ВИКОРИСТАННЯ ТЕРМООБРОБЛЕНИХ ВіДВАЛЬНИХ ПОРіД ВУГЛЕВИДОБУВАННЯ У ВИРОБНИЦТВі ЦЕМЕНТУ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

MixeeuKO Лариса fMeKcaHdpieHa, кандидат техтчних наук, науковий ствробтник, кафедра технологи керамжи, eo^Mempmie, скла та емалей, Нащональний техтчний утверситет «Хартв-ський полтехтчний тститут», Украта.

Щукина Людмила Павловна, кандидат технических наук, профессор, кафедра технологии керамики, огнеупоров, стекла и эмалей, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина. Цовма Виталий Витальевич, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, кафедра технологии керамики, огнеупоров, стекла и эмалей, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина. Галушка Ярослав Олегович, аспирант, кафедра технологии керамики, огнеупоров, стекла и эмалей, Национальный техниче-

ский университет «Харьковский политехнический институт», Украина.

Михеенко Лариса Александровна, кандидат технических наук, научный сотрудник, кафедра технологии керамики, огнеупоров, стекла и эмалей, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Украина.

Shchukina Ludmyla, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine.

Tsovma Vitalii, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: vitalii.cvv@gmail.com.

Halushka Yaroslav, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine.

Mikheenko Larisa, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine

УДК БББ.94

001: 10.15587/2312-8372.2015.56243

ВИКОРИСТАННЯ ТЕРМООБРОБДЕННХ В1ДВАЛЬНИХ ПОР1Д ВУГЛЕВИДОБУВАННЯ У ВИРОБНИЦТВ1 ЦЕМЕНТУ

Наведет дат по хiмiчному г' мiнералогiчному складу вiдвальних поргд вуглевидобування. Дослужено вплив термооброблених в^двальных порГд на фiзико-мехатчт властивостi цементу. Встановлено оптимальный температурный Интервал термообробкы в^двальных порГд i вывчена залежтсть властывостей цементу в^д температуры выпалу в^двальных порГд. Доведена можлы-вкть выкорыстання термооброблених в^двальных порГд вуглевидобування в якостi мтеральног добавкы пры выробныцтвi цементу.

Клпчов1 слова: цемент, вiдвальнi породы вуглевидобування, термообробка, мiнеральна добавка.

Сокольцов В. Ю., Токарчук В. В., Свщерський В. А.

1. Вступ

Видобування вуплля пов'язане з утворенням на по-верхш землi значно1 юлькосп вiдходiв. На даний момент в Украш бшьше 1000 породних вiдвалiв, а територiя, яку займають щ вщвали, складае близько 39740 тис. м2 землi [1].

В зв'язку з тим, що вщвали знаходяться на поверхш, це призводить до значних еколопчних проблем: в навколишне середовище потрапляють шкiдливi речовини, особливо при возгорант терикошв. В середньому з одного терикону за добу виднеться близько 10 т оксиду вуглецю, 1,5 т арчаного ангидриду та iншi шкiдливi речовини.

Крiм того, вщходи займають земл^ якi можна вико-ристовувати у сiльському господарствi та для промис-лового або житлового будiвництва.

Таким чином, пошук шляхiв утилiзацii вiдвальних порiд вуглевидобування е актуальною задачею.

2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми

На сьогодшшнш день iснуе деюлька варiантiв ви-користання вiдвальних порвд в якостi сировини для рiзних галузей промисловостi, а також програми для 'iх утилiзацii [2, 3], але найчастше використовують го-рт породи, якi утворюються в «старих» териконах за рахунок природного возгорання.

Було встановлено, що в залежност вiд природи та виду вщвальних порiд, а також вщ процесiв, якi про-тжають при горiннi цих порiд, утворюються матерiали з дуже рiзними фiзико-механiчними властивостями. Тому, найчастiше, такi матерiали використовують в якостi крупного i дрiбного заповнювачiв для бетонiв [4, 5]. Процес переробки породи полягае тшьки в 11 класифiкацii, дробленш та розсiвi на пiсчану та щебеневу фракцп.

На основi сумши червоно'1 та чорно'1 частини терикону запропоновано [6] отримувати керамжу будiвельного призначення. При такiй технологи необхщний помел матерiалу до повного проходження с^зь сито № 063.

Авторами [7] запропоновано ряд складiв для шлако-лужних цементiв з використанням горших порвд. При вмкт горiлоi породи 50-85 мас. % можна отримувати шлаколужш цемент з актившстю 20-50 МПа.

В Украш е практичний досвщ використання терикошв в дорожному будiвництвi (будiвництво кiльцевоi дороги в Донецьку) [8].

Таким чином, бшьшкть дослiджень направлеш на утилiзацiю порiд, що знаходяться в горших териконах.

Донбаським державним техшчним ушверситетом Украши запропонована технолопя утилiзацii «свiжих» вiдвальних порiд, яка передбачае вилучення вугшьно'! i залiзовмiсноi складових, що супроводжуеться помiрним випалом вщвальних порiд [9]. В результата переробки вщвальних порiд залишаеться бшя 80 % (вiд вихщно'1 породи) термообробленого матерiалу.

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 6/4(26], 2015, © Сокольцов В. Ю., Токарчук В. В.,

Свщерський В. А.

технологии пищевой, легкой и химической промышленности

ISSN 222Б-37В0

Для остаточно'! утилiзащi вiдвальних порiд необхiдно знайти шляхи використання отриманих вiдходiв.

3. 06'ект, ц1ль та задач1 дослщження

Об'ект дослгдження — цементи з добавками термо-оброблених вiдвальних порiд вуглевидобування.

Проведет дослщження ставили за мету вивчити можлившть використання термооброблених ввдвальних порiд вуглевидобування в якостi активноi мiнеральноi добавки при виробництвi портландцементу загально будiвельного призначення.

Для досягнення поставленоi мети вирiшувалися наступи задачi:

— визначити залежнiсть фiзико-механiчних власти-

востей цементу вiд температури термообробки вщ-

вальних порiд;

— дослвдити вплив термооброблених вiдвальних

порщ на фiзико-механiчнi властивостi цементiв.

4. Матер1али та методи дослщжень впливу термооброблених в1двальних порщ вуглевидобування на властивосТ цемент1в

Дослiдження проводили з використанням бездобавочного портландцементу виробництва Кам'янець-По-дiльського цементного заводу.

В якоста вiдвальноi породи використовували шахтну породу вiдвалу № 1 шахти iм. Дзержинського ДХК «Ро-венькиантрацит». Хiмiчний склад наведено в табл. 1. Вмкт вугiлля складав 3,1 мас. %. Слiд зазначити, що хiмiчний склад вiдвальноi породи достатньо типовий для активних мшеральних добавок, яю використову-ються у виробництвi цементу i даний матерiал може бути ввднесений до алюмосилiкатiв.

Таблиця 1

Хiмiчний склад вщвально! породи

BMicT оксидiв, мас. %

SiO2 Al3D3 Fe2D3 CaO MgO h2D iHmi

59,0 18,6 7,5 1,4 0,7 3,1 9,1

Вiдвальну породу подрiбнювали до отримання щебеню фракцп до 10 мм i випалювали в лабораторнiй печi при температурах 700, 800 i 900 °С з витримкою при максимальнiй температурi 30 хв. Шсля випалу отрима-ний матерiал подрiбнювали в кульовому лабораторному млиш до залишку на ситi № 008 не бшьше 8 мас. %.

Температурний дiапазон випалу тдбирався з ураху-ванням процесiв, яю вiдбуваються при випалi глини-стих матерiалiв з метою отримання в результата випалу максимальну юльюсть аморфiзованоi породи.

Як вiдомо [10], при проведенш випалу алюмо-силiкатних порщ вiдбуваeться поступове руйнування кристалiчних решиок вихiдних мiнералiв i утворення значноi кiлькостi аморфiзованих мас. Температурний дiапазон аморфiзацii деяких глинистих матерiалiв наведено в табл. 2. Приведет дат дозволяють зробити висновок, що для бшьшоста мiнералiв температурний дiапазон процесiв аморфiзацii знадиться в межах ввд 500 до 1000 °С.

Таблиця 2

Температурний дiапазон аморфiзацií MiHepaniB

Назва мiнeралу Формула мшералу Темпера-турний дiапазон аморфiза-Ц11, °С

Гiдраргиллiт А12Оз • 3Н2О 450-880

Аллофан mAl2O3 • nSiO2 • рH2O 550-880

Каолшт A12O3 • 2SiO2 • 2H2O 680-1050

Галлуазит A12O3 • SiO2 • nH2O 800-960

Монтморил-ланiт A12O3 • 4SiO2 • H2O • nH2O 780-900

Хлорити 10(Mg, Fe)0 • 2A12O3 • 6SiO2 • 8H20 575-880

Гидрослюда KJAl, Mg, Fe)2 - 3 • [Si4 -яВДо] • (OH)2 • nH20 650-940

Глаукошт KMg(Fe, Al)3 • Si6O16 • H2O 860-960

Мусковiт K2O • 3A12O3 • 6SiO2 • 2H2O 950-1150

Бiотiт K2O • 6(Mg, Fe)O • A12O3 • 6SiO2 • 2H2O 950-1150

Флогоiт K2O • 6MgO • A12O3 • 6SiO2 • 2H2O 970-1200

Цементнi сумiшi готували в лабораторному млиш на протязi 15 хв. При мшмальному BMicTi мелючих тiл.

Цементнi зразки розмiрами 20 х 20 х 20 мм готували i3 тiста нормально! густини. Мiцнiсть зразкiв при стиску визначали у вЩ 1, 3 i 28 дiб.

5. Результати дослщжень впливу термооброблених вщвальних порщ вуглевидобування на ф1зико-мехашчш властивост цементу

Методом шфрачервоно! спектроскопы дослiджували процеси, яю вiдбуваються при нагрiваннi вiдвальних порщ при рiзних температурах (рис. 1).

Рентгенофазовий аналiз свiдчить, що вщвальш породи мiстять кварц, слюду, польовий шпат.

Як вщомо, при на^ванш вище 573 °С а-кварц переходить в ß-кварц, а вище 870 °С — в ß-триди-ми. Кристалiчнi решiтки цих мiнералiв складаються з каркасiв, скрiплених мiж собою кремне-кисневих тет-раедрiв. Спосiб кршлення у всiх модифiкацiй один i той же, але орieнтацiя i загальна симетрiя 1х рiзна. У низькотемпературних модифжащях «порожнеча» мiж тетраедрами мае маленью розмiри, а у високотемпера-турних, будова яких бшьш рихла, вона значно бшь-ша. Але отриманi спектри свiдчать, що структура все ж таки зберкаеться в результата випалу до температури 900 °С i хоча частково кристалiчна структура кремнезему аморфiзуеться, але не руйнуеться.

Це пщтверджуеться результатами 1Ч-спектроско-пiчних дослiджень, коли штенсивности смуг в областi 460-470 см-1, 660-680 см-1 и 1060-1080 см-1 зменшу-ються з 32 до 9 %, з 13 до 7 % i з 82 до 62 %, вщпо-вiдно, але не зникають i достатньо чiтко представленi на спектрограмах.

За сво1м складом i слюди i польовi шпати е алюмо-силiкатами. 1нтенсившсть смуги в областi 740-760 см-1 змшюеться незначно, але iнтенсивнiсть смуги в областа 550-560 см-1 зменшуеться з 15 до 6 % по мiрi збшь-шення температури випалу матерiалy Це пiдтверджуе

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 6/4(26], 2015

ослаблення та часткове руйнування зв'язку Si-O-Al, що свщчить про часткове руйнування кристалiчноi струк-тури алюмосилiкатiв.

Таким чином, можна зробити висновок, що до температури випалу 900 °С мшерали, як мiстяться у вiдвальних породах поступово аморфiзуються «роз-пушуються» кремнекисневi тетраедри, низькотемпера-турна форма кремнезему переходить у високотемпера-

турну, слабнуть i частково руйнуються зв'язки Si-O-Al в алюмосилжатах.

Результати по дослiдженню впливу термообробле-них вiдвальних порiд на фiзико-механiчнi властивостi цементiв наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Мщшсть цеменпв з добавкою вщвально! породи, випалено! при рiзних температурах

BMicT складових цементу мас. % НГ, % Мщшсть, МПа, в вщ, даб

Цемент Добавка 1 3 28

700 °С

100 — 25,0 3.6 30,4 52,4

90 10 25,0 3,2 24,1 50,8

80 20 25,5 1,6 23,1 47,8

70 30 26,5 1,4 13,9 39,1

60 40 27,0 0,6 9,2 34,5

800 °С

100 — 25,0 3,5 29,9 52,4

90 10 25,0 3,6 23,1 57,2

80 20 26,0 2,7 27,7 56,8

70 30 27,5 1,2 15,1 50,8

60 40 29,0 0,8 11,2 42,8

900 °С

100 — 25,0 3,8 30,6 52,2

90 10 25,0 3,1 32.4 51,8

80 20 26,0 2,5 27,9 48,1

70 30 27,0 1,5 16,5 38,8

60 40 28,0 0,9 15,6 34,3

6. Обговорення результат1в дослщження впливу термооброблених вщвальних порщ на властивост цементу

Аналiзуючи вплив термооброблених вiдвальних порщ, при рiзних температурах, на нормальну густину цементних сумшей слiд зазначити наступне. Незалежно вщ температури випалу породи, iз збiльшенням вмiсту добавки в цементному пси зростае i кiлькiсть води, яка необхiдна для отримання пста нормально! густини. Найбшьше це значення зростае у зразюв iз добавкою вiдвальноi породи, випалено! при температурi 800 °С. Найщкавше те, що значення нормально! густини цементного пста, при введенш вiдвальних порiд термооброблених при 900 °С, дещо знижуеться. Це може свщчити про те, що в процес випалу вiдбуваються певш змiни, як в активностi матерiалу, так в i в його структур!

Частково це пiдтверджують i результати по мiцностi зразкiв (табл. 3). Найбшьшу мiцнiсть мають зразки з добавкою вщвальних порщ термооброблених при 800 °С практично при уах концентрацiях добавки в цементах.

Наведен результати дозволяють зробити припу-щення, що при випалi при 700 °С вiдвальнi породи ще недостатньо аморфiзованi, а при 900 °С, скорiше за все, вщбуваеться часткове руйнування мiнералiв на

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 6/4(26], 2015

технологии пищевой, легкой и химической промышленности

ISSN 222Б-37В0

складовi оксиди та поява новоутворень, яю не мають гiдравлiчноi активностi.

Проведенi дослiдження дозволяють пояснити причину впливу температури термообробки вщвальних порщ на юнетику набору мщност цементiв з такими добавками. Слщ вiдзначити, що вщвальш породи мають досить значш коливання хiмiчного i мiнералогiчного складу на рiзних шахтах, тому пщбирати температуру термообробки необхiдно в кожному окремому випадку. Крiм того, необхщно дослiдити причину зниження активност термооброблених вiдвальних порiд вуглевидобування при досягненш 900 °С i, в першу чергу, встановити, яю мшерали утворюються при цих температурах, що дозволить цшеспрямовано проводити процес випалу вщвальних порщ

7. Висновки

У результат проведених дослщжень:

1. Доведено, що температура термообробки вщвальних порщ вуглевидобування впливае на процеси тверд-нення цеменпв.

2. Встановлено температурний штервал, при якому термооброблена добавка найбшьш ефективно впливае на мщшсть зразюв цементiв.

3. Термооброблена добавка може бути рекомендована в якост активноi мiнеральноi добавки (пуцола-новоi) при виробництвi цеменпв загальнобудiвельного призначення.

Лггература

1. Филиппенко, Ю. Н. Промышленные отходы угольных предприятий: пути их использования и улучшения экологической обстановки [Текст] / Ю. Н. Филиппенко, П. Т. Скляр, Е. В. Харлова // Збагачення корисних копалин. — 2012. — № 50(91). — С. 57-62.

2. Busygin, B. Using the space survey data for fire objects monitoring of the Donetsk coal basin [Text] / B. Busygin, I. Garkusha, K. Sergieieva // Proceedings of 12th International Symposium on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production SWEMP 2010, Prague, Czech Republic, May 24-26, 2010. — Prague: Lesnicka prace, 2010. — Р. 25-30.

3. Prakash, A. Design and implementation of a dedicated prototype GIS for coal fire investigations in North China [Text] / A. Prakash, Z. Vekerdy // International Journal of Coal Geology. — 2004. — Vol. 59, № 1-2. — P. 107-119. doi:10.1016/ j.coal.2003.12.009

4. Способ переработки горелой породы с получением заполнителя для бетонной смеси и бетонная смесь с использованием такого заполнителя [Электронный ресурс]: пат. № 2462425 RU, МПК С04В28/04, С04В18/12 / Слабо-денюк В. В., Вавренюк, С. В., Павельев А. Н. — Опубл. 27.09.2012. — Режим доступа: \www/URL: http://www. findpatent.ru/patent/246/2462425.html

5. Богма, А. С. О гранулометрическом составе и технической ценности свежевыданных на терриконики шахтных пород Прокопьевского месторождения [Текст] / А. С. Богма // Известия Томского-ордена трудового красного знамени политехнического института им. С. М. Кирова. — 1959. — Т. 97. — С. 163-167.

6. Баталин, Б. С. Кирпич сухого прессования из террико-ников Кизеля [Текст] / Б. С. Баталин, Т. А. Белозерова, С. Э. Маховер, М. Ф. Гайдай // Вестник ЮУрГУ. — 2010. — № 15. — С. 39-41.

7. Кривенко, П. В. Горш1 породи — активний компонент луж-них цеменпв [Текст] / П. В. Кривенко, Г. С. Ростовська, Г. Р. Блажю // Буд1вельш матер1али, вироби та саштарна техшка. — 2012. — № 43. — С. 14-17.

8. Денков, Д. Советник главы «Укравтодора»: на ремонт всех дорог нужно полтриллиона [Электронный ресурс] / Д. Денков, С. Лямец // Экономическая правда. — 20.03.2013. — Режим доступа: \wwwZURL: http://www.epravda.com.ua/rus/ риЫюа^о^/2013/03/20/366699/

9. Токарчук, В. В. Отходы переработки угольных отвалов — перспективная добавка при помоле цемента [Текст] / В. В. Токарчук, В. А. Свидерский, В. Ю. Сокольцов, С. В. Семерягин // Цемент и его применение. — 2013. — № 6. — С. 70-73.

10. Волконский, Б. В. Технологические, физико-механические и физико-химические исследования цементных материалов [Текст] / Б. В. Волконский, Н. П. Штейерт, С. Д. Макашев. — Ленинград: Издательство литературы по строительству, 1972. — 304 с.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМ00БРАБ0ТАННЫХ ОТВАЛЬНЫХ ПОРОД УГЛЕДОБЫЧИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТА

Приведены данные по химическому и минералогическому составу отвальных пород угледобычи. Исследовано влияние термообработанных отвальных пород на физико-механические свойства цемента. Установлен оптимальный температурный интервал термообработки отвальных пород и изучена зависимость свойств цемента от температуры обжига отвальных пород. Доказана возможность использования термообработанных отвальных пород угледобычи в качестве минеральной добавки при производстве цемента.

Ключевые слова: цемент, отвальные породы угледобычи, термообработка минеральная добавка.

Сокольцов Володимир Ю^йович, iнжeнeр, кaфeдрa xiмiчнoï mexнoлoгiï кoмпoзuцiйнuxмameрiaлiв, Нaцioнaльнuй mexнiчнuй ут-eepcumem Укрaïнu «Kmecbrnü пoлimexнiчнuй irnmumym», Укрaïнa. Токарчук Володимир Володимирович, m^^am mexm4mx тук, дoцeнm, кaфeдрa xiмiчнoï mexнoлoгiï кoмпoзuцiйнux мame-рiaлiв, Нaцioнaльнuй mexнiчнuй ymeepcumem Укрaïнu «Kmecbmü пoлimexнiчнuй irnmumym», Укрaïнa, е-mail: tokarchuk.volodya@yandex.ua.

Свiдepcькuй Валентин Анатолтович, дoкmoр mexm4mx тук, прoфecoр, кaфeдрa xiмiчнoï mexнoлoгiï кoмпoзuцiйнux мameрia-лiв, Нaцioнaльнuй mexнiчнuй ymeepcumem Укрaïнu «Kmecbmü пoлimexнiчнuй irnmumym», Укpaïнa.

Сокольцов Владимир Юрьевич, uнжeнep, кaфeдpa xuмuчecкoй mexнoлoгuu кoмпoзuцuoнныx мamepuaлoв, Нaцuoнaльный mex-нuчecкuй ymeepcumem Укpauны «Kueecmü пoлumexнuчecкuй urnmumym», Укpauнa.

Токарчук Владимир Владимирович, m^^am mexнuчecкux тук, дoцeнm, кaфeдpa xuмuчecкoй mexнoлoгuu кoмпoзuцuoнныx мamepuaлoв, Нaцuoнaльный mexнuчecкuй yнuвepcumem Укpauны «Kueecmü пoлumexнuчecкuй uнcmumym», Укpauнa. Свидерский Валентин Анатольевич, дoкmop mexнuчecкux тук, пpoфeccop, кaфeдpa xuмuчecкoй mexнoлoгuu кoмпoзuцuoнныx мamepuaлoв, Нaцuoнaльный mexнuчecкuй yнuвepcumem Укpauны «Kueecmü пoлumexнuчecкuй uнcmumym», Укpauнa.

Sokoltsov Volodymyr, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine.

Tokarchuk Volodymyr, National Technical University of Ukraine «Kyiv

Polytechnic Institute», Ukraine,

e-mail: tokarchuk.volodya@yandex.ua.

Sviderskiy Valentin, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine

технологический аудит и резервы производства — № 6/4(26), 2015