Получение морозостойкого керамического кирпича полусухого прессования из промышленных отходов

УДК 691.42: 658.567.1

А.Ю. СТОЛБОУШКИН, канд. техн. наук, А.И. ИВАНОВ, инженер, Сибирский государственный индустриальный университет

Получение морозостойкого керамического кирпича полусухого прессования из промышленных отходов

Получение способом полусухого прессования керамических стеновых изделий с высокими показателями по морозостойкости всегда являлось сложной технологической задачей из-за несовершенства технологии. Еще более сложной задачей было производство качественного керамического кирпича полусухого прессования из промышленных отходов. И в этом случае недостатки способа также являются одной из причин, мешающих широкому использованию техногенного сырья в керамическом производстве.

Основными проблемами технологии полусухого прессования на заводах средней и малой мощностей до настоящего времени остаются: низкое качество помола сырья по сравнению с пластическим формованием; неоднородность пресс-порошка по влажности и гранулометрическому составу; низкий уровень автоматизации производства.

Ш

Российскими специалистами за последние годы разработаны инновационные технологические решения, позволяющие значительно улучшить качество сырца, уменьшить производственные затраты и добиться высокого качества кирпича полусухого прессования. Эти решения касаются в первую очередь совершенствования процесса подготовки пресс-порошка [1, 2] и конструкции технологического прежде всего прессового оборудования [3].

Для производства полусухим способом прессования облицовочного керамического кирпича высокого качества очень важно обеспечить тонкий помол сырья. При пластическом формовании можно добиться помола до 0,8—1 мм за счет применения современных вальцев, но для глинистого сырья, содержащего карбонатные включения, такого помола недостаточно. Как показали исследования ЗАО «ЮжНИИстром» на поверхности кир-

80

70

60

е, 50

ан 40

р

е

о 30

О

20

10

0

73,26

18,22

5,81 2,71 0

<1,2 1,2-2,5 2,5-5 5-10 Размер гранул, мм

>10

Рис. 1. Внешний вид (а) и распределение фракций гранулята (б) на основе шламистой части отходов обогащения железных руд АОАФ при скорости вращения лопастей гранулятора 1200 об/мин и влажности 9,3%

80 70 60 50 40 30 20 10

- 27,12 - 35,6

20,34

11,86 _ 5,08 _

<1,2 1,2-2,5 2,5-5

Размер гранул, мм

5-10

>10

Рис. 2. Внешний вид (а) и распределение фракций гранулята (б) на основе шламистой части отходов обогащения железных руд МОФ при скорости вращения лопастей гранулятора 1200 об/мин и влажности 9,9%

0

Таблица 1

Наименование сырья Содержание оксидов в % на сухое вещество

SiO2 ТЮ2 А12Оэ Fe2Oз МпО МдО СаО Na2O К20 ППП

Шлам отходов обогащения железных руд МОФ 33,23 0,35 9,8 17,21 1,36 5,59 23,83 0,41 0,86 10,26

Шлам отходов обогащения железных руд АОАФ 34,99 0,36 8,99 19,69 0,59 11,88 14,97 0,4 0,75 10,9

Углеотходы Абашевской ЦОФ 54,99 0,72 16,9 3,68 - 1,99 5,63 1,43 2,25 13,6

Суглинок новокузнецкий 59,9 0,9 14,2 4,9 0,2 2,4 4,4 23,8 5,4

пича остаются поверхностные дефекты, если карбонаты не будут помолоты до класса менее 0,3 мм [4]. Единственно возможный метод, позволяющий добиться такой дисперсности глинистого сырья, — метод сухого помола, который является также необходимым условием для получения в дальнейшем однородного по влажности и гранулометрическому составу пресс-порошка и, как следствие, морозостойкого керамического кирпича.

На фоне истощения запасов качественных природных глин использование техногенных отходов в производстве керамических стройматериалов, способствующее решению экологических проблем, является перспективным направлением развития полусухого способа прессования. Это связано с тем, что, во-первых, сырье из отходов в 2—3 раза дешевле, чем природное, а во-вторых, большинство отходов является уже измельченными до класса — 300 мкм и ниже (шламы, золы и др.).

Для выпуска высококачественных морозостойких изделий стеновой керамики из отходов необходима не только разработка технологических основ производства, но и проверка их в промышленных условиях. Это и явилось целью настоящей работы применительно к

Таблица 2

80 70 60 50 40 30 20 10 0

50

22,22 24,07

1,16 2,55

<1,2

1,2-2,5 2,5-5 5-10 >10

Размер гранул, мм

Рис. 3. Внешний вид (а) и распределение фракций гранулята (б) на основе отходов углеобогащения Абашевской ЦОФ при скорости вращения лопастей гранулятора 1200 об/мин и влажности 9,8%

Состав № Наименование компонентов шихты Содержание, мас. %

1 Шлам отходов обогащения железных руд Абагурской агломерационно-обогатительной фабрики 70

Суглинок новокузнецкий 20

Стеклобой 10

2 Шлам отходов обогащения железных руд Мундыбашской обогатительной фабрики 60

Суглинок новокузнецкий 30

Стеклобой 10

3 Отходы углеобогащения Абашевской ЦОФ 85

Суглинок новокузнецкий 15

наиболее распространенным и массовым промышленным отходам Сибири — отходам обогащения железных руд и углеобогащения.

Химический состав сырьевых материалов приведен в табл. 1. Минеральный состав шламистой части отходов обогащения железных руд Абагурской (АОАФ) и Мундыбашской (МОФ) обогатительных фабрик Кузбасса (ОАО «Евразруда») представлен полевыми шпатами, кварцем, слюдой, пироксеном, амфиболами, хлоритами железистого типа с небольшим содержанием смешанослойных образований. Отходы углеобогащения Абашевской ЦОФ (Новокузнецк) содержат в основном кварц, полевые шпаты, карбонаты и смешанослой-ные глинистые минералы иллит-каолинит-монтморил-лонитового типа. По гранулометрии железорудные шламы представляют собой тонкодисперсный материал со средним размером частиц 15—50 мкм. Углеотходы состоят в основном из песчаных и пылеватых фракций, количество алевролитовых частиц — менее 30%. Используемый в качестве корректирующей добавки суглинок новокузнецкий относится к глинистому сырью гидрослюдисто-монтмориллонитового типа, с низким содержанием крупнозернистых включений [5, 6].

Проведение опытно-промышленных испытаний осуществлялось в два этапа. Сначала готовились сухие тонкодисперсные порошки. Сухой помол новокузнецкого суглинка и отходов осуществлялся на установке УСП-С-04.55 ООО «Баскей», промышленная партия стеклобоя нарабатывалась в лабораторных условиях. На турболопастном смесителе-грануляторе периодического действия ТЛ-100 «Дзержинсктехномаш» были наработаны опытно-промышленные партии гранулированных пресс-порошков, вещественный состав которых приведен в табл. 2.

Технология получения пресс-порошков из опудрен-ных гранул состояла в следующем. Основное техногенное сырье — шламистая часть отходов обогащения железных руд Абагурской и Мундыбашской обогатительных фабрик (ОАО «Евразруда»), отходы углеобогащения Абашевской ЦОФ в сухом состоянии активно смешивались в грануляторе со стеклобоем и частью новокузнец-

Г^ научно-технический и производственный журнал

М  декабрь 2011

Рис. 4. Керамический кирпич формата 1 НФ на основе гранулированных шламистых железорудных отходов

Таблица 3

Состав № Средняя Предел прочности, МПа Водопоглощение, Морозостойкость,

плотность, кг/м3 при сжатии при изгибе % циклов

1 1742 24,9 3,1 12,6 >50

2 1787 19,2 2,35 13,2 >50

3 1589 15,5 3,49 14,1 >50

кого суглинка (для шихт 1—3 соответственно 10, 15 и 10 мас. %), увлажнялись до формовочной влажности и гранулировались. Для получения керамического композиционного материала ячеисто-заполненной структуры остатки сухого новокузнецкого суглинка после грануляции вводились в гранулятор и гранулы покрывались равномерным слоем глины. Характеристика полученных пресс-порошков приведена на рис. 1—3. Готовые пресс-порошки упаковывались в биг-бэги с полиэтиленовыми вкладышами для сохранения влажности и доставлялись в ООО «Бердский кирпичный завод», где осуществлялось прессование керамического кирпича полусухим способом на прессах СМ-1085Б. Отпрессованные кирпичи в количестве 4 тыс. шт. имели нормальный внешний вид без сколов и трещин перепрессовки.

Сушка и обжиг кирпича осуществлялись в туннельной печи при температуре 1000оС, обжиг проводился по 42-часовому режиму, установленному в соответствии с технологическим регламентом по выпуску кирпича на заводе.

Обожженные кирпичи желто-коричневого (из шихт 1—2) и красного (из шихты 3) цвета имели четкие грани, правильную геометрию, не имели сушильных и обжиговых трещин, вздутий и искривлений (рис. 4 а, б). Структура керамического камня была однородной мелкозернистой, при этом по поперечному сечению кирпича можно отметить изменение окраски вследствие повышенного влияния газовой среды печи на формирование керамического камня из отходов (рис. 4, в) и ячеисто-заполненную структуру керамического матричного композита (рис. 4, г). Результаты физико-механических испытаний партий кирпича, проведенных в заводской лаборатории (табл. 3), позволили сделать заключение, что керамический кирпич на основе техногенных отходов соответствует требованиям ГОСТ 530—2007 на кирпич пустотелый, рядовой, одинарный размера 1НФ. Марка по прочности изделий М150; класс средней плотности 1,4; марка по морозостойкости F50.

Для определения причин высокой морозостойкости изделий был проведен анализ пористой структуры керамического черепка, так как именно соотношение опасных (от 200 до 1 мкм) и безопасных (менее 1 мкм) пор определяет сопротивление материала попеременному замораживанию и оттаиванию.

Результаты изучения пористой структуры керамического камня на основе шламистой части отходов обогащения железных руд АОАФ, МОФ и отходов углеобогащения показали, что средний размер пор составля-

ет соответственно 0,8; 0,7 и 0,006 мкм (рис. 5). Отсутствие опасных и резервных пор в керамическом камне подтверждается данными ртутной порометрии (рис. 5) и обусловливает высокую морозостойкость керамического кирпича. Причинами образования нанопор в керамическом кирпиче на основе отходов углеобогащения

14 12 10 8 6

4 2

0 8 7 6

5 4 3 2

1 О

а

о

Я!

-•- вдавливание -А- снятие давления

п

1 1

I V»

--ЛЛ-А .Л А А--*" —

а

о

А

жие -авления

II -А- снятие д

Г

Щ 1

А 1 ^

/

/ V • •—• —•--

180 160 140 120 100 80 60 40 20 О

—вдавливание --А- снятие давления -

к—1 ГА А* ГА а* а| -ф—Ф—• —•--

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Размер пор D, нм

Рис. 5. Дифференциальное распределение объема пор по размерам в керамическом камне на основе шламистой части отходов обогащения железных руд АОАФ

(рис. 5, в) является тонкий помол и механоактивация исходного сырья, в результате чего остатки угля переходят в тонкодисперсное состояние, а также грануляция порошка, обеспечивающая плотную закрытую упаковку гранул при прессовании кирпича-сырца. Основываясь на данных по кумулятивному изменению объема пор в керамических изделиях опытно-промышленной партии, можно вычислить объем межзернового пустого пространства в керамическом камне. Для кирпича на основе шламов АОАФ, МОФ и отходов углеобогащения он составляет соответственно 25,5; 25,99 и 22,21%, что соответствует оптимальной модели структуры керамического изделия в случае закрытой упаковки гранул монофракционного состава с координационным числом 12 [7].

Высокие показатели морозостойкости опытно-промышленной партии кирпича на основе отходов, а также предела прочности при изгибе, которые на 12—60% превышают нормативные показатели, объясняются объемным армированием композиционного керамического материала. В качестве армирующего каркаса выступает спекшаяся поверхность контакта гранул, которая образует на границе раздела фаз матрицу, препятствующую развитию микротрещин, возникающих в дисперсной фазе при предельных деформациях изгиба.

Таким образом, промышленные испытания технологии производства керамических изделий ячеисто-заполненной структуры показали следующее. Основными условиями получения морозостойких керамических изделий полусухого прессования являются тонкий помол сырьевых материалов сухим способом и использование в технологии получения пресс-порошков агломерационных процессов (агрегирование и грануляция), что позволяет решить проблему неравноплотности кирпича-сырца. Благодаря реализации нового способа массопод-готовки и инновационной технологии получения пресс-порошка в заводских условиях была получена пар-

тия керамического кирпича из малопластичных неспека-ющихся отходов обогащения железных руд и углеобогащения Кузбасса морозостойкостью более 50 циклов.

Ключевые слова: сырьевые материалы, руда, углеобогащение, керамический кирпич.

Список литературы

1. Ашмарин Т.Д., Курносов В.В., Ласточкин В.Г. Энерго-и ресурсосберегающая технология керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 24-27.

2. КондратенкоВ.А., ПешковВ.Н. Проблемы кирпичного производства и способы их решения // Строительные материалы. 2002. № 3. С. 19-21.

3. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Носков А.В. и др. Новое поколение глиноперерабатывающих установок «Каскад» // Строительные материалы. 2008. № 4. С. 34.

4. ГуровН.Г. Заводы керамических стеновых материалов третьего поколения как современная база жилищного строительства в российской провинции // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 6-8.

5. Столбоушкин А.Ю., Сайбулатов С.Ж., СтороженкоГ.И. Технологическая оценка шламистой части отходов обогащения железных руд АОАФ как сырья для промышленности керамических строительных материалов // Комплексное использование минерального сырья. 1992. № 10. С. 67-72.

6. Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И. Отходы углеобогащения как сырьевая и энергетическая база заводов керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 43-46.

7. Storozhenko G., Stolboushkin A. Ceramic bricks from industrial waste // Ceramic & Sakhteman. Seasonal magazine of Ceramic & Building. Teheran, Iran. 2010 Winter. № 5. Р. 2-6.

Активатор

измельчение активацш! синтез

AKTHBaTop-2SL

100 во

J 60  1 Я

1 40

20 О

5 мин. в У

у f 11 мин.

1 10 100 диаметр частиц, мкм

Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лабораторий.

Для пробоподготовки материалов

Активатор-4М

100

во

. 60 8

1 40 #

го

У* 2 мин,

* -^ 4 1 мин.

•*

1 10 100 диаметр частиц, мкм

Для наработки небольших партий материалов

Активатор-25

Для помола материалов в ударном, сдвиговом, вихревом режимах

www.activator.ru »

Новосибирск, Софийская 18. оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 6 (383) 325-16-49 Тел; 6 913 942 Э4 81 e-mail: belyaev@activator.ru Реклам