Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние вопроса использования местного глинистого сырья и техногенных продуктов обогатительных фабрик при произ водстве стеновых материалов 8
1.1 Организационные, экономические и экологические проблемы утилизации отходов углеобогащения 10
1.2 Использование отходов углеобогащения при получении керамических материалов 13
1.3 Использование отходов обогащения железных руд в производстве строительных материалов 17
1.4 Применение добавок в технологии стеновой керамики 23
1.5 Анализ проблемы и постановка задач исследований 25
Глава 2 Методы исследования и изучения сырьевых материалов 28
2.1 Структурно- методологическая схема исследований 28
2.2 Методы исследования 30
2.3 Отходы обогащения угля 35
2.4 Глинистые породы 44
2.5 Состав и свойства корректирующих добавок 50
2.6 Технологические свойства сырья 55
Выводы по второй главе 57
Глава 3 Оптимизация составов шихт и основных технологических параметров 59
3.1 Изучение воздействия различных способов обработки отходов углеобогащения 59
3.2 Определение рациональных составов шихт 68
3.3 Исследование оптимальных значений давления прессования и влажности пресс-порошка по компрессионным кривым 71
3.4 Рациональный режим обжига керамических изделий 78
3.5 Влияние корректирующих добавок 85
3.6 Математическая оптимизация составов шихт и главных технологических параметров с применением рационального планирования эксперимента 91
3.7 Исследование обожженных образцов 99
Выводы по третьей главе 101
Глава 4 Опытно-заводские испытания технологии производства керамического кирпича 103
4.1 Технология получения опытной партии керамического кирпича 103
4.2 Технологический процесс и параметры производства 103
4.3 Разработка технологического регламента на производства 106
4.4 Результаты производственных испытаний 110
4.5 Разработка отделения подготовки корректирующих добавок 111
4.6 Технико-экономические показатели производства керамического кирпича -. 116
Выводы по четвертой главе 120
Основные выводы 122
Список использованных источников 123
Список приложений
- Организационные, экономические и экологические проблемы утилизации отходов углеобогащения
- Структурно- методологическая схема исследований
- Исследование оптимальных значений давления прессования и влажности пресс-порошка по компрессионным кривым
- Технология получения опытной партии керамического кирпича
Введение к работе
Актуальность. Накопление запасов техногенных продуктов производства при уменьшении запасов качественного природного сырья, делает актуальной проблему утилизации отходов, особенно в индустриальных районах. В Кузбассе сосредоточены горнодобывающая, металлургическая и другие отрасли промышленности.
Одним из путей решения этой проблемы является использование производственных отходов и попутных продуктов в промышленности строительных материалов. В частности, в производстве изделий стеновой керамики в качестве техногенного сырья применяются золы ТЭС, отходы обогащения и др.
Ежегодный объем образующихся отходов углеобогащения в горнодобывающей и обогащающей промышленности РФ составляет более 13 млн. т., часть из которых используется в строительстве, а остальная часть складируется в отвалы. На территории г. Новокузнецка работает 3 обогатительных фабрики, на которых образуется ежегодно около 1 млн. т. отходов углеобогащения, целенаправленная технологическая реализация которых снизит дефицит сырья и стоимость строительных материалов, в частности в Кузбассе.
Одним из реальных и экономически выгодных направлений использования отходов углеобогащения является получение на их основе керамических изделий с высокими эксплуатационными свойствами, удовлетворяющими требования ГОСТ на соответствующие виды изделий. Решение задачи предварительной подготовки отходов углеобогащения в виде механического тонкого измельчения и термообработки и разработки параметров получения керамических изделий на их основе является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР НГАСУ на 2005 - 2008 г. № 7.1.2 раздел «Стеновые керамические материалы на основе отходов углеобогащения и корректирующих добавок».
Научная новизна работы. х
Предварительная механическая обработка измельчением алевролитсо-держащих отходов обогащения угля, относящихся к пылеватым суглинкам, повышает их пластичность на 20-25 % (число пластичности с 9,2 до 11,5), что способствует увеличению прочности керамического черепка на 20-25 % до 8 МПа за счет изменения структуры глинистых минералов.
Снижение свободного углерода в отходах углеобогащения путем термообработки при температуре 500-600 С с 14 до 3,5-4 % приводит к 10-12 %-ному повышению плотности отформованного изделия, росту прочности кирпича на 40-45 % и обеспечивает получение марки Ml00.
Введение в состав шихты на основе отходов углеобогащения железосодержащих техногенных продуктов в количестве 3-5 % (в пересчете на Fe203) способствует повышению прочности обожженных керамических образцов с 12 до 20 МПа за счет активного спекания керамических масс.
Практическая значимость и результаты работы.
Предложены методы предварительной обработки отходов углеобогащения для улучшения технологических свойств и снижения содержания свободного углерода в их составе.
Установлен оптимальный гранулометрический состав керамической шихты на основе отходов углеобогащения, ее влажность и параметры прессования.
Подобраны оптимальные составы керамических шихт на основе отходов углеобогащения и суглинка с добавкой железосодержащих техногенных продуктов - отходов метизного производства, шламовой части отходов обогащения железной руды.
Разработан и утвержден технологический регламент для производства кирпича на основе отходов углеобогащения для кирпичных заводов, работающих по технологии полусухого прессования с использованием механической и термической обработок исходного сырья.
Проведены заводские испытания в цехе по производству кирпича ЗАО «Новокузнецкремстрой-Н» (г. Новокузнецк) Получен керамический кирпич марки 125.
Результаты работы используются в учебном процессе НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск) и СибГИУ (г. Новокузнецк) по дисциплинам «Технология стеновых материалов и изделий» и «Технология стеновой керамики».
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2327668 от 27.06.2008 «Сырьевая смесь для получения керамических изделий».
Автор защищает:
результаты предварительной механической и термической обработок отходов обогащения угля для производства керамического' кирпича с высокими эксплуатационными свойствами;
составы керамических шихт для производства кирпича на основе активированных отходов углеобогащения, с корректирующими добавками;
результаты исследований обожженных керамических изделий;
технологию получения керамического кирпича на основе отходов обогащения угля с корректирующими добавками.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы строительной отрасли» (НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2006-2008) и «Наука и молодежь на рубеже тысячелетий» (СибГИУ, Новокузнецк, 2005-2008), научно-практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения» (Кемерово, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса И' строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ, Омск, 2007), шестой региональной научно-практической конференции Интеллектуальные ресурсы ХТИ - Фи-
\
лиала СФУ - Хакасии-2007 (наука, техника, образование) (Абакан, 2007) и второй международной научно-практической конференции «Управление отходами — основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2008).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 9 научных статьях, в т.ч. в журнале, входящем в перечень ВАК, получен патент на изобретение № 2327668 от 27.06.2008 «Сырьевая смесь для получения керамических изделий».
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы, включающего 104 наименований, 7 приложений и содержит 123 страницы основного текста, 40 таблиц и 41 рисунок.
Организационные, экономические и экологические проблемы утилизации отходов углеобогащения
На территории Российской Федерации, накоплено в принадлежащих предприятиям хранилищах, накопителях, складах, терриконниках, полигонах и других объектах более 1500 млн. тонн отходов производства и потребления [8, 9].
Накопление значительных масс твердых отходов во многих отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем технологии переработки соответствующего сырья и недостаточностью его комплексного использования.
К техногенным отходам промышленности по.ГОСТ 25916-83относятся остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. В более общем плане к техногенным отходам промышленности относится вся сумма- твердых, газообразных и жидких отходов, образующихся в процессе производства конечного продукта данного предприятия [10].
По имеющимся данным, в отвалах и шламохранилищах накоплены десятки миллиардов тонн различных пород, более 1,2 млрд. тонн золошлако-вых отходов теплоэлектростанций, 580 млн. тонн металлургических шлаков, 350 млн. тонн галита, 200 млн. тонн фосфогипса и значительные количества других материалов. Наряду с этим уровень оперативной утилизации отходові является низким: в хозяйственный оборот вовлекается только пятая часть шламов цветной металлургии, 12 % золошлаковых отходов и фосфогипса, менее 4 % отходов углеобогащения, что увеличивает количество складируемых отходов [11-14]. ,
Значительным источником вторичных ресурсов является горнодобывающая и горно-перерабатывающая отрасли промышленности, в отвалах которых находится более 200 млн. тон№ отходов углеобогащения, являющихся по своим свойствам важным компонентом сырьевых смесей для получения керамическиххтроительных материалов с улучшенными свойствами.
Основным показателем, определяющим область и способ применения углеотходов является содержание в них углерода. Высокоуглеродистые отходы применяются в качестве добавки (10-15 %) в шихту на кирпичных за-водах. Для производства кирпича только из» отходов без каких-либо добавок другого сырья могут использоваться средне- и низкоуглеродитые отходы. Наибольшее количество угля (10-30 %) содержится в отходах флотации, наименьшее (4-7 %) в отходах фракций 20-150 мм.
Отходы от переработки угля по содержаникууглерода- можно разделить на две группы. Углеотходы с содержанием углерода более 24 % рационально дополнительно обогащать или применять как топливо. Вторая часть отходов содержит углерода до 24 % и может использоваться в строительстве, черной» металлургии, СЄЛЬСКОМЇ хозяйстве (рисунок 1.1).
Направления использования отходов .углеобогащения в промышленности строительных материалов1 многообразны, однако объемы их практического применения невелики.
Использование отходов углеобогащения дает возможность производить бетонные, керамические строительные материалы, вяжущие вещества с улучшенными техническими свойствами. Рисунок 1.1— Использование отходов углеобогащения 1 — энергетическое использование (сжигание, газификация); 2 - механическое обогащение; 3 — материал для получения щебня; 4 — материал (в смеси с вяжущим) для верхних и нижних дорожных оснований; 5 - заменитель грунта при сооружении дамб, фундаментов; 6 - закладка подземных выработок, выравнивание рельефа; 7 - керамические материалы; 8 - заполнитель для бетона; 9 - вяжущие; 10 - камнелитые изделия; 11 — концентраты редких рассеянных металлов; 12 - кремнеалюминиевые сплавы и ферросплавы; 13 - материалы на основе карбида кремния; 14 - глинозем и другие кислородные соединения алюминия; 15 — нейтрализация кислых почв; 16 — носители микроэлементов- и серы в удобрениях; 17 — улучшение структуры почв
Полезное использование отходов углеобогащения в России составляет менее 4%. Поэтому требуется комплексный подход к решению проблемы увеличения применения отходов углеобогащения, а именно такие теоретические, проектные и практические разработки и предложения, которые позволяют максимально использовать твердые отходы каждого предприятия.
Структурно- методологическая схема исследований
Объектом исследований для получения керамических стеновых материалов было выбрано природное и техногенное сырье Кемеровской области.
В работе были исследованы представительные пробы отходов углеобогащения обогатительных фабрик г. Новокузнецка, отходов обогащения железной- руды Абагурской обогатительной агломерационной фабрики (г.Новокузнецк), глинистые породы месторождений Кемеровской области (Приложение 1).
Значительное количество техногенных продуктов находится на территории Сибирского региона. В настоящее время только в Кемеровской области работает более 100 угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий, образующих 40-45 млн.т. отходов ежегодно. На территории области находится несколько террикоников, хранящих сотни тысяч тонн отходов.
При подборе оптимального состава шихты осуществлялось изучение различных железосодержащих корректирующих добавок: отхода метизного производства (г. Новокузнецк, ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат») и шламовой части отходов обогащения железных руд (г. Новокузнецк, ОАО «Абагурская обогатительная агломерационная фабрика»).
Для проведения комплекса поисковых, исследовательских и практических работ по созданию технологии производства керамического кирпича из отходов обогащения угля была разработана структурно-методологическая схема исследований, отражающая логическую последовательность проведения работ, начиная с анализа проблемы, ее решения и заканчивая практическим внедрением результатов (рисунок 2.1).
Научно-практические исследования проводились поэтапно. Были изучены свойства сырьевых материалов, выбранных в качестве объектов иссле-дования: отходов углеобогащения, отходов метизного производства, отходов обогащения железной руды, суглинков (Приложение 1).
На следующем этапе изучалось влияние на свойства керамических образцов корректирующих добавок, оформление заявки на патент и технологического регламента на сырьевую смесь для керамических изделий.
На заключительном этапе проводились производственные испытания и исследования образцов опытной партии из подобранной керамической шихты. В процессе исследований применялись как Гостовские, так и авторские методики исследования.
При постановке экспериментальной части работы использованы стандартные методики исследования глинистого сырья и стеновых керамических материалов [60-62]. Для изучения вещественного состава, фазовых и структурных превращений в процессе обжига сырьевых компонентов шихты был использован комплекс методов исследований, включающий дифрактомет-рию, дериватографию, петрографию и другие анализы.
Образцы для исследований физико-механических свойств изготовлены методом полусухого прессования в виде цилиндров диаметром 50 мм и высотой 45...55 мм.
Термический анализ сырьевых материалов, выполнен на дериватогра-фе Q — 1500 системы Ф. Паулик - И. Паулик — Л. Эрдей, с интервалом съемки, от 20 до 1000 С. С помощью самописца термоустановки, записаны простая (Т), дифференциальная кривая нагревания (ДТА), простая интегральную (ТГ) и дифференциальная (ДТГ) кривые потери массы [63, 64].
Рентгенофазовый анализ исходных материалов, выполненный на ди-фрактометре ДРОН-3 при Си-излучении с Ni — фильтром при напряжении на трубке 40 кВт и тока 20 мА. Межплоскостные расстояния определены по значениям углов из таблиц межплоскостных расстояний [65], минералогический состав интерпретирован по работам В.А.Франк—Каменецкого, В.И.Михеева и др. [66-70].
Качественная и количественная характеристики глинистых минералов, найденные методом адсорбционно-люминесцентного анализа с использованием органических красителей и люминофоров [71, 72].
Петрографические исследования проведены с помощью микроскопов МИН-8 и JENAVAL30 G0020 при использовании прозрачных шлифов, аншлифов и иммерсионных препаратов, приготовленных по общепринятым методикам [73, 74].
Микроструктура стеновых керамических материалов изучена также на электронных микроскопах УМВ-100К и РЭМ-100У при ускоряющем напряжении 30 кВ. На свежий скол образца наносили электропроводящий слой с целью удаления электростатического поля, который облучали тон-косфокусированным электронным пучком для получения изображения поверхности объекта.
Химический состав отходов углеобогащения, глинистых пород и добавок определялся валовым и рациональным химическим анализами. Анализ выполнялся в лаборатории ОАО «Западно-Сибирский испытательный центр» (г. Новокузнецк).
Технологические свойства сырья определялись согласно ГОСТ 21216-93 «Сырье глинистое. Методы исследований» и «Методическим указаниям на проведение испытаний глинистого сырья для производства кирпича, пустотелых камней и дренажных труб» ВНИИстрома.
Исследование оптимальных значений давления прессования и влажности пресс-порошка по компрессионным кривым
Получение высококачественных керамических стеновых материалов обусловлено рациональным подбором основных технологических параметров производства для каждого конкретного вида сырья. В настоящей главе приведены результаты исследований- процессов прессования и обжига изделий из оптимизированных составов керамических шихт на основе отходов углеобогащения и корректирующих добавок. Принимая во внимание низкую чувствительность отходов к сушке, а также относительно небольшую влажность прессованного сырца, процесс сушки был проведен по стандартной схеме и контролировался по. отсутствию сушильных трещин на поверхности изделий.
Процесс изготовления прессованного полуфабриката является одним из наиболее ответственных технологических переделов в производстве керамических стеновых изделий методом полусухого прессования: На качество прессовкиї большое влияние оказывают режим и способ прессования, источник создания; прессующего; усилия; технологические параметры пресс-порошка и другие факторы.
Несмотря на разнообразие керамических пресс-порошков с их состав: характеризуется общей особенностью, имеющей первостепенное значение в технологии прессования. Порошки представляют собой трехфазную систему, состоящую из твердой минеральной. части, жидкой фазы и воздуха.
Для получения высокоплотного спрессованного полуфабриката прикладываемое давление должно обеспечивать полное устранение расположенных между частицами свободных промежутков за счет пластической деформации частиц [86].
Начало прессования керамического порошка сопровождается- его уплотнением за счет смещения? частиц и частичного удаления воздуха из системы : С ростом компрессии происходит пластическая необратимая.деформация- частиц, после чего наступает их упругая деформация. Последняя стадия уплотнения характеризуется хрупким разрушением частиц и требует развития очень большого давления, которое при полусухом прессовании большинства керамических изделий практически! не достигается.
После снятия прессующего давления и-освобождения?из формы происходит упругое расширение прессовки, имеющее отрицательные последствия для технологии прессования керамических изделий: Повышается1 пористость прессовок, следовательно; значительная часть работы, затраченной на прессование, расходуется бесполезно. Упругое расширение, протекающее преимущественно в одномнаправлении, непосредственно связано с явлением перепрессовки;или расслаивания, т.е.. с основным и трудноустра-няемым видом брака при прессовании..Также оно является одной из основных причин внутренних напряжений в прессовках, анизотропии.их структуры и свойств[87] Избежать недостаточную? компрессию, как и перепрессовку керамических порошков можно-только: при рациональном; соотношении давления прессования и влажности5 пресс—массы; Приг повышении, давления прессования с переходом,в; области давлений; где упругие деформации становятся преобладающими возможно снижение прочности как полуфабриката; так и обожженных изделий, несмотря на то, чтошлотность продолжает несколько возрастать или стабилизируется..
С увеличением влажности возрастают интенсивность и величина осадки порошков при относительно низких давлениях прессования, однако избыточная влажность приводит к снижению плотности по сравнению с тем максимумом, который может быть достигнут при данном давлении. Кроме того, избыток жидкости приводит к появлению существенной воздушной усадки при сушке.
Очевидно, что для каждого вида керамического сырья существуют вполне определенные области значений влажности пресс-порошка и давления прессования, при которых можно получить бездефектный сырец с плотной структурой, имеющий экстремальные значения механических свойств.
На практике определение указанных параметров осуществляют обычно эмпирическим путем, выявляя наилучшие результаты. Недостаток такого, метода подбора заключается в большом объеме экспериментальной части исследований.
Сконструированная установка (рисунок 2.3) позволила также опреде- лить оптимальных значений давления прессования и влажности пресс-порошка, основанной на фиксации прироста его деформации при сжатии, проведены исследования керамических масс из отходов коэффициент сжатия материала (Ксж) нашедший широкое практическое применение и выражающий отношение объема засыпки исходного порошка до прессования к объему полученной.прессовки, Н + АН Ксж = — (3.1) где Н— высота прессовки (мм); АН— осадка пресс-порошка (мм): Коэффициент сжатия применяют для сравнения результатов приложения различных давлений и режимов прессования к одному и тому же порошку, а также для построения некоторых уравнений прессования.
Технология получения опытной партии керамического кирпича
В цехе переработки отходов углеобогащения (рисунок 4.1) порода, образующаяся после обогащения горной массы в отсадочных машинах ОМ - 12 и ОМ - 18, поступает на сборный конвейер, а затем ее подвергают грохочению по классу 25 мм на грохоте ГИСЛ - 62.
Породу класса более 25 мм подают в бункера, где она вылеживается 3 -6 часов, а затем системой ленточных конвейеров, расположенных в обогреваемых галереях, направляют на переработку. Из промежуточного бункера породу качающимися питателями дозируют в щековые дробилки (СМД -108), которые обеспечивают дробление до крупности менее 30 мм, а затем из трех расходных бункеров весовыми дозаторами направляют в молотковую мельницу (ММТ - 1500/2510/740) с инерционным сепаратором, где ее измельчают до крупности менее 1мм. Гранулометрический состав порошка после измельчения приведен в таблице 4.1.
Гранулометрический состав регулируют разрежением в сепараторе. Непосредственно в молотковую мельницу подают горячий воздух из зоны охлаждения печи (с температурой 160 - 200 С), что обеспечивает стабильную работу мельницы и влажность получаемого порошка не более 2 %. На I стадии дробления в щековых дробилках отмечено некоторое перераспределение основных компонентов породы по классам крупности. Карбонаты кальция и магния концентрируются в более крупном классе (более 20 мм), где их содержание в 1,5 - 2,3 раза выше, чем в мелком (менее 10 мм)..Однако на последующей стадии измельчения это различие нивелируется, и состав породы становится, практически, однороден.
Можно отметить лишь некоторое обогащение крупных частиц породы (более 0,5 мм) соединениями железа. Измельченный породный порошок из молотковой мельницы удаляют газовоздушным» потоком и улавливают в пы-леосадительной системе, которая включает в себя последовательно установленные прямоточный циклон и группу из шести батарейных циклонов, а затем пневмовантовыми насосами направляют в расходные бункера. Транспортирующий газовоздушный поток после II ступени пылеосадительной системы проходит мокрую пылеочистку и удаляется в атмосферу.
Из бункеров винтовыми питателями, оборудованными вибраторами принудительной разгрузки, породный порошок направляют в двухвальный смеситель, а затем - в стержневой смеситель. В двухвальный смеситель подают воду для увлажнения массы до 6 - 8 %. В стержневом смесителе происходит усреднение массы, ее уплотнение и частичное гранулирование под действием стержневой загрузки.
Гранулометрический состав пресс-порошка после стержневого смесителя существенно отличается от дисперсности породного порошка, полученного после измельчения в молотковой мельнице (таблица 4.2).
Таким образом, обеспечивается равноплотность сырца на стадии прессования порошка. Готовый пресс-порошок ленточным конвейером подают в мешалку - питатель (СМК - 282), применение которой позволяет свести к минимуму дифференцирование пресс-порошка по крупности при засыпке его в пресс-форму. Прессование кирпича производят на прессах СМ - 1085А, оборудованных пресс-формами конструкции ВНИИСТРОМ и обеспечивающих одновременное формирование четырех семнадцатипустотных кирпичей нормального формата с пустотностью 12,7 % [97, 98].
Сырец укладывают на печные вагонетки (1940 х 2210 мм). Принятый тип садки - однопакетная, нижний ряд - на «ложок», остальные восемнадцать рядов - на «постель», вместимость одной вагонетки 1188 кирпичей.
Термическую обработку кирпича производят в туннельной печи - сушилке длиной 129 м. Теплоносителем в сушилке служат отходящие газы, отбираемые из печи. Развитая система рециркуляции теплоносителя позволяет за 12 - 14 ча сов довести влажность кирпича, поступающего в печь, до уровня не более 0,3-0,5 %. В качестве внешнего теплоносителя в печи используют жидкое топливо, для сжигания которого имеются две циклонные топки и восемнадцать форсунок (по девять с каждой стороны печи).
С целью обеспечения полного выгорания углерода создают большой избыток воздуха по длине печи (с учетом подсосов а 15). Однако при этом требуется дополнительный расход топлива на нагрев воздуха в рабочем объеме печи. Поэтому основной задачей является эффективная турбулизация газовоздушного потока в рабочем объеме печи. Частично она достигается перемешивающими вентиляторами в зоне подготовке печи.
Отмечено, что применение садки с перекрытием сквозных каналов в изделиях ухудшает качество кирпича, поэтому садка во всех вариантах необходима разреженная, а установка воздухораспределяющих элементов печи должна обеспечивать введение газовоздушного потока непосредственно в пакет с обжигаемым материалом.
