Введение к работе
Актуальность проблемы. К середине XX века объём промышленных выбросов стал соизмерим с масштабами природных процессов, существенно возросло химическое и физическое загрязнение биосферы. В связи с этим была разработана и принята практически всеми странами мира «концепция устойчивого развития», которая предусматривает обеспечение достойного уровня жизни нынешнего поколения без ущерба для будущих поколений. Основой данной концепции является ресурсосберегающий подход к развитию экономики, в том числе, сбережение энергии и материалов. Перспективным источником промышленного сырья становятся техногенные отходы, образование которых, например, в России составляет около 7 млрд. тонн в год.
Существующие горно-добывающие, обогатительные и горнометаллургические производства в настоящее время имеют довольно низкий уровень использования минеральных отходов, что главным образом объясняется слабой изученностью свойств и отсутствием современных технологий их утилизации. В частности, одним из возможных направлений повторного вовлечения в промышленное производство указанных отходов является разработка технологий получения огнеупорных материалов. Наиболее актуальна эта проблема для крупных промышленных регионов, к которым относится Кузбасс, что обусловлено, во-первых, наличием предприятий металлургии, машиностроения и стекловаренной промышленности, использующих большие объемы огнеупорных изделий, во-вторых, необходимостью завоза этих материалов в большом количестве из других регионов, что отрицательно сказывается на экономических показателях предприятий, и, в-третьих, нестабильным качеством привозных огнеупоров. Известны ресурсосберегающие технологии утилизации отходов рудообогатительных фабрик, гидравлической добычи угля, отходов огнеупоров с получением строительных материалов, огнеупорных порошков, что не решает проблемы производства огнеупоров для высоко-температурных агрегатов.
Решение этой актуальной проблемы обусловило цель, задачи, структуру и содержание диссертационной работы.
Работа выполнялась по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Западно-Сибирского металлургического комбината и Сибирского государственного индустриального университета.
Объект исследования -технология промышленного производства новых безобжиговых огнеупоров из минеральных отходов.
Предмет исследования - физико-химические и минералогические свойства промышленных отходов, а также факторы и закономерности, определяющие условия, техническую, экологическую и экономическую целесообразность создания технологии производства новых безобжиговых огнеупорных материалов.
Цель работы - выявление факторов и закономерностей, определяющих возможность утилизации минеральных отходов горно-добывающей, обогатительной и горно-металлургической отраслей Кузбасса в ісхяеяерии-производ-
Идея работы состоит в создании технологии производства новых огнеупорных материалов как технического способа совместной безопасной утилизации отходов горно-добывающей, обогатительной и горно-металлургической отраслей Кузбасса, существенно снижающей антропогенное воздействие на природную окружающую среду.
Основные задачи исследования:
изучить физико-химические и минералогические свойства промышленных отходов горно-добывающих, обогатительных и горно-металлургических предприятий региона с целью возможного использования в производстве огнеупоров;
исследовать влияние различных заполнителей (серпентиновых пород, корунда, шламового корунда, кварцитов Антоновского месторождения, асбестов, шамота), являющихся промышленными отходами, на качество огнеупоров; определить принципы создания композиций и оптимальную рецептуру для последующего получения огнеупоров;
разработать рецептуру и способ получения связующего утилизацией кремнезёмистых пылевидных отходов;
исследовать влияние условий эксплуатации безобжиговых кварцитовых огнеупоров на их структуру, технологические и эксплуатационные характеристики;
разработать технологию промышленного производства безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий из минеральных отходов.
Методы исследований. Дня решения поставленных задач использовался комплекс методов: физико-химических, геолого-минералогических анализов, оптической и электронной микроскопии. Количественный структурно-минералогический анализ проведен на компьютеризированном микроскопическом комплексе; все структурно-текстурные особенности материалов и минералы сфотографированы встроенными в микроскопы фотокамерами; анализ синтезированного силиката натрия проводился согласно разработанным автором техническим условиям; химические количественные спектральные анализы выполнены на рентгенофлуоресцентном, оптическом, длиннофокусном спектрометрах; при прессовании огнеупорных изделий впервые применена им-пульсно-волновая технология. Исследования проводились в лабораторных, опытно-промышленных, промышленных условиях в соответствии с Государственными стандартами.
Научные положения, выносимые на защиту:
состав, физико-химические и минералогические свойства изученных минеральных отходов горно-добывающей, обогатительной и горнометаллургической промышленности Кузбасса позволяют использовать их для производства новых огнеупорных материалов;
основным условием создания композиции для получения огнеупоров является малое трещинообразование при протекании полиморфных превращений в процессах нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения;
оптимальная рецептура для получения огнеупоров из минеральных от-
ходов Кузбасса включает следующие компоненты: отходы обогащения кварцита Антоновского месторождения, феррохромовый шлак и силикат натрия (связующее), полученный прямым растворением кремнеземсодержащей пыли сухих газоочисток раствором едкого натра;
- полученные кварцитовые огнеупоры можно рассматривать как откры
тую неравновесную систему, в которой одновременно присутствуют различные
модификации Si02: кварц, метакристобалит, а- и р - тридимит, новообразован
ные минералы и примеси;
Научная новизна:
впервые изучены химический состав, механическая прочность, пористость, плотность, огнеупорность, минералогический состав отходов обогащения кварцитов Антоновского месторождения, серпентин-отходов обогащения маг-нетитовых руд, отходов асбестодобывающих горнообогатительных предприятий, отходов сухих газоочисток, передельных углеродистых феррохромовых шлаков, корундового шлама и боя шамотного кирпича, позволяющие обосновать возможность их использования для получения огнеупорных изделий;
разработана оптимальная рецептура для последующего получения огнеупоров из промышленных отходов, защищенная патентом РФ;
впервые исследован механизм полиморфных превращений в полученных огнеупорах при протекании процессов нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения, а также фазовое взаимодействие в системе «кремнезем-металл-шлак» рабочей зоны огнеупорного изделия;
впервые разработаны научно-обоснованные технологии производства безобжиговых кварцитових огнеупорных изделий и силиката натрия из промышленных минеральных отходов.
Личный вклад автора. Формулирование цели и задач исследований, выбор экспериментальных методов их выполнения, проведение лабораторных, опытно-промышленных, промышленных исследовании, обработка результатов, их обобщение и анализ.
Практическая значимость работы:
разработана и внедрена в промышленное производство экономически эффективная, экологически безопасная и малооперационная технология производства широкого ассортимента крупноблочных и мелкоштучных безобжиго-вых кварцитовых огнеупоров на базе промышленных отходов горнообогатительных и горнометаллургических производств Кузбасса;
разработана и внедрена в производство технология получения связующего компонента безобжиговых кварцитовых огнеупоров с использованием кремнеземистых пылевых отходов Кузнецкого ферросплавного завода.
Реализация результатов исследования. Разработана технология производства безобжиговых огнеупорных изделий из КАМ с использованием в качестве связующего силиката натрия, синтезированного безавтоклавным способом при взаимодействии кремнезёмистых пылевых отходов производства ферросилиция и раствора едкого натра. Разработано технологическое задание на проектирование цеха, выполнен проект, на ЗСМК строится цех кварцитовых огнеупоров. Технология освоена на опытно-промышленном участке цеха кварцито-
вых огнеупоров ЗСМК. По этой технологии изготовлены партии огнеупорных изделий, которые использованы в производстве при ремонте футеровки на ЗСМК, НКМК, Кузнецком заводе ферросплавов (КЗФ), заводе «Анжеромаш».
Результаты работы реализованы в четырёх технологических инструкциях на производство, технических условиях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-техническом совещании «Чёрная металлургия Кузбасса: пути преодоления кризиса» (Новокузнецк, 1998); на международном симпозиуме «Работа бетонов в экстремальных условиях» (Норвегия, Тромсе, 1998); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк, 1998); на Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы» (Новокузнецк, 1998); на П научно-практическом семинаре «Опыт предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 1999), на IV, V научно-практическом семинаре «Опыт работы муниципалитетов и предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 2000,2001,2002).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 14 научных публикациях, в том числе -1 патенте.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы (176 наименований), 4 приложений, содержит 219 печатных страниц, в том числе 47 рисунков, 68 таблиц.
