Строительная керамика с добавлением шлаков Медногорского медно-серного комбината

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строительная керамика с добавлением шлаков Медногорского медно-серного комбината

Гурьева В.А., д.т.н, доцент; Ильина А.А., аспирант, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»

За последние несколько лет достигнут значительный прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, несмотря на это все еще остается необходимость в создании более совершенных и специализированных материалов. Следовательно, одной из приоритетных задач строительной индустрии в настоящее время является повышение качества существующих материалов, среди которых особое внимание уделяется развитию и совершенствованию производства изделий строительной керамики, с учетом взаимосвязей между производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду. Одним из направлений по улучшению технических характеристик керамических изделий является создание ресурсо- и энергосберегающих технологий, разработка которых базируется на вторичном вовлечении в производство отходов промышленного комплекса и позволяет освободить территории, занимаемые техногенными продуктами различных областей производства, тем самым уменьшая их негативное влияние на экологию [1].

Оренбургская область входит в число регионов с развитой цветной металлургией. В области находятся: Гайский горно-обогатительный и Медногорский медно-серный комбинаты, горно-обогатительное предприятие «Ормет», комбинат «Южуралникель» и др. заводы по обработке цветных металлов, которые представляют медную, никелевую, алюминиевую отрасли и обработку цветных металлов. В области доминирует медная промышленность. Это связано с наличием крупных запасов медьсодержащего сырья и, прежде всего, Гайского медно-колчеданного (ГМК) месторождения. В нем сосредоточено около 80 % запасов медных руд области и более 40 % промышленных запасов меди Урала. [2].Отходы, выработанные данными предприятиями за десятилетия работы в виде шлаков различной природы, занимают огромные территории. Утилизация этих отходов являются одной из важнейших проблем, требующих неотложного решения.

Одним из вариантов решения данной проблемы, является переработка отходов в производство строительных материалов. Вторичное вовлечение в производство техногенных продуктов позволит решить социальные, экономические и экологические проблемы региона: произвести расчистку используемых под отвалы территорий, удалить источник негативного влияния на экологию области, а также позволит создать дополнительные рабочие места, снизить стоимость самих керамических изделий, а самое главное сократить потребность в добыче первичных минерально-сырьевых ресурсов - глин. Это достигается снижением содержания глин в сырьевых смесях путем ввода добавок на основе отходов (шлаков цветной металлургии), что обеспечивает производство изделий с улучшенными свойствами, в том числе на территориях, где отсутствуют месторождения высококачественных глин.

Использованию различных промышленных отходов в производстве керамических строительных материалов придается огромное значение, как в России, так и за рубежом.

В настоящее время известны исследования Боженова П.И., Прокофьевой В.В., Гурьевой В.А. и др. [3 - 6] по использованию в качестве компонента исходного сырья для производства стеновых керамических материалов шлаков и других отходов промышленности: хвосты обогащения апатит-нефелиновых руд, хвосты обогащения медно-никелевых руд, шлаки медно-никелевого производства, ‡хвосты обогащения железистых кварцитов, хвосты обогащения вермикулитовых руд и некоторые другие.

В.З. Абдрахимовым с соавторами выявлено[7], что введенный в состав керамических масс фосфорный шлак может заменить природный дорогостоящий волластонит, который снижает усадку керамических материалов, но не способствует образованию муллита до 1100?С.

Авторами [8] обосновано снижение водопоглощения лицевого кирпича за счет использования отхода ГМК - гранулированного доменного шлака. Керамическая масса светлого тона для лицевого кирпича содержит кембрийскую глину, тонкомолотый бой автоклавного пенобетона и гранулированный доменный шлак при соотношении компонентов, в %: глина кембрийская - 68-72; тонкомолотый бой автоклавного пенобетона - 4-6; гранулированный доменный шлак - 24-26.

Для снижения коэффициента теплопроводности керамического кирпича предложена шихта, содержащая глину, гранулированный доменный шлак (20-25%) и тонкомолотый бой ячеистого бетона (15-20%) [9].

Турецкими исследователями из Бартинского университета [10] изучено влияние феррохромного шлака, цеолита и их различных комбинаций на физические, механические свойства и микроструктуру кирпичей. Механическая прочность опытных образцов с добавлением феррохромного шлака превышала 7 МПа, а теплопроводность образцов уменьшилась на 42,3% по сравнению с образцами без добавок. Результаты исследования позволили установить возможность производства кирпичи с цеолитом и шлаком.

Таким образом, в исследованиях ряда ученых предложено и доказана целесообразность использования доменных, фосфорных, феррохромных шлаков, зоошлаков, а также шлаков от сжигания бурого угля для производства керамического кирпича.

Однако, исследования по разработке технологии использования отходов, образующихся после доизвлечения меди, никеля, золота из шлаков цветной металлургии, в производстве керамических строительных материалов ранее не проводились.

Цель данного исследования - разработка методом математического планирования эксперимента модели рационально подобранного состава шихты с максимально оптимальным процентом замещения глины отходом обогащения.

Предметом исследований является производство керамических изделий с использованием в качестве компонента шихты техногенных отходов Медногорского медно-серного комбината (Оренбургская обл.) - лежалые нераскристаллизованные медьсодержащие шлаки. Данный продукт до настоящего времени не перерабатывается отечественными и зарубежными предприятиями с целью доизвлечения основного компонента, т.к. они труднообогатимы традиционными методами вследствие структурно-текстурных и физико-химических особенностей. Отвальные медногорские шлаки - это шлаки фаялит-магнетито-пиритового типа, которые являются слабораскристаллизованными и труднообогатимыми по меди. Структура шлаков сложная, а размер медьсодержащих включений в сульфидных сростках может составлять всего 1-3 мкм, прожилок - 8-10 мкм, имеются сложные сульфидные сростки (20 мкм).

Анализ результатов исследования характеристик линейного коэффициента поглощения рентгеновских лучей (ЛКО) позволил установить, что шлаки Медногорского медно-серного комбината характеризуются сложным полиминеральным составом, состоящим в базовой части из 6-8 минеральных фаз. Типичные размеры минеральных агрегатов в среднем 20-30 мкм, и не превышают 300 мкм. Медьсодержащими фазами являются халькозин-борнитовый твердый раствор (среднее содержание Cu - 73,15%), борнит (среднее содержание Cu - 56,09%), суль-фидный Fe-Cu тв. раствор (среднее содержание Cu - 54,91 %), сульфидный Fe-Cu-Zn тв. раствор (среднее содержание Cu -16,83 %).

На первом этапе эксперимента был проведен анализ химического состава глины Алимсайского месторождения, который представлен на рис. 1а. Данная глина по содержанию глинозема (А1₂О₃) относится к группе кислого глинистого сырья; по содержанию оксидов железа (Fе₂О₃> 3 %) с высоким содержанием красящих оксидов. Количество SiО₂ составляет 56,5 % указывает на присутствие кварца в виде песка, что снижает пластичность глины. Далее был определен химический состав шлаков Медногорского медно-серного комбината см. рис. 1б.

Анализируя полученный химический состав суглинка, можно с большой долей вероятности прогнозировать его минералогический состав.

а) б)

Рис. 1. Химический состав: а - глины Алимсайского месторождения б - шлаков медеплавильных заводов

Низкое содержание глинозёма свидетельствует о незначительном содержании каолинита и монтмориллонита. Другие вышеуказанные оксиды указывают на наличие в глинистом сырье кальцита, магнезита, доломита, гипса, анортита, альбита и ортоклаза.

Из глины Алимсайского месторождения были изготовлены методом пластического формования образцы, на которых исследованы их обжиговые свойства. Результаты представлены на диаграммах рис. 2.

Рис. 2. Свойства глины Алимсайского месторождения от температуры обжига: 1- средняя плотность 2 - предел прочности при сжатии 3 - водопоглощение

Получение керамических изделий с заданными свойствами зависит главным образом от шихтового состава масс, условий ее переработки, способа формования, условий термической обработки [11-13]. Поэтому с целью выявление зависимостей качественных характеристик керамических изделий от состава шихты и режима ее обработки при планировании и проведении физического эксперимента в качестве факторов, определяющих конечные свойства изделий, рассматривались количественное содержание каждого из двух компонентов керамической шихты (глина/шлак) и температура обжига изделий.

Обжиг сырца формирует его структуру, которая определяет комплекс технических свойств керамических изделий: прочность, плотность, водопоглощение, общую усадку. Поэтому данные показатели, характеризующие степень превращения керамической массы в камнеподобный черепок, были рассмотрены в качестве основных критериев эффективности при оптимизации состава керамической шихты на основе шлаков Медногорского медно-серного комбината.

Разработка составов производилась с помощью двухфакторного эксперимента. Первый фактор - температура спекания (900-1200?С), второй фактор - процентное содержание шлака в образце (10-60%). В результате реализации эксперимента и обработки полученных данных разрабатывалась математическая модель в виде полинома второго порядка для каждой характеристики изделий.

В ходе исследований были изготовлены керамические образцы с использованием в качестве исходного сырья шлаков Медногорского медно-серного комбината и глины Алимсайского месторождения. Данные, полученные по результатам проведения эксперимента, представлены на графиках рис. 3-6.

В ходе анализа результатов, приведенных на рис. 3-6 , установлено, что увеличение содержания шлаков в шихте приводит к небольшому повышению водопоглощения и способствует снижению значений предела прочности при сжатии, общей усадки, средней плотности. Данные изменения связаны с трансформацией структуры исходных компонентов шихты: магнезиальносиликатного и алюмосиликатного сырья.

Рис. 3. Изменение водопоглощения в зависимости от соотношения глина/шлак и температуры спекания

Рис. 4. Изменение средней плотности в зависимости от соотношения глина/шлак и температуры спекания

Рис. 5. Изменение общей усадки в зависимости от соотношения глина/шлак и температуры спекания

Рис. 6. Изменение прочности при сжатии в зависимости от соотношения глина/шлак и температуры спекания

При температуре обжига 900-1200 ^оС усиливается трещиноватость шлаков и увеличивается их открытая пористость. Это приводит к тому, что с увеличением количества техногенного сырья (шлака) в шихте независимо от свойств глинистого компонента растет открытая пористость и водопоглощение керамического изделия в целом.

Данные исследования служат основой для дальнейшей работы по разработке технологии производства керамического кирпича рационального состава с применением глинистого сырья и отходов цветной металлургии, пригодных в зависимости от химико-минералогического состава для использования в качестве отощителей, добавок - интенсификаторов спекания.

шлак глина керамический спекание

1. О стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г. и дальнейшую перспективу до 2030 г. [Текст]: Распоряжение Правительства РФ от 10 мая 2016 г. № 868-р

2. Колодина О.А. Металлургия Оренбургской области/ О.А. Колодина //География. - 2003. - №43. - С. 27-30.

3. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994. - 263 с.

4. Прокофьева, В.В. Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере. - Л.: Стройиздат, Ленингр.отд-ние, 1986. - 176 с., ил.

5. Гурьева В.А. Физико-химические исследования использования дунитов в декоративно-отделочной керамике/ В.А. Гурьева // Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. - 133 с. ISBN 978-5-7410-0735-8

6. Гурьева В.А. Применение силикатсодержащих попутных продуктов горно-обогатительных комбинатов в производстве керамики / В.А. Гурьева // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск: НГАСУ. - 2008. - № 8 (596). - С. 20-24.ISSN 0536-1052

7. Абдрахимов В.З. Экологические, теоретические и технологические принципы использования фосфорного шлака и зоошлакового материала в производстве высокомарочного керамического кирпича: монография. Известия вузов. Строительство. - Новосибирск: НГАСУ. - 2008. - № 8 (596). - С.20-24.

8. Сватовская Л.Б., Масленникова Л.Л., Бабак Н.А., Бойкова Т.И. Керамическая масса светлого тона для лицевого кирпича// Патент России № 2433980. 2011. Бюл. № 32.

9. Сватовская Л.Б., Масленникова Л.Л., Славина А.М., Бабак Н.А., Капустина О.А. Шихта для изготовления керамического кирпича// Патент России № 2412131. 2011. Бюл. № 5.

10. Gencel O. Cay Properties of bricks with waste ferrochromium slag and zeolite / O. Gencel, M. Sutcu, E. Erdogmus, V. Koc // Journal of Cleaner Production. - 2016- P. 112-113.

11. Малькова М.Ю. Влияние особенностей технологии на свойства мелкозернистых шлакобетонов/ М.Ю. Малькова // Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения. Самара. 2004. - С. 323- 327.

12. Большаков В.И. Металлургические шлаки в строительстве / В.И. Большаков, В.З. Борисовский, В.Д. Глуховский, П.В. Кривенко, А.П. Никифоров, С.А. Щербак // Днепропетровск: Изд-во Приднестроской ГАСА, 1999. -114 с

13. Горшков В.С. Использование металлургических шлаков в промышленности строительных материалов/ В.С., Горшков, С.Е. Александров, С.И. Иващенко // Журнал Всесоюзного химического общества им. Менделеева. - Т. ХХVII. - 1982. - №5. - С. 566-568.

Размещено на Allbest.ru