CC BY
144УДК 691.421
Х.С. ЯВРУЯН, канд. техн. наук (khungianos@mail.ru), Е.С. ГАЙШУН, инженер, А.В. КОТЛЯР, инженер
Донской государственный технический университет (344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)
Особенности компрессионного формования тонкодисперсных продуктов углеобогащения при производстве керамического кирпича
Показана актуальность и возможность использования побочных продуктов угольной промышленности (ППУП) в качестве сырья для производства керамических стеновых изделий. Определена необходимость классификации побочных продуктов добычи угля. Для фракции 0-0,5 мм предложено название - тонкодисперсные продукты углеобогащения (ТПУ). Приводятся основные свойства, характеристики и вещественный состав данных материалов, являющихся фактически готовой шихтой для производства стеновой керамики. Представлены особенности прессования ТПУ. Представлены особенности прессования тонкодисперсных продуктов углеобогащения при производстве высокоэффективных стеновых керамических изделий с пониженной себестоимостью способом компрессионного формования изделий. Установлена взаимосвязь между различными свойствами получаемых изделий в зависимости от режимов прессования и технологических факторов. В интервалах удельных давлений прессования от 10 до 40 МПа коэффициент сжатия составляет от 2,0 до 2,25 единицы, что обусловлено тонкодисперсным составом ТПУ. При этом ставится амбициозная задача - получение изделий с минимальной себестоимостью и дополнительное извлечение тепловой энергии при производстве, использование которой может иметь широкий спектр применения.
Ключевые слова: ресурсосбережение, стеновая керамика, тонкодисперсные продукты углеобогащения, компрессионное формование, коэффициент сжатия.
Для цитирования: Явруян Х.С., Гайшун Е.С., Котляр А.В. Особенности компрессионного формования тонкодисперсных продуктов углеобогащения при производстве керамического кирпича // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 14-17.
Kh.S. YAVRUYAN, Candidate of Sciences (Engineering) (khungianos@mail.ru), E.S. GAYSHUN, Engineer, A.V. KOTLYAR, Engineer Don State Technical University (162, Sotsialisticheskaya Street, Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation)
Features of Compression Molding of Fine-Disperse Products of Coal Washing When Producing Ceramic Brick
The relevance and possibility of using by-products of the coal industry (BPCI) as raw materials for producing wall ceramic articles are shown. The necessity to classify the byproducts of coal getting is determined. For fractions of 0-0.5 the name is proposed - Fine-disperse products of coal washing (FPC). Main properties, characteristics and material composition of these materials, which factually are ready-made charge for producing wall ceramics, are presented. Features of FPC pressing are also presented. Peculiarities of pressing of fine-disperse products of coal washing when producing high-efficient wall ceramic articles with reduced self-cost by means of compression molding of products are presented. Interconnection between various properties of obtained products depending on the compression conditions and technological factors is established. Within the intervals of the specific pressing pressures from 10 to 40 MPa, the compression factor is from 2.0 to 2.25 units due to the fine-disperse composition of FPC. At this, an ambitious task is put: produce the product with a minimal self-cost with the additional extraction of heat energy when producing the use of which can have a wide spectrum of application.
Keywords: resource saving, wall ceramics, fine-disperse products, coal washing, compression molding, compression factor.
For citation: Yavruyan Kh.S., Gayshun E.S., Kotlyar A.V. Features of compression molding of fine-disperse products of coal washing when producing ceramic brick. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 12, pp. 14-17. (In Russian).
Угольная отрасль остается одной из базовых отраслей промышленности России. В соответствии с энергетической стратегией развития страны к 2030 г. предусматривается увеличение объемов угледобычи до 410 млн т в год. При этом доля углей, подлежащих обогащению, должна возрасти до 40% от общего объема добычи. В результате работы предприятий углеобогащения будет образовано около 240 млн т отходов. Углеобогатительные предприятия отрасли, расположенные в различных регионах страны, за длительный период работы уже накопили более 20 млрд т отходов углеобогащения [1—4]. При этом большая часть твердых отходов углеобогащения размещается в отвалах. Накопленные и текущие отходы углеобогащения оказывают масштабное и длительное негативное воздействие на окружающую природную среду. Они занимают значительные территории, многие из накоплений отходов склонны к самовозгоранию и поэтому представляют собой реальную угрозу для окружающей среды.
Об использовании побочных продуктов угольной промышленности (ППУП) в качестве сырья для производства керамических стеновых изделий известно давно. Однако широкого внедрения эта практика в силу определенных причин не получила [5—7]. В на-
стоящее время сложилась благоприятная обстановка для широкого вовлечения ППУП в промышленный оборот с целью получения разнообразных по свойствам и назначению изделий стеновой керамики. Обусловлено это экономической целесообразностью вторичного извлечения угля из существующих отвалов и применением более совершенных технологий, в результате которых получаются товарные продукты различного назначения. При этом ставится амбициозная задача — получение изделий с минимальной себестоимостью и дополнительное извлечение тепловой энергии при производстве, использование которой может иметь широкий спектр применения.
Для побочных продуктов угольной промышленности общепринятой классификации нет. Они могут классифицироваться по различным признакам: по химическому и минеральному составу, содержанию угольной составляющей, форме и размерам слагающих компонентов, способу получения, физико-механическим свойствам, технологическим особенностям и т. д. При этом каждая отрасль промышленности, среди которых стройиндустрия является основным и самым крупным потенциальным потребителем ППУП, предъявляет свои требования. В процессе извлечения угля
14
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2017
ТГ /%
ДТГ/(%/мин) ДСК /(мВт/мг)
100 95 90 85 80 75 70 65
Л Пик: 629.7 °C [1]
Начало: 48/0 °С Пик: 321.8 °С V_^/"_Пик: 133.3 °С \ ___ш ^-—___[1]
12
10 0
8 -5
6 -10
4 -15
2 -20
0 -25
200
1000
400 600 800 Температура /°с Рис. 1. Термограмма типичных ТПУ Восточного Донбасса
при переработке террикоников образуется несколько видов материалов. Крупнофракционные материалы с размером зерен от 2 до 150 мм, представленные в основном песчаниками и алевролитами, практически не содержат угля, разделяются на фракции: 2—5; 5—10; 10—20; 20—40; 40—70 мм, которые используются в качестве заполнителей бетона, в дорожном, гидротехническом строительстве и т. д. Материалы с размером зерен меньше 1—2 мм содержат уголь, так как его извлечение из этих фракций затруднительно. Они условно подразделяются на тонкодисперсные материалы с размером фракций 0—0,5 мм и среднедисперсные с размером фракций 0,5—2 мм. Общепринятых названий для этих материалов нет. Фракцию 0—0,5 мм часто называют угольным шламом, отходами углеобогащения, побочными продуктами углеобогащения. Фракцию 0,5—2 мм называют кек, шиша, штыб и т. д. Эти названия не отражают всей сути материала.
Для строительной керамики наибольший интерес в качестве основного сырья представляет фракция 0—0,5 мм, являющаяся готовой шихтой для производства. Фракция 0,5—2 мм может использоваться как компонент шихты, выполняющий роль отощителя. Для исключения недопонимания мы дали фракции 0—0,5 мм название — тонкодисперсные продукты углеобогащения (ТПУ).
ТПУ как товарный продукт предлагаются в виде полусыпучей массы с влажностью 6—10%. Они могут содержать различное количество угольной составляющей, но в основном при используемых современных технологиях это до 20—25%. Помимо угольной составляющей, в ТПУ представлены аргиллиты, аргиллито-подобные глины, алевролиты, глинистые сланцы. Основными породообразующими минералами являются гидрослюды, слюды, каолинит, хлорит, полевые шпаты, плагиоклазы, кварц, оксиды и гидроксиды железа (рис. 1) [8—10]. В среднем их теплотворная способность составляет 1200—3200 ккал/кг.
Усредненный химический состав ТПУ Восточного Донбасса представлен в табл. 1.
С точки зрения экономики стоимость калории тепла в ТПУ в 10—15 раз ниже по сравнению с газом или чистым углем. Например, стоимость чистого угля составляет 4—7 тыс. р. за тонну, энергетического угля — 3—4 тыс. р., газа — 800—1000 р. за тонну, а ТПУ — всего 150—300 р. за тонну.
Результаты ранее проведенных исследований, а также результаты, полученные нами, позволяют говорить, что при использовании ТПУ в качестве основно-
го сырья более предпочтительным является способ компрессионного формования изделий [4—10]. При этом ТПУ фактически являются подготовленной шихтой для производства стеновой керамики. Основной операцией массоподготовки является доведение пресс-порошка до нормальной формовочной влажности, которая составляет около 8%. Способ компрессионного формования имеет многие преимущества в сравнении с пластическим, и особенно это касается себестоимости продукции. При этом одной из важнейших технологических операций, от которой зависят свойства изделий, является собственно процесс формования. В общем плане главной задачей является получение более плотных бездефектных изделий.
При недостаточной влажности пресс-порошка увеличивается внутреннее и внешнее трение, возникают выпрессовочные трещины, изделия получаются недостаточно плотные и для них характерна разноплот-ность: в средней части изделий плотность меньше, чем в нижней и верхней частях (при двухстороннем прессовании).
Избыток влаги в пресс-порошке также нежелателен. Вода при повышении давления препятствует сближению отдельных частиц, увеличивается упругое расширение, что способствует образованию трещин расслоения. Кроме того, после снятия давления вода мигрирует в места контактов, раздвигая их, что способствует увеличению пористости. Поэтому главной задачей при прессовании сыпучих порошкообразных масс является определение оптимального интервала влажности при принятом давлении прессования, что определяется прессовым оборудованием. Более плотный сырец обеспечивает максимальную прочность обожженных изделий.
Проведенные эксперименты, результаты которых частично представлены на рис. 2—4, позволили сделать некоторые выводы об особенностях прессования тонкодисперсных продуктов углеобогащения.
Пресс-порошки на основе ТПУ отличаются достаточно высоким в сравнении с традиционным глинистым сырьем коэффициентом сжатия. В интервалах удельных давлений прессования от 10 до 40 МПа он составляет от 2 до 2,25 ед., что обусловлено тонкодисперсным составом ТПУ. Оптимальные значения составляют 2,1—2,2 ед. Это необходимо учитывать при расчете конструкции и работе прессов, а также при расчете высоты изделий. Так, при высоте изделий 65 мм (кирпич формата 1НФ) высота засыпки должна составлять около 140 мм. При производстве малоформатного керамического камня с высотой 140 мм высота засыпки должна составлять 310 мм. Коэффициент сжатия закономерно возрастает с увеличением давления прессования. При малой влажности пресс-порошка (6%) этот процесс идет пропорционально, не достигая максимальных значений. При высокой влажности пресс-порошка (10—12%) уже при давлении 15—25 МПа не наблюдается увеличения коэффициента сжатия. Это говорит о том, что система переходит из трехфазного состояния в двухфазное — жидкую и твердую фазы. Вода — несжимаемое вещество, и процесс уплотнения прекращается. При влажности около 8% коэффициент сжатия достигает своих максимальных значений после давления 20 МПа и не наблюдается его стабилизации.
Одной из технологических задач в связи с высоким коэффициентом сжатия является задача его снижения.
Усредненный химический состав ТПУ, мас. %
ППП SiO2 AI2O3 Fe2O3 общ. CaO MgO SO3 общ. К2О Na2O TiO2
24-34 34-38 14-18 6-10 1-4 0,5-2 0,3-1 3-4 0,5-1,5 0,4-1
jËfcr^iJTïJBrlslE j j. ®
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2017
15
15 20 25 30 Давление прессования, МПа -»-6% -щ-8% -а-10% -в-12%
Рис. 2. Влияние абсолютной влажности и давления прессования на коэффициент сжатия пресс-порошка на основе ТПУ
15 20 25 30 Давление прессования, МПа _»_6% -«-8% -*-10% -в-12%
Рис. 4. Влияние абсолютной влажности и давления прессования на плотность отпрессованных сухих образцов на основе ТПУ
Добиться этого возможно только путем предварительного уплотнения пресс-порошка в гранулы. Этого можно добиться на различных гранулирующих установках и для этого не требуется высокого давления. Как видно, наибольший рост коэффициента сжатия наблюдается при низком давлении — до 5 МПа. В этот промежуток
15 20 25 30 Давление прессования, МПа -»-6% -щ-8% -*-10% -«-12%
Рис. 3. Влияние абсолютной влажности и давления прессования на плотность отпрессованных влажных образцов на основе ТПУ
Рис. 5. Отпрессованные образцы на основе ТПУ
коэффициент сжатия может составлять в зависимости от влажности пресс-порошка от 80 до 90%. Это обусловлено тем, что газовая фаза изначально в пресс-порошке составляет около 50%.
Плотность необожженных изделий является их важной характеристикой, по которой можно судить о процессе прессования и прогнозировать свойства обожженных изделий — водопоглощение, прочность, огневую усадку, пористость и т. д. Именно от плотности и связанной с ней пористостью во многом будет зависеть скорость и полнота выгорания угольной составляющей при обжиге.
Пресс-порошки на основе ТПУ прессуются в достаточно узком интервале влажности. Плотность прессовок в сравнении с плотностью пресс-порошка увеличивается более чем в два раза. При низкой влажности пресс-порошка (6%) с увеличением давления происходит равномерное увеличение плотности, однако максимальных значений при этом не достигается. При повышенной влажности пресс-порошка (12%), уже при низких давлениях (15—20 МПа) наблюдается стабилизация плотности. Дальнейшее увеличение давления не приводит к увеличению плотности. Это обусловлено тем, что сжатие всей системы прекращается и система переходит в двухфазное состояние с заполнением практически всех пор влагой.
Максимальная плотность влажных сырцовых образцов в пересчете на твердую фазу, а также высушенных образцов достигается при определенной влажности — в интервале 8—10%. При давлении прессования 30 МПа плотность сухих образцов с влажностью 8 и 10% становится почти одинаковой. Это говорит о том, что оптимальная влажность составляет около 9%. Надо иметь в виду, что прессование при пониженной влажности позволяет исключить сушку как отдельную операцию, однако это приводит к пониженной проч-
Рис. 6. Обожженные образцы и кирпич на основе ТПУ
научно-технический и производственный журнал Г1 г^\\£
декабрь 2017 Ы- ЛШ'
ности и плотности изделий, а также к работе пресса при усиленных нагрузках за счет повышенного внутреннего и внешнего трения частиц пресс-порошка при прессовании. Повышенная влажность снижает нагрузки на пресс, существенно снижается разноплот-ность изделий, однако требуется их подсушка перед обжигом.
Образцы, отпрессованные из пресс-порошка с низкой влажностью при давлении выше 30 МПа, часто имеют выпрессовочные трещины, характеризуемые чешуйчатой поверхностью. Они возникают за счет высокого внешнего трения и низкой прочности образцов. При высокой влажности и давлении выше 30 МПа часто возникают перепрессовочные трещины. За счет этого плотность и прочность образцов снижаются. Оптимальными параметрами при производстве керамического кирпича на основе ТПУ способом компрессионного формования следует считать влажность пресс-порошка 8—10% и давление прессования 15—20 МПа. При этом следует иметь в виду, что при максимальной
Список литературы
1. Котляр В.Д., Козлов А.В., Котляр А.В., Терёхина Ю.В. Особенности камневидных глинистых пород Восточного Донбасса как сырья для производства стеновой керамики // Вестник МГСУ. 2014. № 10. С. 95-105.
2. Столбоушкин А.Ю. Стеновые керамические материалы матричной структуры на основе обогащения отходов углистых аргиллитов // Известия вузов. Строительство. 2013. № 2-3. С. 28-36.
3. Ефимов В.И., Никулин И.Б., Рыбак В.Л. Использование отходов углеобогащения и оптимизация ресурсов по экологическому фактору // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014. № 1. С. 85-95.
4. Котляр В.Д., Явруян Х.С. Стеновые керамические изделия на основе тонкодисперсных продуктов переработки террикоников // Строительные материалы. 2017. № 4. С. 38-41.
5. Бурмистров В.Н., Варшавская Д.А., Новинская В.Т. и др. Использование отходов угольной промышленности в качестве сырья для производства керамических стеновых изделий. М.: ВНИИЭСМ, 1976. 44 с.
6. Золотарский А.З., Шейман Е.Ш. Производство керамического кирпича. М.: ВШ,1989. 264 с.
7. Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И. Отходы углеобогащения как сырьевая и энергетическая база заводов керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 43-46.
8. Серегин А.И. Переработка угольных шламов в товарные продукты нетрадиционным физико-химическим воздействием. Дисс... канд. техн. наук. Москва. 2009. 183 с.
9. Котляр В.Д., Устинов А.В., Терёхина Ю.В., Котляр А.В. Особенности процесса обжига угольных шламов при производстве стеновой керамики // Техника и технология силикатов. 2014. № 4. С. 8-15.
10. Котляр В.Д., Явруян Х.С. Тонкодисперсные продукты переработки террикоников как сырье для керамических стеновых изделий // MATEC Web of Conferences (ISSN: 2261-236X, Франция). 2017. № 129, 05013.
плотности необожженных изделий выгорание угольной составляющей при обжиге замедляется.
В целом следует отметить хорошую прессуемость ТПУ. Угольная составляющая за счет низкой твердости выступает своего рода смазкой. Изделия обладают ровной, гладкой поверхностью (рис. 5, 6).
Обожженные изделия на основе ТПУ имеют низкую плотность. В зависимости от температуры обжига и параметров прессования она составляет 1200—1400 кг/м3. Предел прочности при сжатии в зависимости от вышеуказанных параметров изменяется от 6 до 17 МПа, что позволяет производить пустотелые изделия. Цвет изделий светло-красно-коричневый при температуре обжига 900оС и насыщенный красный при 1000оС (рис. 6).
Проведенные лабораторно-технологические исследования позволили выявить особенности прессования тонкодисперсных продуктов углеобогащения при производстве высокоэффективных стеновых керамических изделий с пониженной себестоимостью способом компрессионного формования изделий.
References
1. Kotlyar V.D., Kozlov A.V., Kotlyar A.V., Teriohina U.V. Features the claystone of East Donbass as raw materials for production of wall ceramics. Vestnik MGSU. 2014. No. 10, pp. 95-105. (In Russian).
2. Stolboushkin A.Yu. Wall ceramic materials of matrix structure on the basis of enrichment of waste carbonaceous argillites. Izvestiya Vuzov. Stroitelstvo. 2013. No. 2-3, pp. 28-36. (In Russian)
3. Efimov V.I., Nikulin I.B., Rybak V.L. The use of waste coal enrich-ment and optimization of resources by the environmental factor. Izvestiya TulGU. Nauki o zemle. 2014. No. 1, pp. 85-95. (In Russian).
4. Kotlyar V.D., Yavruyan K.S. Wall ceramic products on the basis of finely dispersed products of processing waste heaps. Stroitel'nye materialy. [Construction Materials]. 2017. No. 4, pp. 38-41. (In Russian).
5. Burmistrov V.N., Varshavskaya D.A., Novinskaya V.T. and others. Ispol'zovanie otkhodov ugol'noi promyshlen-nosti v kachestve syr'ya dlya proizvodstva keramicheskikh stenovykh izdelii [The use of coal industry waste as raw material for the production of ceramic wall products]. Moscow: VNIIESM. 1976. 44 p.
6. Zolotarskii A.Z., Sheiman E.Sh. Proizvodstvo kerami-cheskogo kirpicha [Manufacture of ceramic bricks]. Moscow: Vysshaja shkola. 1989. 264 p.
7. Stolboushkin A.Yu., Storozhenko G.I. Waste of coal enrichment as a raw material and energy base of ceramic wall materials plants. Stroitel'nye materialy. [Construction Materials]. 2011. No. 4, pp. 43-46. (In Russian).
8. Seregin A.I. Processing of coal slurries into commodity products by unconventional physical and chemical effects. Cand. Diss. (Engineering). Moscow. 2009. 183 p.
9. Kotlyar V.D., Ustinov A.V., Terekhina Yu.V., Kot-lyar A.V. Features of the process of calcination of coal slurries in the production of wall ceramics. Tekhnika i technologii silicatov. 2014. No. 4, pp. 8-15. (In Russian).
10. Kotlyar V., Yavruyan K. Thin issues products of processing waste heaps as raw materials for ceramic wall products. MATEC Web of Con-ferences. 2017. No. 129, 05013. (ISSN: 2261-236X, France).
Журнал «Строительные материалы» ® индексируют:
С
НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
LIBRARY* RU
f/r- научно-технический и производственный журнал
Ü^.^.-^r^VlVI® декабрь 2017 17
