Popioły śląskich elektrowni jako źródło sialonu - właściwości popiołów i ich wpływ na skład fazowy produktu redukcji karbotermicznej.

Sopicka-Lizer, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Popioły śląskich elektrowni jako źródło sialonu - właściwości popiołów i ich wpływ na skład fazowy produktu redukcji karbotermicznej.

Autorzy

Sopicka-Lizer M.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Fly ash from Silesian Power Plants as a raw material for sialon production - fly ash properties and their effect on the phase assemblage of the carbothermal reduction product.

Języki publikacji

Abstrakty

Przedstawiona praca zawiera wyniki badań nad możliwością przeprowadzenia redukcji karbotermicznej popiołów lotnych celem uzyskania produktu sialonowego. Pracę rozpoczyna analiza popiołów z niektórych elektrociepłowni znajdujących się na Śląsku pod kątem wykorzystania ich do redukcji karbotermicznej. W wyniku zastosowania różnych metod analizy chemicznej i porównania jej ze średnią roczną dla każdej grupy popiołów zaobserwowano dobrą powtrzalność składu chemicznego popiołów w elektrociepłowniach stosujących tradycyjne metody spalania. Analiza rodzaju i postaci występujących zanieczyszczeń pozwoliła na wytypowanie popiołów z EC Tychy i Łagisza do przeprowadzenia redukcji karbotermicznej. Popioły z EC Łagisza zostały wybrane ze względu na większą niż w innych zawartość związków wapnia, co stwarzało niepowtarzalną możliwość otrzymania Ca-alfa-sialonu. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń zaprojektowano stopień podstawienia roztworów stałych odpowiednich sialonów i wyliczono ilość węgla potrzebną do uzyskania zaplanowanego stopnia redukcji. W wyniku eksperymentów redukcji karbotermicznej otrzymano materiał składający się z beta-sialonu lub mieszaniny alfa-beta-sialonu, w zależności od parametrów procesu redukcji. Parametry roztworu stałego były różne od wyliczonych, na ogół stopień redukcji był wyższy niż zakładano, co przypisuje się zbyt wysokiej temperaturze procesu. Obecność tlenków żelaza znacząco przyspieszyła proces redukcji, ale produkt reakcji FeSi jest niepożądanym składnikiem proszku sialonowego ze względu na tworzenie niskotopliwej eutektyki i niezwilżalność fazy sialonowej. Najbardziej znaczącym osiągnięciem jest uzyskanie alfa-sialonu wapniowego i nieco mniejszej ilości beta-sialonu z popiołów z EC Łagisza, co stwarza możliwość wykorzystania takiego proszku do produkcji kompozytów alfa/beta-sialonowych o podwyższonej twardości i odporności na kruche pękanie.

The presented paper contains results of studies on possibilities of sialon production from fly ash by the carbothermal reduction and simultaneous nitridation. Analysis of properties of fly ash from several Silesian power plants has been performed and their suitability for carbothermal reduction has been studied. Results of chemical analysis and EDS were compared with the annual average fly ash composition. It has been found that diversification of fly ash composition is not significant for the material from the powder coal combustion plants. After analysis of the quality and quantity of the components different than alumina-silica glass spheres in the fly ash it has been decided that fly ash from Łagisza and Tychy power plant are the most suitable for carbothermal reduction. Fly ash from Łagisza power plant has been chosen because of higher CaO content than in other fly ash and could be suitable for Ca-alpha-sialon production. Appropriate calculations have been performed and parameters of sialon's solid solutions have been designed, a necessary amount of carbon was calculated as well. Beta-sialon or alpha/beta-sialon mixture were obtained as a result of carbothermal reduction and nitridation. Phase composition depends on the time of the reaction and amount of carbon applied. Parameters of the resulted solid solutions were different from the designed ones, more nitrogen was introduced to the material than it was expected. It is assumed that reaction temperature was too high to obtain proper solid solution substitution in sialons. Presence of iron oxides increased the rate of reduction but formation of iron silicide (FeSi) is objectionable because of low temperature eutectic and non-wettability of sialon grains. The most significant effect of the research is production of Ca-alpha-sialon material with minor admixture of beta-sialon from Łagisza power plant fly ash. Such a product opens possibility for manufacturing of alpha/beta-sialon ceramics with improved hardness and fracture toughness.

Słowa kluczowe

popiół popiół lotny elektrownia śląska elektrownia sialon produkcja sialonu skład fazowy produkt redukcji karbotermicznej analiza chemiczna

ash fly-ash power plant Silesian Power Plants sialon production phase assemblage carbothermal reduction product chemical analysis

Wydawca

Wydawnictwo SIGMA-NOT

Czasopismo

Inżynieria Materiałowa

Rocznik

2002

Tom

R. XXIII, nr 3

Strony

113--121

Opis fizyczny

Bibliogr. 22 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Sopicka-Lizer M.

Katedra Nauki o Materiałach, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej

Bibliografia

1. Jack K. H.: Silicon nitride, sialons, and related ceramics w Ceramic and Civilisation, v. III, High Technology Ceramics – Past, Present and Future, Am. Ceram. Soc., (1987), s. 259-88
2. Jack K. H.: Progress in Nitrogen ceramics, Wyd. F. L. Riley, NATO ASI series E65, Martinus Nijhoff, Haga, 1983
3. Grant G., Demit J., Ruste J., yen T. S.: Composition and stability of Y-Si-Al-O-N solid solutions based on α-sialon structure. J. Mat. Sci Letters, 14, (1979) s. 1749-51
4. Ingelström N., Ekström T.: Relation between composition, microstructure and cutting tool performance of α -β-sialons, J. Phys. Colloq. Cl, 47, (1986), s. 347-52
5. Higgins I., Hendry A.: Production of β-sialon by carbothermal reduction of kaolinite, Br. Ceram. Trans. J. 85 (1986), s. 161–166
6. J.: Spiekalne proszki związków kowalencyjnych otrzymywane metodą samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej, Ceramika, nr 44. Wyd. AGH, Kraków (1994)
7. Rutten J. W. T., Hintzen H. T., Terpstra R. A., Metselaar R.: Carbothermal reparation and characterization of Ca- α -sialon, J. Eur. Ceram. Soc. 15 (1995), s. 599–604
8. Blömer F.: Sialon poeders en producten uit vliegas, raport TNO nr 753.014, TU/e Eindhoven (1988)
9. Cardile C. M., Bowden M. E.: The behaviour of iron in the formation of β’-sialon from a fireclay. Materials Science Forum, 34-36, (1988). (1988), s. 611-615
10. Sanyal A. S., Mukerji J.: Mössbauer study of the effect of iron on the synthesis of sialon from clay, J. Mat. Sci. Lett., 5, (1986), s. 787–88
11. Kokmeijer E., Scholte C., Blömer R., Metselaar R.: The influence of proces parameters and starting composition on the carbothermal production of sialon, J. Mat. Sci., 25 (1990), s. 1261-67
12. Dijen F. K: The carbothermal production of Si3Al303N5 from kaolin, its sintering and its properties, Praca doktorska, TỬ Eindhoven, 1985 r.
13. Sopicka-Lizer M., Włodek T.: Możliwości zastosowania popiołów elektrownianych do produkcji ceramiki sialonowej, Mat. IX Międzynarodowej Konferencji Hutniczej, Ustroń 2001 r., s. 198-207
14. Sopicka-Lizer M.: Ceramika sialonowa – właściwości i perspektywy rozwoju, Inżynieria Materiałowa, nr 3-4, 20, (1999), s. 167-176
15. Gawlicki M., Roszczynialski W.: Nowe elementy w gospodarce odpadami energetycznymi, Materiały Szkoły Gospodarki Odpadami, Konferencja PAN i AGH nr 44, Rytro, 18-22.09.200 r., str. 91-99
16. Cho Y. W., Charles J. A.: Synthesis of nitrogen ceramic powders by carbothermal reduction and nitridation. Part 2. Silicon aluminium oxynitride (sialon), Materials Science and Technology, 7 (1991), s. 399–406
17. Chung F. H.: Quantitative interpretation of X-ray diffraction patterns of mixtures. II. Adiabatic principle of X-ray diffraction analysis of mixtures, J. Appl. Cryst. 7 (1974), s. 526–530
18. Ekström T., Kall P. O., Nygren M., Olsson P. O.: Dense single-phase β-sialon ceramics by glass-encapsulated hot isostatic pressing, J. Mat. Sci. 24 (1989) s. 1853-61
19. Kudyba-Jansen A. A., Hintzen H. T., Metselaar R.: Ca- α -sialon ceramics synthesized from fly ash – preparation, characterization and properties, Materials Research Bulletin, 36 (2001) s. 1215-1230
20. Sopicka-Lizer M.: Ceramika sialonowa z proszku otrzymywanego karbotermicznie fizykochemiczne podstawy wytwarzania i własności, Wyd. Pol. Śl., Gliwice, (2000), s. 79, 84
21. Rutten John van: Preparation, characterization and properties of Ca-z-sialon and Ca- α /β-sialon composite materials, praca doktorska, TU/e Eindhoven, 2000.
22. Sopicka-Lizer M., Terpstra R. A., Metselaar R.: Carbothermal production of β-sialon from alumina, silica and carbon mixture, J. Mat. Science v. 30, (1995), s. 6363-6369

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BOS5-0004-0070