CC BY
46
УДК 622.349.21.002.8:691 В.Н. Землянский
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВСКРЫШНЫХ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД СЕВЕРО-ОНЕЖСКОГО И СРЕДНЕ-ТИМАНСКОГО БОКСИТОВЫХ РУДНИКОВ, КАК МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Семинар № 1
Создание в ближайшие годы горнопромышленного комплекса в Республике Коми, связанное с интенсификацией освоения природных минеральных и горючих ископаемых, обусловлено рядом причин: дефицитом сырья на алюминиевых и металлургических заводах Ленинградской области, Среднего и Южного Урала, Череповца; высоким содержанием полезных компонентов в рудных телах Тимано-Печорской провинции, их расположением вблизи земной поверхности и возможностью разработки открытым способом. Утилизация промышленных отходов способствует получению долговечных, экологически чистых изделий при малоотходных технологиях, сокращению токсичных выбросов и уменьшению отрицательного воздействия на состояние окружающей среды в сложных горногеологических и суровых климатических условиях Европейской части России, снижению радиационного загрязнения.
Районы Европейского Севера России, географически приближенные к промышленно-развитым регионам Урала и Северо-Запада России располагают на основе геологоразведочных работ собственными месторождениями металлических и неметаллических, горючих полезных ископаемых: легкоплавкими и тугоплавкими глинами девонских и триасовых отложений, каолинами; карбонатными и сульфатными осадочными породами; цеолитами; значи-
тельными запасами бокситовых, титановых, железо-марганцевых и хромитовых руд; горючих сланцев, нефти и газа, торфа, угля и др.
Создание малоотходных технологий для производства керамических материалов, цемента и вяжущих веществ автоклавного твердения возможно на примерах Пикалевского и Бокситогорского глиноземных комбинатов Ленинградской области с утилизацией шлама нефелина Кольского полуострова, отходов бокситовых руд Тихвинского и Иксинского месторождений, ряда аналогичных предприятий Урала и Сибири.
Для проведения исследований выбрано использование попутных пород бокситовых руд. Гидратные формы оксида алюминия содержатся в рудоносных толщах Иксинского (Архангельская обл.) и Ве-жаю-Ворыквинского (Республика Коми) месторождений, представляя собой агрегатную смесь с глинистыми минералами, хлоритом, сидеритом, оксидами и гидроксидами железа. Попутная (вскрышная) горная порода аналогична по минеральному составу и условиям образования бокситу, но не отвечает промышленным кондициям на алюминиевую руду. К ней относят: аллит, сиаллит и ферросиаллит. При высокотемпературном нагреве происходит переход из одной формы гидрата глинозема в другую с образованием а-А1203. Бокситовые руды Среднего Тимана
слагаются так же вмещающими магматическими породами - базальтами, диабазами, туфами базальтовыми, которые могут быть использованы для получения теплоизоляционных материалов и каменного литья. Классификация отходов горнорудной промышленности для прогнозирования производства строительных материалов Европейского Севера России представлена в табл. 1.
Все это является мощным толчком для исследования возможных областей применения и утилизации попутных пород, техногенных продуктов цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, целлюлознобумажной и угольной промышленности в строительной индустрии, горнохимических технологиях и экологической обстановке, дающих значительный экономический и социальный эффекты.
Исходя из этого была решена проблема комплексной утилизации горнопромышленных отходов для получения строительных материалов, включая:
1. Керамического заполнителя из двухкомпонентной шихты, обогащенной оксидами А1, Т1, Бе, и аморфным кремнеземом, с поверхностной оболочкой повышенной жесткости (модулем упругости) 3,5-5,0* 104 МПа, прочностью при сдавливании в цилиндре 10-12 МПа и высокой физикохимической активностью за Таблица 1
Классификация и области применения промышленных и техногенных отходов для прогнозирования производства строительных материалов на Севере России
счет кристаллических новообразований, включая муллит, корунд, шпинели, рутил, силикаты кальция и др., способствующие улучшению адгезии оболочки с цементной матрицей, особенно в условиях низких температур;
2. Конструкционных легких бетонов классов В30-В50 и выше со средней плотностью марок Д1700-Д1900 в сухом состоянии и высокой суточной прочностью при использовании рядовых цементов средних марок и морозостойкостью Б300-Б500;
3. Строительной керамики с модулем упругости 1,2... 1,3*104 МПа из некондиционного сырья способом полусухого прессования распылительного порошка и скоростными режимами сушки и обжига полуфабриката, обладающей показателями повышенной прочности при сжатии (20,0 МПа) и изгибе (7,7 МПа), морозостойкости Р25-Р100, в том числе лицевого кирпича объемного окрашивания хромофорами, содержащими А1203, ТЮ2, Бе203, МпО;
4. Возможности получения минеральных волокон и каменного литья из отсевов дробления магматических магнийсодержащих пород (туфа базальто-
Рис. 1. Расположение составов сырьевых смесей на трехкомпо-нентой диаграмме плавкости системы 8Ю2- А1203 - КеО: 1 -
Бельгопская глина - 100 масс.%; 2 -Бельгопская глина: боксит (90:10 масс.%); 3 - То же, (80:20масс.%)
Промышленные отходы
Попутные продукты производства
Подразделение отходов по физикохимическим свойствам и агрегатному состоянию.
Подразделение техногенного сырья технологического процесса
Твердые: отходы горнодобывающего и металлургических, деревообрабатывающих, угледобывающих производств; горелых пород терриконов шахт.
Жидкие: отходы органических и неорганических веществ НПЗ и ЦБК: мазут, нефтешлам, отгон окисления нефтебиту-ма; осадки сточных вод: активный ил, гидролизный лигнин, .черный щелок________
Г
Силикатное, содержащие силикаты щелочноземельных элементов (базальт, диабаз, габбро, туф); карбонатное (отсевы дробления известняка, доломита, мергеля); сульфатное, содержащее гипс и его отходы; гидроксидные - содержащие гидроксид алюминия (красный бокситовый шлам); твердые остатки при добыче в карьере бокситовых, титановых и марганцевых руд Республики Коми. ,_____________________
Исходное сырье для производства пористых заполнителей и керамики
Технический синтез
Низкотемпературный обжиг: вспучивание, спекание
5
Высокотемпературный обжиг: плавление
Корректирующие добавки в Опудривающие до-
шихту пористого заполнителя, 4- бавки: аллит, сиал-
строительной и лицевои ке- лит, каолин, асбест
рамики , технический
-Ї-
Магнийсодержащие силикаты в составе магматических горных пород: базальт, диабаз, диорит, туф базальтовый__________
Глиноземсодержащие тугоплавкие и огнеупорные добавки Железосодержащие добавки Титансодержащие добавки
У ' г * і г і г
Природные
гидраты
глинозема:
бокситы (
кремневым
модулем
АЬОз:
8102=2.4
Аллиты-глиноземсодержащие породы с кремневым модулем 1...2
Сиаллит,
ферросиаллит,
глинистые
образования
с кремневым
модулем
<1,0
Шлаки от ферросплава на основе феррохрома; ферросилиций
Битуминозный песчаник; отходы флотации ТЮ2 (кварцевый песок,
метасиликат натрия)
Изделия:
мине-
ральные
волокна,
каменное
литье,
компози-
ты
Керамзит, аглопорит, шунгизит, керамический лицевой кирпич, блоки, плитка
Таблица 2
Показатели физико-технических свойств опытно - промышленных партий керамического гравия____________________________________________________
Наименование пород и соотношение компонентов, масс. % Объемная насыпная масса, кг/м3 Водопо-глощение 48 ч, масс. % Морозостойкость, потеря массы после 25 цикл, % Прочность при сдавливании, МПа
Бельгопская глина, 100. 1000 9,0 4,0 9,0
Бельгопская глина: боксит (85:15). 1000 8,0 3,5 13,0
Глина «Казарма», 100. 780 6,0 4,0 5,2
Глина «Казарма»: боксит (88:12). 950 7,2 6,0 6,5
Керамзитовый гравий Ухтинского завода. 700 15,0 9,0 3,3
вого с раскислителем) в процессе плавления при высокотемпературном обжиге; высококачественной строительной извести I сорта и обожженного металлургического доломита.
Для изучения влияния А1203 на процесс образования муллита в легкоплавких глинах на рис. 1 рассмотрено местоположение составов на диаграмме плавкости трехкомпонентной алюмосиликатной системы согласно закона Рауля и правила «рычага».
Разбирая условия размягчения и плавкости глины при обжиге, необходимо остановиться на характере образования легкоплавких эвтектик в температурном интервале 1000-1200 °С. Важное значение имеют эвтектики с участием оксида кальция и закиси железа, образуемые системами 8Ю2-Са0-Бе0 с температурой плавления 1030, 1090 и 1170 °С. С целью улучшения условий вспучивания и поризации глин целесообразно вводить в состав сырьевой смеси железосодержащие компоненты, к которым относят высокожелезистые попутные породы и бокситовые руды, содержащие Бе203 до 20-25 масс.% по авт.свид.СССР №№1065378 и 1188131, порошки ферросплава, например ферросилиция (силицид железа Бе812) по авт.свид. №697456.
На рис. 2 рассмотрена структура заполнителя из легкоплавких глин и боксита
Южного Тимана со средним кремниевым модулем 3,4. Результаты исследований установили, что введение боксита в количестве 10.15 масс.% в процессе термической обработки сырцовых гранул способствует получению керамического гравия с кажущейся плотностью 1,3-1,6 г/см3 и максимальной прочностью при сжатии в пределах 25-30 МПа, тогда как прочность заполнителя из шихты без минеральной добавки составляет 8-14 МПа. Увеличение содержания боксита не приводит к существенному повышению прочности при обеспечении данной плотности зерна. Для производственного применения рекомендовано использование порошка боксита с удельной поверхностью 500,0-600,0 м2/кг.
В результате статистической обработки экспериментальных данных получены корреляционные зависимости, удовлетворительно описывающие взаимосвязь количества боксита с прочностью и кажущейся плотностью зерен при коэффициенте корреляции ^=0,74. Эта взаимосвязь выражена уравнениями:
- для образцов из бельгопской глины:
Ясж= 33,5ук-28,6, (1)
- для образцов из бельгопской глины и боксита состава 85:15 масс.%:
Ясж= 42ук-40,0, (2)
где Ясж - прочность при сжатии, МПа; ук -кажущая плотность, г/см3.
Гарьинская глина 5 % 10 % 15 % 20 %
1200 °С 1220 °С 1230 °С 1250 °С
Рис. 2. Структура гранул заполнителя из исследуемых глин с различным количеством бокситов Южного Тимана
Согласно технологических параметров, установленных методом математического моделирования, для получения керамического заполнителя на основе местной легкоплавкой глины и бокситовых пород СОБРа на вращающейся печи Опытного завода института «Гипроцемент» (г. Ленинград) выпущены опытно-промышленные партии с
прочностью, превышающей в 3-4 раза прочность рядового керамзитового гравия из аналогичного сырья, повышенной морозостойкостью. В табл. 2 представлены показатели некоторых свойств заполнителя.
Формирование структуры и качественного фазового состава керамического заполнителя изучено с помощью петрографического анализа на прозрачных шлифах
под поляризационным микроскопом МИН-8 при увеличении 50, 100, 200, 300 и 480х параллельно с определением развития процесса порообразования. При нагревании сырцовой гранулы из бельгопской глины наблюдается ее усадка, резко выраженная в процессе сушки. Она связана с образованием усадочных трещин. В ней также возникает большое количество крупных (0,08-0,4 мм) и единичных средних (0,02-0,05 мм) пор с неровными извилистыми стенками. Образование крупных пор связано с удалением свободной и части физически связанной воды при температуре 450... 500 °С, а мелких пор - с удалением части гидроксильной воды и дегидратацией глинистых минералов. Петрографический анализ гранул, нагретых до 600 °С, указывает на снижение свето- и двупреломления глинистых минералов. Каолинит, находящийся в преобладающем количестве в составе глинистой породы, изменен в разной степени процессами аморфизации, сохраняя слабо измененные чешуйки. Листочки гидрослюды также претерпели изменения в разной степени. Количество органических примесей в породе заметно уменьшилось. С подъемом температуры до 800-900 °С наблюдается некоторое увеличение усадочных средних пор размером от 0,01 до 0,05 мм, расположенных в поверхностном слое. Наблюдается резкое изменение фазового состава заполнителя с аморфизацией глинистых минералов за счет разрушения их кристаллической решетки. С подъемом температуры до 1000 °С, как в наружной, так и центральной зоне, наблюдается черное изотропное глинистое вещество со значительным количеством измененных листочков гидрослюды, а также псевдоморфоз гематита во внешнем слое. В обломочном материале изменения не обнаружены. В то же время в образцах, нагретых до температуры выше 1000 °С, высота пиков кварца (4,2; 3,36; 2,28; 2,12; 1,87; 1,54 А) снижается, указывая на уменьшение его количества. Он частично раство-
ряется в образовавшемся силикатном расплаве с оплавлением поверхности зерна.
В грануле, подвергнутой поризации при 1180-1200 °С, наружный слой оболочки толщиной 2-3 мм содержит полностью аморфизованное глинистое вещество с игловидными листочками измененной гидрослюды, обломками зерен кварца и рутила, мелкими (до 0,03 мм) вкраплениями гематита. Центральная часть сложена темно-серой поризованной стеклообразной массой, в межпоровых перегородках которой наблюдаются мелкие включения магнетита размером 0,07-0,02 мм, зерна муллита, шпинели, рутила, кварца.
С помощью количественного рентгенофазового анализа установлено, что в гранулах их бельгопской глины содержание кварца в ядре уменьшается с 38,6 до 18,5 %. Аналогичная картина наблюдается в образцах с 15.20 % боксита. Наличие шпинели составляет 3 % с ее увеличением до 5 % в образцах, содержащих боксит. В них при температуре обжига 1100-180 °С обнаружено большее количество муллита (15% в ядре и 11 % в оболочке), чем в исходных образцах, особенно при замедленном охлаждении. Методом ртутной поро-метрии выявлено, что в температурном интервале 1100-1180 °С при переходе из твердого в пиропластическое состояние с накоплением жидкой фазы наблюдается резкое снижение количества мелких пор (радиусом менее 0,1 мкм) при росте средних пор с радиусом 0,1-10 мкм. Количество пор крупнее 10 мкм, находящихся в ячеистой части гранулы, составляет незначительную величину. При размягчении происходит
выделение умеренного количества газообразных продуктов, что приводит к поризации материала во внутренней части гранулы, а не к его вспучиванию. Результаты определения суммарной пористости и распределение пор по радиусам представлены в табл. 3.
На рис. 3 рассмотрены снимки отдельных слоев гранулы керамического заполнителя, выполненные на растровом электронном микроскопе - микроанализаторе ГХА-50А. На них наблюдается незначительное различие конфигурации пор и межпоровых перегородок в поверхностных и внутренних слоях, идентичное их определению методом ртутной порометрии.
Рассматривая технологию появления стеклофазы, составляющей 83-85 % легкоплавкого керамического или тугоплавкого материала, ряд ученых считают, что его структура представляет собой каркас из кремнекислородных тетраэдров, пространство в котором заполнено силикатами различных модифицирующих катионов флюсующего действия (H.A. Торопов, A.A. Новопашин). Прочность ионных связей между цепями тетраэдров и плотность их упаковки, определяющая
стойкость структуры, зависит от количества модифицирующих ионов, их размера и величины заряда.
Роль иона Al3+ в силикатном стекле двойственна. При его большом содержании он выступает в роли модификатора - кристаллизатора, уплотняя структуру силикатного стекла и увеличивая стойкость против воздействия окружающей среды, в том числе гидратации. Использование глиноземсодержащих компонентов
1) 2)
Рис. 3. Микроструктура высокопрочного керамического заполнителя: 1 - поверхностная оболочка; 2 - внутренняя ячеистая зона. 6000х
из попутных пород способствует изменению температуры плавкости бинарных силикатных и тройных алюмосиликатных систем, а также их ионной плотности.
Изготовлены в опытно-промышленных условиях партии напорных вибро-гидропрессованных труб, предназначенных для транспортирования жидких и газообразных продуктов под рабочим напором до 1,5 МПа; плит покрытий и перекрытий, решетчатых строительных балок, дорожных плит и свай-опор под газопровод высокого давления, экспонировавшиеся на ВДНХ СССР. Высокие показатели физико-технических свойств (пониженные на 10-15 % модуль упругих деформаций и проницаемость по отношению к воде, нефти и газу на примере напорных труб, в т.ч. мелиоративных, повышенные коэффициент Пуассона и морозостойкость) конструкционного легкого бетона по сравнению с равнопрочным тяжелым позволяют рекомендовать использование изделий из него на разнообразных объектах строительства согласно ГОСТ 25820-2000 «Бетоны легкие. Технические условия». Крупнотоннажные отходы промышленности и техногенное сырье могут быть утилизированы для производства строительных материалов и изделий, уменьшая вредное воздействие на природу.
В Северном филиале ВНИИСТа (г.Ухта) в содружестве с МИСИ им. В.В. Куйбышева (г. Москва) была разработа-
на технологическая схема шликернои подготовки некондиционного сырья местного Ветлосянского месторождения с сушкой в башенной распылительной сушилке конструкции НИИСтройкера-мика (г. Кучино Московской области). Порошок, получаемый распылением при сушке, имеет частицы сферической формы размером 0,2-0,5 мм. Исследования показали, что на его основе могут быть изготовлены изделия полусухого прессования с прочностью при сжатии на 40 %, а при изгибе в 2 раза выше, чем для образцов, отформованных пластическим способом из глины заводской переработки. Морозостойкость изделий составляет Р35-И00. Разработана технология производства строительного кирпича полусухого прессования со скоростными режимами однорядной сушки в течение 3-4 ч и обжига-охлаждения в течение 9.10 ч. Рентгенографическим методом установлена однородность структуры, способствующая повышению физико-механических и эксплуатационных характеристик изделий. Это способствует расширению ассортимента строительной керамики, в том числе лицевого кирпича.
Результаты исследований по использованию попутных пород бокситовых руд Северо-Онежского бокситового рудника Архангельской области в качестве опудривающей и корректирующей минеральных добавок были включены в рабо-
чий проект I очереди керамзитового завода в г. Котласе, выполненным СПКБ НИИКерамзит (г. Куйбышев) и введенным в эксплуатацию в 1991 г. (а.с. СССР №1066967), а так же в готовившийся технический проект 2-й очереди завода -опытно-промыш-ленного цеха высокопрочного гравия (а.с. СССР №1188137) и цеха мощностью 50 тыс. м3 в год в г.Ухта (а.с. №313813) на основе бокситовых пород Среднего Тимана.
Технико-экономический и экологический эффекты ресурсо- и энергосберегающих технологий производства строительных материалов будут способствовать восстановлению строительного комплекса Республики Коми, Архангельской и Вологодской областей на основе глиноземноалюминиевого предприятия ОАО «СУАЛ-холдинг» в г. Ухте, расширению СОБРа (г.Плесецк) и решению вопросов охраны окружающей среды.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Землянский В.Н. - кандидат технических наук, заслуженный деятель науки и техники Республики Коми, Ухтинский государственный технический университет,
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ЦНИЭИуголь
НИКИТЕНКО Владислав Анатольевич Разработка методических рекомендаций по управлению затратами в угледобывающих организациях 08.00.05 к.э.н.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
докин Денис Викторович Исследование взаимодействия гидротехнических сооружений и просадочных оснований с учетом инженерногеологических особенностей лёссовых грунтов Центрального Предкавказья 25.00.08 к.т.н.
