Full Text

Введение В любом государстве основой ведения современного хозяйства служит топливно-энергетический комплекс (ТЭК). Но ТЭК еще и относится к главным загрязнителям экологических систем. Отходы ТЭК, к которым относятся отходы флотации углеобогащения (ОФУ) и межсланцевая глина (отход горелых пород), в настоящее время все же еще остаются массовыми, или крупнотоннажными, промышленными отходами, которые наносят экологии непоправимый вред. Исследования, проведенные организацией ЕСОВА (Европейская ассоциация продуктов сжигания угля), где не только 15 европейских стран являются ее членами, но и присоединившиеся государства с других континентов, показали, что решение экологических задач, связанных с отходами ТЭК, решать необходимо ежедневно [1-3]. Страны, входящие в ЕСОВА, перерабатывают до 90 % отходов ТЭК уже сегодня. Вопросы по вторичному использованию, переработке и утилизации отходов ТЭК необходимо увязывать с отраслями, у которых эти отходы могут использоваться как сырьевые материалы и у которых традиционные природные сырьевые материалы катастрофически истощаются [1; 4-6]. К таким отраслям можно отнести производство керамических материалов строительного направления, так как месторождения алюмосиликатного сырья, необходимого для получения кирпича, исчерпываются, а финансирование на государственном уровне геологоразведочных работ сильно ограничено. Учитывая вышеперечисленные сложности по созданию сырьевой базы для получения керамического кирпича, необходимо изыскивать различные возможности по замене традиционного природного сырья на отходы ТЭК, тем более опыт ЕСОВА это наглядно показал. Цель работы - разработка рецептов без применения традиционного природного сырья для получения керамического кирпича на основе межсланцевой глины и ОФУ, относящихся к крупнотоннажным отходам. Экспериментальная часть Сырьевые материалы. Для получения при относительно низких температурах обжига (1000-1050 °С) керамических камней и кирпича используют в качестве связующей легкоплавкие глины, в качестве которой в настоящей работе применялась межсланцевая глина. В качестве отощителей в настоящей работе применялись дегидратированная глина (обожженная при температуре 600-700 °С) и ОФУ «Томусинской ГОФ» (горно-обогатительной фабрики). Усреднённые химические составы, поэлементные, гранулометрические и технологические свойства сырьевых компонентов приведены соответственно в табл. 1-4, минералогический состав - на рис. 1, электронное фото - на рис. 2. Таблица 1 Химический состав исследуемых сырьевых компонентов Table 1 Chemical composition of the studied raw components Компонент Содержание оксидов, мас. % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O П.п.п. Межсланцевая глина 49, 45 14,15 5,30 11,10 2,23 2,31 15,46 ОФУ 49,54 16,19 6,71 3,42 0,43 4,32 19,39 Дегидратированная глина 53,97 16,83 6,12 13,3 2,97 3,15 3,66 Таблица 2 Поэлементный анализ сырьевых компонентов Table 2 Elemental analysis of raw materials Компонент Элементы C O Na Mg Al Si S K Ca Fe Межсланцевая глина 5,73 51,06 0,46 1,04 7,20 18,66 1,83 1,75 10,53 3,35 ОФУ 8,88 51,19 - - 10,64 19,02 1,28 2,39 21,64 3,96 Таблица 3 Фракционный состав сырьевых компонентов Table 3 Fractional composition of raw components Компонент Размер частиц, мм > 0,063 0,063-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 < 0,0001 Содержание фракций, % Межсланцевая глина 5 7 12 14 62 ОФУ 35 27,1 6,7 12,8 18,4 Таблица 4 Технологические свойства сырьевых компонентов Table 4 Technological properties of raw material components Компонент Теплотворная способность, ккал/кг Огнеупорность, °С начало деформации размягчение жидкоплавкое состояние Межсланцевая глина 1100 1260 1290 1320 ОФУ 2200 1220 1260 1300 а б Рис. 1. Микроструктура исследуемых сырьевых материалов: а - межсланцевая глина; б - ОФУ. Увеличение: а - ´ 250, б - ´ 400 Fig. 1. Microstructure of the studied raw materials: a - intergranular clay; б - CFC. Magnification: a - ´ 250, б - ´ 400 Рис. 2. Минералогический состав исследуемых сырьевых материалов, %: а - межсланцевая глина; б - ОФУ Fig. 2. Mineralogical composition of the studied raw materials, %: а - interlayered clay; б - OMF Межсланцевая глина. На заводах по переработке горючих сланцев или в шахтах, где происходит непосредственная их добыча, в больших количествах образуется межсланцевая глина [7-9], которая относится к многотоннажным отходам. Среднепластичная межсланцевая глина имеет число пластичности 16-20, а плотность ее 2,55-2,63 г/см3. Для изготовления стеновых керамических материалов, к которым относится и кирпич, в основном используют легкоплавкие глины с огнеупорностью не более 1350 °С, межсланцевая глина имеет огнеупорность 1320 °С (табл. 4). Дегидратированная глина. В тех регионах, в которых отсутствует для использования в качестве отощителя крупнозернистый песок (размером от 0,15 до 0,15 мм) используют дегиратированную глину, так как мелкозернистые пески практически не снижают чувствительность образцов к сушке, а значит, не снижают усадку и уменьшают прочность. Дегидратированная глина получается в процессе термообработки легкоплавкой глины (в данной работе использовалась межсланцевая глина) в интервале 600-700 °С, в результате чего значительная часть химически связанной воды удаляется, что способствует использованию ее в качестве отощителя. Такой отощитель способен снижать пластичность шихты, чувствительность к сушке, что в результате ведет и к уменьшению усадки изделия. Дегиратированную глину чаще всего применяют для получения стеновых материалов (грубой строительной керамики), такое ее применение способствует изготовлению керамики без трещин, значительному сокращению времени сушки и увеличению базы отощителей. Для получения дегидратированной глины наиболее целесообразно использовать вращающуюся печь непрерывного действия, представленную на рис. 3. В процессе термообработки межсланцевой глины во вращающейся печи при температуре 600-700 °С дегидратированная глина обогащается А12О3 с 14,15 до 16,83 % (см. табл. 1). Оксид алюминия повышает прочность, морозостойкость, термостойкость и химическую стойкость. Кирпич с использованием дегидратированной глиной в количестве от 25 до 35 % можно сушить более интенсивно, так как при этом исключаются усадочные (сушильные) трещины. Рис. 3. Вращающаяся печь: 1 - патрубок; 2 - бандаж; 3 - венцовая шестерня; 4 - сварной стальной цилиндр; 5 - загрузочная течка; 6 - опорный ролик; 7 - подвенцовая шестерня; 8 - зубчатая пара; 9 - редуктор; 10 - сварная плита; 11 - электродвигатель; 12 - разгрузочная камера Fig. 3. Rotary kiln: 1 - pipe; 2 - bandage; 3 - crown gear; 4 - welded steel cylinder; 5 - charge flow; 6 - supporting roller; 7 - pinion; 8 - gear pair; 9 - gearbox; 10 - welded plate; 11 - electric motor; 12 - unloading chamber При использовании дегидратированной глины необходимо в состав керамической массы вводить выгорающие добавки, уголь или отходы флотации углеобогащения с теплотворной способностью более 2000 ккал/кг (см. табл. 4), а кирпич обжигать при более высоких температурах, например, использовать температуру обжига 1050 °С. Отходы флотации углеобогащения. В работе использовались данные об отходах угольного бассейна «Кузбасс», который относится к одним из крупнейших в мире месторождений и принадлежит угольной компании ОАО «Южный Кузбасс». В настоящее время в новые стандарты по потреблению угольной продукции, с точки зрения безопасности, для человека и экологическим систем не должны содержать превышающие нормы содержания серы, мышьяка, хлора и зольности. По содержанию вышеперечисленных компонентов ОФУ соответствует стандартам [10; 11]. ОФУ представлены в виде угольно-глинистой суспензии, имеют зольность 55-80 %, плотность 1850-2050 кг/м3, огнеупорность 1300 °С (см. табл. 4), а преобладающим глинистым минералом является гидромусковит (см. рис. 2, б). Микроструктура ОФУ в основном представлена мелкодисперсными частицами (рис. 1, б). Технология изготовления керамического кирпича. Сырьевые компоненты перед измельчением подвергались предварительной сушке до остаточной влажности не более 3-5 %, после чего они измельчались до размера не более 1 мм. Высушенные и измельченные сырьевые компоненты по рецепту, представленному в табл. 5 и 6, тщательно перемешивали. Таблица 5 Составы керамических масс Table 5 Compositions of ceramic masses Компонент Составы 1 2 3 Межсланцевая глина 100 70 700 ОФУ - - 30 Дегидратированная глина - 30 - Таблица 6 Технические показатели шихты и кирпича-сырца Table 6 Technical indicators of charge and raw bricks Показатель Составы 1 2 3 Пластичность шихты (безразмерная величина) 18 9 9 Время сушки кирпича, ч 72 48 48 Усадка высушенного кирпича, % 7,3 4,7 4,7 Керамическую шихту для формования кирпича-сырца готовили при влажности 20-24 % (в зависимости от содержания глинистого компонента) пластическим способом, который наиболее распространен практически во всех странах СНГ. Сформованный кирпич-сырец высушивали до влажности не более 5 %. Полученный полуфабрикат обжигали при температурах 1000 и 1050 °С, после чего при конечной температуре проводили в течение 50-60 мин изотермическую выдержку. Технические показатели керамического кирпича представлены в табл. 7. Таблица 7 Технические показатели керамического кирпича Table 7 Technical indicators of ceramic bricks Показатели Составы 1 2 3 Температура обжига 1000 °С Плотность, кг/м3 1600 1630 1380 Морозостойкость, циклы 18 32 30 Механическая прочность на сжатие, МПа 9,8 13,4 12,7 Механическая прочность при изгибе, МПа 1,7 2,9 2,7 Теплопроводность, Вт/(м·°С) 0,620 0,640 0,300 Общая усадка, % 7,7 6,5 6,3 Марочность кирпича М75 М125 М125 Температура обжига 1050 °С Плотность, кг/м3 1640 1660 1420 Морозостойкость, циклы 23 45 48 Механическая прочность на сжатие, МПа 10,7 16,3 15,2 Механическая прочность при изгибе, МПа 2,0 3,8 3,4 Теплопроводность, Вт/(м·°С) 0,680 0,690 0,320 Общая усадка, % 7,9 7,2 6,8 Марочность кирпича М100 М150 М150 Обсуждение результатов Проведенные исследования показали, что без отощителей из межсланцевой глины при температуре 1000 °С нельзя получить кирпич марки выше М75, а при 1050 °С - выше М100 (см. табл. 7). Введение оптимального содержания дегидратированной глины и ОФУ (30 %) позволяет значительно повысить марочность кирпича при 1000 °С с М75 до М125, а при 1050 °С с М100 до М150. Под оптимальным использованием 30 % отощителя понимается снижение числа пластичности керамической массы с 18 до 9 (см. табл. 5, 6), так как дальнейшее снижение пластичности способствует появлению трещин при формовании изделий. Введение в составы ОФУ, в отличие от использования аналогичного количества дегидратированной глины, при оптимальной температуре обжига 1050 °С (при которой получается кирпич марки М150) практически в два раза снижает теплопроводность - с 0,690 до 0,320 Вт/(м·°С) - и повышает морозостойкость с 45 до 48 циклов (см. табл. 7). Образцы из составов № 1 и 2 в зависимости от плотности и коэффициента теплопроводности в сухом состоянии (согласно требованиям ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камень керамические. Общие условия») относятся к обыкновенному кирпичу плотностью выше 1450 кг/м2 и с коэффициентом теплопроводности λ свыше 0,46 Вт/(м·°С) - это группа малоэффективных (обычных) кирпичей. Образцы, содержащие ОФУ, относятся к строительному легковесному кирпичу класса В (плотность от 1300 до 1450 кг/м3), а по теплотехническим характеристикам - к группе повышенной эффективности (λ свыше 0,24 до 0,36 Вт/(м·°С), см. табл. 7). Повышенное содержание в ОФУ п.п.п. и органики (см. табл. 1, рис. 2, б), углерода (С = 8,88 %, см. табл. 2) и теплотворной способности (λ = 2200 ккал/кг, см. табл. 4) в отходах углеобогащения (см. табл. 2) при выгорании повышают внутри кирпича температуру, что способствует уменьшению расхода топлива, увеличению пористости и снижению массы готовых стеновых материалов. При выгорании органики, как правило, выделяется некоторое количество различных сопутствующих газов, которые способствуют уплотнению вокруг каждой частицы стенок, что в конечном счете повышает прочность всего образца [12-14]. Выводы 1. Установлено, что без отощителей из межсланцевой глины при температуре 1000 °С нельзя получить кирпич марки выше М75, а при 1050 °С выше М100. 2. Введение оптимального содержания дегидратированной глины и ОФУ (30 %) позволяет значительно повысить марочность кирпича при 1000 °С с М75 до М125, а при 1050 °С с М100 до М150. 3. Выявлено, что введение в составы ОФУ, в отличие от использования аналогичного количества дегидратированной глины, при оптимальной температуре обжига 1050 °С (при которой получается кирпич марки М150) практически в два раза снижает теплопроводность с 0,690 до 0,320 Вт/(м·°С) и повышает морозостойкость с 45 до 48 циклов. 4. Образцы из составов № 1 и 2, не содержащие в составе ОФУ, в зависимости от плотности и коэффициента теплопроводности в сухом состоянии (согласно требованиям ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камень керамические. Общие условия») относятся к обыкновенному кирпичу плотностью выше 1450 кг/м2 и с коэффициентом теплопроводности λ свыше 0,46 Вт/(м·°С) - это группа малоэффективных (обычных) кирпичей. 5. Образцы, содержащие ОФУ, относятся к строительному легковесному кирпичу класса В (плотность от 1300 до 1450 кг/м3), а по теплотехническим характеристикам - к группе повышенной эффективности (λ от 0,24 до 0,36 Вт/(м·°С), см. табл. 7). 6. Повышенное содержание в ОФУ п.п.п. и органики (см. табл. 1, рис. 2, б), углерода (С = 8,88 %, см. табл. 2) и теплотворной способности (λ = 2200 ккал/кг, см. табл. 4) в отходах углеобогащения (см. табл. 2) при выгорании повышают внутри кирпича температуру, что способствует уменьшению расхода топлива, увеличению пористости и снижению массы готовых стеновых материалов. При выгорании органики, как правило, выделяется некоторое количество сопутствующих различных газов, которые способствуют уплотнению вокруг каждой частицы стенок, что в конечном счете повышает прочность всего образца.

About the authors

V. Z Abdrakhimov

Samara State University of Economics

References

Statistics

Views

Abstract - 77

PDF (Russian) - 67

Refbacks

• There are currently no refbacks.