автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Технология и свойства теплоэффективных керамических стеновых изделий из отходов флотации углей

1су9. гспжи!"

иссергацин

ВСЕСОЮЗНОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ СТЕНОВЫХ и вдаущих МАТЕРИАЛОВ

им.П.П.БУДНИКОВА

На правах рукописи

КАРБУНИНА Тамара Ивановна

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА ТЕ1Ш0ЭФЗЕКТИВНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ОТХОДОВ ФЛОТАЦИИ УГЛЕЙ

05.17.11. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красково - 1990 г.

Работа выполнена во ВНИИстр.оме им.П.П.Будникова Всесоюзного научно-производственною объединения стеновых и вяжущих материалов.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник БУРМИСТРОВ В.Н.

- доктор технических наук, профессор ИШРТ М.Я.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПЕТР1ШНА Г.А.

- СОХШШРОСТРОМ

Защита диссертации состоится •vfV .. -/О „

в .'.г. " часов на заседании специализированного совета К III.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всесоюзном научно-производственном объединении стеновых и вяжущих материалов по адресу: 140080, пос.Красково Московской области, ул.Карла Маркса, 117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке объединения.'-Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв, заверенный печатью, в адрес специализированного совета.

Автореферат разослан

» iP/LCl/u&dP 19 ^Т.

Ученый секретарь специализированного совета

Бурмистров В.Н.

Актуальность. Развитие производства элективных строительных материалов - одно из направлений научно-технического прогресса в строительстве. Уменьшение массы строительных изделий и конструкций является радикальным средством снижения их теплопроводности, что, в свою очередь, обеспечивает снижение массы зданий и повышение их теплозащиты.

Для современного строительства характерно широкое применение керамических стеновых изделий, снижение массы которых монет быть обеспечено как за счет выпуска пустотелого кирпича и камней, так и организации производства изделий с пористой структурой.

Данные отечественной и зарубажной практики свидетельствуют о возможности повышения теплозащитных свойств керамических изделий путем придания им пористой структуры за счет введения-в исходную массу выгорающих добавок с низкой зольностью.

Однако производство пористых изделий указанным способом является трудоемким процессом. К тому же выгорающие порообразующие добавки, как правило, дефицитный и дорогостоящий материал. Поэтому проблемной задачей для промышленности строительных материалов является разработка новой технологии теплоэффективных изделий без применения специальных порообразующях добавок.

Результаты работ ЬНПО стеновых и вяжущих материалов, НИЛСМИ (г.Киев), Киевского ИСИ свидетельствуют о принципиальной возможности получения керамических изделий с пористой структурой из отходов флотации углей, ежегодный выход которых составляет порядка 12,5 мля.т. Однако реализация этой идеи сдерживается из-за отсутствия научно обоснованной технологии и пониженной устойчивости изделий к высокотемпературной деформации. Поэтому разработка технологического процесса, обеспечивающего получение теплоэффективных. изделий на основе промышленных отходов с высокими и стабиль-

ними показателями физико-механичсских свойств является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с подпрограммой "Комплексное использование отходов добычи и переработки углей" целевой комплексной программы "Рациональное комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов в народном хозяйстве" на 1987-1990 гг. и на период до 2000 г., утвержденной Госпланом СССР от 28.04.87 г. № 58.

Цель работы. Разработать научные принципы и практические основы технологии теплоэфе'ективных керамических изделий из отходов флотации углей. Работа базируется на теоретической предпосылке о том, что при выгорании тонкодисперсного угля, содержащегося в повышенном количестве е сырье, формируется пористая структура керамического материала. Исходя из установленного ранее положения о решающем влиянии строения пористого материала на все свойства керамического изделия, регулирование структурных характеристик целесообразно осуществлять путем введения в состав масс таких добавок которые бы наряду с разубоживанием сырья по содержанию угля обеспечили повышение деформационной устойчивости изделий в обжиге.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать Елпяние различных добавок на структурно-механические, сушильные и термические свойства флотохвостов.

2. Изучить механизм структурообразования и фазовых превращен; происходящих в керамическом материале при термической обработке.

3. Провести анализ влияния осноеных факторов на интенсификацию Еыгорания угля в изделиях из флотохвостов.

4. Оценить Елияние состава керамических масс и режима обжига на количество'водорастворимых солей в керамическом материале.

5. Разработать технологическую схему в аппаратурном оформле- п нии производства керамического кирпича из фщотохвостов;

6. Оценить экономическую эффективность производства и применения керамического кирпича из флотохвостов.

Научная новизна. Разработаны научные принципы технологии теп-лоуффектиЕннх керамических стеновых изделий из отходов флотации углей. Выявлены основные особенности структурообразования керамических изделий на всех этапах технологического процесса. Проведена сравнительная оценка особенностей структурообразования отходов флотащш углей при введении в их состав шамота, доменного шлака и карбонатов. Установлены общие закономерности процесса образования высолов на поверхности изделий из флотохвостов. Основным источником их образования служат пирит и карбонаты, содержащиеся в исходном сырье. При обжиге сульфидная сера частично переходит в сульфатную и содержание водорастворимых солей в водной вытяжке из образцов изделий значительно зависит от скорости разложения термически стойких сульфатов щелочно-земельных металлов. Уточнены основные закономерности процесса горения угля в изделиях из Флотохеостов. Выявлено, что добавка карбонатов значительно интенсифицирует горение угля. Это связано с повышением газопроницаемости обжигаемого изделия за счет диссоциации карбонатов, а также с процессом газификации угля углекислым газом продуктов разложения карбонатов.

Практическая ценность. Разработана технология теплоэффектив-ных керамических стеновых изделий из отходов флотации углей, обладающих повышенным значением коэффициента конструктивного качества. Установлены составы масс, обеспечивающие повышение устойчивости изделий к высокотемпературной деформации и расширение рабочего интервала их обжига, а также снижение содержания водорастворимых солей в керамическом материале.

Опытно-промшщенные испытания показали экономическую эффек-тиеность производства керамического кирпича из отходов флотации угля. Ояидаемый экономический эффект составит 775 тыс.руб. при объеме производства 60 млн.шт.усл.киршча в год.

Апробация работы. Основные положения изложены и обсуждены н Всесоюзном семинаре по развитию производства эффективных строите ных материалов и изделий (Киев, IS84 г.), учёном Совете ВгШстро (1986), на XIX Научно-технической конференции молодих ученых МХТ. км.Д.И.Менделеева (Москва, 1983 г.), на научно-технической конфе ренции "Научно-технический прогресс и повышение долговечности зд ний и сооружений" (Павлодар, 1984 г.), международном семинаре У-: Национальной молодежной научной школы ":(ачество в промышленности строительных материалов и изделий" (НРБ, г.Созопол, 1984 г.).

Работа по созданию технологии теглоэффективных керамических стеновых изделий из отходов флотации углей экспонировалась на ВДНХ СССР (1988 г.). Автор диссертации награвден серебряной медалью .

Публикации. Результаты работы опубликованы в II статьях и защищены авторским свидетельством № 1286569.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 121 наименования, npi лолений и содержит 191 страницу машинописного текста, в то;л числ 45 рисунков и 24 таблицы.

На защиту выносятся:

- результаты теоретического обоснования и экспериментального

изучения технологии керамических стеновых изделий на основе отходов флотации углей;

- комплексное исследование состава и свойств отходов флотации как сырья для промышленного использования;

- особенности формирования структуры керамических изделий из отходов флотации углей на всех этапах производственного процесса с целью получения изделий с заданными свойствами;

- влияние корректирующих добавок на структурообразование и свойства керамических стеновых изделий из отходое флотации углей;

- результаты экспериментальных исследований кинетики выгорания углерода в изделиях из отходов, а также процесса их десуль-фурации в процессе обжига;

- технологические параметры-производства теплоэффективного кирпича из отходов флотации углей;

- технико-экономическая эффективность производства и применения керамического кирпича из отходов флотации углей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В технологии стеновой керамики интенсивно ведутся работы по снижению средней плотности изделий. В патентной и технической литературе приводятся различные методы изготовления легковесных изделий, в том числе: введение в керамическую массу выгорающих добавок и добавок с собственной высокой пористостью; вспучивание в ходе термической обработки всей массы; поризация формовочной смеси на стадии перемешивания в присутствии поверхностно-активных ве -ществ с последующей сушкой и обжигом; минералообразоЕание в обжиге, связанное с увеличением пористости, и др. В приведенных литературных источниках или сам метод изготовления сложен, или применяется большое количество добавок, что усложняет технологию.

Большой вклад в изучение физико-химических основ поризации силикатного сырья внесли ученые: П.И.Боженов, Г.С.Бурлаков, Ю.П. Горлов, С.Г.Васильков, И.Я.Гузман, В.С.Горшков, И.А.Иванов, Г.И. Книгина, А.П.Меркин, С.П.Онацкий, М.П.Элинзон и др.

Анализ экспериментально-исследовательских работ ВШШстрома, НИИСМИ (г.Киев), НШстромпроект (г.Алма-Ата), ИСИ (г.Киев) показал, что наиболее эффективным для создания пористой структуры изделий является метод поризации керамического материала в процессе обжига за счет выгорания содержащегося в исходном сырье органического вещества. К числу указанного сырья относятся отходы флотации углей, характерным свойством которых является повышенное содержанке угля - до 30$.

Исходные материалы и методы исследований. Исследования проводили на представительных пробах отходов флотации углей двух углеобогатительных фабрик Донецкого бассейна - Кальмиусской и Чумаков-ской ЦОФ. На этих фабриках эксплуатируются отделения по обезвоживанию отходов в фильтр-прессах. Влажность выдаваемого материала порядка 2Ъ% (отн.). В качестве корректирующих добавок использовали памот, доменный шлак и мел. При выборе добавок принималось во внимание их дешевизна и доступность.

При проведении исследований применяли современные методы фи-зяко-хнмлческого анализа дифференциально-термический, оптической и электронной микроскопии, рентгенофазовый, химический. Гидрофильные свойства отходов флотации оценивали по значениям теплоты смачи Еания и мономолекулярной адсорбции влаги.

Структурно-механические характеристики.пластичных масс определяли на приборе Ломизе-Гуткина-дукова, пластическую прочность -на пластометре П.А.Ребиндера. Экспериментальные исследования относительного удлинения и предела прочности при растяжении выполняли на разрывной машине конструкции А.З.Золотарского при постоянной скорости деформации - 4,16.10^ мм/с.'

Оценку сушильных свойств масс проводили по результатам исследования коэффициента чувствительности к суше, кинетики влагоотда-

чи и усадки, а также анализа структурных и массообменных характеристик. Коэффициент диффузии влаги исследовали по методу и на установке ИТТ2 АН УССР.

Экспериментальные определения температуры воспламенения угля выполнены термографическим методом, а исследования кинетики его выгорания из образцов - термогравиметрическим методом на установках конструкции А.В.Шлыкова.

• Физико-механические испытания масс и обожженных образцов проводили по стандартным методикам, принятым при технологическом контроле в кирпичном производстве. Показатели готовой продукции контролировали в соответствии с требованиями ГОСТ 530-80 "Кирпич и камни керамические".

Особенности состава и свойств отходов флотации и керамических масс на их основе. По гранулометрическому составу отходы прибли-жаотся к глинам, практически не содержат включений размером более 0,5 мм. Результаты исследования стабильности химического состава сменных проб отходов, количество которых составило 100 шт., показали Еысокую степень однородности по содержанию основных оксидов -о5(02, А12О3, СаО, ^0, Л/^О, а также ППП. Коэффициент вариации находится в пределах 1,64-15,5$. Отличительной особенностью отходов флотации является наличие в них большого количества тонкораспреде-ленного угля (порядка 20-24$). Теплота сгорания колеблется от 7058 до 8274 кДж/кг. Из вредных примесей в сырье присутствуют сера и карбонаты. Сера представлена преимущественно сульфидной формой.

Минеральный состав глинистой части отходов представлен као;;,;-. нитом и гидрослюдой с примесью монтмориллонита. Алевритовая фракция представлена кварцем, полевым шпатом, зернами карбонатов, хлоритом, пиритом, гематитом, магнетитом.

Теплота смачивания водой кальмиусских и чумаковских отходов составляет соответственно 3,947 и 2,979 кДж/кг, что позволяет к-ва лифицировать их как сырье низкой гидрофильности. Величина мономолекулярной адсорбции'влаги (при относительной влажности воздуха ЗС$ и температуре 20°С) составляет 0,933 и 0,626$ соответственно для кальмиусских и чумаковских флотохвостов. Большая гидрофиль -ноств кальш.усских отходов флотации связана с повышенным содержанием в них глинистой фракции мкм) - 43,24 против 25,72% в чумакоЕСКИх.

В зависимости от числа пластичности отходы относятся к группе умереннопласткчного глинистого сырья. Добавка шлака и шамота снижает пластичность сырья, а мел несколько повышает число пластичности. Это обусловлено в основном различной гидрофильностью добавок.

Абсолютное значение пластической прочности (0,11 МПа) кальмиусских отходов при нормальной формовочной влажности выше, чем у ч; маковских (0,1 МПа), что связано с увеличением числа контактов частиц в единице объема системы в связи с большим содержанием глинистой фракции в кальмиусских отходах.

Установлено, что с повышением температуры керамической массы ее пластическая прочность при данном влагосодержании уменьшается. Так, при Елагосодержании 24% (абс.) предельное напряжение сдвига уменьшается с 12,9.Ю4 Па при 20°С до 6,ЗЛО4 Па при 60°С. Причем снижение влажности не увеличивает, а уменьшает соответствующе им значения пластической прочности, что благоприятно отражается на формовочных свойствах отходов.

При введении шамота, пластические свойства отходов ухудшаются, а предельное напряжение сдвигу повышается (0,2-0,24 МПа) за счет увеличения коэффициента внутреннего трения, -^то объясняется

характером поверхности добавки. Зерна шамота (собственного производства) пористые, что повышает водопотребность смеси для получения массы нормальной формовочной влажности.

Применение в качестве добавки шлака и мела в исследованном количестве (5-10$) практически не изменяет значения пластической прочности и оптимальной формовочной влажности.

Исследование относительного удлинения и предела прочности при растяхении показало, что отличительной особенностью структуры массы из отходов флотации является ее высокая способность к растя-

о о

жению (18,3.10-24,1.10 Па). Введение мела способствует увеличению предельных растягивающих напряжений и относительной деформации. Влияние шамота и -шлака сказывается в обратном направлении.

По характеру развития деформаций отходы флотации относятся к 1У и У структурно-механическому типам, для которых свойственно преимущественное развитие пластических деформаций. Эластичность этих масс при оптимальной влааности масс составляет 0.428-0,644.

Добавка шамота приводит к развитию быстрых эластических деформаций (43-54$), обусловливающих пониженную формуемость при хрупком разрушении. Эластичность массы снижается (0,198-0,329).

Массы с добавкой 5% мела характеризуются возрастанием доли медленных эластических деформаций (с 23-37 до 30-42$), а также значения показателя эластичности (0,523-0,695). Введение шлака незначительно сказывается на изменении коагуляционной структуры. Доля пластической деформации снижается (37-40$), эластичность составляет 0,443-0,552.

Все исследованные массы обладают высокими показателями вязкости (150.10^-1200,10® Па.с) и низкими значениями пластичности (0,0062ЛО"7-0,ЗЗ.Ю~7 с"1).

Комплекс выполненных исследований показал, что как отходы без добавок, так и с корректирующими добавками, характеризуются поеы-

)

шенной связующей способностью, высокими прочностными и деформационными показателями при растяжении, что предопределяет возможность формования из них качественного сырца, в том числе пустотелого.

Опыт формования керамических изделий (кирпича, камней) на Опытном заводе ЕЬШстром полностью подтвердил результаты исследований. При формовании сырца на вакуумном шнековом прессе из мундштука выходил плотным, без каких-либо видимых дефектов, с четкими углами и ребрами.

Коэффициент чувствительности-к сушке Кц отходов ни:хе, чем К^ большинства глин для производства керамического кирпича и составляет для отходов флотации углей Кальшусской и Чумаковской ЦОФ соответственно 0,7-0,-62.

Исследованные добавки заметно отличаются по гидрофильности. Мел обладает повышенной гидрофильностью (л-г= 1%) , гидрофильность шлака ишамота на порядок меньше (соответственно 0,096 и 0,1%)- На основании этих данных и объясняется характер влияния добавок на сушильные свойства отходов. Будучи слабогидрофильными материалом, шлак и шамот уменьшают количество связанной воды, что является положительным фактором при сушке керамических изделий. Добавка мела, наоборот, несколько повышает водоудерживающую способность отходов . .и, как следствие, 1С.. ,

! ' I | • .

! Воздушная усадка образцов из отходов флотации (4,4-4,7/5) мало отличается от усадки образцов из глин. При введении всех исследованных добавок воздушная усадка образцов снижается.

Коэффициент диффузии влаги для отходов превышает 1,5.10"^ и /ч. Отходы флотации обладают значительно более высокими влаго-проводными свойствами по сравнению с традиционным глинистым сырьем для производства изделий стеновой керамики.

Таким образом, керамические изделия, изготовленные как из

одних отходов флотации, так и с корректирующими добавками являются трединостойккми в процессе сушки, что служит определяющим фактором получения качественно высушенного сырца при форсированных режимах тепловой обработки.

Промышленная проверка результатов исследования проводилась / на Опытном заводе ВНИИстром. Пустотелый кирпич сушили в туннельной противоточной сушилке с системой общеобменной рециркуляцией теплоносителя. При сушке в течение 18 ч обеспечивался ЮСЙ-ный выход бездефектного сырца. Камни сушили в конвейерной однорядной сушилке, Продолжительность сушки 6 ч, выход бездефектной продукции составил 96$, с мелкими допустимыми ГОСТом посечками - &%.

Отходы флотации относятся к группе н,е спекающегося сырья. Лз исследованных добавок только шлак интенсифицирует процесс спекания, но весьма незначительно.

Исследования опытных масс из одних отходов показали иовнпен-ную огнеЕую усадку образцов, значения которой при температуре обжига 105С°С достигает 6,2-7,8$. Значительная усадка изделий может привести к их деформации при обжиге в туннельных печах с перепадом температуры по высоте садки.

Введение мела позволяет существенно снизить усадку образцов и стабилизировать их размеры. Так, при добавке 5% максимальная величина усадочных деформаций составляет 1,2-1,8$, и образш имеют практически постоянные 'размеры в высокотемпературной области 950-Ю50°С. Цамот-также оказывает положительное влияние на поведение образцов в обжиге, однако менее эффективно чем мел.

Установлено, что в интервале 950-Ю50°С можно из одних отходов получать образцы, имеющие удовлетворительную прочность при пониженной средней плотности (1060-1370 кг/м3). В фазовом составе обожженных образцов отмечаются следующие фазы: муллит, анортит,

Еолластоннт, гематит, магнетит, шинель, кристобалит, кварц, полевой шпат.-С повышением температуры обжига в образцах возрастает количество муллита, шпинели, анортита, гематита.

Мел снижает среднюю плотность образцов для обеих проб отходое флотации. Действие добавки на прочностные показатели неоднозначно: 5% добавка мела для образцов из кальмиусских отходов флотации увеличивает прочность изделий, а для чумаковских - уменьшает. Дальнейшее повышение количества добавки приводит к снижению прочностных показателей. Это обусловлено образованием дополнительного количества пор за счет разложения карбоната и увеличением степени кристаллизации основной связующей массы. Повышается содержание анортита, кристобалита, волластонита. Количество стеклофазы в черепке сокращается в связи с кристаллизацией алюмосиликатов и силикатов кальция за счет взаимодействия СаО с легкоплавкими железистыми расплавами, вследствие чего формируется сетчатая структура.

Введение шлака (до 5%) оказывает слабое влияние на повышение прочностных показателей образцов. Это можно объяснить незначительны.',: изменением фазового состава и структуры образцов. При темпера-. туре обжига 950-1050°С частицы шлака остаются практически не расплавленными, слабо влияя на упрочнение образцов. Однако, тем не менее отмечается начало слабой раскристаллизации стеклофазы и появляется мелилит.

■ Шамот существенно не влияет на показатели плотности-образцов. Причем линейной зависимости изменения плотности образцов от содержания шамота не обнаружено. Увеличение содержания шамота сопровождается ростом водопоглощения и открытой пористости обожженных образцов, 'что объясняется усадочными явлениями массы. Матрица из • 1 1

отходов флотации дает усадку и отрывается от безусадочных шамотных зерен. На стыке разнородных по свойствам частиц отходов и зерен шамота образуются микротрещины, обусловливающие повышение по-допоглоцения.

Зависимость предела прочности при изгибе и сжатии образцов от содержания введенного шамота проявляется неоднозначно. При вводе шамота отмечается снижение предела прочности при изгибе образцов. Характер зависимости предела прочности при сжатии образцов зависит от количества шамота. При вводе 30$ шамота происходит увеличение прочности образцов. При дальнейшем увеличении расхода добавки прочность их снижается.

Различие в действии шамота на прочностные показатели при сжатии и изгибе объясняется следующим образом.' Прочность при сжатии в значительной степени зависит от микроструктуры керамического материала, которая при вводе до ЗС$ шамота улучшается. При увеличении количества шамота сверх установленного не достигается равномерное их покрытие сырьевым материалом (связующим компонентом) и не образуется прочный каркас; формируется рыхлая структура, снижающая прочность изделий. Прочность же при изгибе определяется прочностью контактов зерен шамота со связующей частью массы, которая ослабляется усадочными явлениями.

Фазовый состав образцов с добавкой шамота идентичен фазовому •/ составу контрольных образцов. Все изменения физико-механических сеойств образцов связаны с изменением их структуры.

Результаты исследования структуры методом ртутной порометрии показали, что в обожженных при Ю00°С образцах из всех масс преобладают мелкие поры (/ 5 мкм).

Образцы из кальмиусских отходов флотации характеризуются большей пористостью 0,5641 см3/г по сравнению с образцами из чу-

маковских отходов 0,3765 см3/г.

Для образцов из кальмиусских отходов флотации характерна рав-

2 -з и

номерная пористость с максимумами при 5,76.10, 3,75.10 и 1,5.10 X, а для образцов из чумаковских отходов флотации - пористость однородная, основная область сосредоточения пор 10^-10^ X, пик при

о О

5.10 А.

Введение добавок в кальмиусские отходы снижает общую пористость образцов, причем добавка мела и шлака не меняет характера пористости. С добавкой шамота пористость приобретает более одно--родный характер, возрастает доля мелкой пористости.

Введение добавок в чумаковские отходы флотации действует неоднозначно: добавка мела и шлака приводит к увеличению общей пористости, добавка шамота несколько снижает общую пористость. Характер пористости с введением добавок не меняется, она остается однородной.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что структура образцов на основе отходов флотации мелкопористая с незначительны;/ количеством арупных пор. Это обеспечивает повышенные значения морозостойкости и теплозащитных свойств изделий.

Исследование режима обжига керамических изделий из отходов флотации. Исследования отходов флотации, проведенные с использованием термографического метода показали, что температура .воспламенения летучих компонентов, выделяющихся в результате Пиролиза угля в отходах, изменяется в пределах 260-280°С, а углерода - 400-4Ю°С.

Установлено, что одним из основных факторов, определяющих интенсивность выгорания углерода является пирометрический уровень процесса. Область оптимальных температур с ускоренным выгоранием углерода находится в интервале 950-1000°С. Это объясняется тем, что скорость реакции горения возрастает с повышением температуры.

Однако по мере увеличения температуры обжига и изделиях появляется жидкая фаза, которая способствует более полному спеканию и формированию керамического тола. Газопроницаемость последнего, а следовательно, и скорость диффузии газов уменьшается. Это и приводит к увеличению продолжительности выгорания углерода.

Ввод мела интенсифицирует процесс выгорания углерода. Автор связывает это правде всего с повышенным газовыделением в силу термической диссоциации мела и увеличением пористости образцов. Процесс выгорания интенсифицируется также за счет восстановления углекислоты, образующейся вследствие диссоциации мела по реакции: С + СО2 = 2С0. Продолжительность выгорания углерода при добавке 10$ мела примерно в 2 раза меньше по сравнению с контрольными образцами.

При добавке шамота отмечается интенсификация выгорания углерода. Так, при вводе 10$ шамота продолжительность Енгорания углерода из образцов уменьшилось на 4-5$, а при расходе 20$ шамота - на 12-13$. Добавка шамота несколько увеличивает газопроницаемость обжигаемого изделия и уменьшает общее количество топлива в шихте, что в совокупности и приводит к сокращению продолжительности его выгорания.

В опытах с добавкой шлака практически не отмечается изменение скорости выгорания углерода.

На основании проведенных экспериментов разработан режим обжига. Проверка разработанного режима обжига осуществили при выпуске представительных партий изделий на Опытном заводе Б&Истром. Продолжительность процесса обжига изделий .из отходов флотации углей без добавок составила 50 ч. Добавка мела в количестве 5$ сократила срок обжига в среднем на 10$. Такой же эффект достигнут при введении 15-20$ шамота.

Исследование процесса десульфурации керамических изделий. В процессе обжига изделий из флотохвостов соединения серп, содержащиеся в сырье, претерпевают значительные изменения. Сульфидная фор:,ш серы исчезает, что свидетельствует о завершении протекающих при обжиге процессов термической диссоциации и окисления сульфидов. Количество сульфатной серы возрастает и достигает максимума при 700-800°С, а при более еысоких температурах закономерно снижается. Увеличение содержания сульфатов происходит в результате реакций взаимодействия газообразных соединений серы с твердой фазой в основном оксидами Са.и Ы^, что приводит к образованию вторичных сульфатов. Последующее снижение концентрации сульфатов объясняется связыванием СаО и М^О (образующихся при диссоциации карбонатоЕ) в силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, взаимодействующие с газообразными оксидами серы значительно менее активно, чем свободные оксиды Са и Ну. Остаточная сера находится в виде сульфатов, поэтому конечная степень десульфурации изделий зависит от полноты их разложения.

Десульфурация изделий в значительной степени зависит от состава сырьевой смеси. Результаты опытов с введением в шихту мела указывают на ухудшение условий удаления серы. Снижение десульфурации объясняется в осноеном связыванием сернистых газов оксидом кальция, образующимся при разложении мела, с, образованием Са^'О^.-

Установлено, что взедение в исходное сырье шамота^является эффективным средством снижения концентрации серы в обожженных изделиях. Это связано с тем, что шамот практически не вступает во взаимодействие с продуктами диссоциации и разложения пирита. Снижение же доли сырьевого компонента (отходов) в составе шихты сопровождается уменьшением суммарного содержания в ней карбонатов и сульфидов, в результате чего процесс десульфурации ослабляется.

Данные анализа водных вытяжек свидетельствуют о том, что пре-*

валирующая роль в водорастворимых солях принадлежит сульфату кальция.

Необходимо иметь в виду, что сульфат кальция может образовывать высолы на поверхности изделий, не разрушая их при эксплуатации

Независимо от состава шихты по мере роста температуры обжига закономерно снижается содержание водорастворимых солей. Это происходит в результате интенсификации процесса спекания, способствующего связыванию сульфатов в составе расплава и образующейся при охлаждении стеклофазы.

Добавка шамота способствует заметному снижению содержания сульфатов щелочных металлов и М^ в продуктах обжига. Так, количество указанных ингредиентов в водной вытяжке образцов из чумаковских флотохвостов с добавкой 10, 20 и 30% шамота составило (соответственно 0,064, 0,061 и 0,058 по сравнению с 0,0827» в контрольных образцах. Аналогичное влияние оказывает шлак. Мел практически не «

влияет на изменение содержания сульфатов щелочных и щелочно-зсмольных металлов, однако приводит к возрастанию содержания сульфата кальция.

Практическая реализация полученных результатов. На Опытном заводе ЕШЛстром, Гжельском и Тучковском кирпичных заводах в разные периоды времени проведена опытно-промышленная--проверка разработанной технологии. По качественным показателям (табл.1) кирпич удовлетворяет требованиям ГОСТ 530-80 "Кирпич и камни керамические" Кирпич из всох составов выдержал 50 циклов-попеременного замораки-вания и оттаивания. После испытания на капиллярный подсос высолов не наблюдалось (изделия из отходоа с добавкой шамота и шлака) или имелись незначительные налеты (изделия с добавкой мела). Коэффициент теплопроводности в зависимости от состава шихты изменяется в

пределах 0,285-0,39 Вт/м.°С.

Таблица I

Физико-механические свойства керамического ш;рпича (пустотность 13).

Состав массы Предел прочности, Ша Средняя плот- Водопогло-щение, %

при сжатии при изгибе ность, кг/м3

Кальмиусские отходы 15,4 2,4 ИЗО 24,7

Отходы шамот - 85 - 15 17,6 2,5 1160 24,0

Отходы шамот - 70 - 30 24,0 2,8 1190 23,2

Чумаковские отходы 13,0 2,7 1370 14,5

Отходы шамот - 85 - 15 14,0 ' 2,7 .1350 14,9

Отходы шамот - 70 - 30 18,5 3,2 1320 15,4

На основании проведенных работ разработана технологическая схема производства теплоэффективного киргшча из отходов флотации и ее аппаратурное оформление. Технологический процесс предусматривает изготовление из обезвоженных до 25$ отходов, в том числе с корректирующими добавками, гранул путем пропуска массы через пресс со специальной насадкой и резательным приспособлением, сушку гранул до 17-18$ на движущемся сетчатом конвейере, обработку их в двухвальном смесителе, формование пустотелого кирпича, сушку в ще-леЕОЙ однорядной и туннельной сушилке, обжиг в специализированной туннельной печи. Сушка гранул в неподвижном состоянии исключает необходимость оснащения сушилки дорогостоящими пылеулавливающими агрегатами для очистки отходящих газовых потоков. Горячий воздух зоны охлаждения печи и отходящие дымовые газы печи используют для

сушки гранул и сформованного кирпича-сырца.

В соответствии с Постановлением Совмина ССОР от II сентября 1986 г. И 1С84 "Об организации производства строительного кирпича с использованием углесодержащих отходов обогатительных фабрик" разработана адресная программа строительства 132 заводов, в которой использованы результаты работы.

Высокая экономическая эффективность производства керамического кирпича из отходов флотации углей подтверждено расчетом. При использовании отходов для производства кирпича на технологической линии мощностью 60 млн.шт. в год может быть получен суммарный экономический народнохозяйственный эффект в размере 775 тыс.руб.

ОБЩИЕ Енвода

1. Разработаны научные и технологические основы изготорления теплоэффективных керамических изделий из отходов флотации углей. Отличительной особенностью технологического процесса является внсс кая степень гомогенизации сырья, достигаемая использованием отходов текущего выхода после обезвоживания в фильтр-прессогых отделениях, упрощенная схема изготовления формовочной массы, благодаря высокой степени готовности сырья для последующей переработки, применение форсированных режимов сушки сырца и обжиг его по специальному режиму.

2. Выявлено, что керамические массы на основе отходов флотаод углей образуют, по сравнению с глиняными, более прочные коагуляцис нне структуры, отличающиеся повышенными значениями предельных раем гивающих напряжений (18.103-24.103 Па) и относительной деформации (£=1.0-3,СЙ), обеспечивающими бездефектное пластическое формование керамических изделий.

Установлена возможность изменения коагулящ:онной структуры пз тем введения корректирующих добавок. Массы с добавками оптимально! количества шлака, мела, шамота образуют коагуляционные структуры

различного структурно-механического типа.

Они отличаются высокой эластичностью (0,3-0,69), вязкостью (150.Ю8-1204,7.Ю8 Па.с) и низкой пластичностью (0,006Л0~7-0,033.Ю-7 с-1). >

.3. Подтверждено, что наиболее значимым фактором формирования конденсационной структуры керамических изделий из отходов флотации углей является их влагопроводность. Коэффициент диффузии влаги (1,6.10*^-2,28.10"^ м2А) в 3-4 раза превышает указанный показатель глинистого сырья, что обеспечивает Еысокую трещиностойкость изделий на основе отходов флотации углей.

Исследованные в работе добавки улучшают влагопроводные свойства флотохвостов, снижают усадку и чувствительность сырья к сушке и повышают коэффициент диффузии влаги.

4. Показано, что применяя корректирующие добавки можно в определенных пределах регулировать процессы структурообразования, обеспечивающие получение изделий с требуемыми показателями свойств Керамические изделия, содержащие добавку мела и шамота, имеют расширенный рабочий интервал обжига и повышенную деформационную устой чивость, что обусловлено уменьшением в керамическом материале количества алкмосиликатного расплава в связи с кристаллизацией новообразований (добавка мела) и снижением в исходной массе собственно глинистого вещества (добавка шамота), служащего источником образования жидкой фазы.

5. Введение мела в керамические массы на основе отходов флотации углей существенно интенсифицирует выгорание углерода из керамических изделий во время обжига. Положительное влияние добавки определяется, в первую очередь, формированием газопроницаемой структуры материала за счет диссоциации мела. Газопроницаемая структура сохраняется в рабочем интервале обжига, благодаря снижению усадки изделий и стабилизации ее значения.

6. Разработан режим обжига, обеспечивающий получение долголочных керамических изделий - изотермическая выдержка при температуре примерно на 100 град, ниже оптимальной температуры обжига и окислительная среда на протяжении всего периода выгорания углерода.

7. Изучен механизм образования "вторичных" сульфатов при обжиге керамических изделий из отходов флотации, заключающийся в реакции взаимодействия газообразных продуктов окисления и диссоциации содержащегося в отходах пирита с оксидами кальция и магния.

8. Разработаны технологические параметры и аппаратурная схема производства теплоэффектгвных керамических стеновых изделий из отходов флотации углей. Результаты опытно-промышленной проверки в условиях Опытного завода БЩ10 стеновых и вяжущих материалов, Тучког ского и Гжельского кирпичных заводов подтвердили правильность установленных параметров производства.

9. Изучены технические свойства керамического кирпича на основе отходов флотации углей. Качественные показатели изделий соответствуют требованиям ГОСТ 530-80 "Кирпич и камни керамические". По теплотехническим свойствам и средней плотности кирпич относится к группе эффективных изделий.

10. Обоснована народнохозяйственная эффективность производства теплоэффективных керамических стеновых изделий из отходов флотации углей. Экономический эффект производства керамического кирпича на заводе годовой мощностью 60 млн.шт. составит 775 тыс.руб.

Публикация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, отражены в следующих опубликованных работах:

1. В.Н.Дурмистров, Б.Ф.Буданов, Т.И.Карпунина. Отходы флотации углеобогатительных фабрик в производстве кирпича // Строительные материалы. - 1982. - 1 6.- С.7-8.

2. В.Н.Бурмистров, В.Н.Смолин, Т.И.Карпунина. Особенности обжига керамических стеновых изделий из отходов флотации углей //

- а -

Комплексное использование минерального сырья.-1983.-ЖП.-С.77-80.

3. П.Н.Хорьков,В.Н.Бурмистров.В.Н.Смолин,Т.И.Карпунина.Теплоэффектив-ный кирпич из отходов флотации углей // Строительные материалы.

- 1983. -Кб.- С. 13-14.

4. В.Н.Бурмистров,Т.И.Карпунина.Эффективная кер&мика из отходов флота ции углей//Научно-технкческий прогресс и повышение долговечности зданий и сооружений:Тез.докл.научн.-техн.конф.Павлодар,1984.-с.19.

5. В.Н.Бурмистров,Т.И.Карпунина,В.В.Гречина,А.И.Степанова. Особенности сушки отходов флотации углей как сырья для производства стеновой керамики//Строительные материалы. - 1985. -.'¡'3. - С.18-19.

6. В.Н.Бурмистров,Т.И.Карпунина,В.Н.Смолин.Отходы флотации углей-мате риал для керамических стеновых изделий//Уголь.-1986.~)\2. - С.56-59

7. П.Н.Хорьков,В.Н.Бурмистров,Т.И.Карпунина,В.В.Гречина,А.И.Степанова Исследование сушильных свойств отходов флотации углей // Тр.ин-та/ ВНЖстром. - 1984. - Вып.51(79). - С.21-27.

8. В.Н.Смолин,Т.И.Карпунина,Е.П.Усанова.Особенности минералообразова-ния и формирования структуры при обжиге изделий из масс на основе отходов флотации углей//Тр.ин-та/ВНИИстром.-1984.-Вып.51(79).-С.28-

9. В.Н.Бурмистров,Т.И.Карпунина,А.И.Степанова.Особенности структурно-механических свойств отходов флотации углей//Тр.ин-та/ ВНШстром.

- 1985. - Вып.57(85). - С.35-40.

10. В.Н.Бурмистров,Т.И.Карпунина.Десульфурация керамических изделий из отходов флотации углей//Тр .ин-та/ВНИИстром.-1985.-Еып.57 (85).-С.6СН

11. Е.П.Усанова,В.Н.Смолин,Т.И.Карпунина.Улучшение эксплуатационных свойств и совершенствования технологии получения керамического кир пича из отходов флотации углей//Тр.ин-та/ВНИИстром. - 1985. -Вып.57(85). - С.66-71.

12. А.с. №. 1286569. Керамическая масса для изготовления стеновых изделий / Бурмистров В.Н. / Усанова Е.П., Карпунина Т.И., Смолин В.Н. (СССР).