Разработка технологии получения пористых керамических материалов с использованием отходов переработки бурых углей

Разработка технологии получения пористых керамических материалов с использованием отходов переработки бурых углей.

Беломеря Н.И., Мнускина В.В. (ДонГТУ)

Рассмотрена возможность применения полукокса - отхода переработки бурых углей Александрийского месторождения для получения керамических изделий с пористой структурой. Установлены оптимальные количества добавок полукокса в керамические массы, позволяющих обеспечить технологичность процессов и выполнение регламентируемых физико-технических показателей пористых материалов.

Производство керамических строительных материалов по-прежнему остается приоритетным направлением промышленности, спрос на которые не уменьшается. В связи со сложными экономическими условиями и напряженной экологической обстановкой выдвинуты новые требования к разработке их производства, в частности, весьма актуально использование отходов различных производств. 

Анализ литературных источников показал, что в производстве керамических изделий все болшее применение находят золы и шлаки ТЭС, отходы угледобычи и переработки углей и др., присутствие которых способствует получению изделий высокого качества.

Целью данной работы является разработка нового направления использования полукокса - продукта полукоксования бурых углей Александрийского месторождения - в производстве изделий строительной керамики в качестве выгорающей добавки.

Введение полукокса в состав масс предполагает улучшение не только физико-технических свойств строительных материалов, но и экономию значительного количества технологического топлива на обжиг этих изделий. Известно, что использование шахтных пород в качестве выгорающей добавки позволяет производить обжиг за счет тепла, выделяющегося при их сгорании, а избыток тепла отводить на сушку.

Полукокс, полученный полукоксованием без доступа воздуха (нагрев до 500-600 градусов С) бурых углей Александрийского месторождения, имеет следующие характеристики (таблица 1).

Таблица 1. Усредненные показатели качества полукокса из бурых углей Александрийского месторождения, % масс 

Характеристики

Значения

Влага на рядовую массу W

4,1

Зола

- на сухую массу Аd

45,7

- на рядовую массу Аr

43,8

Сера на рядовую массу Sr

2.25

Элементарный состав

Сr

81,0

Нr

1,9

Nr

0,83

Sr

9,1

Or

7,17

Однако полукокс имеет и ряд недостатков: высокая зольность и повышенная серность. В связи с повышенным количеством золы можно ожидать снижение температуры спекания материала за счет присутствия в ней оксидов щелочных и щелочноземельных металлов (R2O и RО), которые являются сильными плавнями. При обжиге изделий сера образует SО2 и SО3, которые загрязняют окружающую среду.

Использование полукокса в массах изделий строительной керамики вызывает неоходимость регулирования режима обжига. Так как в процессе обжига происходит выгорание полукокса, неполное выгорание углерода приводит к образованию черной сердцевины изделий. Поэтому, чтобы получить изделия высокого качества необходимо осуществлять изотермическую выдержку при температурах 850-950 градусов С.

Несмотря на некоторое усложнение процессов, происходящих при обжиге изделий с полукоксом, и на ряд его недостатков, представляется интересным исследовать вопрос о влиянии полукокса на свойства строительной керамики.

Анализ химического состава минерального остатка полукокса бурых углей Александрийского месторождения указывает на наличие оксидов, составляющих основу глинистых материалов. Исследование кинетики потери массы полукокса в интервале температур 40-1000 градусов С показало, что невыгорающий остаток при максимальной температуре нагрева, соответствующей температуре обжига, составляет 15%.

Внешний вид прокаленного остатка указывает на небольшое содержание оксидов железа в полукоксе, так как остаток имеет светло-бежевый цвет с розовым оттенком. В нем содержится малое количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку прокаленный остаток представляет собой сыпучий порошок. Основу полукокса составляют оксиды глинистых материалов: SiO2 и Al2O3 - действие которых проявляется при более высоких температурах 1050-1100 градусов С. При этих температурах при постоянной массе полукокса превращается в стекловидный расплав. 

На первом этапе исследования влияния добавок полукокса на физико-химические свойства керамических масс были проведены предварительные эксперименты по получению пористых структур на основе глины Дзержинского месторождения.

все массы состояли из 95-70% глины, 5-30% полукокса с шагом 5%. Крупность частиц глины и полукокса составляла менее 0,5 мм. Образцы изготовлены методом полусухого прессования (влажность 10%) и обжиг проводили в электрической муфельной печи при температуре 1050 градусов С.

Основные физико-технические свойства образцов определяли по стандартным методикам. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные физико-технические свойства глинистых масс, содержащих полукокс

Содержание полукококса, %

Температура обжига, ?С

Водопоглощение на холоду

Вх,%

Водопоглощение

при кипячении Вк,%

Коэффициент морозостойкости, К

Открытая порис-тость, Потк,%

0

1050

14,80

14,80

1

27,62

5



13,88

15,06

0,92

27,96

10



16,85

17,11

0,98

29,59

15



19,03

20,56

0,93

33,41

20



28,29

28,86

0,98

41,99

25



33,34

34,55

0,96

46,53

30



41,94

44,52

0,94

52,08

Анализ результатов предварительных исследований показал весьма значительное увеличение водопоглощения и пористости с возрастанием содержания полукокса в образцах. Так, например, при 30% содержание полукокса открытая пористость увеличивается до 52%, а водопоглощение - до 42%.

Этот факт позволил обозначить области и перспективы использования продукта полукоксования бурых углей в качестве выгорающей добавки, обеспечивающей высокую пористость при изготовлении легковесных шамотных огнеупоров и пористой фильтрующей керамики. 

Таким образом, результаты предварительных исследований подтвердили предположение о путях использования полукокса бурых углей Александрийского месторождения в качестве топливосодержащей добавки в производстве обыкновенного глиняного кирпича, легковесных шамотных огнеупоров и пористой фильтрующей керамики.

Из данных таблицы 2 видно, что требования по морозостойкости, предъявляемые к глиняному кирпичу, не выполняются. Поэтому был проведен отбор глин месторождений Донецкой области, свойства которых соответствовали бы всем предъявляемым требованиям.

Найдено, что для изготовления керамического кирпича подходят глины Никифоровского и Краматорского месторождений, а для образцов шамотного легковесного огнеупора - глина Волновахского месторождения.

Основные физико-технические свойства керамических масс, содержащих оптимальное количество полукокса, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные свойства масс, содержащих оптимальное количество полукокса

Наимено-

вание материала

Компоненты

Содержание компонентов,%

Температура обжига,?С

Водопогло-

щение В,%

Откр.

порис-

тость Потк,%

Кажущ. плотность ?,

г/см3

Коэф мороз-

ки,К

Пред.

проч-

ти при сжатии

Глиняный кирпич

Глина краматорская Полукокс

95

5

1000

7,68

15,56

2,03

0,81

444



Глина никифорская полукокс

90

10

1025

10,64

20,57

1,88

0,56

335

Шамотный легковесный огнеупор

Глина волновахская

Шамот

Полукокс

43

37

20

1250

32,6

41,75

1,28

-

51

Шамотноси-

ликатный материал

Шамот

Полукокс

Сверх 100%

Жидкое стекло

80

20

9

1150

40,29

49,12

1,22

-

-

Таким образом, показано, что полукокс бурых углей является ценным компонентом керамических масс, который может использоваться для создания пористой структуры в керамических изделиях различного назначения.