CC BY
42
УДК 662.613.12: 662.68.
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА КЕРАМИЧЕСКОЙ ШИХТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ КАЗАНСКОЙ
ТЭЦ-2
Э.Р. БАРИЕВА *, Э.А. КОРОЛЕВ **, Е.С. ЕГОРОВА *
*Казанский государственный энергетический университет **Казанский государственный университет
Проведено изучение состава золошлаковых отходов Казанской ТЭЦ-2. Показана возможность использования их в производстве керамического кирпича.
Ключевые слова: золошлаковые отходы, керамическая шихта, керамический кирпич, новообразованный гематит, волластонит.
Увеличивающиеся темпы строительства жилых и общественных зданий, а также промышленных объектов различного назначения, требуют наращивания объемов производства строительных материалов, и в первую очередь, стеновых кирпичей. В связи с этим перед предприятиями, занимающимися производством красных керамических кирпичей, стоит задача по увеличению объемов выпуска и расширению номенклатуры изделий. При этом себестоимость готовых изделий не должна существенно превышать определенного предела, что достигается в первую очередь оптимизацией технологического процесса и широким использованием отходов производства близко расположенных промышленных предприятий.
В последнее время кирпичные заводы в качестве дешевого наполнителя пытаются использовать золошлаковые отходы, образующиеся на Казанской ТЭЦ-2 при сжигании Кузнецкого угля. Однако замена ранее использованного природного сырья на искусственные смеси - шихты подразумевает всестороннее изучение как самих золовых добавок, так и их влияния на процессы спекания керамических изделий.
Изучение золошлаковых отходов показало, что они характеризуются относительно однородным вещественным составом. Во всех изученных образцах преобладающей фазой является аморфное вещество, представленное сферическими частичками кремнезема и глинозема с микровключениями углерода. Кристаллические фазы находятся в меньшем количестве. К ним относятся кварц (8Ю2), муллит (А148Ю8), гематит (Ре203), магнетит (РеРе204), кальцит (СаС03), микроклин (К[А1,81308]) и альбит ^а[А1,81308]) [1]. По результатам химического анализа в составе зольных частичек преобладают оксиды кремнезема (8Ю2) и глинозема (А1203), составляющие 60,35% и 28,03%, соответственно. В заметных количествах присутствуют железо (^Ре2О3+РеО) -7,17%, ^а2О+К20 - 2,10%, СаО - 1,08%, ТЮ2 - 0,75%, 803 - 0,28%, Р205 - 0,24%. Все установленные химические элементы и их минеральные фазы относятся к
© Э.Р. Бариева, Э.А. Королев, Е.С. Егорова Проблемы энергетики, 2009, № 7-8
классу малоопасных веществ, не представляющих угрозы для здоровья человека, поэтому золошлаковые отходы допустимо использовать в качестве вторичного сырья [2].
Твердые минеральные добавки-отощители, подмешиваемые к природному глинистому сырью, традиционно рассматриваются как инертные компоненты керамической шихты. Их функция заключается лишь в снижении воздушной усадки и предотвращении механических деформаций формованных изделий-сырцов при сушке. В процессе обжига формованной шихты природные, минеральные добавки практически не участвуют в фазовых преобразованиях. Золовые отходы, характеризующиеся высоким содержанием аморфного кремнезема и глинозема, очевидно, могут служить не только отощителем, но и катализатором различных термических преобразований, выполняя функцию плавня.
Чтобы оценить эффективность влияния золошлаковых отходов на керамическую шихту, были проведены серии модельных экспериментов. В одних экспериментах использовалось природное глинистое сырье, из которого на Шеланговском кирпичном заводе ОАО «Керамика-синтез» изготавливаются керамические кирпичи, в других - рабочая шихта предприятия, состоящая на 75% из глины, на 15% из песка и на 10% из шелухи гречихи. В эти смесь добавляли 10, 15, 20 и 25% золовой добавки, отобранной с Кировского золоотвала. После формования керамических балочек и их последующего обжига при Т=980оС проводились испытания изделий на прочность в соответствии с ГОСТ 8462-85. Для этих целей использовался гидравлический пресс, обеспечивающий контролируемую сжимающую нагрузку до 50 кН (П-50). В ходе процесса изготовления керамических изделий фиксировались изменения их плотности и степени огневой усадки. Результаты исследований приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Физико-механические свойства керамических изделий, изготовленных из природной глины с
различным содержанием золового наполнителя
Природная глина, % Зола, % Прочность на сжатие, МПа Плотность, г/см3 Усадка, %
100 0 24,83 13,50 6,6
90 10 20,3 14,10 6,6
85 15 18,03 13,05 3,3
80 20 19,23 13,12 3,3
75 25 22,0 13,10 3,3
Таблица 2
Физико-механические свойства керамических изделий, изготовленных из рабочей шихты с различным содержанием золового наполнителя
Рабочая шихта, % Зола, % Прочность на сжатие, МПа Плотность, г/см3 Усадка, %
100 0 11,05 14,25 2,5
90 10 12,5 12,75 6,6
85 15 12,5 12,75 6,6
80 20 15,0 12,50 6,6
Анализ полученных данных позволяет выявить следующие тенденции. При добавлении в рабочую шихту 10, 15 и 20% золы наблюдается последовательное увеличение прочности керамических изделий на сжатие. Максимальное значение прочности достигается при введении в состав рабочей шихты 20% золовой добавки. Одновременно с увеличением механической прочности на 12-13%
снижается плотность изделий, что является немаловажным фактором для стеновых материалов. Согласно требованиям, предъявляемым к керамическим кирпичам по ГОСТ 530-95, изделия с добавкой золы соответствуют на сжатие марки не ниже М 100 (выдерживают нагрузку не менее 10 МПа), а на изгиб - не ниже марки М 300 (выдерживают нагрузку не менее 30 МПа) [4].
При работе с природной глиной золовая добавка не столь эффективна, как в случае с рабочей шихтой. Керамические изделия, изготовленные из природной глины без наполнителя, обладают большей прочностью по сравнению с изделиями, содержащими золовую добавку. Однако при этом у них проявляется высокая усадка при обжиге, что в массовом производстве приведет к увеличению доли бракованных кирпичей. Введение золошлаковой добавки в два раза снижает огневую усадку, при этом показатели прочностных характеристик существенно выходят за рамки минимальных значений, регламентированных ГОСТ 530-95.
После проведения физико-механических испытаний керамические изделия из природной глины были исследованы с помощью рентгенографического анализа. Цель исследования - установить, как золовые добавки влияют на процессы фазовых преобразований, протекающих в шихте. Фазовый состав изделий определялся на серийном рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 при следующих режимах съемки: медное Ка-излучение с 1=1.54178А, экспозиция - 6 с, шаг сканирования - 0,008о, диапазон - 4-30о по 0. Спектры снимались с порошковых препаратах, изготовленных по общепринятой методике [3].
Полученные рентгеновские спектры показывают, что во всех керамических изделиях, независимо от наличия и количества золовой добавки, идут одни и те же процессы фазовых преобразований. Доминирующим является термическое разложение глинистых минералов: смектита, вермикулита и иллита, которое, собственно, и приводит к образованию керамического черепка. В результате последовательного ухода из структуры слоистых силикатов различных химических элементов происходит их аморфизация, что фиксируется по увеличению фоновой составляющей спектров. Одновременно с ростом рентгеноаморфной фазы наблюдается появление таких новообразований, как гематит (Ре203) и волластонит (Са3[81309]).
Однако, несмотря на идентичность процессов фазовых преобразований, интенсивность их проявлений все же в какой-то мере контролируется золошлаковой добавкой. В первую очередь контроль проявляется в отношении новообразующихся кристаллохимических соединений. При сравнении абсолютных значений пиковых интенсивностей гематитового (</104 = 0,269 нм) и волластонитового (^310 = 0,296 нм) рефлексов керамических изделий с различным количеством золовой добавки хорошо прослеживается тенденция их увеличения с ростом процентного содержания наполнителя в шихте (см. рисунок). Следует напомнить, что пиковые интенсивности рефлексов фактически отражают количество минерала в исследуемом объекте. Таким образом, мы, по сути, фиксируем, что золошлаковая добавка приводит к интенсификации процессов образования гематита и волластонита.
Полученные результаты показывают, что использование золошлаковых отходов ТЭЦ-2 в качестве минеральных наполнителей керамической шихты вполне допустимо, так как при их введении улучшаются физико-механические характеристики стеновых кирпичей при одновременном уменьшении их веса. При этом золошлаковая добавка достаточно активно участвует в минералообразовательных процессах, увеличивая число кристаллизационных контактов в керамических изделиях.
Рис. Изменение интенсивности диагностических рефлексов гематита (светлые точки) и волластонита (черные точки) с увеличением содержания золовой добавки в керамической шихте. Тенденция показана пунктирными линиями тренда
Summary
We examine the composition of ash and slag wastes in Kazan thermal electric power plant-2. Possibility of their use in manufacture of a ceramic brick is shown.
Key words: ash and slag wastes, ceramic mixs, the ceramic brick, neogenic hematite, wollastonite.
Литература
1. Бариева Э.Р., Королев Э.А., Рунов Д.М, Шамсутдинов Л.Ф. Изучение минералогического состава золошлаковых отходов Казанской ТЭЦ-2 // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2004. №11-12. С. 138-140.
2. Бариева Э.Р., Королев Э.А., Галимуллина Н.А, Фещенко М.А. Оценка экологической опасности золошлаковых отходов Казанской ТЭЦ-2 // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2008. №5-6. С. 108-111.
3. Бокий Г.Б., Порий-Кошиц М.А. Рентгеноструктурный анализ. Т. 1. М.: Изд-во МГУ, 1964. 489 с.
4. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия.
5. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе.
Поступила в редакцию 17 марта 2009 г.
Бариева Энза Рафаиловна - канд. биол. наук, доцент кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-43-25.
Королев Эдуард Анатольевич - канд. г.-м. наук, доцент кафедры «Общая геология и гидрогеология» Казанского государственного университета. Тел.: 8 (843) 292-96-92.
Егорова Елена Сергеевна - студентка Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 518-05-14.
