Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы проводятся исследования по использованию техногенных отходов и комплексной переработки сырья. Такая тенденция обусловлена истощением природных ресурсов и ухудшением экологической обстановки в промышленных регионах. Для решения проблемы утилизации этих отходов требуется комплексный подход: необходимы теоретические и практические разработки и предложения, которые позволят использовать техногенные продукты предприятий как ценное сырье для получения продукции в различных отраслях промышленности.
Существует большое количество технологий переработки отходов. Вместе с тем отходы производства вторичного алюминия (ОПВА) не используют для получения полезных продуктов, несмотря на ряд научно-исследовательских работ, результаты которых указывают на принципиальную возможность такого решения.
В настоящее время ОПВА складируют в отвалы. Это наносит экологический вред окружающей среде и экономический ущерб народному хозяйству России за счет потерь ценного минерального сырья.
ОПВА являются достаточно ценным сырьем, т.к. содержат большое количество оксида алюминия. Содержание AI2O3 в ОПВА достигает 60 % (масс). Кроме оксида алюминия, в состав этих отходов входят в значительных количествах соединения щелочных металлов, удаление которых является сложной технологической проблемой, и которая до сегодняшнего дня полностью не решена.
К настоящему времени известны лишь несколько способов утилизации ОПВА. Это частичная замена природных бокситов в производстве глиноземистого цемента, использование порошка ОПВА в качестве комплексной добавки при производстве ячеистого бетона и получение алюмосодержащего коагулянта, используемого при фильтрации иловых осадков городских сточных вод.
Таким образом, ОПВА представляют определенный практический интерес как источник сырья для некоторых отраслей промышленности. Одним из перспективных методов утилизации ОПВА является использование их для получения шпинельпериклазового материала и периклазошпинельных огнеупоров на его основе.
Цель диссертационной работы заключается в разработке технологии шпинельпериклазового материала и периклазошпинельных огнеупоров с использованием отходов производства вторичного алюминия.
Для достижения заданной цели в работе, были поставлены следующие задачи:
1 .Исследовать состав и физико-химические свойства ОПВА. 2.Разработать технологию удаления соединений щелочных металлов из ОПВА. 3. Исследовать физико-химические процессы, протекающие при твердофазном синтезе шпинельпериклазового материала, используя в качестве исходных компонентов ОПВА и периклазовые порошки различного состава и структуры. 4.Изучить влияние основных технологических факторов на свойства синтезированного шпинельпериклазового материала.
5.По добрать зерновой состав шихты и определить температуру обжига периклазошпинельных изделий с использованием синтезированного шпинельпериклазового материала.
6.Изготовить опытно-промышленные партии шпинельпериклазового материала с использованием ОПВА и периклазошпинельных огнеупоров на его основе и испытать их в условиях реального производства.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1.Изучено поведение ОПВА при нагреве выше 1000 С и нормальном давлении. Установлено, что испарение хлоридов щелочных металлов, содержащихся в ОПВА, при температуре выше 1300 С протекает с постоянной скоростью и составляет примерно 0,1 % массы в минуту из брикетированного сырья и 2 % массы в минуту из пылевидных отходов.
2.Установлено, что при термообработке порошка ОПВА до температуры 1580 С оксиды щелочных металлов удаляются до остаточного содержания 3 % (масс). Снизить содержание оксидов щелочных металлов в ОПВА менее 3 % (масс.) невозможно без разрушения кристаллической решетки |3-глинозема, образующегося при термообработке порошка ОПВА. Введение в состав ОПВА периклазового порошка в количестве более 25 % (масс.) снижает содержание щелочных оксидов до 1 % (масс), т.к. происходит разрушение кристаллической решетки Р-глинозема и образование алюмомагнезиальной шпинели. 3.Установлены физико-химические закономерности синтеза шпинельперикла-зового материала на основе ОПВА и каустического магнезита в присутствии значительного количества хлоридов щелочных металлов. Показано, что образование шпинели в присутствии значительного количества хлоридов щелочных металлов начинается при температуре 900 С, при этом температура синтеза шпинели снижается на 200 С по сравнению с синтезом шпинельпериклазового материала на основе отмытых от солей ОПВА. Интенсивное образование шпинели происходит в интервале температур 1300 - 1680 С и протекает по механизму твердофазного синтеза. Одновременно при этом протекает процесс удаления хлоридов щелочных металлов.
4.Предложена комплексная подготовка ОПВА для изготовления перспективных огнеупорных материалов, включающая обжиг порошка ОПВА с добавкой каустического магнезита при температуре 1680 - 1750 С. Такой обжиг позволяет совместить удаление соединений щелочных металлов с синтезом шпинельпериклазового материала.
Практическая значимость работы заключается в следующем: Разработан компонентный состав и параметры технологии производства периклазошпинельных огнеупоров, включающей получение шпинельпериклазового материала на основе ОПВА и каустического магнезита методом твердофазного синтеза, получение порошков необходимого зернового состава, формование изделий из шихты, содержащей порошки шпинельпериклазового мате-
риала и спеченного периклаза, обжиг сформованных изделий в туннельной печи.
Установлены количественные параметры технологии и определены физико-механические свойства изделий: предел прочности при сжатии при комнатной температуре до 77 МПа, открытая пористость 14,6 %, температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа 1590 С.
Разработана эффективная технология утилизации ОПВА, позволяющая получить перспективные периклазошпинельные огнеупоры, удовлетворяющие требованиям ТУ 1579-006-00190495-98 «Изделия огнеупорные периклазошпинельные с применением плавленого шпинельсодержащего материала».
Изготовлена опытная партия периклазошпинельных огнеупоров в виде нормального кирпича в количестве 300 штук и успешно проведены промышленные испытания в футеровке туннельной вагонетки ОАО «Комбинат «Магнезит».
Расширена минерально-сырьевая база промышленности огнеупорных материалов за счет вовлечения в производство ОПВА.
Внедрение разработанной технологии утилизации ОПВА позволит за
счет ликвидации отвалов улучшить экологическую ситуацию в регионах.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза, 1998) и «Физикохимия и технология оксидно-силикатных материалов» (Екатеринбург, 2000 ), на 57-ой научно-технической конференции ЮУрГУ (Кыштым, 2004), 1-й научно-практической конференции «Современные технологии полиструктурного мира» (Сатка, 2005), 5-й международной научно-практической конференции «Перспективы интеграции науки, образования и бизнеса» (Сатка, 2009), на 61-й научно-практической конференции ЮУрГУ (Челябинск, 2009).
На защиту выносится:
Результаты исследования поведения ОПВА при нагреве выше 1000 С и нормальном давлении.
Результаты исследования синтеза шпинельпериклазового материала с использованием порошка ОПВА, содержащего значительное количество хлоридов щелочных металлов, и каустического магнезита.
Компонентный состав и технология периклазошпинельных огнеупоров с использованием ОПВА.
Результаты промышленных испытаний.
Публикации По теме диссертации опубликовано 9 статей.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включающего 29 таблиц, 35 рисунка, список литературы из 102 наименования, 5 приложений.
