СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ
RAW MIXTURE FOR OBTAINING POROUS FILLER

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении пористых заполнителей.
Получение пористых заполнителей, в частности керамзитового гравия, основано на явлении вспучивания при обжиге подготовленных гранул из глинистых пород. Но этим и другими необходимыми качествами обладают не все глинистые породы. Состав большинства глин является далеко не оптимальным. От оптимального многие из них отличаются избыточным количеством кремнезема (песка), глинозема и недостатком плавней. Наиболее распространенная примесь - кварцевый песок ухудшает не только пластичность и связующую способность глин, но и их обжиговые свойства.
Изготовление заполнителей по традиционной технологии с использованием качественных глин становится достаточно дорогим и убыточным производством, поскольку с течением времени постепенно иссякают ресурсы местных кондиционных глин, что приводит к необходимости привоза сырья из отдаленных месторождений. Это, в свою очередь, увеличивает себестоимость керамзитового гравия.
Однако в ряде случаев природное глинистое сырье может быть улучшено введением различных добавок (Технология заполнителей бетона: Учебн. для строит. вузов по спец.: «Производство строительных изделий и конструкций» / С.М.Ицкович, Л.Д.Чумаков, Ю.М.Баженов. - М.: Высш. шк., 1991. - 272 с.: ил. 177-178 с). В качестве таких добавок могут быть использованы природные или искусственно приготовленные материалы.
Так, например, известен способ использования некондиционного глинистого сырья путем добавления в него стеклопорошков из специально сваренных легкоплавких стекол. Такая добавка ведет к ускоренному накоплению жидкой фазы при обжиге, опережающему активное газообразование (Технология заполнителей бетона: Учебн. для строит. вузов по спец.: «Производство строительных изделий и конструкций» / С.М.Ицкович, Л.Д.Чумаков, Ю.М.Баженов. - М.: Высш. шк., 1991. - 272 с.: ил. 177-178 с). Недостатком такого способа улучшения свойств некондиционной глины является необходимость применения специально изготовленных стекломатериалов, что экономически неэффективно. Поэтому более оправдано использование в качестве добавок к глинистому сырью отходов крупнотоннажных промышленных производств, которые способствовали бы образованию при их обжиге необходимого количества жидкой фазы в виде стекловидного расплава.
Одним из таких химических производств, отходы которого могут быть использованы при получении пористых заполнителей, является производство тротила.
При очистке тротила-сырца (Е.Ю.Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ.: Химия, 1973. - 688 с.) образуются десятки тысяч тонн сульфитного щелока, содержащего натриевые соли сульфокислот несимметричных изомеров тротила, нитрофенолов, нитрокислот, нитрита натрия, соды, бисульфата и сульфита натрия. По принятой в настоящее время технологии сульфитный щелок после предварительного упаривания до 30-40%-ной концентрации по твердому остатку направляют на сжигание, а образующуюся сульфатсодержащую золу в отвал. Под воздействием атмосферных осадков она превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что приводит к существенному ухудшению экологической обстановки.
Известны способы утилизации отходов тротилового производства - сульфитного щелока и сульфатсодержащей золы при производстве строительных материалов - пористых заполнителей.
Так, например, известна сырьевая смесь для производства пористого заполнителя, в состав которой входят глинистое сырье и отход тротилового производства - сульфитный щелок (Авт. свид. СССР №1775379, 11.11.90). Недостатком такой сырьевой смеси является затруднительность применения в ней сильно запесоченных глин, обладающих низкой связующей способностью, потому что процесс разложения сульфитного щелока при обжиге шихты приводит не к увеличению последней, а к дополнительному газовыделению. Это вызвано тем, что сульфитный щелок на 60-70% состоит из органических веществ (Е.Ю.Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ.: Химия, 1973. - 688 с.).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сырьевая смесь, состоящая из глинистого сырья и отхода тротилового производства - сульфатсодержащей золы, содержание которой в смеси достигает до 30% (Авт. свид. СССР №1775380, 11.11.90).
Недостатком этой сырьевой смеси является крайне малая эффективность применения в ней сильно запесоченного глинистого сырья. Это обусловлено незначительной интенсивностью протекания процесса взаимодействия сульфата натрия (основного компонента сульфатсодержащей золы) с кремнеземом даже при значительном повышении температуры обжига (П.Н.Григорьев., М.А.Матвеев. Растворимое стекло (получение, свойства и применение) М.: Гос. изд. лит-ры по строит. материалам, 1956. - 444 с.).
2
4
2
3
Чистый сульфат натрия (основа сульфатсодержащей золы) при нагревании разлагается по уравнению NaSO=NaO+SO при температуре около 1400°С.
2
4
2
2
3
3
В присутствии кремнезема (кварцевого песка) реакция NaSO+SiO=NaSiO+SO протекает уже при 1120°С, но в очень незначительных размерах. Дальнейшее даже значительное повышение температуры мало отражается на усилении процесса разложения сульфата натрия (П.Н.Григорьев., М.А.Матвеев. Растворимое стекло (получение, свойства и применение) М.: Гос. изд. лит-ры по строит. материалам, 1956. - 444 с). Интенсификация процесса взаимодействия сульфата натрия с кремнеземом возможна только в присутствии восстановителей - газообразных продуктов, образующихся при сжигании углеродного топлива или каких-либо других органических веществ. В связи с этим, использование отхода тротилового производства - сульфатсодержащей золы в процессе получения пористого заполнителя из сильно запесоченных глин без применения дополнительного углеродного топлива даже при очень высоких температурах обжига является малоэффективным.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в утилизации отходов тротилового производства при получении пористого заполнителя - конструкционного керамзита и его удешевлении за счет экономии природного сырья и использования некондиционных глин (низкосортных, сильно запесоченных, малопластичных, невспучивающихся или маловспучивающихся и т.п.), вскрышных пород и различных техногенных отходов (например, золошлаковых отходов металлургии и топливной энергетики).
Технический результат достигается тем, что сырьевая смесь для получения пористого заполнителя, включающая глинистое сырье и добавку, в качестве глинистого сырья содержит сильно запесоченную глину, а в качестве добавки содержит смесь отходов тротилового производства - сульфитного щелока и сульфатсодержащей золы и известняка.
В данном изобретении возможность изготовления пористого заполнителя из сильно запесоченного глинистого сырья основана на использовании его избыточного кремнезема для получения дополнительного количества жидкой фазы, способствующего переходу исходного сырья в пиропластическое состояние. В качестве жидкой фазы используется расплав натрий-кальций силикатов (стекловидный материал), получаемый за счет процесса взаимодействия продуктов термического разложения отходов тротилового производства, известняка и кремнезема.
Интенсификация процесса силикатообразования при взаимодействии сульфата натрия (основы сульфатсодержащей золы) и избыточного песка (кремнезема) в данном изобретении достигается за счет создания восстановительной среды, которая формируется при разложении органической основы сульфитных щелоков, добавляемых в исходную шихту.
2
4
2
3
Процесс силикатообразования происходит следующим образом: органические вещества, содержащиеся в сульфитном щелоке, при нагреве разлагаются и создают восстановительную среду внутри сырцовых гранул, в которой протекает реакция восстановления сульфата натрия (NaSO) до сульфита натрия (NaSO). Сульфит натрия является неустойчивым и в присутствии кремнезема превращается в силикат натрия. Параллельно этому процессу идет процесс образования силикатов кальция (Сулименко Л.М. Общая технология силикатов: Учебник. - М.: ИНФА-М, 2004. - 336 с.).
Процесс получения пористого заполнителя заключается в следующем.
После проведения анализа исходного некондиционного глинистого сырья (или вскрышных пород) и определения содержания в нем песка составляется сырьевая смесь, используемая для получения керамзитового гравия. Глинистое сырье тщательно перемешивается с необходимым количеством сульфатсодержащей золы, измельченного и специально подготовленного известняка (мела, извести или доломита) и затворяется (при перемешивании) раствором сульфитного щелока 30-40%-ной концентрации до получения массы с формовочной влажностью. Типичный химический состав сульфатсодержащей золы приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сульфатсодержащей золы - отхода тротилового производства
Компонент
Содержание компонентов, %
Сульфат натрия
76,49
Карбонат натрия
18,35
Сульфид натрия
2,19
Хлорид натрия
1,44
Углерод
1,29
Влага
0,16
Затем из полученной массы формуют сырцовые гранулы с размерами 5-10 мм, которые подсушивают на воздухе, а затем - при 100-110°С.
Вспучивание гранул заполнителя производят в печи по двухступенчатому режиму: сначала в течение 20 мин при 200-300°С, а затем в течение 10-20 мин при 800-1200°С. По окончании вспучивания гранулы выгружают и охлаждают.
В таблице 2 приведен примерный состав шихты для получения керамзитового гравия на основе отходов тротилового производства при использовании сильно запесоченного глинистого сырья, содержащего 60 и 80% песка.
Таблица 2
Компонент шихты
Содержание компонента, %
Содержание песка в глинистом сырье 60%
Содержание песка в глинистом сырье 80%
Глинистое сырье
76,0
70,5
Сульфатсодержащая зола
10,6
13,0
Сульфитный щелок (по твердому веществу)
5,6
6,8
Известняк (мел, известь, доломит)
7,8
9,7
Известняк в данной шихте может быть заменен на золошлаковые отходы металлургии и топливной энергетики.
Утилизация отходов крупнотоннажного химического производства путем их использования при получении пористого наполнителя позволит улучшить экологическую обстановку в районах производства тротила и значительно удешевить производство наполнителя за счет некондиционного местного сырья и других техногенных отходов.