Стеновые керамические изделия на основе тонкодисперсных продуктов переработки террикоников Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 666.71 + 662.653

В.Д. КОТЛЯР, д-р техн. наук, Х.С. ЯВРУЯН, канд. техн. наук

Донской государственный технический университет (344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)

Стеновые керамические изделия на основе тонкодисперсных продуктов переработки террикоников

Показана высокая перспективность производства изделий стеновой керамики на основе тонкозернистых продуктов переработки террикоников (ТППТ) с повышенным содержанием угольной составляющей. Приводится характеристика данных материалов, являющихся фактически готовой керамической шихтой, а также характеристика получаемых изделий в зависимости от температуры обжига. Установлена взаимосвязь между различными свойствами получаемых изделий, предел прочности при сжатии которых составляет от 10 до 19 МПа. Даны рекомендации по основным технологическим параметрам производства. Подчеркивается, что низкая себестоимость изделий обусловлена: исключением затрат на сырьевые материалы, связанных с разработкой и содержанием месторождений; практическим отсутствием затрат на массоподготовку; сушкой изделий за счет отбора тепла из печи; отсутствием затрат на топливо, необходимое для обжига. Указывается, что при производстве изделий стеновой керамики на основе тонкозернистых продуктов переработки террикоников появляются дополнительные источники доходов, связанные с сокращением капитальных и текущих затрат на содержание отвалов ТППТ и использованием избыточного тепла в различных направлениях.

Ключевые слова: стеновая керамика, техногенное сырье, терриконики, технология.

Для цитирования: Котляр В.Д., Явруян Х.С. Стеновые керамические изделия на основе тонкодисперсных продуктов переработки террикоников // Строительные материалы. 2017. № 4. С. 38-41.

V.D. KOTLYAR, Doctor of Sciences (Engineering) (diatomit_kvd@mail.ru), K.S. YAVRUYAN, Candidate of Sciences (Engineering) Don State Technical University (162, Socialisticheskaja Street, Rostov-on-Don, 344022, Russian Federation)

Wall Ceramic Articles on the Basis of Fine-Disperse Products of Waste Pile Processing

The high perspectivity of production of wall ceramic articles on the basis of fine-grained products of processing of waste piles with high content of a coal component is shown. Characteristics of these materials, which factually are the ready ceramic mixture as well as characteristics of articles produced depending on the burning temperature are presented. The interconnection between various properties of articles produced, compression strength limit of which are 10-19 MPa at low density, is established. Recommendations on main technological parameters of the production are made. It is emphasized that the low cost of products are due to the exclusion of expenditures for raw materials related to the development and content of deposits, the practical absence of expenditures for mass preparation, products drying due to the heat extraction from the kiln, the absence of expenditures for fuel required for burning. It is indicated that when producing wall ceramic articles on the basis of fine-grained products of waste piles processing, additional sources of profits related to the reduction in capital and current expenditures for maintenance of waste piles and the use of surplus heat in different directions appear.

Keywords: wall ceramic, anthropogenic raw materials, waste piles, technology.

For citation: Kotlyar V.D., Yavruyan K.S. Wall ceramic articles on the basis of fine-disperse products of waste pile processing. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 4, pp. 38-41. (In Russian).

В настоящее время различное техногенное сырье угольного ряда привлекает все большее внимание с целью производства изделий стеновой керамики. Это обусловлено несколькими причинами, основными из которых являются:

— необходимость производства изделий в современных экономических условиях с минимальной себестоимостью, что достигается за счет сокращения затрат на обжиг и переработку сырья;

— увеличивающийся спрос на изделия высокой эффективности с классом по средней плотности 0,7—0,8 (менее 700-800 кг/м3) и коэффициентом теплопроводности кладки в сухом состоянии до 0,2 Вт/(м-°С). Прежде всего это касается пустотелых поризованных керамических камней размером от 2,1 до 14,9 НФ;

- изменившиеся экономические условия, которые сделали техногенное сырье угольного ряда более доступным для производителей керамических стеновых материалов;

- разработанные обжиговые печи для сырья с высоким содержанием топливного компонента и с возможностью отбора излишков тепла.

Об использовании отходов угольной промышленности в качестве сырья для производства керамических стеновых изделий известно давно. В Советском Союзе в этом направлении особенно активно велись работы в 70-80-х гг. прошлого века [1-3]. Были выполнены большие лабораторно-технологические исследования. Однако практическое внедрение осуществлялось отно-

сительно редко. Предприятиям угольной отрасли это было неинтересно — основной задачей был уголь. Хоть как-то подстраиваться под кирпичные заводы для них не имело экономического смысла. Для кирпичных заводов самостоятельно заниматься разработкой террикоников было весьма хлопотно и затратно.

Ситуация изменилась коренным образом в последние годы. Углеобогатительные фабрики теперь рассматривают попутные продукты обогащения углей как товар и всячески стараются подстроиться под конкретного потребителя в вопросах свойств и стоимости [4—8]. Активно начали разрабатываться неперегоревшие тер-риконики. Дело в том, что содержание угля в них составляет от 10 до 25%. И экономически гораздо более выгодным является в настоящее время разработка тер-рикоников с целью извлечения угля, чем подземная добыча угля. Только на территории Восточного Донбасса сформировано около 500 отвалов шахт и обогатительных фабрик с массой 600—700 млн т. Несмотря на разработку, объем накопленных отвалов практически не уменьшается, так как в процессе добычи и обогащения на 1 т товарного угля в среднем приходится около 3 т попутных продуктов. Также в последние годы технологии извлечения и обогащения угля значительно усовершенствовались в плане того, что свойства попутных продуктов можно регулировать по содержанию угольной составляющей, зерновому составу, влажности и т. д.

Авторами проведены исследования по возможности получения стеновых керамических изделий высокой

38

научно-технический и производственный журнал

апрель 2017

ДТГ, %/мин

Температура, °С Рис. 1. Термограмма ТППТ Восточного Донбасса

Температура обжига, °С

Рис. 2. Зависимость предела прочности при сжатии (1), изгибе (2) и средней плотности (3) от температуры обжига

эффективности на основе тонкозернистых продуктов переработки террикоников с повышенным содержанием угольной составляющей. В процессе извлечения угля при переработке террикоников образуется несколько видов материалов. Крупнофракционные материалы с размером зерен от 2 до 70 мм. Они практически не содержат угля, их разделяют на фракции (2—5; 5—10; 10—20; 20—40; 40—70 мм) и используют в строительстве. Мелкофракционные материалы с размером зерен от 0 до 2 мм, для которых нет общепринятых названий. Они разделяются на два вида по фракционному составу: фракция 0,5—2 мм, условно названная нами кек, и фракция 0—0,5 мм, названая нами тонкодисперсные продукты переработки террикоников (ТППТ).

В качестве основного сырья для производства стеновой керамики наиболее интересны ТППТ, так как кек является отощителем для керамических масс. ТППТ могут содержать различное количество угольной составляющей, но в основном, при используемых современных технологиях, это 20—25%. Нашей задачей было установление возможности получения изделий стеновой керамики высокой эффективности на основе ТППТ. Традиционно считается, что для получения качественного кирпича потери при прокаливании для углеотходов не должны превышать 20% [1, 3]. Однако

экспериментальных данных по этому вопросу очень мало, и они достаточно противоречивые.

Усредненный химический состав тонкодисперсных продуктов переработки террикоников Восточного Донбасса представлен в табл. 1. В отличие от глинистого сырья ТППТ обладают повышенными показателями потерь при прокаливании — 25—29%, связанными с наличием угольной составляющей. Если ее не учитывать, ППП будут изменяться в интервале 5—8%. Содержание SiO2 и А1203 без учета угольной составляющей такое же, как и у полукислого глинистого сырья. Особенностью является повышенное содержание оксидов железа и оксида калия, что согласуется с минералогическим составом.

Преобладающим компонентом ТППТ Восточного Донбасса являются камнеподобные глинистые породы различной степени литификации. Основные слагающие их минералы — хлорит, гидрослюды, слюды, каолинит, кварц, полевые шпаты, оксиды и гидроксиды железа.

На рентгенограмме типичных ТППТ Восточного Донбасса пики в районе углов 9 и 18о говорят о наличии гидрослюд и слюд. Пики в районе углов 6, 12 и 19о говорят о наличии хлорита и каолинита. Пики 3,34; 4,26; 2,58 А четко указывают на наличие кварца. Небольшой пик в 3,19 А говорит о наличии полевых шпатов. Присутствие монтмориллонита в продуктах углеобогащения является большим вопросом, но некоторые авторы указывают на его наличие.

Зольность собственно угольных частиц составляет 5—8%, выход летучих компонентов — 3—4%. Это является важным моментом при определении оптимального режима обжига изделий на основе ТППТ. Удаление летучих компонентов происходит в районе 300—350оС, что подтверждается экзоэффектом при температуре 321оС (рис. 1). Возгорание антрацита происходит при 630оС, что четко видно по экзоэффекту и потере массы. Однако при обжиге кирпича на основе ТППТ в промышленных печах это происходит при температуре 700—750оС.

В экономическом плане стоимость калории тепла в ТППТ в 15—20 раз ниже по сравнению с газом или чистым углем. Например, стоимость мелкого угля составляет 4—5 тыс. р./т, энергетического угля — 3—4 тыс. р./т, газа - 8-10 тыс. р./т, а ТППТ - 100-200 р./т.

Фактически ТППТ являются подготовленной шихтой для производства стеновой керамики. Основной операцией массоподготовки является доведение массы в смесителе до нормальной формовочной влажности, которая составляет 18-20%. Влажность ТППТ на выходе после обогащения составляет 10-14%. Пластичность колеблется в интервале 9-12 единиц. Воздушная усадка в сравнении с глинами невелика и составляет 3,5-4,5%. Усредненный гранулометрический состав, определение которого проводилось на лазерном дифракционном анализаторе модели №поТес 2 (Германия) с диспергированием материала в воде и ультразвуковой обработкой (мощность 70 Вт, частота 36 КГц), приведен в табл. 2. Формовочные свойства массы на основе ТППТ

Таблица 1

Усредненный химический состав ТППТ Восточного Донбасса (мас. %)

ППП SiO2 AI2O3 Fe2O3 общ. CaO MgO SO3 общ. К2О Na2O TiO2

25-29 34-38 13-17 7-12 1-4 0,5-2 0,4-1,5 3-4 0,5-2 0,5-1

Таблица 2

Гранулометрический состав ТППТ

Содержание фракций, мм, %

0,5-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01- 0,005 0,005-0,001 < 0,001

4-6 6-10 21-25 23-27 28-32 7-11

и. ®

научно-технический и производственный журнал

апрель 2017

39

Рис. 3. Керамический камень на основе ТППТ, обожженный при температуре 900оС (а) и 950оС (б)

Рис. 4. Керамический камень на основе ТППТ, обожженный при температуре 1050оС

вполне удовлетворительные как для экструзионного (пластического) формования изделий, так и для компрессионного. Однако необходим тщательный подбор технологических параметров формования исходя из способа формования и вида изделий.

Особый интерес при этом вызывают ТППТ с повышенным содержанием угольной составляющей — более 20%. По содержанию угольной составляющей (органического углерода) выделяются породы малоуглеродистые (Сорг = 0—8%), среднеуглеродистые (Сорг = 8—20%) и высокоуглеродистые (Сорг более 20%). При этом считается, что если содержание углерода превышает 20%, то прочность изделий будет весьма низкой [1, 2]. Проведенные эксперименты позволили получить интересные результаты. На рис. 2 показаны зависимости предела прочности при сжатии, изгибе и средней плотности для образцов пластического формования на основе ТППТ с содержанием угольной составляющей 21,8% от температуры обжига.

Данные исследований показывают, что полученные изделия обладают вполне приемлемыми для стеновых изделий свойствами, на которые существенное влияние оказывает температура обжига. Например, средняя плотность полнотелых изделий при температуре обжига 900оС составляет 1190 кг/м3, и по мере повышения температуры обжига до 1050оС она возрастает до 1480 кг/м3.

Температура обжига, оС Рис. 5. Огневая усадка керамического камня на основе ТППТ

1100

Предел прочности при сжатии при температуре обжига 900оС составляет 10,5 МПа, и по мере повышения температуры обжига до 1050оС она возрастает до 18,9 МПа. Предел прочности при изгибе также повышается с ростом температуры обжига от 4,6 до 13,5 МПа. Эти показатели изделий вполне приемлемы для несущих конструкций. Для достижения средней плотности изделий 750 кг/м3 при температуре обжига 900оС пустотность должна составлять 37%, при температуре обжига 1050оС — 50%. Соответственно пропорционально уменьшится прочность при сжатии и будет составлять 5—10 МПа, что также вполне приемлемо для высокоэффективных керамических камней.

Изделия на основе ТППТ обладают повышенной пористостью, которая составляет при температуре обжига 900оС 55% и при температуре обжига 1050оС — 45%. Это существенно снижает теплопроводность изделий. Повышенная пористость не оказывает отрицательного влияния на морозостойкость изделий, так как в керамическом камне имеется достаточное количество резервных пор с размером больше 200 мкм (рис. 3).

Особое внимание при производстве изделий стеновой керамики на основе ТППТ должно быть уделено процессу обжига. Обжигать изделия следует по режиму с изометричной выдержкой и окислительной средой при температуре выгорания угольной составляющей. При этом следует учитывать, что содержание топлива в ТППТ существенно превышает количество, необходимое для обжига, и конструкция печи должна предусматривать возможность отбора избыточного тепла и постепенную четко контролируемую подачу воздуха в период выгорания угля и коксового остатка.

При температуре обжига 1050оС и выше начинают проявляться признаки пережога, обусловленные повышенным содержанием оксидов железа, которое из трехвалентной формы переходит в двухвалентную (рис. 4). Образующийся при этом FeO является сильным плавнем, существенно ускоряющим процесс спекания. Это проявляется резким ростом огневой усадки начиная с температуры 1030—1050оС (рис. 5).

Проведенные исследования показали, что на основе тонкодисперсных продуктов переработки террикони-ков с высоким содержанием угольной составляющей (более 20%) вполне возможно получение облегченных изделий стеновой керамики с хорошими физико-механическими показателями. При этом себестоимость изделий будет минимальной за счет:

— исключения затрат на сырьевые материалы, связанные с разработкой и содержанием карьеров;

— практическим отсутствием затрат на массоподго-товку;

— сушки изделий за счет отбора тепла из печи;

— отсутствием затрат на топливо, необходимое для обжига.

По предварительным расчетам себестоимость условного кирпича на основе ТППТ будет составлять 2,5—3 р. Кроме того, при производстве изделий стеновой керамики на основе тонкодисперсных продуктов переработки террикоников появляются дополнительные источники доходов, связанные с сокращением капитальных и текущих затрат на содержание отвалов ТППТ и использованием избыточного тепла в весьма различных направлениях.

научно-технический и производственный журнал Г* \ .£

апрель 2017 Й- ГЗИЫ^ 9

Список литературы

References

2.

3.

5.

6.

7.

8.

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.

Лундина М.Г. Добавки в шихту при производстве керамических стеновых материалов. М.: ВНИИЭСМ, 1974. 96 с.

Золотарский А.З., Шейман Е.Ш. Производство керамического кирпича. М.: Высшая школа, 1989. 264 с.

Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И. Отходы углеобогащения как сырьевая и энергетическая база заводов керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 43-46. Котляр В.Д., Устинов А.В., Ковалёв В.Ю., Терёхи-на Ю.В., Котляр А.В. Керамические камни компрессионного формования на основе опок и отходов углеобогащения // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 44-48.

Котляр В.Д., Устинов А.В. Эффективная стеновая керамика на основе опок и отходов углеобогащения // Науковедение. Интернет-журнал. 2013. № 3 (16). Идентификационный номер статьи в журнале: 44ТРГСУ313. http://naukovedenie.ru/index. php?p=issue-3-13-RGSU (дата обращения 21.02.2017).

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.

Кара-сал Б.К., Котельников В.И., Сапелкина Т.В. Получение керамического стенового материала из вскрышных пород углеобогащения // Естественные и технические науки. 2015. № 2. С. 160-163.

1. 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.

2. Lundina M.G. Dobavki v shikhtu pri proizvodstve keramicheskikh stenovykh materialov [Additives in fusion mixture in the production of ceramic wall materials]. Moscow: VNIIESM. 1974. 96 p.

3. Zolotarskii A.Z., Sheiman E.Sh. Proizvodstvo kerami-cheskogo kirpicha [Manufacture of ceramic bricks]. Moscow: Vishaya Shkola. 1989. 264 p.

4. 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).

5. Kotlyar V.D., Ustinov A.V., Kovalev V.Yu., Terekhi-na Yu.V., Kotlyar A.V. Ceramic compression molding stones on the basis of flasks and waste of coal enrichment. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2013. No. 4, pp. 44-48. (In Russian).

6. Kotlyar V.D., Ustinov A.V. Effective wall ceramics on the basis of flasks and wastes of coal enrichment. Naukovedenie. Internet-journal. 2013. No. 3 (16). Identification number of the article in the journal: 44TRGSU313. http://nauko-vedenie.ru/index.php?p=issue-3-13-RGSU (date of access 21.02.2017). (In Russian).

7. Kotlyar V.D., Kozlov A.V., Kotlyar A.V., Terekhina Yu.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).

8. Kara-sal B.K., Kotel'nikov V.I., Sapelkina T.V. Receiving ceramic wall material from overburden breeds of coal preparation. Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. No. 2, pp. 160-163. (In Russian).

ЛД«11ИТДСГРО^. finiT Я. Пчгк. уп J иПутг^ль. Ж Tir. LJBlïl ЭЬ Lli ЛЬ 6Б45 t-m» A№iHUiM imwJMtL<f

---J Р УД О ВАК И Е ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОПИЛОК

Дозаторы Дробилки Дисковая

ННЛкИИЦВ

Бункеры

И [j

S н |Л

a

Иыплчьиипыниг; il iLHptwHMLirH" ■ 'цэиииицдапьи.: rftt:,:yi,:i;jriii!;ii,Nj new иг:1м:{:н1н<л L' ИАНЁПЬ'4КННЫ1Г NI Hi.MCK. ГШ .11 M "IHll I.

СНМЭлТь npdCfùn-формовочной ПИНИЛ иЭ .и ГК-ГнВДынчн крупных йкЛшчынин

- iihjitbOniin ивчествй выпускаемого ЧЧЧИПК

- устранить шшкннйрпш посла пзосеи&ании пшюк нэ сше-йураг.

_

M Ы SBLHbf V А»ей ц С 4 и

_

*ТМЫ йцнй«1 ц1ПИ"жТжТ HU АД h О И ц<

пи

Реклама

fj научно-технический и производственный журнал

У "rJt r=JJir

апрель 2017 41

®