхность волновода покрывали раствором жидкого стекла.

Рис. 1. Экспериментальная установка

Для проведения экспериментов 250 г доменного шлака в корундовом тигле емкостью 700 мл помещали в печь, сверху в тигель вводили волновод и печь нагревали до 1450ºС. После расплавления шлака волновод оказывался погруженным в расплав на глубину около 50 мм. После стабилизации температуры в печи включали генератор акустических колебаний. Эксперимент проводили при максимальной амплитуде колебаний и максимальной мощности, что должно было обеспечить возникновение кавитации в шлаковом расплаве. Время обработки расплава составляло 1 ч. По окончании эксперимента тигель с расплавом охлаждали в печи до комнатной температуры, извлекали из печи и распиливали алмазным отрезным кругом. В эксперименте сравнения методику получения и термической обработки шлакового расплава не изменяли, но акустическую обработку не проводили.

Сравнительный анализ вещества, прошедшего и не прошедшего акустическую обработку, свидетельствует о ее существенном влиянии на структуру шлакового расплава, что проявилось в значительном увеличении кристаллизационной способности расплава, подвергнутого обработке. Необлученный шлаковый расплав после охлаждения сохранил стеклообразное состояние, признаки кристаллизации не наблюдались. Облученный шлаковый расплав при охлаждении частично закристаллизовался, приобретя крупнокристаллическую структуру. Согласно результатам рентгенофазового анализа, акустическое воздействие привело к кристаллизации кальциевого алюмосиликата – геленита 3CaО•Al₂О₃•2SiO₂, по-видимому, с частичной заменой катионов кальция и алюминия на катионы магния и железа.

Отметим, что использованный шлак по соотношению кислотных и основных компонентов относится к нейтральным, т.е. достаточно устойчив к кристаллизации. Повышение склонности расплава к кристаллизации после акустического воздействия можно объяснить двояко. Первая вероятная причина связана с деполимеризацией структурного кремнекислородного каркаса шлакового расплава под влиянием кавитации, что существенно облегчает диффузионные процессы, обеспечивающие кристаллизацию расплава. Явления разрыва химических связей с деполимеризацией сложных молекул при воздействии колебаний высокой интенсивности известны в химической технологии [4].

Другой причиной повышения склонности шлакового расплава к кристаллизации могут быть образующиеся при акустическом воздействии мельчайшие полости, заполненные газом, выделяющимся из расплава. Эти полости создают развитую поверхность раздела фаз, на которой начинается зародышеобразование и рост кристаллов силикатной фазы.

Для выявления возможности диспергирования тугоплавкой твердой фазы в высоковязком шлаковом расплаве под влиянием акустической обработки в нагретый до 1450ºС тигель с расплавом сверху вводили 250 г кварцевого песка, после чего включали генератор колебаний. В остальном методика проведения эксперимента не изменялась. Разрез тиглей после их охлаждения представлен на рис.2.

Рис.2. Визуальная характеристика материала
в тиглях после окончания эксперимента:
А – с акустической обработкой;
Б – без акустической обработки;
1 - кварцевый песок;
2 – слой шлака с распределенными зернами песка;
3 – воздушная полость;
4 - шлак.

На разрезе тиглей отчетливо видны различные зоны. В верхней части тигля, не подвергнутого акустической обработке, обнаружен слой кварцевого песка в виде корки, контактирующей с расплавом на глубине не более 5 мм. Под этим слоем присутствует полость, образованная, по-видимому, газами, выделяющимися из шлакового расплава при нагревании, которые в результате высокой вязкости верхнего слоя шлака с песком не могут выделиться в атмосферу. В нижней части тигля находится затвердевший стекловидный слой, образованный затвердевшим шлаковым расплавом. В тигле, расплав в котором был подвергнут акустическому воздействию, присутствуют те же зоны, однако контактная зона песка и шлакового расплава является более протяженной. В этой зоне песок распределен до глубины 15 мм, что подтверждает интенсифицирующее воздействие кавитации на перемешивание тугоплавких частиц в высоковязком силикатном расплаве.

Самостоятельную проблему использования акустической обработки высокотемпературных силикатных расплавов представляет подбор материала волновода, контактирующего с агрессивным расплавом. Этот материал должен отвечать ряду требований, выполнение которых обеспечивает удовлетворительную работу волновода без разрушения в чрезвычайно жестких условия эксплуатации:

• достаточная механическая прочность, позволяющая выдержать механические нагрузки, вызывающие переменные высокочастотные деформации волновода;
• жаростойкость, позволяющая эксплуатировать волновод при температурах до 1500ºС;
• термостойкость, позволяющая материалу выдержать перепады температуры между нижней частью волновода, находящейся в расплаве при температурах 1400-1500ºС, и верхней частью, находящейся вне печи при температуре окружающей среды;
• коррозионная стойкость при температурах эксплуатации к окислительной атмосфере воздуха и к агрессивным силикатным расплавам.

Рис.А1. Температура плавки

В настоящей работе, в качестве материала волновода для работы в высокотемпературном силикатном расплаве при температурах 1450-1500ºС, был опробован молибден. После проведения эксперимента нижняя часть волновода, погруженная в расплав, не претерпела видимых изменений, однако верхняя часть, несмотря на сохранившееся покрытие из затвердевшего жидкого стекла, оказалась покрыта рыхлым слоем блестящих кристаллов желтого цвета, представляющих собой оксид молибдена MoO3. Это свидетельствует о достаточно интенсивном окислении молибдена кислородом воздуха при повышенных температурах, несмотря на предпринятую его защиту жидким стеклом.

Защита поверхности молибденового волновода плотными воздухонепроницаемыми покрытиями не решает проблему, поскольку в процессе работы волновод постоянно меняет геометрические размеры, сжимаясь и расширяясь с высокой частотой (в настоящем эксперимента – 17,4 кГц). Плотное и прочное покрытие не выдерживает таких деформаций. Одним из возможных путей решения проблемы может явиться применение водоохлаждаемых защитных чехлов или использование для изготовления волновода специальных огнеупорных керамических материалов.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что акустическое воздействие повышает склонность силикатных расплавов к кристаллизации при их охлаждении и интенсифицирует процесс перемешивания тугоплавких частиц в вязком силикатном расплаве. Помимо этого, можно утверждать, что для исследовательских работ использование молибдена в качестве материала для изготовления волновода, возможно, он способен выдержать ряд термообработок, сохраняя свою работоспособность. В то же время термическая коррозия этого материала исключает его промышленное и опытно-промышленное применение в указанном качестве.

Список литературы

1. Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. – Бийск: Изд-во Алтайского ГТУ, 2010. – 176 с.
2. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. – М.: Химия, 1986. – 300 с.
3. Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Голых Р.Н., Барсуков Р.В. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной обработки вязких и дисперсных жидких сред. Ползуновский вестник, 2010, №3, с.321-325.
4. Балдев Радж, В.Ранджендран, П.Паланичани Применение ультразвука. - М.: Техносфера, 2006. - 576 с.

Рис.А2. Момент подсыпки песка

Рис.А3. Разогретый излучатель во время работы

---

Поделиться с друзьями: