CC BY
13
УДК 666.9; 691.54
Магомедов Г. Ю., Бурлов И. Ю., Кривобородов Ю. Р.
СИНТЕЗ ВЫСОКОГЛИНОЗЁМИСТОГО ЦЕМЕНТА НА ОСНОВЕ БЕТОНОЛОМА СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫХ КОВШЕЙ
Магомедов Газимагомед Юсупович - обучающийся 4 курса кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов; gjumagomedov.482@muctr. ru
Бурлов Иван Юрьевич - кандидат технических наук, и.о.зав. кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Кривобородов Юрий Романович - доктор технических наук, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Статья посвящена оптимизации эффективных методов утилизации промышленных отходов путем производства экологически безопасных цементов и вяжущих материалов на их основе.Представлены результаты исследования синтеза высокоглиноземистого цемента на основе бетонолома сталеразливочных ковшей. Определены свойства высокоглинозёмистого цемента с разным содержанием основных фаз. Описана технология получения огнеупорного высокоалюминатного бетона с использованием техногенного материала.
Ключевыеслова: высокоглинозёмистый цемент, огнеупорный бетон, вторичная переработка футеровки сталеразливочных ковшей, высокая огнеупорность,
SYNTHESIS OF HIGH-ALUMINA CEMENT BASED ON THE CONCRETE BREAK OF STEEL LADLES
Magomedov G. Yu., Burlov I. Yu., Krivoborodov Yu. R.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article is devoted to the optimization of effective methods of industrial waste disposal through the production of environmentally friendly cements and binders based on them. The results of the study of the synthesis of high-alumina cement based on the concrete break of steel ladles are presented. The properties of high-alumina cement with different contents of the main phases are determined. The technology of producing high-aluminum refractory concrete using man-made material is described.
Key words: high-alumina cement, refractory concrete, recycling of футеровки steel ladles, high fire resistance
Введение
В последние годы резко возросла потребность различных отраслей промышленности таких как металлургия и промстройматериалы в высокоглинозёмистом цементе (ВГЦ). Во всех развитых странах мира интенсивно растет потребность в цементах обладающих высокой прочностью и быстрым её набором при твердении, а бетоны на их основе имеют высокие показатели по плотности, стойкости в агрессивных средах, жаростойкости и могут работать в агрегатах при повышенных температурах и давлении. К таким вяжущим предметам относятся алюминатные цементы и, в частности, глиноземистый цемент, что и предопределяет практический и теоретический интерес ученых всех стран к указанным цементам. [1].
Теоретический анализ литературных источников выявило, что использование огнеупорных бетонов, в известной степени, сдерживается недостаточным производством огнеупорных вяжущих материалов и в том числе высокоглиноземистого цемента, который как огнеупорное вяжущее вещество является наиболее эффективным. Также в связи с тем, что
современные предприятия имеют высокие экологические стандарты технологических процессов в процессе металлургического производства образуются техногенные отходы с различным химико-минералогическим составом, которые требуется максимально вовлечь во вторичное использование. Полноценным решением вопросов вторичного использования техногенных отходов является переработка огнеупорного
высокоалюминатного бетонасталь-ковшей,
отслуживший свой срок. Использование данного типа бетонов в сталеплавильном производстве обусловлено высокими технологическими требованиями, такими как высокая огнеупорность, коррозионная стойкость, повышенная механическая прочность, химическая чистота и др. Кроме того, глинозёмистые цементы используются при строительстве гидроизоляционных конструкций, бурении нефтяных и газовых скважин, аварийных работах, зимнем бетонировании, а также при строительстве сооружений, которые
эксплуатируются в условиях агрессивных сред. Тенденция к использованию материалов из возобновляемых источников в производстве
строительных изделий обусловлена как экологическими проблемами, так и экономическим фактором[2].
Учитывая актуальность проблемы нами, было проведено исследование, посвящённое оптимизации эффективных методов утилизации промышленных отходов путем производства экологически безопасных цементов и вяжущих материалов на их основе.
Экспериментальная часть
Исследование синтеза высокоглиноземистого цемента на основе бетонолома сталеразливочных ковшей проводилось путем использования бетонола из отработанной футеровки сталь ковшей завода ООО «Тулачермет-Сталь» иокиса кальция завода ООО «СПЕКТР-ХИМ.
Бетонолом включал следующий химический состав: SiO2- 3.1%, АЬОз- 89,8%, Бе2Оз- 1,1%, СаО -2,4%, М§О - 0,5%, БОз- 0,2%. Бетонолом был измельчён и пропущен через сито 0,18 мм.
Минералогический состав был представлен основной фазой оксида алюминия в виде корунда а-А1203 и незначительного присутствия аморфного глинозёма у - АЬОз в соотношении 6:1, который характеризуется повышенным фоном на спектре. Так же присутствовали фазовые новообразования в виде соединений состава SiO2 с АЬОз, соединений СаО, кварца. На рисунке 1 представлен спектр отработанного бетона. Сравнение спектров показывает сходство минералогического состава ботоноломас у - глинозёмом. Это дало возможность испытать бетонолом в данной работе в качестве алюминатного компонента
имя ФЛНЛЛ - "12BETONl.DAT" ОБРАЗЕЦ - "Бспгон Т^лйчориотСтяль 12,Bl.ZBr."
ТИП ЛНОДГЪ — Си ЧИСЛО WHItFKHIlOH — 1 РЕНИН — непркрынный НОМК1* НПЧ .411)11 КОН.УГОЛ III ft Г ЭКСПОЗ . СКОРОСТЬ НЙКС.НКГ.
1 1R.HHH Г.Г. .»НН II I I' ,11 И . 7S f .'.41 (
Углы — ZTut <1 I ИнтанИнвнИИт ь — мциииминнии I Вен иклпл ■ . И >И '1
Корунд a- AI2O3: 3,473; 2.549; 2,380; 2,085; 1,740; 1,601; 1,512. Муллит 3AI2O3*2SiO2: 5,626; 2,687; 1,548. Кварц Si02:4,250; 3,339. Кальцит CaCO3: 3,043.
Данные ДТА - анализа показали, что бетонолом является стабильным и высокотемпературным материалом. С целью получения огнеупорного высокоалюминатного бетона с использованием техногенного материала нами была разработана следующая технология: отработанный бетон проходил стадии, дробления, дозирования, обжига, измельчения, смешения сухой бетонной смеси. Производство состояло из высокотемпературного синтеза высокоалюминатного цемента ВГЦ-I по ГОСТ 969-2019.
При расчете сырьевой смеси исходили из оптимального минералогического состава клинкера, который затем был пересчитан на химический состав по формулам профессора Т.В. Кузнецовой.
Расчет сырьевых проводился на основе формул:
СА = 100 (2 -
1,82
СА2 = 100 (2 - 18) ,
где Ам - алюминатный модуль, т.е. AI2O3 (%) / CaO (%) в клинкере.
В соответствии с вышеуказанными формулами было приготовлено три сырьевых состава.
Смесь № 1: Ам = 2,37 (СА 30%);
Смесь № 2: Ам = 2,73 (СА 50%);
Смесь № 3: Ам = 3,09 (СА 70%).
Обжиг смесей проводился при температуре 1450 °С. Скорость подъёма температуры достигали 500 градусов в час. Время выдержки в печи составляло 1 час. После обжига сырьевые смеси были раздроблены в чугунной ступке и растёрты в агатовой ступке до тонкости частиц порошка, проходящих через сито 0,08 мм.
На рисунке 2 представлена динамика увеличения содержания фазы основного минерала алюмината кальция в зависимости от изменения состава сырьевой смеси. При сравнении составов ВГЦ № 1 ВГЦ № 2, ВГЦ № 3 основными фазами в первом составе являлся диалюминат кальция с основным пиком на рентгенограмме: 2,969 А и диалюминат кальция в количестве с основным пиком на рентгенограмме: 3,50бА. В составе ВГЦ № 2 помимо моноалюмината кальция и диалюмината кальция содержался геленит в количестве до 3 %. Основной фазой в ВГЦ № 3 до 70 % являлся моноалюминат кальция с максимальным пиком на рентгенограмме: 3,753А. Также в этом составе присутствовал двенадцатикальциевый семиалюминат.
Рис. 2. Сравнение минералогических составов алюминатных клинкеров при Т=1450 0С
Полученные результаты физико-механических испытаний алюминатного цемента показывают сходство исследований по минералогическому составу полученных цементов методом РФА. В составе образца ВГЦ №3 получены наибольшие прочности на изгиб и сжатие во все сроки твердения, содержание фазы минерала мноноалюмината кальция в клинкере максимальное, по сравнению с остальными составами.
Как известно, прочность моноалюмината кальция характеризуется высокими показателями в 1-3 сутки, затем её рост замедляется[3]. Диалюминат кальция,
Полученные результаты показывают, что преобладание моноалюмината кальция в смеси характеризуется быстрыми сроками схватывания. Сроки схватывания ВГЦ представлены в таблице 2.
Таблица 2. Сроки схватывания ВГЦ
Состав цемента Начало Конец
схватывания, схватывания,
ч-мин ч-мин
ВГЦ СА 30% 5-23 9-35
ВГЦ СА 50% 2-28 5-46
ВГЦ СА 70% 1-23 3-25
Заключение
Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность синтеза
высокоглинозёмистого цемента на основе бетонолома сталеразливочных ковшей. Показано, что при получении высококачественного глиноземистого цемента необходимо стремиться к получению максимального содержания активного минерала моноалюмината кальция. Доказано, что синтез
как медленнотвердеющий минерал, достигает более высокой прочности по сравнению с СА после 7 суток. твердения. Соответственно изменение соотношения СА:СА2 в клинкере отразилось на прочности цементного камня. По данным выявленным в экспериментальной части можно сделать вывод, что с увеличением содержания оксида CaO в сырьевой смеси повышается содержание фазы CA, что приводит к укороченным срокам схватывания и высоким прочностным характеристикам. Данные результаты в таблице1.
Таблица 1. Прочностные характеристики ВГЦ
высокоглинозёмистого цемента на основе бетонолома сталеразливочных ковшей является эффективным методом утилизации промышленных отходов путем производства экологически безопасных цементов и вяжущих материалов на их основе.
Список литературы
1. Отходы производств и потребления — резерв строительных материалов: монография / В. И. Бархатов, И. П. Добровольский, Ю. Ш. Капкаев. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2017 477 с.
2. Ниязбекова Р. К., Шаншарова Л. С., Кривобородов Ю. Р. Исследование свойств композиционных материалов на основе цементов, содержащих шламы глинозёмного производства // Техника и технология силикатов. — 2018. — Т. 25, № 1. — С. 26-29.
3. Бурлов И.Ю., Кривобородов Ю.Р. «Синтез специальных цементов на основе техногенных материалов». - Успехи в химии и химической технологии. Вып. XIV: 4.2. Тезисы докладов / РХТУ им.Д.И.Менделеева, М., 2000. -112 с.
Состав цемента Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности на изгиб, МПа
Сроки испытаний 1 сут. 3 сут. 7 сут. 1 сут. 3 сут. 7 сут.
ВГЦ СА 30% 10,2 35,4 38,3 0,5 2,1 3,3
ВГЦ СА 50% 15,6 39,8 41,3 5,2 9,4 12,8
ВГЦ СА 70% 55,5 70,1 73,1 10,7 21,0 25,5
