Использование золошлакового материала Восточного Казахстана в производстве пористого заполнителя на основе жидкостекольной композиции Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.574:66.013 © А.К. Кайракбаев, В.З. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова, 2019

Использование золошлакового материала Восточного Казахстана в производстве пористого заполнителя на основе

v *

жидкостекольнои композиции

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-1-70-73

КАЙРАКБАЕВ Аят Крымович

Канд. физ.-мат. наук,

доцент Актюбинского университета

имени С. Баишева,

030009, г. Актобе, Республика Казахстан, тел.: + 7 (7132) 40-30-21, +7 (778) 730-20-18, e-mail: [email protected]

АБДРАХИМОВ Владимир Закирович

Доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВО «Самарский государственный экономический университет, 443090, г. Самара, Россия, тел.: +7 (846) 337-58-92, e-mail: [email protected]

АБДРАХИМОВА Елена Сергеевна

Канд. техн. наук, доцент кафедры «Химия» ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», 443086, г. Самара, Россия, тел.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: [email protected]

На основе жидкого стекла, модифицированного хлоридом натрия и золошлакового материала Восточного Казахстана получен пористый заполнитель без применения природного традиционного сырья. Проведенные исследования показали, что за счет повы/шенны/х содержаний в золошлаковом материале: потерь при прокаливании (п.п.п.) (12-15%), углерода (7,2%) и теплотворной способности (1500 ккал/кг), которые вы/горают или способствуют выгоранию (например, теплотворная способность) при обжиге, в керамическом материале создается пористость и получается пористы/й материал с низкой плотностью, марка по насыпной плотности - менее 400. На основе жидкостекольной композиции и золошлакового кокса получен пористый заполнитель с высокими физико-механическими показателями. Исследования показали, что золошлаковы/й материал способствует получению в пористом заполнителе закрытых пор, которые, в свою очередь, способствуют повышению теплоизоляционных свойств пористого заполнителя.

Ключевые слова: золошлаковый материал, жидкосте-кольная композиция, хлорид натрия, пористость, теплоизоляционный материал, пористый заполнитель.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время эффективность работы всех отраслей промышленности необходимо оценивать с точки зрения баланса между массой основного продукта и объемом образуемых техногенных отходов. Наиболее неблагополучными в этом плане являются предприятия топливно-энергетического комплекса, а именно тепловые электрические станции (ТЭС), являющиеся источниками массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов, и обогатительные предприятия [1, 2, 3, 4].

В настоящее время придается немалое значение проблемам экологической чистоты технологических процессов и безотходности производства [5, 6, 7].

Цель работы:

- использование золошлакового материала для получения пористого заполнителя на основе жидкостеколь-ной композиции;

- исследование структуры пористости пористого материала.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Сырьевые материалы

Золошлаковый материал. Для производства пористого заполнителя в качестве отощителя и выгорающей добавки использовался золошлаковый материал Восточного Казахстана.

На Усть-Каменогорской ТЭЦ используются угли разреза «Каражыра», который разрабатывается компанией «Кара-жыра ЛТД», ранее ТОО «Семей комирлери», АО «ФПГ «Семей» и АО «Семей-Комир». Разрез расположен в Восточно-Казахстанской области, на территории бывшего Семипалатинского ядерного полигона. Доля продукции компании на рынке страны в 2008 г. - 5%. Она, согласно дан-

* Работа выполнена в рамках реализации научно-технического проекта, одобренного кгрантовому финансированию на 2018-2020 годы Национальным научным советом Республики Казахстан по направлению науки «Рациональное использование природных ресурсов, в том числе водных ресурсов, геология, переработка, новые материалы и технологии, безопасные изделия и конструкции». Договор на грантовое финансирование № 177 от 15 марта 2018 г., ИРН 05131501.

ным рейтингового агентства «Эксперт РА Казахстан» на 2015 г. - занимает 167-е место в списке крупнейших компаний Казахстана.

Площадь месторождения, расположенного в 9 км от площадки «Балапан», равна 21,4 кв. км. Запасы угля составляют 1,3 млрд т. Добывается каменный уголь марки Д. Зольность угля - 22%, низшая теплота сгорания - 4650 ккал/кг, влага - 14%. Объем добычи на 2014 г. составляет около 6 млн т.

Минералогический состав золошлакового материала представлен следующими основными минералами: кварц -50-54%, кристобалит 8-10%, микроклин 5-7%, гематит 7-9%, муллит 11-12%, анортит 5-7%.

Химический оксидный состав золошлакового материала представлен в табл. 1, поэлементный - в табл. 2, гранулометрический (фракционный) - в табл. 3, а технологические свойства - в табл. 4.

За счет повышенных содержаний в золошлаковом материале (п.п.п. = 12-15%, см. табл. 1) углерода (см. табл. 2) и теплотворной способности (см. табл. 4), которые выгорают или способствуют выгоранию (например, теплотворная способность) при обжиге, в керамическом материале создается пористость и получается пористый материал с низкой плотностью [5].

Таблица 1

Химический состав золошлакового материала

Содержание оксидов, мас. %

МдО СаО Я.О п.п.п.

43-47 16-18 0,5-1,0 9-12 1-2 5-7 4-4,5 12-15 Примечание: п.п.п. - потери при прокаливании; Й20 = К20 + Ыа20.

Таблица 2

Поэлементный химический состав золошлакового материала

Элементы

Мд А1+ТМ Б|

7,2 48,3 1,05 0,91 12,3 18,2 1,98 0,92 4,05 5,72

Таблица 3

Фракционный состав золошлакового материала

Содержание фракций в %, размер частиц в мм

>0,063 1 1 0,063-0,01 1 1 0,01-0,005 1 1 0,005-0,001 1 1 <0,0001

21,2 17,7

20,3 22,8 18

Таблица 4

Технологические показатели золошлакового материала

Теплотворная Огнеупорность, °С

способность, Начало Размяг- Жидкоплавкое

ккал/кг деформации чение состояние

1500 1270 1300 1340

Таблица 5

Составы композиции для производства пористого заполнителя

Компоненты

Содержание компонентов, мас. %

Г 1 2 3

Натриевое жидкое стекло 75 60 50

Хлорид натрия 4 3 2

Золошлаковый материал 21 37 48

Жидкое стекло. В качестве связующего использовалось товарное натриевое жидкое стекло плотностью 1,41 г/см3 (ГОСТ 13075-81) [5].

Изучая диаграммы состояния №2О^Ю2 и №20^Ю2-Н20 П.Н. Григорьев и М.А. Матвеев [6] установили, что содержание гидратной воды отражается на температуре плавления щелочного силиката. Так, при содержании 20% гидратной воды в силикате, он плавится при 100оС. При быстром нагревании такого гидратированного силиката до 200оС он разжижается, и гидратная вода быстро превращается в пар. Вследствие большой вязкости расплавленного силиката водные пары задерживаются в нем, образуя пузыри с тонкими стенками. Введение в составы жидко-стекольных композиций наполнителей приводит к структурированию системы, что позволяет получать более однородные структуры [7].

Являясь гидратированным силикатом натрия и имея высокую адсорбционную способность, жидкое стекло делает процесс перемешивания весьма затруднительным, поэтому в качестве добавки-коагулятора использовался хлористый натрий (производства ОАО «Бассоль», ГОСТ 13830-97), размолотый до размера менее 0,3 мм.

Введение в жидкое стекло хлорида натрия в количестве 2-4% после тщательного перемешивания приводит к растворению хлористого натрия. Понижение силикатного модуля, приводящее к снижению числа силоксано-вых связей (что существенно облегчает переход ионов щелочного металла в раствор и движение молекул воды в фазу стекла), и коагуляция смеси приводят к повышению вязкости, что дает возможность формовать изделия любого размера.

Технологический процесс

Композиции (табл. 5) для производства пористого заполнителя готовили путем тщательного перемешивания всех компонентов.

Получение смеси производилось в мешалке принудительного действия в следующем порядке. Сначала в мешалку загружались сланцевый кокс и хлорид натрия, которые тщательно перемешивались, затем в готовую сухую смесь при включенной мешалке заливалось натриевое стекло тонкой струйкой. Перемешивание производилось до получения однородной массы, но не менее 5 мин.

Полученная смесь системой ножей разрезалась на отдельные гранулы, которые термообрабатывались при 250300 °С в печном грануляторе, вспучиваясь и образуя при этом шарообразные высокопористые гранулы. Полученные гранулы помещались в электрическую печь, разогретую до температуры 1000 °С, и выдерживались там 10 мин. После изотермической выдержки гранулы охлаждались при скорости охлаждения 40 °С/мин.

Физико-механические показатели пористого заполнителя представлены в табл. 6.

Как следует из табл. 6, пористые заполнители из предложенных составов имеют высокие показатели на прочность при сжатии и коэффициент размягчения, и при этом марка по насыпной плотности не превышает 400, а теплопроводность - менее 0,25 Вт/(м-°С).

Техническое решение при использовании золошлако-вого материала в предложенных составах позволит получить пористый заполнитель с низкой насыпной плотно-

А12О3

51О

Ре О

23

С

К

Таблица 6

Физико-механические показатели

Показатель

1 Состав

1 1 1 1 2 1 1 3

Прочность на сжатее, МПа 2,28 2,32 2,37

Насыпная плотность, кг/м3 335 345 385

Потери при 5-минутном кипячении, % 0,25 0,28 0,32

Коэффициент размягчения, % 96,1 96,2 95

Марка по насыпной плотности 350 350 400

Теплопроводность, Вт/(м-°С) 0,197 0,205 0,208

стью (марка - не более 400) (см. табл. 6). Оптимальным составом можно считать состав № 2, у которого насыпная плотность не превышает 350 кг/м3 (марка 300) и при этом прочность снизилась незначительно (см. табл. 6), полученный образец представлен на рисунке.

Как видно из рисунка, пористость на внешнем виде изделия (см. рисунок, а), в отличие от внутреннего (см. рисунок, б), практически не видна, то есть золошлаковый материал способствует получению в пористом заполнителе замкнутых пор.

В образцах внутренней части пористого заполнителя (см.рисунок, б), наблюдаются также округлые и овальные закрытые полости. По данным автора работы [8], наличие овальной закрытой пористости в исследуемых керамических образцах придают им механическую прочность.

ВЫВОДЫ

1. На основе жидкостекольной композиции и золошлакового материала получен пористый заполнитель с высокими физико-механическими показателями.

2. Золошлаковый материал целесообразно использовать в качестве отощителя и выгорающей добавки. За счет повышенных содержаний в сланцевом коксе органики (п.п.п. = 12-15%), углерода и теплотворной способности, которые выгорают или способствуют выгоранию (например, теплотворная способность) при обжиге, в керамическом материале создается пористость и получается пористый материал с низкой плотностью.

3. Исследования показали, что золошлаковый материал способствует получению в пористом заполнителе замкнутых пор, которые способствуют повышению теплоизоляционных свойств и прочности.

Список литературы

1. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С., Кайракбаев А.К. Инновационные направления по использованию отходов

топливно-энергетического комплекса в производстве теплоизоляционных материалов. Актобе: Казахско-Русский международный университет, 2015. 276 с.

2. Абдрахимов В.З. Экологические и технологические аспекты использования отходов горючих сланцев в производстве различных теплоизоляционных материалов // Экология и промышленность России. 2018. Т. 22. № 4. С. 24-29.

3. Кайракбаев А.К., Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Исследование регрессивным методом влияния отходов топливно-энергетической промышленности на сушильные свойства стеновой керамики // Экология промышленного производства. 2015. № 1. С. 6-10.

4. Использование золошлакового материала и отходов золоторудного месторождения в производстве керамического кирпича / Д.А. Лобачев, В.З. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова, С.Н. Пичкуров // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2016. № 4. С. 31-38.

5. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Высокопористый теплоизоляционный материал на основе жидкого стекла // Физика и химия стекла. 2017. Т. 43. № 2. С. 222-230.

6. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло. М.: Стройиздат, 1956. 443 с.

7. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З., Кайракбаев А.К. Использование отходов топливно-энергетического комплекса в производстве теплоизоляционных материалов на основе жидкостекольных композиций. Актобе: Казахско-Русский Международный университет, 2016. 140 с.

8. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. М: Стройиздат, 1977. 272 с.

RESOURCES

UDC 691.574:66.013 © A.K. Kairakbaev, V.Z. Abdrakhimov, E.S. Abdrakhimova, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 1, pp. 70-73

Title

THE USE OF ASH MATERIAL OF EAST KAZAKHSTAN IN THE PRODUCTION OF POROUS AGGREGATE ON THE BASIS OF liquid-GLASS COMPOSITIONS

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-1-70-73

Authors

Kairakbaev A.K.1, Abdrakhimov V.Z.2, Abdrakhimova E.S.3

1 S. Baishev University Aqtobe, Aqtobe city, 030000, Republic of Kazakhstan

2 Samara State University of Economics, Samara, 443090, Russian Federation

3 Samara National Research University, Samara, 443086, Russian Federation

Authors' Information

Kairakbaev A.K., PhD (Physico-mathematical), Associate Professor, tel.: + 7 (7132) 40-30-21, +7 (778) 730-20-18, e-mail: [email protected] Abdrakhimov V.Z., Doctor of Engineering Sciences, Professor, tel.: +7 (846) 337-58-92, e-mail: [email protected]

Abdrakhimova E.S., PhD (Engineering), Associate Professor at the Department of "Chemistry", tel.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: [email protected]

Abstract

On the basis of liquid glass modified with sodium chloride and ash-slag material of East Kazakhstan, a porous filler without the use of natural traditional raw materials was obtained. The studies have shown that due to the increased content in the ash-slag material (PP 12-15%), carbon (7.2%) and calorific value (1500 kcal/kg), which burn out or contribute to burnout (for example, calorific value) during firing, porosity is created in the ceramic material and a porous material with a low density is obtained, the grade on the bulk density is less than 400. On the basis of the liquid glass composition and ash slag of coke, a porous filler with high physical and mechanical properties was obtained. Studies have shown that the ash-slag material contributes to the production of closed pores in the porous filler, which, in turn, contribute to the improvement of the thermal insulation properties of the porous filler.

Keywords

Ash-slag material, Liquid-glass composition, Sodium chloride, Porosity, Thermal insulation material, Porous filler.

References

1. Abdrakhimov V.Z., Abdrakhimova E.S. & Kairakbaev A.K. Innovacionnye napravleniya po ispol'zovaniyu othodov toplivno-ehnergeticheskogo kompleksa v proizvodstve teploizolyacionnyh materialov [Innovative directions for the use of waste fuel and energy complex in the production of thermal insulation materials]. Aktobe, Kazakh-Russian International University Publ., 2015, 276 p.

2. Abdrakhimov V.Z. Ehkologicheskie i tekhnologicheskie aspekty ispol'zovaniya othodov goryuchih slancev v proizvodstve razlichnyh teploizolyacionnyh materialov [Ecological and technological aspects of the use of oil shale waste in the production of various thermal insulation materials]. Ehkologiya i promyshlennost' Rossii - Ecology and industry of Russia, 2018, Vol. 22, No. 4, pp. 24-29.

СУЭК

СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ

Разрез «черногорский» досрочно выполнил план 2018 года

Коллектив разреза «Черногорский» в конце ноября 2018 г. первым среди угледобывающих предприятий Сибирской угольной энергетической компании (СУЭК) в Республике Хакасия выполнил годовой план, выдав на-гора свыше 7 млн т угля.

«Хочется отметить, что семимиллионный рубеж горняки разреза «Черногорский» преодолели более чем на месяц раньше установленного срока, - говорит генеральный директор ООО «СУЭК-Хакасия» Алексей Килин. - Это свидетельствует о том, что у разреза есть возможность до конца года значительно превзойти достигнутый результат».

Помимо перевыполнения плана по добыче угля предприятие перевыполняет и плановые задания по ведению вскрышных работ. В основе производственных успехов систематическая работа по модернизации оборудования. В период 2013-2017 гг. на разрезе «Черногорский» ООО «СУЭК-Хакасия» инвестиции составили 6,85 млрд руб.; в 1-3 кварталах 2018 г. крупнейший угледобывающий разрез Хакасии получил инвестиции в сумме 1,3 млрд руб.

3. Kairakbaev A.K., Abdrakhimov V.Z. & Abdrakhimova E.S. Issledovanie regres-sivnym metodom zavisimosti othodov toplivno-ehnergeticheskoj promy-shlennosti na sushil'nye svojstva stenovoj keramiki [Research by regressive method of dependence of waste of fuel and energy industry on drying properties of wall ceramics]. Ehkologiya promyshlennogo proizvodstva - Ecology of industrial production, 2015, No. 1, pp. 6-10.

4. Lobachev D.A., Abdrakhimov V.Z., Abdrakhimova E.S. & Pechkurov S.N. Ispol'zovanie zoloshlakovogo materiala i othodov zolotorudnogo mestorozh-deniya v proizvodstve keramicheskogo kirpicha [Use of ash and slag material and the waste of a gold Deposit in the production of ceramic bricks]. Biosfernaya sovmestimost': chelovek, region, tekhnologii - Biosphere compatibility: people, region, technology, 2016, No. 4, pp. 31-38.

5. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Vysokoporistyj teploizolyacionnyj material na osnove zhidkogo stekla [Highly Porous heat-insulating material on the basis of liquid glass]. Fizika i himiya stekla - Physics and chemistry of glass, 2017, Vol. 43, No. 2, pp. 222-230.

6. Grigoriev P.N. & Matveev M.A. Rastvorimoesteklo [Soluble glass]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1956, 443 p.

7. Abdrakhimova E.S., Abdrakhimov V.Z. & Kairakbaev A.K. Ispol'zovanie othodov toplivno-ehnergeticheskogo kompleksa v proizvodstve teploizolyacionnyh materialov na osnove zhidkostekol'nyh kompozicij [The use of waste fuel and energy complex in the production of thermal insulation materials based on liquid glass compositions]. Aktobe, Kazakh-Russian international University Publ., 2016, 140 p.

8. Pavlov V.F. Fiziko-himicheskie osnovy obzhiga izdelij stroitel'noj keramiki [Physico-chemical principles of firing building ceramic products]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1977, 272 p.

Acknowledgements

The work was performed as part of the implementation of a scientific and technical project approved for grant financing for a period from 2018 to 2020 by the National Scientific Council of the Republic of Kazakhstan in the direction of science "Rational use of natural resources, including water resources, geology, processing, new materials and technologies, safe products and designs". Grant financing contract No. 177 of March 15, 2018, IRN 05131501.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ МЕТАНА

МЕТАН ПОД КОНТРОЛЕМ!

россия www.zavodmdu.ru

г. новокузнецк [email protected]

шоссе северное, 8 тел.: +7 (3843) 991-991