Переработка отходов горнодобывающей промышленности

__________________________ © Л.И. Худякова, О.В. Войлошников,

2009

Л.И. Худякова, О.В. Войлошников ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ

ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Я а территории нашей страны скопилось огромное количество отходов горнодобывающей промышленности. Поэтому особенно остро стоит задача комплексного использования недр и минерального сырья при разработке месторождений полезных ископаемых.

Горнохимическое сырье представлено рудами с многообразием свойств и составов, что дает возможность использования их в различных отраслях промышленности. Исходя из этого, возникает необходимость создания мало- и безотходного производства, предусматривающего использование техногенного сырья. Рассмотрим данную проблему на примере месторождений Северо-Байкальской рудной зоны.

Одним из месторождений данной зоны является Йоко-Довыренский массив, в пределах которого обнаружены признаки развития платинометального оруденения. Важнейшей особенностью массива является совмещение в нем сульфидного платиноид-но-медно-никелевого оруденения в приподошвенной части и платинометального малосульфидного в верхней части. Для него были подсчитаны запасы трех компонентов: меди - 51,01 тыс. т, никеля -147 тыс. т, кобальта - 9,47 тыс. т [1]. Подобно всем месторождениям руд горно-химического сырья, характеризующимся сложным минеральным составом, при освоении данного месторождения будут выделяться именно эти компоненты. А основная масса руды, содержащая значительное количество других минералов, будет отправляться в отходы.

При разработке этого месторождения открытым способом предполагается большой объем вскрышных работ с получением

*Работа выполнена по гранту СО РАН “Экспедиционные исследования”.

огромных масс магнийсиликатных пород в отвалах карьера. Поэтому возникают благоприятные факторы для комплексного подхода в использовании продуктов, в том числе магнийсиликатных пород - верлитов для получения строительных материалов, т.к. данная отрасль является одной из основных по использованию отходов горнодобывающей и перерабатывающей промышленности.

В связи с этим проведены исследования по получению композиционных вяжущих материалов с использованием верлитов. В качестве сырьевых компонентов использовали портландцементный клинкер Тимлюйского цементного завода, гипс Нукутского гипсового карьера и верлит Йоко-Довыренского массива со следующим содержанием основных оксидов, масс. %: SiO2 - 39,70; А1203 -1,80; MgO - 43,83; СаО - 0,81; Fe2Oз - 0,42; FeO - 10,70; R2O - 0,19.

Верлит - разновидность перидотита - представляет собой ультраосновную породу, состоящую из минералов группы оливина: оливина (Mg,Fe)2[SiO4], фаялита Fe2[SiO4], форстерита Mg2[SiO4] и моноклинного пироксена (диаллага или диопсида) CaMg[Si2O6].

Предполагалось использование верлита в качестве минеральной добавки при производстве смешанного цемента. Было исследовано влияние следующих технологических факторов на свойства данного цемента: количество вводимой в смесь минеральной добавки - верлита, дисперсность полученного порошка, вид условий твердения.

Для изучения вышеперечисленных зависимостей были приготовлены смеси портландцементного клинкера с добавкой верлита в количестве 20-40%. После этого добавляли двуводный гипс - 3% от массы смеси. Затем измельчали до величины удельной поверхности от 2400 до 5900 см2/г. Смесь затворяли водой при водотвердом соотношении 0,3 и формовали образцы из раствора нормальной густоты, контролируемой прибором Вика. Часть образцов твердела в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 суток. Часть образцов подвергали тепловлажностной обработке путем пропаривания в лабораторной пропарочной камере с автоматической регуляцией температуры. Режим твердения характеризуется следующими параметрами: подъем температуры до 100 оС - 1 час; изотермический прогрев в парах кипящей воды - 5 часов; остывание рас-формованных образцов - 2 часа.

Образцы испытывали на сжатие. Физико-механические свойства определялись по известным методикам на стандартном оборудовании.

При изучении физико-химических и структурных взаимодействий верлита с цементным клинкером использован комплексный метод, включающий в себя химический, дифференциальный термический, рентгенофазовый анализы. При этом определялись следующие характеристики вяжущего вещества: фазовый состав, процессы гидратации и твердения в нормально-влажностных условиях.

Рентгенофазовый анализ проводился на порошковом автоматическом дифрактометре D8 Advance фирмы Brukeraks с соответствующим программным обеспечением со скоростью угломера 2о в минуту в интервале от 4 до 30 оС. Режим съемки рентгенограмм для всех проб оставался постоянным. Расшифровка производилась по справочным данным.

Дифференциальный термический и термогравиметрический анализы проводились на дериватографе ОД-103 фирмы “МОМ” (Венгрия) в интервале температур от 20 до 1000 оС со скоростью подъема 10оС в минуту, эталонное вещество - оксид алюминия; состояние исследуемого вещества - порошок; навеска исследуемого и эталонного вещества - 200 мг. Условия эксперимента для всех проб оставались постоянными.

В наших исследованиях механоактивация изучалась с позиции влияния ее на кинетику гидратации и твердения вяжущих веществ. Цель работы в этом направлении - исследование влияния механоактивации на дисперсность, структуру и физико-механические свойства вяжущих веществ с использованием верлитов.

Как наиболее эффективный способ механоактивации вяжущих веществ на основании литературных данных выбрано измельчение в стержневой мельнице типа 75Т-ДрМ, т.е. ударно-вибрационная активация. Ее преимущества: большая скорость измельчения породы; возможность образования прочных структурных связей измельчаемых минералов; повышение качества полученных вяжущих веществ комбинированным способом обработки материалов. При этом измельчаемая композиция остается в активном состоянии. В наших исследованиях активность вяжущего определялась прочностью при сжатии образцов в зависимости от величиной удельной поверхности

Влияние величины удельной поверхности

Тип измельчителя Вид вяжущего ^уд , см2/г Средняя плот- ность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Изменение прочности в сравнении с контрольным образцом, %

Вяжущее 2800 2230 54,2 +3,8

с добав- 3400 2246 61,0 +7,8

Стержневая кой вер- 4500 2250 65,4 +1,9

вибрацион- лита 5600 2254 58,8 +2,3

ная мельни- Контроль 2800 2216 52,2

ца типа 75Т- ный об- 3400 2226 56,6

ДрМ разец 4500 2229 64,2

5600 2232 57,5

70-,

ГО С

Ъ

Ё. 50С .0 к

о о

* 40-

о с

3020---------1-------1-------1-------1------1-------1-------1-------1

2000 3000 4000 5000 6000

ву,, см2/г

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии образцов вяжущего с добавкой верлита от величины удельной поверхности при хранении в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях: добавка верлита, масс. %: 1 - 0; 2

- 20; 3 - 30; 4 - 40

сырьевой смеси. Влияние удельной поверхности вяжущего на его прочностные характеристики приведено в таблице и на рис. 1.

Как видно из приведенных данных, наибольшую прочность имеют образцы, измельченные до величины удельной поверхности 4500 см2/г. Но для достижения данной удельной поверхности необходимы большие затраты электроэнергии, поэтому оптимальной принимаем величину удельной поверхности сырьевой смеси, рав-

4

ную 3400 см2/г. Тем более, что в производственных условиях при измельчении материалов руководствуются следующим положением: ограничиваться такой степенью измельчения, которая вызывается действительной необходимостью.

С увеличением удельной поверхности значение предела прочности при сжатии образцов падает. Это объясняется появлением сверхтонких фракций, которые приводят к агломерации частиц и снижают прочностные свойства материала. К тому же, увеличение продолжительности помола, согласно гипотезе Рит-тенгера, что “работа, затрачиваемая на измельчение материала, пропорциональна величине вновь образованной поверхности”, приводит к перерасходу электроэнергии и к увеличению содержания примесей железа в вяжущем, что связано с износом мелющих тел и футеровки мельницы.

Также было необходимо определить оптимальное процентное соотношение между портландцементным клинкером и верлитом в вяжущем веществе. Как видно из рисунка 1 наилучшие прочностные показатели имеют образцы состава 30% верлита и 70% порт-ландцементного клинкера, при этом прочность при сжатии образцов составляет 61 МПа при величине удельной поверхности 3400 см2/г.

Для изучения процессов гидратации и твердения цементного камня с добавкой верлита были выполнены рентгенофазовый и дифференциально-термический анализы. По результатам РФА (рис. 2) в спектре композиции присутствуют линии с характерными дифракционными максимумами ^п (А): двухкальциевого гидросиликата типа C2SH(B), C2SH(A) (2,62), гидроксида кальция Са(ОН)2 (4,91), водных силикатов магния волокнистой структуры: пара-сепиолита и Р-сепиолита Mg3[OH2]3{SІ4Oп}'H2O (5,00; 3,72; 3,35), хризотила Mg3[OH]4{SІ2O5} (4,91), рефлексы минералов верлита -оливина (М^е^Ю4 (2,51; 2,46; 2,26), форстерита Mg2SiO4 (5,11). Кроме того, отмечены реплики непрореагировавшего исходного минерала портландцементного клинкера и верлита - шаннонита Р-Ca2SiO4 (2,77).

10

20

2-ТИе1а

Рис. 2. Рентгенограмма цементного камня с добавкой верлита

- Scale

Таким образом, по результатам рентгенофазового анализа продуктами гидратации композиции “портландцемент - верлит” при за-творении водой являются гидросиликаты кальция и серпентинизиро-ванные магниевые силикаты волокнистой структуры.

Наличие гидросиликатов магния подтверждается и результатами дифференциально-термического анализа. Экзотермические эффекты при 810оС и 920оС свидетельствуют о деструкции гидросиликатов магния и образовании ортосиликата магния Mg2SiO4.

Из проведенных исследований видно, что верлит можно использовать в качестве минеральной добавкой при производстве смешанного цемента. При этом оптимальный состав вяжущего составляет 70% по массе портландцементного клинкера, 30% верлита и 3% гипса от смеси верлита с клинкером. Рациональным является помол сырьевой смеси до величины удельной поверхности Sуд = 3400 см2/г. В результате гидратации вяжущего на основе магний-силикатной породы - верлита образуются гидросиликаты кальция, серпентинизированные магниевые силикаты волокнистой структуры, способствующие прорастанию и скреплению зерен минералов верлита и портландцементного клинкера в прочный цементирующий камень.

Таким образом, отходы горнодобывающей промышленности, в частности, магнийсиликатные породы можно использовать в производстве смешанного цемента, что позволит снизить себестоимость получаемой продукции, а также улучшить экологическую обстановку за счет использования отвальных пород, находящихся в хвостохранилищах.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кислое Е.В. Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1998.-268 с.ЕШ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Худякова Л.И. - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории химии и технологии природного сырья,

Войлошников О.В. - ведущий инженер лаборатории химии и технологии природного сырья,

Байкальский институт природопользования СО РАН, т. (3012) 433676