CC BY
38
Инженерный вестник Дона, №4 (2015) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3457
Керамический композит матричной структурыс применением
нефтешламов
К.М. Вдовин
Оренбургский государственный университет, Оренбург
Аннотация :Изучены особенности составов и свойств бурового шлама с месторождений Оренбургской области, возможность их применения в производстве керамических изделий по технологии предварительной грануляции исходного сырья и последующего прессования. Выявлена роль жидкого стекла в формировании гранул и свойств синтезированного камня.
Ключевые слова: буровой шлам, техногенное сырье, грануляция, прессование, керамический композит матричной структуры
Благодаря комплексу высоких физико - механических, теплофизических свойств, архитектурной выразительности и долговечностистеновая керамикана протяжении столетий и до настоящего времени занимает лидирующую позицию на строительном рынке.
Однако данные показатели керамические изделия приобретают только при использованиив производстве качественного сырья. Вместе с тем, в последние десятилетия в Оренбургской области наблюдается уменьшение промышленных запасов глин и суглинков, что обуславливает необходимость использовать новые виды сырья, в том числе и техногенные продукты промышленности.
На территории Оренбуржья располагаются месторождения нефти и газа, добыча которых приводит к образованию шламохранилищ. Поэтому особый интерес представляют шламы, образованные при бурении нефтяных и газовых скважин, как продукт параллельного накопления.
В многообразии промышленных отходов нефтяной промышленности буровой шлам это наиболее массовый техногенный продукт. Только за период 2014г. на территории области было накоплено свыше 6млн тонн бурового шлама и шлама нефтеочистки[1]. При этом нельзя не затронуть экологическую составляющую данной проблемы, так как буровой шлам
является опасным производственным отходом, Пкласса опасности, что негативно влияет на окружающую среду региона в целом[2].
Процесс утилизации шлама экономически не выгодный, в связи с чем, буровой шлам складируется на территории вблизи с буровой. Несмотря на существующие методики и технологии утилизации, не существует типового решения, которое позволило бы решить данную проблему [3,4].
При этом использование бурового шлама для получения строительной керамики с требуемыми эксплуатационными характеристиками может выступать как альтернатива к решению данного вопроса, при этом данное сырье будет в 2-3 раза дешевле природного, так как оно уже разработано и готово к использованию [5].
В работе исследована возможность применения техногенного сырья -бурового шлама с объектов ПАО «Оренбургнефть» и глина с карьера Бузулукского месторождения в производстве керамических изделий матричной структуры.
Минералогический состав бурового шламапо результатам лаборатории «Геологии и геофизики» СГАСУсложный (табл. 1). Большой процент занимают частицы кальция в виде кальцита>17 %, кварца,полевые шпаты. В меньшей степени присутствует доломит, барит, аргонит, магнезит, барит, гипс, гидрослюды и глинистые минералы в виде каолинита.
Таблица 1 - Минералогический состав нефтешламов
Наименование Минеральный состав, содержание, % масс.
Кварц Кальцит Доломит Полевой шпат Гидрослюда
Буровой шлам месторождений ПАО «Оренбургнефть» 24,3 17,39 6,86 25,32 18,56
Как показали ранее проведенные эксперименты[6], буровой шлам является трудно спекаемым и непластичным материалом (табл. 2)
Таблица 2 - Химический состав проб минеральной части бурового шлама
Наименование Химический состав, %
О Й т О и Рн СаО М§О т О со О Р4 т О п п.п.п
Буровой шлам месторождений ПАО «Оренбургнефть» 23,84 10,8 21,28 2,28 1,81 10,83 3,72 29,24 100,08
При приготовлении смеси в качестве связующего применялось жидкое стекло по ГОСТ 13078-81,котороеодновременно играет роль отвердителя на этапе сушки и плавня при обжиге [7].
В настоящее время в производстве керамического кирпича с использованием неспекаемого, непластичного сырья широко применяется метод полусухого прессования[8], разновидностью которого является способ получения керамического композита матричной структуры из гранулированных шихт[9].
В ходе проведения эксперимента сырьевые материалы в виде бурового шлама и глины проходили сушку и помол до класса -0,3 мм с дальнейшей грануляцией на турбопластовом смесителе - грануляторе ТС-020 ООО «Дзержинсктехномаш» до момента образования гранул размером 1-3мм. Опытное количество жидкого стекла вводилось в смесь при грануляции методом распыления.
Изменение размера частиц гранулята зависит от скорости вращения лапоток смесителя и количества натриевого жидкого стекла предварительно разведённого до плотности 1,4^1,42 г/см . Параметры исходного сырья гранулята приведены в таблице 1, внешний вид представлен на рис. 1.
а) б) в)
ч
Рис. 1 - Внешний вид гранул бурового шлама при скорости вращения лопаток 150 рад/с и влажности массы а - 18,28 %, б - 18,76 %, в - 18,22 %
Таблице №1
Параметры гранулята
№обр. Состав шихты, % по массе Масса загрузки, гр Кол-во жидкого стекла, мл Кол-во оборотов турболопасти, об/мин. Влажность гранулята, %
1-1 Шлам 70 Глина 30
1-2 1000 170 1500 18,76
1-3
2-1 Шлам 30 Глина 70
2-2 1000 160 1500 18,22
2-3
3-1 Шлам 20 Глина 80
3-2 1000 160 1500 18,28
3-3
4-1
4-2 Глина 100 1000 140 1500 15,42
4-3
Полученные результаты указывает на то, что увеличение содержания в шихте шлама приводит к повышению расхода жидкого стекла, в тоже время влажность, внешний вид, форма полученных гранул при постоянной скорости вращения турболопастей практически одинаковы.
Из полученных пресс-гранул были отформованы образцы в виде цилиндров (по 3 образца для каждого состава) при давлении прессования 8 МПа (рис. 2).
Рис. 2 - Свежеотформованные образцы - сырец
Сушка производилась при температуре 100 оСдо постоянной влажности в течение 7 часов с последующим обжигом в муфельной печи при температуре 1100 оС и выдержкой образцов в течение 60 минут (рис. 3).
Рис. 3 - Обожженные образцы
На полученных образцах по стандартной методике были определены основные показатели. Результаты исследований приведены в таблице 2.
Введение натриевого жидкого стекла в качестве добавки способствует процессу обжига по механизму жидкофазного спекания по схеме, предложенной К.К. Стреловым и И. Д. Кащеевым[7]. Высокая шероховатость частиц керамики способствует распределению жидкой фазы по поверхности частиц твердой фазы по механизму растекания. В результате данных процессов происходит сцепление между собой гранул из малопластичного неспекаемого сырья, а при охлаждении их - упрочнение.
Увеличение содержания в шихте шлама приводит при одинаковых технологических условиях к снижению механической прочности образцов на 36 %, средней плотности на 30,2 %, увеличению водопоглощения на 24,6 %. Вместе стем, даже при существенном снижении физико-механических свойств образцов, в состав которых вводилось 70 % шламов, предел прочности при сжатии остается достаточно высоким - 10,3 МПа, а комплекс исследованных свойств позволяет утверждать возможность получения изделий стеновой керамики конструкционного назначения - кирпича марок М75, М100[10],а также конструкционно-теплоизоляционного.
Таблица №2
Результаты испытания керамических образцов
Состав Давление Влажность Средняя Водопогло- Предел прочности
№обр. шихты прессования, МПа шихты, % плотность кг/м3 щение, % при сжатии, МПа
1-1 Шлам 8 8,56 1267,2 20,1 10,10
1-2 70% 8 8,58 1264,5 20,3 10,40
1-3 Глина 8 8,67 1240,4 20,5 10,40
Среднее 30% 8,6 1254,4 20,3 10,30
2-1 Шлам 8 9,93 1493,0 17,48 13,10
2-2 30% 8 9,90 1480,4 17,60 13,26
2-3 Глина 8 10,04 1457,9 17,73 13,23
Среднее 70% 10,0 1477,1 17,61 13,20
3-1 Шлам 8 11,13 1617,8 16,33 15,88
3-2 20% 8 11,04 1637,7 16,35 15,54
3-3 Глина 8 11,23 1628,4 16,40 15,74
Среднее 80% 11,1 1628,0 16,36 15,72
4-1 8 10,01 1801,2 15,19 16,36
4-2 Глина 8 9,79 1806,9 15,08 17,72
4-3 100% 8 10,07 1784,7 15,67 14,59
Среднее 10,0 1797,6 15,31 16,23
Таким образом, полученные результаты позволяют утверждать: 1. Целесообразность применения нефтяного бурового шлама в производстве изделий стеновой строительной керамики.
2. Получение керамического кирпича из малопластичного неспекаемого сырья выполнимо при следующих условиях:
- помол сырья до класса -0,3мм;
- введение в состав шихты дополнительного количества плавня;
- отработки оптимальной скорости образования гранул и влажности.
Литература
1. Жуков, А.А. Результаты контрольно-надзорной деятельности в части обращения с отходами производства и потребления Управления Росприроднадзора по Оренбургской области по итогам 9 месяцев и задачи на IV квартал 2012 года.// Оренбург: Упр-ние Росприроднадзора, 2012. - 6 с.
2. Кувыкин, Н.А., Бубнов А.Г., Гриневич В.И. Опасные промышленные отходы // Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2004. - 148 с.
3. Баширов В.В. и др. Техника и технология поэтапного удаления и переработки амбарных шламов. - М.: Высш. шк., 1992-120с.
4. Танатаров М.А.и др. Опыт утилизации нефтешламов ЛПДС "Черкассы" Промышленные и бытовые отходы. Проблемы и решения // материалы конференции. ч.1. Уфа, 1996. - С. 231-232.
5. Дубинецкий В.В., Гурьева В. А. Утилизация бурового шлама с последующим применением при производстве строительных материалов // материалы Всероссийской научно-практической конференции. - БГТИ, 2013. - С. 391-398
6. Дубинецкий В.В., Гурьева В.А., Вдовин К.М. Буровой шлам в производстве изделий строительной керамики. // Строительные материалы, 2015, №4.- С. 75-76.
7. Христофоров А.И., Пикалов Е.С. Модификация шихты для про-изводства керамики. // Строительство и реконструкция, 2010, № 4. - С. 78 - 81.
8. Стороженко Г.И., Столбоушкин А.Ю., Тацки Л.Н. и др. Сравнительный анализ способов подготовки пресс-порошка в технологии керамического
кирпича полусухого прессования // Строительные материалы, 2008, № 4. - С. 24-26.
9.Столбоушкин А.Ю. Особенности формирования структуры керамического матричного композита из гранулированных шихт // Известия высших учебных заведений. Строительство, 2008, № 11. - С. 25-32.
10. Дуденкова Г.Я. Введение в действие ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамический. Общие технические условия». // Строительные материалы, 2013.№4. С. 4-7.
References
1. Zhukov, А.А. Rezultatycontrolno-nadzornojdeyatelnosti v chaste obrashhenia s othodami proizvodstva i potrebleniya Upravleniya Rosprirodnadzora po Orenburgskoj oblasti po itogam 9 mesyacev i zadachi na IV kvartal 2012 goda [The results of inspection and enforcement activities in terms of waste production and consumption of Rosprirodnadzor in the Orenburg region in the first 9 months and tasks for the IV quarter 2012].0renburg: Upr-nie Rosprirodnadzora, 2012. 6 p.
2. Kuvykin, N.A., Bubnov A.G., Grinevich V.I. Opasnye promyshlennye othody. [Hazardous industrial wastes]. Ivan. gos. him.-tehnol. un-t., 2004. 148 p.
3. BashirovV.V.idr.Tehnika I tehnologiya pojetapnogo udaleniya I pererabotki ambarnyh shlamov. [Engineering and technology gradual removal and sludge processing granary]. M.:Byssh. shk., 1992.120p.
4. TanatarovM.A. idr. Materialy konferencii. ch.1. Ufa, 1996. pp. 231-232.
5. Dubineckij V.V., Gureva V.A. Materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. BGTI, 2013. pp. 391-398
6. DubineckijV.V., Gur'evaV.A., Vdovin К.М. Stroitefnye materialy, 2015, №4. pp. 75-76.
7. HristoforovA.I., Pikalov E.S. StroiteFstvo I rekonstrukciya, 2010, № 4. pp. 78 -81.
8. Storozhenko G.I., Stolboushkin A.Ju., Tacki L.N. i dr. SroiteFnye materialy, 2008, № 4. pp. 24-2б.
9.Stolboushkin,А.Ju. Izvestiya vysshyh uchebnyh zavedenij. StroiteFstvo, 2008, № 11. pp. 25-32.
10. Dudenkova G.Ya. SroiteFnye materialy, 2013. №4. pp. 4-7.
