Предмети

Резюме

У цьому дослідженні було випробувано інноваційне застосування, тобто е., захисний від електромагнітних перешкод матеріал для повторного використання мідного плавильного шлаку з метою альтернативного продукту з високою доданою вартістю. Зокрема, експеримент, що підтверджує концепцію, з додаванням 45% від маси мідного шлаку до цементної матриці збільшує ефективність екранування (СЕ) приблизно до 7–8 дБ в діапазоні частот 500 МГц. При 1,5 ГГц, підкреслює, що падаюча електромагнітна хвиля ослабла приблизно на 60%. Це явище пояснюється тим, що силікат заліза, фаяліт та магнетит, що входять до складу зразкової суміші, служать поглиначами магнітних та діелектричних втрат, отриманих із мідного шлаку. Мідний шлак із низькою цінністю демонструє свої конкурентні економічні та соціальні переваги як кандидатний наповнювач для електромагнітних захисних матеріалів.

Вступ

В процесі виплавки міді багаті на мідь мати (сульфіди) та мідний шлак (оксиди) утворюються у вигляді двох окремих рідких фаз завдяки додаванню діоксиду кремнію, утворюючи міцно зв’язані силікатні аніони, об’єднуючись з оксидами. Розплавлений шлак вивантажується з печі при 1273–1573 К. У більшості випадків швидке застигання заливанням розплавленого шлаку у воду дає гранульований аморфний шлак 21. Цей шлак містить силікат заліза, фаяліт та магнетит, які можуть бути можливим наповнювачем, застосовуваним для екранування ЕМ, забезпечуючи практичний та додатковий спосіб для повторного використання та переробки шлаку.

Експериментальний метод

У таблиці 1 наведено склад гранульованого аморфного мідного шлаку, який постачав ливарний завод міді. Хімічний склад аналізували за допомогою індукційно-зв’язаної плазмової оптичної емісійної спектроскопії (ICP-OES, Varian 720 ES, США). Мінеральні фази та морфологія аналізували за допомогою дифракції рентгенівських променів (XRD, 40 кВ, 30 мА, Cu-Kα, SEIFERT 3003 T/T, Німеччина), скануючого електронного мікроскопа та енергетичного дисперсійного спектрометра (SEM-EDS, XL30FEG, Philips, США ) та мікроаналіз електронного зонда (EPMA, JXA-8530F, Jeol, Японія).

Повний розмір таблиці

Мідні шлаки з різним рівнем додавання 15, 30 і 45% по масі змішували у типовий портландцемент. До суміші цементно-мідного шлаку додавали воду для досягнення вологості близько 30% по масі. Потім суміші (200 г) формували всередині тефлонової форми розміром 140 мм із внутрішньою довжиною та сушили протягом 48 годин у паровій шафі. Нарешті, зразки товщиною 5 ± 0,3 мм готували після лиття та затвердіння при кімнатній температурі та вологості. Для порівняння ефективності екранування, порошків магнетиту (Fe 3 O 4,> 99,5 pct, Sigma-Aldrich, США), порошків гематиту (Fe 2 O 3,> 99 pct, Sigma-Aldrich, США) та порошків металевого заліза (Fe, > 99,5%, Emsure, Німеччина) використовували відповідно як наповнювач з рівнем додавання 15 мас.%.

На малюнку 1 показано пристрій для перевірки ефективності екранування EM-2017A, який складається з двох коаксіальних адаптерів, двох аттенюаторів (10 дБ, 50 Ом, прикріплених до кожного кінця адаптерів) та аналізатора спектра (Keysight N9344C) з подальшим контролем генератор. Аналізуючи послідовні вимірювання передачі між верхнім і нижнім адаптерами з наявним зразком та без нього, оцінювали ефективність захисту зразків 22 .

інноваційне

Тестовий прилад SE та його розподіл електричного та магнітного поля.

Повнорозмірне зображення

Результати і обговорення

Характеристика мідного шлаку.

Аналіз складу (табл. 1) підтверджує присутність заліза, кремнію, цинку та алюмінію як значущого елемента в мідному шлаку та деяких інших елементів із нижчими рівнями концентрації, таких як кальцій, магній, хром та мідь. У багатьох країнах ці відходи вважаються небезпечними матеріалами через наявність важких металів. Екологічна оцінка виходить за рамки поточного дослідження, проте цьому слід приділити більше уваги.

Як видно на XRD-моделях (рис. 2), зображеннях SEM та BSE (рис. 3) та точковому аналізі (таблиця 2), силікат заліза був основним компонентом гранульованого мідного шлаку у воді, який був основою шлакова матриця. Залізо кристалізується переважно у формі фаяліту (Fe 2 SiO 4) та магнетиту (Fe 3 O 4) під час матового лиття або водяного охолодження. Існує кілька характерних морфологій кристалічних фаз, які можна спостерігати. Магнетит показує кристал кубічної форми діаметром приблизно 1 мкм (рис. 3, фаза 1), тоді як фаяліт (з високим вмістом алюмінію та цинку) виглядає як веретеноподібний кристал, який має гілки тонкі та довгі (рис. 3, фази 2 та 3), розподілених у склоподібному матриксі (рис. 3, фаза 4). Представлені інші мікроелементи або фази, які не будуть детально описані в поточному документі.

Рентгенівська дифракційна діаграма (XRD) мідного шлаку.

Повнорозмірне зображення

Скануюча електронна мікроскопія (SEM) та зображення з розсіяним електроном (BSE) частинок мідного шлаку.

Повнорозмірне зображення

Повний розмір таблиці

Мікроструктура композитів на основі цементу.

Мікроструктура еталонних зразків, показана на рис. 4, являє собою чистий цемент (цемент 100), 15% по масі магнетиту (цемент85 + магнетит15) та гематит (цемент 85 + гематит15), надуті композити на основі цементу, і композиційний матеріал на 45% маса синтезованого мідного шлаку. З цементом (Cement55 + Cu Slag45) відповідно. Характерно, що посилання та мідний шлак можна знайти рівномірно розподіленими в цих зразках, які потім вимірювали щодо ефективності екранування ЕМІ в серії для порівняння.

Зображення SEM та BSE посилань та сполуки з 45% по масі мідного шлаку.

Повнорозмірне зображення

Захист і механізм ЕМІ

Ефективність екранування EMI (SE) екрануючого матеріалу визначається як відношення енергії, що передається до інциденту. Екранування ЕМ-хвилі відбувається з трьома механізмами, які є втратою через відображення (на поверхні), втратою через поглинання (через екран) і багаторазовими внутрішніми відображеннями (всередині екрану). Total SE - це підсумок екранування цих трьох механізмів на поверхні та всередині екрану. Він виконується в діапазоні частот 500 МГц - 1,5 ГГц для вимірювання коаксіальної лінії передачі. Ці діапазони частот вважаються дуже критичними для комерційних програм, таких як телебачення, бездротова мережа, мобільний телефон тощо.

Ефективність екранування еталонних і наповнених мідним шлаком зразків товщиною 5 мм.

Повнорозмірне зображення

Ферити - це найпоширеніші наповнювачі, що використовуються в композитах на основі цементу. Відображення буквально не може уповільнити або придушити випромінювання, а відбита хвиля може взаємодіяти з падаючою хвилею, яка може імпортувати інші блоки або пристрої. З матеріалами, що поглинають електромагнітну службу, які передають енергію в інші форми, випромінювання ЕМІ може бути максимально забруднене. Цао і Чунг 18 підготували цементний композит, заповнений золою, з EMI SE приблизно 4 дБ (товщина 4,3 мм, 1,0-1,5 ГГц). Це свідчить про те, що присутність гематиту в золі, що покращує, може покращити захист завдяки поглинанню. Ферит, що міститься в мідному шлаку, - це виняткові варіанти, що поглинають хвилі, для захисних матеріалів на основі цементу ЕМІ.

На рисунку 6 показано вплив товщини зразка на ЕМ екранування мідних шлакових наповнених матеріалів. Зрозуміло, що рівень ЗЕ зразків посилюється зі збільшенням товщини. Насправді товщина щита є вирішальним економічним фактором у майбутньому застосуванні. Невелика вартість мідного шлаку демонструє перевагу конкуренції в деяких додатках, наприклад, масове будівництво підземних або віддалених інформаційних баз. Крім того, повторне використання мідного шлаку має своє значення та соціальну користь.

Ефективність екранування зразка, заповненого мідним шлаком, різної товщини.

Повнорозмірне зображення

Мідний шлак зазвичай отримують шляхом вилучення металів або використовують для виробництва деяких будівельних матеріалів (додавання низької вартості). У цьому дослідженні спробували застосувати його до цементної матриці, щоб отримати захисну функцію ЕМІ, яка забезпечує практичне повторне використання та високу додану вартість. Крім того, не тільки додаючи шлак безпосередньо до цементу, але також завдяки металургійній модифікації, такій як карботермічна редукція, обсмажування або контрольоване окислення розплаву 23, ЕМІ продукту, приготованого за допомогою цього модифікованого мідного шлаку, може бути значно вдосконалений. Ці нові дослідження дають новий напрямок для міждисциплінарної співпраці в металургійному, вторинному та електромагнітному полях.

Висновки

У цьому дослідженні зроблено спробу застосувати мідний шлак до цементної матриці, щоб отримати захисну функцію ЕМІ, забезпечуючи практичний підхід для повторного використання з високою доданою вартістю. Зокрема, додавання 45% від маси мідного шлаку до цементної матриці підвищує значення екрану приблизно до 7–8 дБ при 500 МГц –1,5 ГГц, підкреслюючи, що падаюча енергія ЕМ ослабла приблизно на 60%. Це явище приписують фаяліту та магнетиту, отриманим із мідного шлаку, вкладеного в суміш зразків, який служить поглиначем діелектриків та магнітних втрат. Крім того, зі збільшенням товщини рівень SE зразка посилюється. Невелика вартість мідного шлаку демонструє перевагу конкуренції в деяких додатках, наприклад, масове будівництво підземних або віддалених інформаційних баз. Крім того, повторне використання мідного шлаку має своє значення та соціальну користь.

Висловлення подяки

Автор Йонг Фан дякує Японському товариству сприяння науці (JSPS) та німецькому фонду Олександра фон Гумбольдта за фінансову підтримку. Особлива подяка професору Такаші Накамурі та професору Шудзі Накамурі (Нобелівська премія з фізики 2014 року) за конструктивну дискусію та жартівливе заохочення, що надихнуло автора.

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов та правил спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.