Производство искусственного гипсового камня Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.311

М.А. МИХЕЕНКОВ, канд. техн. наук,

Уральский государственный технический университет (Екатеринбург); В. КИМ, ген. директор, ООО «ГК Юнисхим» (Москва); Л.И. ПОЛЯНСКИЙ, ЗАО «Спайдермаш» (Екатеринбург)

Производство искусственного гипсового камня

Фосфогипс является крупнотоннажным техногенным отходом, образующимся при переработке апатитовых и фосфоритовых руд в фосфорную кислоту. В настоящее время практически весь образующийся фосфогипс вывозится в отвал, создавая нагрузку на окружающую среду. Наиболее перспективным направлением сокращения выбросов фосфогипса в окружающее пространство и переработки существующих отвалов является переработка фосфогипса в продукты, потребляемые строительной индустрией, в частности в регулятор скорости схватывания портландцемента и минеральные вяжущие вещества. Исследования по переработке фосфогипса в регулятор скорости схватывания портландцемента и в минеральные вяжущие вещества проводились многочисленными исследователями но, как правило, эти два направления были выделены в самостоятельные области исследований и решались по отдельности.

Возможность использования фосфогипса в качестве регулятора скорости схватывания портландцемента доказана многочисленными работами и практической реализацией введения фосфогипса и фторангидрита в портландцемент при его производстве [1]. Развитию этого направления препятствует невозможность перевозки фосфогипса на большие расстояния без окуско-вания.

Проводившиеся работы по окускованию фосфогипса можно условно разделить на две группы:

— грануляция фосфогипса с использованием различных вяжущих веществ и последующим твердением гранул;

— окускование фосфогипса при помощи прессования. В работах [2, 3, 4] указывается, что при грануляции

фосфогипса в качестве связующих использовались глина, жидкое стекло, технологическая пыль цементного производства, гашеная известь. Наибольшая прочность фосфогипсовых гранул достигается с применением пи-ритного огарка. Известен способ получения гранулированного фосфогипса [5], включающий получение сырьевой смеси, состоящей из фосфогипса и цементной пыли, подвергаемой прессованию и окатыванию с последующим опудриванием поверхности гранул пылью электрофильтров вращающихся цементных печей или золой уноса ТЭС. В работе [6] описывается способ окатывания фосфогипса, при котором в качестве связующего используется растворимый ангидрит или полугидрат, полученные непосредственно из гранулированного фосфогипса.

Существенным недостатком всех способов грануляции фосфогипса со связующими, является наличие индукционного периода твердения гранул до манипуля-торной прочности, во время которого гранулы при транспортировке могут разрушаться.

Данного недостатка лишен способ окускования фос-фогипса прессованием без применения связующих, поскольку набор манипуляторной прочности происхо-

Рис. 1. Общий вид функции отклика для прочности при сжатии портландцемента через 28 сут в зависимости от содержания в ИГК добавок

Рис. 2. Общий вид функции отклика для коэффициента размягчения в зависимости от содержания в ИГК микрокремнезема и гидроксида алюминия

Рис. 3. Изолинии равной сухой прочности гипсового вяжущего в зависимости от содержания в ИГК, на основе которого оно было приготовлено, микрокремнезема и гидроксида алюминия

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы -- - ® июль 2010 13

1300

1200

1100

1000

900

30 --____ 400 — 450 --- —450 -

50-__ --350 _ 400 --_

00-____ ' 300 — --350 ---

50-___ --250 —-300 —

200 ~~ 200 ~ —250 — 200 -

150---- 150 — —150 _

-100 __ --100 ___

100

200

300

Давление прессования, МПа

Рис. 4. Изолинии равных значений дифракционного максимума суль-фоалюмината кальция с d = 3,72А в зависимости от давления прессования и температуры обжига сырьевой смеси

дит мгновенно после приложения механической нагрузки. Набор прочности при прессовании гипса дигид-рата происходит за счет установления межатомных связей между кристаллогидратами фосфогипса, разрушающимися при нагрузке и сближающимися на расстояния, способствующие установлению данных связей, а также за счет кристаллизации дигидрата, выделяющегося при высыхании прессованного гипса [7].

В работах [8, 9] приводятся данные по освоению технологии гранулирования фосфогипса методом прессования. В работе [4] изучалось влияние влажности фосфогипса на физико-механические свойства прессованных брикетов. Установлено, что максимальная прочность брикетов достигается при содержании

общей влаги 20%, что соответствует структуре обезвоженного дигидрата. Описаны результаты испытаний окускования фосфогипса на валковом прессе. Установлена возможность получения брикетов удовлетворительной прочности при прессовании смеси, состоящей из полугидрата и дигидрата. Брикеты, полученные из смеси дигидрата и полугидрата имели прочность 1,3 МПа.

Разработанные способы прямой переработки фос-фогипса в гипсовые вяжущие вещества можно условно разделить на две большие группы:

— сухие способы получения гипсовых вяжущих;

— мокрые способы получения гипсовых вяжущих.

К сухим способам получения гипсовых вяжущих можно отнести:

— способы получения гипсового вяжущего в-модифи-кации в тепловых агрегатах различной конструкции, осуществляющих перевод дигидрата в полугидрат при атмосферном давлении [10];

— способы получения высокообжиговых гипсовых вяжущих [11];

— способы получения безобжиговых гипсовых вяжущих [12].

К мокрым способам получения гипсовых вяжущих можно отнести:

— способы получения гипсового вяжущего а-модифи-кации путем автоклавной обработки суспензии фос-фогипса [10];

— способы получения гипсового вяжущего а-моди-фикации путем варки фосфогипса в растворах солей [10].

Общими проблемами переработки фосфогипса и в регулятор скорости схватывания портландцемента и прямой переработки в гипсовые вяжущие вещества является наличие в фосфогипсе остатков сложных солей двух- и трехвалентных металлов фосфорной, ор-токремниевой и серной кислот и повышенное содержание (до 30%) свободной сверхкристаллизационной воды. Вследствие указанных особенностей фосфо-гипса, как сырья для производства строительных материалов, производство гипсовых вяжущих веществ и регуляторов скорости схватывания портландцемента, располагалось как правило на территории предприятий, на которых образуется фосфогипс, при этом

0

Рис. 5. Участок по производству искусственного гипсового камня

Рис. 6. Принципиальная схема участка производства искусственного гипсового камня: 1 - приемный бункер; 2 - ленточный конвейер; 3, 4 - силоса для технологических добавок; 5 - смеситель шнековый лопастной СШ; 6 - ленточный питатель; 7 - элеватор; 8 - бункер томления; 9 - ленточный питатель; 10 - приемный бункер-дозатор иК-сушил-ки; 11 - ИК-сушилка; 12 - ленточный питатель; 13 - элеватор; 14 - бункер-охладитель; 15 - ленточный питатель; 16- пресс брикетировочный валковый серии ПБВ; 17 - наклонный ленточный конвейер; 18 - диспетчерский пункт; 19 - резервная площадь для второй очереди

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

14 июль 2010 *

Рис. 7. Смеситель шнековый лопастной серии СШ

энергозатраты на удаление избыточной свободной воды, особенно при производстве минеральных вяжущих веществ, были довольно высоки, а физико-механические свойства такой продукции существенно уступали продукции на природном гипсовом камне. Регулятор скорости схватывания портландцемента, полученный из фософгипса, сильно замедлял твердение портландцемента, а прочность гипсовых вяжущих в-модификации на основе фосфогипса не превышала марок Г-2, Г-3.

При разработке технологии производства искусственного гипсового камня авторами был предложен комплексный подход решения данных проблем т. е. производимый методом прессования искусственный гипсовый камень имеет комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих возможность его использования в качестве регулятора скорости схватывания портландцемента, сырья для производства гипсовых и сульфатированных гидравлических вяжущих веществ. Такой подход позволяет на стадии производства искусственного гипсового камня придать ему комплекс физико-механических свойств, необходимых для решения конкретной технологической задачи.

Особенность разработанной технологии заключается во введении в фосфогипс перед прессованием добавок, обеспечивающих протекание реакций, связывающих вредные примеси в нерастворимые соединения, а свободную воду в кристаллогидратную. Прессование при высоких давлениях подготовленной подобным образом смеси, обеспечивает разрушение кристаллогидратов фосфогипса с выходом на поверхность вредных включений, связывание их в нерастворимые соединения, и протекание при этом реакций, продукты которых оказывают полезное влияние на конечный продукт, получаемый на основе такого фософгипса.

Если искусственный гипсовый камень используется в качестве регулятора скорости схватывания при производстве портландцемента, то в нем целесообразно формировать низкосульфатные формы гидро-сульфоалюминатов и гидросульфоферритов кальция [13, 14]. Цемент, приготовленный на таком искусственном гипсовом камне, имеет более высокие физико-механические свойства, чем цемент на природном гипсовом камне. На рис. 1 приведен общий вид функции отклика для предела прочности портландцемента через 28 сут, в зависимости от содержания в искусственном гипсовом камне извести и железосодержащей пыли.

Рис. 8. Пресс брикетировочный валковый серии ПБВ

Анализ факторной области функции отклика для предела прочности при сжатии показывает, что функция отклика имеет ярко выраженный максимум, соответствующий Rсж = 58,33 МПа. Аналогичные результаты показывают алюмосодержащие добавки в ИГК.

Искусственный гипсовый камень, используемый для производства гипсового вяжущего, может содержать нейтрализующие добавки, и добавки, повышающие прочность и водостойкость гипса. Гипсовое вяжущее, полученное на основе такого ИГК, в зависимости от содержания в нем добавок и условий обработки, может обладать повышенной водостойкостью [15] и повышенной прочностью.

На рис. 2 показан общий вид тернарного графика для коэффициента размягчения гипсового вяжущего, приготовленного из искусственного гипсового камня, в зависимости от содержания в нем гидроксида алюминия и микрокремнезема.

Результаты испытаний свидетельствуют, что максимальная водостойкость гипсового вяжущего достигается при образовании в нем при гидратации гидрогранатов кальция и тоберморита. При этом известь в искусственный гипсовый камень перед прессованием не вводилась, а была вовлечена в данные соединения из гипса.

На рис. 3 приведен тернарный график изолиний равной сухой прочности гипсового вяжущего, приготовленного из искусственного гипсового камня, в зависимости от содержания в нем гидроксида алюминия и микрокремнезема.

Повышенная прочность гипсового вяжущего в сухом состоянии достигается при формировании в нем гидрогранатов кальция и гидратов однокальциевого алюмината.

Возможности получения ИГК, пригодного для производства гидравлических вяжущих и влияние давления прессования на синтез гидравлических вяжущих изучались при синтезе сульфатированных—линкеро—--разующих минералов состава (С28)2С8, С3Л3С8,

научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

® июль 2010 15

Рис. 9. Общий вид ИК-сушилки участка Рис. 10. Работа ИК-сушилки

и 3(CF)CS. Цементы на основе таких минералов относятся к высокопрочным быстротвердеющим цементам.

При проведении работы изучалось влияние давления прессования и температуры обжига на синтез суль-фатированных минералов. Перед обжигом сырьевую смесь, рассчитанную по модульным характеристикам на получение данного минерала, измельчали и прессовали при давлениях 0, 100, 200 и 300 МПа. Обжиг прессованной сырьевой смеси осуществляли при температурах 700, 900, 1100 и 1300оС. Полученные образцы исследовали методами рентгенофазового анализа. Рентгенофа-зовый анализ проводили на приборе ДРОН-3.

Результаты исследований показали возможность получения сульфатированных цементов мономинерального состава, при этом давление прессования сырьевой смеси оказывает существенное влияние на процессы клинкерообразования, позволяя снизить температуру обжига сырьевой смеси. На рис. 4 приведены изолинии равных значений дифракционного максимума сульфоалюмината кальция с d = 3,72А в зависимости от давления прессования и температуры обжига сырьевой смеси.

Результаты обработки экспериментальных данных свидетельствуют, что во всем диапазоне обжига сырьевой смеси данного минералогического состава, прессование сырьевой смеси перед обжигом при давлении 300 МПа, позволяет снизить температуру обжига в среднем на 50оС. Прессование сырьевых смесей иного минералогического состава перед обжигом, позволяет снизить температуру обжига сырьевой смеси на 100—150оС.

При введении оптимального количества технологических добавок в фосфогипс на получение ИГК для цементной промышленности и производства гипсовых вяжущих, связывается около 8% свободной воды, но колебания влажности исходного фосфогипса достигают 20% свободной воды, поэтому для досушивания фосфо-гипса была применена ИК-сушка, которая позволяет досушивать фосфогипс до оптимальной для прессования влажности 5—7%, не затрагивая при этом кристал-логидратную воду.

При производстве ИГК на сульфатированное гидравлическое вяжущее сушка не требуется, так как перед прессованием в сырьевую смесь вместе с силикатами, алюминатами и ферритами вводится значительное количество аспирационной извести активностью выше 85%. В сырьевой смеси протекают высокоэкзотермич-ные реакции гидратации извести с добавками, приводя-

щие к сильному разогреву и связыванию свободной воды в кристаллогидратную. В некоторых случаях для достижения оптимальных условий прессования требуется введение дополнительной воды.

Участок производства искусственного гипсового камня, реализующий разработанную технологию, пущен в эксплуатацию на отвале фосфогипса одного из химических заводов. Общий вид участка по производству искусственного гипсового камня приведен на рис. 5.

Принципиальная схема участка приведена на рис. 6.

Технологический процесс состоит из нескольких операций. Фосфогипс из отвала автотранспортом доставляется к приемному бункеру 1. Приемный бункер снабжен дробильными барабанами и питателем, которые осуществляют домол кусков фосфогипса и подачу молотого продукта на ленточный конвейер 2. На этот же конвейер из силосов 3 и 4 подаются технологические добавки, которые вместе с молотым фосфогипсом загружается в приемную воронку 2-х вального шнеко-вого смесителя 5. Из смесителя ленточным питателем 6 и элеватором 7 смесь поступает в бункер томления 8, где выдерживается в течение 2 ч. Из бункера томления ленточным питателем 9 смесь подается в приемный бункер-дозатор 10 инфракрасной туннельной проходной печи 11. Равномерно уложенный по ширине конвейера слой толщиной 30—50 мм проходит несколько зон нагрева и отвода водяного пара, после каждой зоны материал переворачивается специальными плужками. В ходе сушки фосфогипс теряет 10—25% свободной воды, удаляемой принудительной вентиляцией, при этом кристаллизационная вода сохраняется. Высушенный фосфогипс ленточным питателем 12 и элеватором 13 загружается в промежуточный бункер-охладитель 14. Из этого бункера ленточным питателем 15 продукт подается в воронку валкового брикети-ровочного пресса 16. После прессования искусственный гипсовый камень наклонным конвейером 17 передается в соседний пролет и там штабелируется (складируется) по типу «шеврон» на складе готовой продукции.

На рис. 7, 8, 9 приведены общие виды соответственно смесителя шнекового лопастного, пресса брикетиро-вочного валкового серии ПБВ, ИК сушила, а на рис. 10 показано ИК сушило в работе.

Реализация данного проекта и расширение его опыта позволит решить несколько важных народно хозяйственных проблем, в частности сократить нагрузку фосфогипса на окружающую среду при одновре-

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

16 июль 2010 *

менном сокращении потребления природного гипсового камня для нужд цементной промышленности, улучшение физико-механических свойств портландцемента, гипсовых и гидравлических сульфатирован-ных вяжущих.

Ключевые слова: фосфогипс, искусственный гипсовый камень, гипсовое вяжущее, сульфатированные цементы.

Список литературы

1. Пьячев В.А. Отвальный полевской фторгипс как добавка при помоле портландцемента // Сборник трудов «Строительство и образование». Екатеринбург. 2002. Вып. 5. С. 164-165.

2. Мещеряков Ю.Г. Гипсовые попутные промышленные отходы и их применение в производстве строительных материалов. Л: Стройиздат. 1982. 144 с.

3. Классен П.В. Гранулирование фосфогипса методами окатывания и прессования // Химическая промышленность. 1976. № 10. С. 757-759.

4. Самцов В.П. Производство строительных материалов на основе фосфогипса. Минск: БелНИИНТИ. 1990. 41 с.

5. Патент РФ № 92001957, Способ получения гранулированного фосфогипса / А.Н. Макаров, Л.И. Сычева, И.Б. Удачкин, В.И. Цымбалов Опубл.: БИ, 1995, № 6.

6. Salzgitter Industriebau G.m.b.H Tehnologie zur Herstellung von Zement-ambindeverogerer aus Phosphogips. 1980. S. 8.

7. Ляшкевич И.М. Эффективные строительные материалы на основе гипса и фосфогипса. М: Высшая школа. 1989.

8. Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования. Екатеринбург: Полиграфист. 2007. 503 с.

9. Терсин В.А. Тезисы доклада Всесоюзной конференции «Проблемы производства экстракционной ортофосфорной кислоты и охрана природы». М.: НИИУФ. 1985. С. 134-135.

10. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение). Под общей ред. А.В. Ферронской. М.: Издательство АСВ. С. 98-105.

11. Сычева Л.И., Ануфриев М.В. Выпуск ангидритового вяжущего из фосфогипса // Цемент. 1993. № 5-6. 60-62 с.

12. Федорчук Ю.М. Способ получения ангидритового вяжущего. Патент РФ на изобретение № 2277515. Опубл.: БИ, 2006, № 10.

13. Михеенков М.А. Особенности технологии производства искусственного гипсового камня на основе фос-фогипса // Цемент и его применение. 2009. № 1. С. 76-79.

14. Михеенков М.А. Искусственный гипсовый камень на основе фосфогипса // Цемент и его применение. 2009. № 5. С. 81-84.

15. Михеенков М.А. Прессование, как способ повышения водостойкости гипсового вяжущего // Вестник МГСУ. 2009. № 4. С. 158-167.

ООО «ГК Юнисхим»

Поставляет

♦ искусственный гипсовый камнь для производства гипсового вяжущего и гипсового вяжущего повышенной водостойкости;

♦ искусственный гипсовый камень для производства портландцемента;

♦ гипсовое вяжущее в т.ч. повышенной водостойкости.

Проводит испытания гипсосодержащих отходов заказчика с целью определения возможности их переработки и использования для производства строительных материалов.

Разрабатывает

♦ технологии производства строительных материалов;

♦ технологии и проекты участков по переработке гипсосодержащих отходов.

140205, Московская обл., г. Воскресенск, ул. Кирова, д. 3 Тел.: (495) 124-26-79, (49644) 40-737 Факс: (495) 124-67-77 e-mail: vladkim@mail.ru

Реклама

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы -- - ® июль 2010 17