CC BY
17
УДК 691.618.93:66.018.86
ДАМДИНОВА ДАРИМА РАКШАЕВНА, докт. техн. наук, профессор, Damdinova@mail.ru
ХАРДАЕВ ПЕТР КАЗАКОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
ПАВЛОВ ВИКТОР ЕВГЕНЬЕВИЧ, канд. техн. наук,
АЛЕКСЕЕВА ЭРЖЕНА МУНКОЖАРГАЛОВНА,
Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в
ВЛИЯНИЕ СОСТАВОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЖИГА СМЕСЕЙ МИКРОДОБАВОК ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД И СВИНЦОВОГО КОНЦЕНТРАТА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЖИГОВОГО МАТЕРИАЛА
В статье обсуждается вопрос об использовании микродобавок полиметаллических руд и свинцового концентрата при получении обжиговых материалов из стеклобоя. Выявлена взаимосвязь содержания щелочного компонента, графита, вида добавки и температуры обжига с поровой структурой материала.
Ключевые слова: обжиговый материал, пеностекло, стеклобой, щелочь, графит, полиметаллическая руда, свинцовый концентрат, физико-механические свойства.
DAMDINOVA, DARIMA RAKSHAYEVNA, Dr. of tech. sc., prof., Damdinova@mail.ru
KHARDAEV, PETER KAZAKOVICH, Dr. of tech. sc., prof.,
PAVLOV, VICTOR EUGENJEVICH, Cand. of tech. sc.,
ALEKSEEVA, ERZHENA MUNKOZHARGALOVNA,
East Siberia State Technological University,
40v Klyuchevskaya st., Ulan-Ude, 670013, Russia
INFLUENCE OF MIXTURE COMPOUND AND TEMPERATURE OF FUSION REGIME ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF KILNING MATERIAL WITH USE OF POLYMETALLIC ORE ADDITIONS AND PB-CONTAINING CONCENTRATE
The problem of the use of polymetallic ore additives and Pb- containing concentrate for obtaining the kilning material from glass wastes is considered in the paper. The interaction of alkali and graphite content, additive and temperature of fusion with formation of porous structural materials was revealed.
Keywords: kilning material, foam glass, glass wastes, alkali and graphite, polymetallic ore, lead concentrate, physical and mechanical properties.
Получение новых специальных композиционных материалов признано одним из приоритетных направлений инновационного развития России. Глав-
© Д.Р. Дамдинова, П.К. Хардаев, В.Е. Павлов, Э.М. Алексеева, 2010
ным требованием к материалам, используемым в атомной промышленности, является их радиационная стойкость.
Вопрос радиационной стойкости строительных материалов в достаточной мере не изучен и требует дальнейших исследований [1]. Критерием радиационной стойкости материала являются сохранение требуемых характеристик и способность к защите от гамма-излучения. Проектируя составы, свойства и моделируя условия получения и эксплуатации радиационно стойких материалов, можно решать сложные теоретические, методологические и практические задачи строительного материаловедения.
Основным направлением наших исследований является получение строительных материалов специального назначения на основе природного и техногенного сырья Байкальского региона. В рамках этого направления решается проблема создания радиационно-стойких обжиговых материалов с использованием местного минерального сырья и техногенных продуктов других производств.
Актуальность исследований вызвана необходимостью решения задач, сформулированных в Программе социально-экономического развития Республики Бурятия, в которой добыча, а следовательно, и переработка природных ресурсов признана одним из приоритетных направлений экономики республики.
Научный и практический интерес к проведению исследований в области радиационно стойких строительных материалов основывается на следующих предпосылках:
- наличие сырьевой базы в связи с началом освоения Озерного месторождения полиметаллических руд, ресурсный потенциал которого оценивается в 157 млн т руды, а также продуктов переработки вышеуказанных руд в виде свинцового и цинкового концентратов;
- расположение на территории Байкальского региона одной из крупнейших в России ураново-рудных провинций (5 месторождений и более 130 рудопроявлений урана и 450 радиоактивных аномалий [2]) и намеченная в рамках Программы социально-экономического развития Бурятии разработка месторождения урана на севере республики;
- повышенный радиационный фон в ряде местностей за счет техногенного воздействия долгоживущих изотопов, которые являются следствием ядерных наземных испытаний, проводившихся в 1949-1962 гг. Максимальные значения гамма-эффективности в некоторых местах достигают 190 мкр/ч [2].
В настоящей статье представлены некоторые результаты изучения влияния рецептурно-технологических факторов на основные физико-механические свойства обжигового материала с использованием рудных тел Озерного месторождения полиметаллических руд и продукта переработки этих руд - свинцового концентрата.
В качестве основного сырья рассматривался бой тарных стекол различных цветов, в качестве микродобавок - 4 вида рудных тел Озерного ГОКа и продукт переработки полиметаллических руд (свинцовый концентрат).
Химический состав полиметаллических руд Доваткинского месторождения в составе Озерного рудного поля характеризуется (в мас.%): 8Ю2 5,85;
Ре20з 23,62; СаО 3,30; МеО 8,37; МпО 17,21; 2пО 17,46; РЬО 24,18 [3]. Химический состав стеклобоя представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав стеклобоя
Оксиды, мас. % Стекло полубелое (БСб) Стекло коричневое (оранжевое) (КСб) Стекло зеленое (ЗСб)
8102 71,58-71,90 70,40-71,4 68,00-72,6
А12°3 2,49-3,0 2,80-3,3 2,75-5,0
Ре2О3 0,15-0,15 0,3-0,5 0,37-0,4
СаО 7,00-9,30 6,00-8,0 6,00-6,14
МяО 0,20-3,0 2,00-4,0 4,00-4,10
8О3 0,30-0,46 0,20-0,5 0,21-0,24
К2О - 0,30-0,73
№2О 14,5-15,5 14,5-15,9 13,34-14,5
Сг - - 0,06-0,1
Методологически эксперименты проводились по аналогии с ранее проведенными исследованиями по получению эффективных пеностекол на основе эффузивных пород и стеклобоя [3]. Получению пеностекла без стекловарения способствовало использование тонкомолотого стеклобоя и введение в составы смесей щелочного компонента в виде концентрированного водного раствора КаОИ.
Для интенсификации поризации стекломассы в работе использован углеродистый газообразователь (графит).
Результаты исследований представлены в табл. 2.
Таблица 2
Влияние составов смесей и температуры обжига на среднюю плотность материала
№ составов Цвет стеклобоя Содержание графита, мас. % Средняя плотность р, кг/м3 при температуре обжига
Тобж = 850 °С Тобж = 950 °С
Содержание №ОИ 6 мас. %
1 Белый 0 960 740
2 Желтый 920 1010
3 Зеленый 950 940
Содержание №ОИ 3 мас. %
4 Белый 0 1000 781
5 2 940 734
6 Желтый 0 1140 902
7 2 870 688
8 Зеленый 0 1050 704
9 2 830 552
Окончание табл. 2
№ составов Цвет стеклобоя Содержание графита, мас. % Средняя плотность р, кг/м3 при температуре обжига
Тобж = 850 °С Тобж = 950 °С
Без добавления №ОИ
10 Белый 2 2253 1150
11 4 1740 888
12 Желтый 2 2279 1050
13 4 1640 749
14 Зеленый 2 2913 790
15 4 1790 482
Установлено, что повышение температуры обжига, увеличение содержания щелочи и графита являются интенсифицирующими факторами, которые способствуют уменьшению средней плотности обжигового материала вследствие снижения энергии активации плавления стекломассы и создания благоприятных условий ее поризации. Отмечено, что средняя плотность обжигового материала в большей степени уменьшается от введения гидрооксида натрия по сравнению с введением графита (рис. 1 и 2).
Из экономической целесообразности более выгодным представляется использование графита при минимизации дорогостоящего щелочного компонента. Однако обжиг составов с добавкой графита при минимизации щелочи необходимо вести при повышенной температуре.
р0, кг/м3
1200
900
600
300 БСб
Цвет
стеклобоя
КСб
ЗСб 9
№ОИ, мас. %
■I 300-600
600-900 □ 900-1200
Рис. 1. Влияние содержания ЫаОН и цвета стеклобоя на среднюю плотность материала
р0, кг/м3
3000
2500
2000
□ 2500-3000
■1 2000-2500 1500
■1 1500-2000 1000
□ 1000-1500
500
■1 500-1000
■1 0-500 0
БСб
Цвет
стеклобоя
КСб
ЗСб
Графит, мас. %
Рис. 2. Влияние содержания графита и цвета стеклобоя на среднюю плотность пеностекол
Для получения строительных материалов специального назначения с плотной и пористой структурой в составы смесей вводили до 3 % полиметаллических рудных тел четырех видов (далее в тексте руды № 1-4) и свинцовый концентрат.
Результаты экспериментов приведены на рис. 3 и 4.
р, кг/м3
0 контрольный □ с добавкой ЦСК о с добавкой ру ды № 1
□ с добавкой руды №2 □ с добавкой руды № 3 □ с добавкойруды N° 4
Рис. 3. Влияние микродобавок на среднюю плотность материала (без содержания NaOH, Тобж = 850 °С)
р, кг/м3
ЕЭ контрольный □ с добавкой ЦСК В с добавкой руды № 1
Ш с доббвкой руды № 1 □ с добавкой руры № 3 □ с дооавкой руды № 4
Рис. 4. Влияние микродобавок на среднюю плотность материала (содержание ЫаОН -6 мас. %, Тобж = 850 °С)
В отношении влияния цвета стеклобоя установлено, что составы с использованием стеклобоя желтого цвета требуют понижения температуры обжига, что объясняется содержанием в стекле оксида железа (III), который является плавнем. При повышенной температуре обжига (950 °С) и содержании гидрооксида натрия (6 %) без введения графита наблюдается повышение показателя средней плотности материала за счет уплотнения структуры вследствие диссипативных явлений в стекломассе.
Установлено, что полиметаллические руды № 1, № 2 и концентрат способствуют снижению средней плотности в большей степени по сравнению с рудами № 3 и 4. Вероятно, это связано с повышенным содержанием соединений БеСО3 и Бе82 в руде № 1, соединений БеСО3, Бе82 и РЬ8 в руде № 2 и соединений РЬСО3 и РЬ8 в концентрате (рис. 5).
Повышение показателя средней плотности обжигового материала при введении в состав шихты руд № 3 и 4 можно объяснить следующим образом. Руда № 3 характеризуется повышенным содержанием карбоната железа (БеСО3), а также наличием соединения Са(Бе+2, Mg)(CO3)2. Руда № 4 наряду с соединениями БеСО3 и Са(Бе2, Mg)(CO3)2 содержит сульфиды цинка и железа 2п8, Бе8 (табл. 3). Повышенное содержание в рудах № 3 и 4 различных карбонатов в отсутствие в составе стекла соединений свинца, способствующего расширению интервала вязкости стекломассы, приводит к разложению карбонатов в условиях, когда стекломасса не приобрела достаточной вязкости в диапазоне температур 850-950 °С.
Уплотнение структуры материала также может быть вызвано наличием в руде № 4 соединений 2п8 и Бе8.
Рис. 5. Рентгенофазовый анализ:
а - руда № 1; б - руда № 2; в - руда № 3; г - руда № 4; д - концентрат
Таблица 3
Результаты идентификации соединений в рудах и концентрате
(по данным РФА)
№ руд ^п, А Вид соединения
№ 1 3,121; 2.705; 2,420; 2,209; 1,912; 1,632 Бе82
3,593; 2,792; 2,346; 1,734 БеСОв
4,249; 3,336 8ІО2
№ 2 3,122; 2,705; 2,420; 2,209; 1,913; 1,632 Бе82
2,792 БеСОэ
3,339 8ІО2
7,064; 3,521 (М, А1)6(8І, Л1)4Ою (ОН)8
3,419; 2,964; 2,097 РЬ8
№ 3 2,791; 3,591; 2,344; 2,132; 1,964; 1,732 БеСОэ
3,339 8ІО2
2,901 Са(Ре+2,Мя)(СОэ)2
№ 4 3,592; 2,792; 2,346; 2,132; 1,797; 1,734 БеСОэ
3,117; 2,707 Бе8
1,912; 1,633 ги8
2,907; 2,208 Са(Ре+2,Мя)(СОэ)2
Окончание табл. 3
№ руд d/п, А Вид соединения
Концентрат 3,423; 2,965; 2,094; 1,788; 1,707 PbS
4,415; 4,249; 3,581; 3,068; 2,586; 2,521; 2,485; 2,209; 2,007; 1,976; 1,931; 1,855; 1,629 PbCOs
ИК-спектрометрия показала наличие в структуре руд и концентрата соединений, идентифицированных с помощью РФА (рис. 6). На ИК-спектрах некоторых руд и концентрата при 1417-1432 см-1 отмечены интенсивные полосы, обусловленные колебаниями иона СО32-, которые соответствуют соединениям БеС03 (рис. 6, а-г) и РЬС03 (рис. 6, д). На наличие в структуре руд колебаний групп [Ге04] указывают полосы поглощения у частот 694 и 736,9 см-1 (рис. 6, а, в, г). Полосы поглощения при 866-868 см1 могут быть отнесены к соединениям цинка (рис. 6, г) и свинца (рис. 6, б, д).
1600 1400 1200 1000 000
Волновое число (см-1)
Рис. 6. ИК-спектры полиметаллических руд и концентрата:
а - руда № 1; б - руда № 2; в - руда № 3; г - руда № 4; д - концентрат
По данным ИК-спектрометрии, отмечено определенное сходство характеристических полос у руды № 2 и концентрата, что обусловило получение обжигового материала с примерно одинаковым уровнем показателя плотности. Аналогично сходство характеристических полос на ИК-спектрах руд № 3 и 4 обусловило повышение показателей физико-механических свойств полученного материала (табл. 4).
Таблица 4
Основные физико-механические свойства обжиговых материалов
Цвет стеклобоя Вид добавки Без содержания №ОН Содержание №ОН 6 мас. %
р, кг/м3 Ясж, МПа р, кг/м3 Ясж, МПа
Белый Без добавки 3218 20,8 960 5,5
Концентрат 2569 11,1 530 2,4
Руда № 1 2523 10,4 512 1,6
Руда № 2 2555 10,5 476 1,2
Руда № 3 2662 12,4 704 3,7
Руда № 4 2839 13,8 837 3,9
Коричневый Без добавки 3045 20,8 920 5,1
Концентрат 2926 18,7 460 1,0
Руда № 1 2750 13,8 465 1,1
Руда № 2 2806 13,8 444 0,9
Руда № 3 2927 19,0 505 1,3
Руда № 4 3114 20,8 624 3,1
Зеленый Без добавки 3150 20,8 950 5,2
Концентрат 2585 11,7 450 0,9
Руда № 1 2407 9,9 574 2,8
Руда № 2 2552 10,5 573 2,7
Руда № 3 2723 12,4 638 3,7
Руда № 4 2874 18,4 796 3,8
Выводы
1. Определены основные закономерности изменения физико -механических свойств обжигового материала из стеклобоя в зависимости от рецептурнотехнологических факторов. В температурном диапазоне 850-950 °С могут быть получены пеностекла с плотной структурой.
2. Для получения материалов с пористой структурой (пеностекла) могут быть рекомендованы составы стекол с использованием щелочного компонента №0Н и графита. В составах шихты за счет использования графита (2-4 %) достигнуто снижение расхода №0Н (до 3-6 %). Введение графита эффективно при температуре обжига пеностекла Т = 950 °С.
3. При введении в состав шихты полиметаллических руд № 1 и 2 с преобладанием соединений БеС03, Бе82 и РЬ8, а также и свинцового концентрата, содержащего РЬС03 и РЬ8, снижается средняя плотность в большей степени по сравнению с рудами № 3 и 4.
4. Для получения пеностекол целесообразным представляется использование в качестве микродобавки руды № 2 вместо концентрата. Для получения обжигового материала с более плотной структурой показана эффективность
применения руд № 3 и 4 при уменьшении содержания щелочного компонента и графита.
Библиографический список
1. Строительные материалы для эксплуатации в экстремальных условиях : учебное пособие / А.М. Гридчин, Ю.М. Баженов, В.С. Лесовик [и др.]. - М. : Изд-во АСВ; Белгород : Изд-во БГТУ, 2008. - 595 с.
2. Молотов, В.С. Государственное управление природными ресурсами Байкальского региона / В.С. Молотов ; под ред. В.П. Орлова, Н.Г. Рыбальского. - М. : Изд-во НИА-Природа, 1999. - 244 с.
3. Дамдинова, Д.Р. Эффективные пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя : монография / Д.Р. Дамдинова, П.К. Хардаев, К.К. Константинова. - Улан-Удэ : Изд-во Восточно-Сибирского гос. технолог. ун-та, 2006. - 166 с.
