Особенности грануляции техногенного и природного сырья для стеновой керамики

УДК 666.7:691.42

A.Ю. СТОЛБОУШКИН, канд. техн. наук, А.И. ИВАНОВ, инженер,

B.Н. ЗОРЯ, инженер

Особенности грануляции техногенного и природного сырья для стеновой керамики

Рациональное, комплексное и эффективное использование национальных природных ресурсов является одним из важнейших условий развития экономики страны. В соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. № 899 «Рациональное природопользование» входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России. Промышленность строительных материалов принадлежит к числу наиболее крупных потребителей природного сырья, топлива, энергии и других ресурсов. В связи с сокращением запасов качественных глин в технологии стеновой керамики возникла необходимость расширения сырьевой базы за счет использования минеральных промышленных отходов и нетрадиционного природного сырья.

В классической технологии керамического кирпича полусухого прессования пресс-порошки готовят сушкой сырья до формовочной влажности, грубым помолом до класса -3 мм и гомогенизацией в стержневых

смесителях. Однако производственный опыт показывает, что данный способ массоподготовки часто не обеспечивает удовлетворительной гранулометрии пресс-масс, однородности шихты по влажности и получение равноплотных прессовок кирпича-сырца. Эти технологические проблемы усугубляются при использовании техногенных отходов и низкосортного природного сырья. Большинство отходов, которые можно использовать в производстве керамического кирпича, являются уже измельченными до класса -0,3+0 мм (шламы, золы и др.). Некондиционное сырье (малопластичное, с высоким содержанием карбонатных включений) требует механоактивации, что в итоге приводит также к получению тонкодисперсных порошков. Производство пресс-порошка рационального гранулометрического состава из тонкодисперсного сухого техногенного или некондиционного природного сырья возможно за счет использования в технологии массоподготовки агломерационных процессов (агрегирование и грануляция).

Таблица 1

Наименование сырья Содержание оксидов в % на сухое вещество

бЮ2 ТЮ2 М2О3 Рв2Оэ МпО МдО СаО Ыа2О К2О ППП

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

Углистые аргиллиты (Коркино) 42,85 1,03 16,9 9,97 0,2 2,8 3,35 22,15 19,2

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

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

Опока Шевченковского месторождения 71,53 - 12,49 4,27 - 1,09 1,95 0,69 1,83 5,25

Диатомит Инзинского месторождения 86,2 - 4,35 2,22 - 0,07 0,7 0,12 0,01 6,33

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

Таблица 2

Материалы Число пластичности Пластичность по ГОСТ 9169-75

Углеотходы Абашевской ЦОФ 9,5 Умеренно пластичные

Углистые аргиллиты Коркинского месторождения 6 Малопластичные

Шлам отходов обогащения железных руд АОАФ 4,6 Малопластичные

Шлам отходов обогащения железных руд МОФ 4 Малопластичные

Опока Шевченковского месторождения 17,8 [3] Среднепластичные

Диатомит Инзинского месторождения 3,7 Малопластичные

Суглинок новокузнецкий 11,5 Умеренно пластичные

научно-технический и производственный журнал

1 Исхщнас \

шн г V — • V & ^

ИИИЁМл ЦИНИК

Таблица 3

Ж Й&Й* Як: Л -. - ; '.г

К 1 У 'V . *

Исходное: сырьё

¿щыщгищ у щШшжш. Ш штЩЦЦЦШ Шжк

.А - ' >'

исходное йирье \.'=12И), Л'-Ю 9, 1=3,6-

8 - 1 . 1  1 * : < ' > - ..  ' .."

Ь'ЦЦШ.¿Л А.! ННННЕ |М мщи мит иимчипу 1 ИННИЕ

Рис. 1. Внешний вид техногенного сырья и гранулята на его основе при различных параметрах грануляции: Vл - скорость вращения лопастей гранулятора, об/мин; W - влажность гранулята, %; t - время грануляции, мин; а - шламистая часть отходов обогащения железных руд; б - отходы углеобогащения; в - отходы обогащения углистых аргиллитов

Практический опыт показывает, что гранулированные порошки обладают большей сыпучестью, лучшей фор-муемостью и не слеживаются в бункерах [1].

Цель настоящей работы — отработка технологических режимов грануляции керамических пресс-

№ шихты Наименование компонентов шихты Содержание, мас. %

1 Шлам отходов обогащения железных руд АОАФ Суглинок новокузнецкий Стеклобой 70

20

10

2 Шлам отходов обогащения железных руд МОФ Суглинок новокузнецкий Стеклобой 60

30

10

3 Отходы углеобогащения Абашевской ЦОФ Суглинок новокузнецкий 85

15

4 Углистые аргиллиты Коркинского месторождения Суглинок новокузнецкий Стеклобой 60

30

10

5 Опока Шевченковского месторождения Глина владимировская 80

20

6 Диатомит Инзинского месторождения 100

7 Суглинок новокузнецкий 100

порошков из минеральных промышленных отходов и природного сырья для получения керамического кирпича полусухого прессования.

Химический состав наиболее распространенных природных и техногенных 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 хлоритами железистого типа и небольшим количеством смешано-слойных глинистых минералов, полевыми шпатами, кварцем, слюдой, пироксеном, амфиболами. Отходы углеобогащения Абашевской ЦОФ (г. Новокузнецк) содержат в основном кварц, полевые шпаты, карбонаты и смешанослойные глинистые минералы иллит-

б

50

40

30

20

Рис. 2. Диаграммы изменения фракционного состава гранулята на основе отходов углеобогащения (а) и отходов обогащения углистых аргиллитов (б) в зависимости от скорости вращения лопастей гранулятора

а

в

а

научно-технический и производственный журнал 1б май 2012 ЬШУЩ|С'

каолинит-монтморилонитового состава. Отходы обогащения углистых аргиллитов Коркинского месторождения (Челябинская обл.) — углистые аргиллиты содержат кварц, доломит, апатит, мусковит, каолинит. Опока Шевченковского месторождения (Ростовская обл.) содержит в основном кварц, присутствуют кристобалит, минералы группы плагиоклазов. Основным породообразующим минералом диатомита Инзинского месторождения (Ульяновская обл.) является ß-кварц, в качестве примесей присутствуют глинистые минералы — каолинит, монтмориллонит. Суглинок новокузнецкий (Кемеровская обл.) относится к глинистому сырью гидрослюдисто-монтмориллонитового типа с низким содержанием крупнозернистых включений [2].

По гранулометрическому составу 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%.

Пластичность сырьевых материалов приведена в табл. 2.

Экспериментально был установлен рациональный фракционный состав гранулированых шихт из тонкодисперсного сырья, обеспечивающий наиболее плотную упаковку гранул при прессовании. Это практически монофракционный пресс-порошок с преимущественным содержанием гранул класса 1,25—5 мм (80—90 мас. %). Остальные классы гранулированных частиц, 5—10 мм и менее 1,25 мм, содержатся в составе пресс-порошков в количествах от 10 до 20 мас.%. Для получения рационального фракционного состава каждого вида сырья необходимо подбирать скорость вращения лопастей гранулятора, варьировать время грануляции и влажность пресс-порошка. В общем виде процесс подготовки гранулированного пресс-порошка можно разделить на несколько стадий: формирование гранул; их окатывание и уплотнение; нанесение поверхностного опудривающего слоя из легкоплавкого спекающегося материала (в случае необходимости).

Формирование гранул на тарельчатом грануляторе достаточного подробно изучено и происходит следующим образом [4]. В начальный период гранулы интен-

сивно поглощают влагу поверхностным слоем. При насыщении слоя и продвижении воды внутрь гранулы, где имеются воздушные закрытые поры, происходит замедление водопоглощения и одновременное уплотнение порошка. На второй стадии уплотнение гранул достига-

Рис. 4. Внешний вид природного сырья и гранулята на его основе при различных параметрах грануляции: Цл - скорость вращения лопастей гранулятора, об/мин; W - влажность гранулята, %; t - время грануляции, мин; а - опока; б - диатомит; в - суглинок

научно-технический и производственный журнал

Таблица 4

№ шихты Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа ККК Водопоглощение, % Морозостойкость, циклов

1 1850 24,5 13,2 12,2 >50

2 1810 15,3 8,6 15,7 >50

3 1610 30,8 19,1 11,2 >50

4 1760 26,2 14,9 12,3 >50

5 2010 53,3 26,5 7,3 >50

6 1240 11 8,9 17,5 35

7 1980 61,5 31,1 9,3 >50

80

60

40

20

2,5 5

Фракция гранулята, мм

Рис. 5. Диаграммы изменения фракционного состава гранулята на основе опоки (а) и диатомита (б) в зависимости от скорости вращения лопастей гранулятора

ется в основном при ударе о неподвижный слой порошка или о стенку гранулятора. При окатывании гранул осуществляется плотная упаковка зерен, при этом избыток воды выдавливается на поверхность, обеспечивая возможность дальнейшего роста гранул. Недостатками в работе тарельчатого гранулятора для получения керамических пресс-порошков являются невозможность получения заданного гранулометрического состава и неравномерное распределение влажности в сырце вследствие образования крупных гранул (до 15 мм) большей влажности.

Процесс грануляции в турболопастном смесителе-грануляторе отличается тем, что возможно регулирование грансостава получаемого порошка за счет изменения скорости вращения лопастей. Сложное турбулентное движение материала обеспечивает активное смешивание сырья и равномерное распределение влажности во всем объеме гранулированного пресс-порошка. При помощи лопастей крупные гранулы разбиваются на более мелкие, размером до 5 мм, а уплотнение гранул достигается за счет ударов о лопасти и стенку гранулятора. Помимо динамических нагрузок при ударе уплотнению способствуют и другие силы. В момент перекатки гранулы через зерно мелкого материала происходит толчок в направлении центра гранулы [4]. В турболопастном гра-нуляторе сокращается время грануляции — то время, за которое завершается формирование гранул и дальнейшей агрегации не происходит. В работе использовался

турболопастной смеситель-гранулятор ТЛ-020 производства ООО «Дзержинсктехномаш».

Технология получения гранулированных пресс-порошков состояла в следующем. Для шихт 1—4 на основе техногенных отходов (табл. 3) основное сырье в сухом состоянии активно смешивалось в грануляторе со стеклобоем и частью новокузнецкого суглинка, увлажнялось до формовочной влажности и гранулировалось при экспериментально найденных оптимальных параметрах, затем на поверхность гранул наносился тонкий слой порошка новокузнецкого суглинка. Внешний вид гранулированных пресс-порошков на основе техногенных отходов представлен на рис. 1, результаты рассева на рис. 2, 3, а.

Опока Шевченковского месторождения в сухом состоянии активно смешивалась в грануляторе с владими-ровской глиной, увлажнялась до формовочной влажности и гранулировалась при оптимальных параметрах. Диатомит Инзинского месторождения и суглинок новокузнецкий увлажнялись до формовочной влажности и гранулировались без добавок. Внешний вид гранулята на основе природного сырья представлен на рис. 4, результаты рассева на рис. 3, б и рис. 5.

Из полученных пресс-порошков оптимального фракционного состава при формовочной влажности были отпрессованы при давлении 20 МПа лабораторные образцы-цилиндры. Результаты физико-механических свойств керамических образцов после обжига приведены в табл. 4.

б

а

научно-технический и производственный журнал Q'j'prjyfj'ijj^jlj^js "Ü май 2012 ЬШУЩ|С'

Экспериментальными исследованиями установлено, что агрегация (грануляция) тонкодисперсных пресс-порошков из техногенных отходов и нетрадиционного природного сырья является перспективным направлением в технологии керамических стеновых материалов при использовании новых высокоэффективных грану-ляторов. В турболопастных смесителях-грануляторах можно получить гранулированные пресс-массы из различных видов сырья, в том числе из неудовлетворительно комкующихся на тарельчатых грануляторах (трепелы, диатомиты, опоки).

Установлено также, что на процесс грануляции в турболопастных смесителях-грануляторах оказывают влияние скорость вращения лопастей гранулятора, влажность порошка и время грануляции. В свою очередь, влажность и время грануляции зависят от технологических свойств материала (дисперсный состав, пластичность, минеральный состав). Экспериментальные исследования показали, что недостаточная скорость вращения лопастей приводит к образованию крупных гранул диаметром свыше 10 мм, что снижает коэффициент конструктивного качества (ККК) материала. Слишком большая скорость приводит к образованию мелких гранул диаметром менее 1,2 мм, что повышает склонность к перепрессовке и, как следствие, получение дефектных полуфабриката и обожженных изделий.

Таким образом, грануляция в турболопастном смесителе тонкодисперсных техногенных отходов и нетрадиционного природного сырья позволяет получать на их основе стеновые керамические материалы с высокими физико-механическими характеристиками, которых невозможно достичь традиционными технологическими способами приготовления керамических пресс-порошков. Результаты экспериментальных исследова-

ний подтверждены опытно-промышленными испытаниями на ООО «Бердский кирпичный завод» (Новосибирская обл.) и ООО «Красный кирпич» (Красноярский край) [5].

Ключевые слова: грануляция, керамические стеновые материалы, отходы промышленности, техногенное сырье, пресс-порошок.

Список литературы

1. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. М.: Металлургия, 1983. С.16-17.

2. Столбоушкин А.Ю., Сайбулатов С.Ж., Стороженко Г.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.

3. Котляр В.Д., Братский Д.И. Вещественный состав и дообжиговые керамические свойства глинистых опок // Инженерный вестник Дона. 2010. № 4. С. 47-59.

4. Витюгин В.М., Трофимов В. А. Сравнительная оценка механических усилий в процессе прессования и окатывания тонкозернистых материалов // Известия Томского политехнического института. 1971. № 4. С. 136-138.

5. Столбоушкин А.Ю., Иванов А.И., Стороженко Г.И., Уразов С.И. Получение морозостойкого керамического кирпича полусухого прессования из промышленных отходов // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 4-7.

Г; научно-технический и производственный журнал