Методика исследований
Рентгенофазовый анализ сырьевых материалов проведен на дифрактометре фирмы Shimadzu XRD-6000. Термический анализ выполнен на термоанализаторе STA 449C фирмы Netzch со скоростью подъема температуры 10 град/мин. Изготовление образцов, их сушку и обжиг, исследование вспучиваемости исходного глинистого сырья и масс с корректирующими и опудривающими добавками, а также оценку плотности керамзитового гравия проводили в соответствии с методикой [5]. Качественные показатели керамзитового гравия: прочность зерен гравия при раскалывании, потеря массы крупного заполнителя при кипячении, водопоглощение — определяли в соответствии с требованиям ГОСТ 9758-86.
Результаты исследований и их обсуждение
В качестве глинистого материала исследовано сырье Сажинского месторождения — средневспучивающаяся порода, из которой в лабораторных условиях можно получить керамзит с кажущейся плотностью в куске 0,5–0,8 г/см3 и коэффициентом вспучивания 2,5–4,5, а в производственных — с насыпной полностью 350–400 кг/м3, с плотностью в куске 600–850 кг/м3 и коэффициентом вспучивания 2–3.
В качестве объектов для осуществления процесса опудривания исследованы кварцит молотый, отработанная формовочная смесь литейного производства и асбопесок. Химический состав отходов представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав отходов, масс. %
|
Наименование отхода |
Содержание оксидов, масс.% |
|||||||||
|
SiO2 |
Al2O3
|
Fe2O3
|
FeO |
CaO |
MgO |
TiO2 |
SO3 |
Na2O + K2O
|
п.п.п |
|
|
Кварцит молотый |
93,21 |
2,17 |
1,37 |
0,43 |
0,75 |
0,57 |
- |
0,94 |
0,39 |
0,95 |
|
Отрабо-танная формовоч-ная смесь |
91,11 |
1,14 |
1,37 |
0,72 |
1,48 |
0,68 |
0,21 |
1,09 |
1,60 |
1,75 |
|
Асбопесок |
35,02 |
2,84 |
7,14 |
-1,49 |
35,47 |
-0,70 |
0,63 |
0,16 |
0,79 |
17,08 |
Основные технологические характеристики и требования к опудривающим добавкам приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные технологические характеристики и технические требования к опудривающим добавкам
|
Наименование добавок и нормативные показатели свойств |
Наименование показателей |
|||||||
|
Огнеупорность, °С |
Массовая доля щелочных соединений в пересчете на K2O + Na 2O,% |
Массовая доля соединений серы в пересчете на SО3,% |
Массовая доля воды, % |
Тонкость помола, проход % по массе через сито |
||||
|
1 |
0,2 |
0,14 |
0,063 |
|||||
|
Кварцит молотый |
1680 |
0,39 |
0,94 |
3-5 |
100 |
97 |
72 |
55 |
|
Отработанная формовочная смесь |
1690 |
1,60 |
1,09 |
3-5 |
100 |
95 |
80 |
60 |
|
Асбопесок |
2000 |
0,79 |
0,70 |
3-5 |
100 |
45 |
65 |
45 |
|
Норма |
не менее 1380 |
не более 3 |
не более 5 |
не более 5 |
не ме- нее 100 |
не ме-нее 95 |
не ме-нее 70 |
не ме-нее 50 |
Кварцит молотый как сырьевой материал для производства динаса представлен грубодисперсным материалом фракции менее 3 мм нестабильной влажности. Минералогически представлен в основном β-кварцем (d/n=0,334;0,426;0,182 нм). На кривой дифференциально-термического анализа выявленные экзотермические эффекты при 460 и 570°С связаны соответственно с выгоранием органического вещества и модификационными превращениями кремнезема.
Минералогически отработанная формовочная смесь представлена β-кварцем (d/n=0,334;0,426;0,182 нм), β-кристобалитом (d/n=0,404;0,248;0,284 нм), гематитом (d/n=0,269;0,251;0,169 нм), кальцитом (d/n=0,303;0,228 нм). Выявленные экзотермические эффекты при 320 и 420°С связаны соответственно с выгоранием органического вещества и дегидратацией гидрооксида железа. При температуре 573°С наблюдаются модификационные превращения кремнезема. Эндотермический эффект при 690°С связан с диссоциацией карбонатов кальция.
Асбопесок как продукт обогатительных фабрик представлен смесью сыпучих и тонковолокнистых минералов группы серпентинов. Минералогически представлен серпентином, форстеритом и периклазом. Выявлен эндотермический эффект при 700°С, связанный с дегидратацией серпентина. Экзотермический эффект при 820°С связан с кристаллизацией вновь образованных минеральных фаз серпентина. Выбранные в качестве опудривающих добавок кварцит молотый и отработанная формовочная смесь соответствуют требованиям, предъявляемым к опудривающим добавкам. Асбопесок требует дополнительной механической переработки. В основу выбора опудривающих добавок положены расчеты изотерм плавкости глина — опудриватель в системе CaO - Al2O3 - SiO2. Расчетные кривые плавкости смесей глина — опудриватель приведены на рисунке 1.
Рис. 1. Кривые плавкости системы глина – опудриватель: 1 – кварцит молотый; 2 – горелая земля; 3 – асбопесок
Из рисунка 1 следует, что выбранные опудривающие добавки к легкоплавкой глине способны на поверхностных слоях сырцовых гранул повысить огнеупорность и гарантируют устранение образования спека при некотором подъеме температуры обжига. Исследования проведены на шихтах состава (масс.%): сажинская глина — 98, торф — 2. Сравнительная эффективность опудривающих добавок и физико-механические характеристики керамзитового гравия с опудриванием приведены таблицах 3, 4.
Таблица 3
Сравнительная эффективность опудривающих добавок
|
Опудривающая добавка |
Параметры вспучивания |
Объемная плотность в куске, г/см3 |
Коэффициент вспучивания |
|
|
Оптимальная температура обжига, °С |
Интервал вспучивания, ° |
|||
|
Без опудривания |
1150 |
36 |
0,71 |
2,51 |
|
Кварцит молотый |
1170 |
56 |
0,60 |
2,83 |
|
Отработанная формовочная смесь |
1160 |
70 |
0,59 |
2,85 |
|
Асбопесок |
1170 |
56 |
0,62 |
2,90 |
Таблица 4
Физико-механические характеристики керамзитового гравия с опудриванием
|
Опудривающая добавка |
Прочность гравия на раскол, МПа |
Водопоглощение, % |
Потеря массы при кипячении, % |
|
Без опудривания |
0,40 |
8,3 |
0,30 |
|
Кварцит молотый |
0,50 |
14,8 |
1,45 |
|
Отработанная формовочная смесь |
0,49 |
19,7 |
0,35 |
|
Асбопесок |
0,52 |
18,9 |
0,16 |
Приведенные в таблице 3 и 4 данные свидетельствуют о недостаточной эффективности приема опудривания сырцовых гранул исследованными добавками при условии использования шихты с корректирующей добавкой в виде торфа. Наиболее эффективным опудривателем является отработанная формовочная смесь, снизившая объемную плотность керамзитового гравия в куске на 0,12 г/см3.
Для дополнительного повышения вспучиваемости глинистого сырья в качестве корректирующей добавки исследован торф в сочетании с техногенным продуктом – металло-масляной окалиной как шламом травильных переделов металлургических производств. Металло-масляная окалина представлена жидкостью черного цвета в виде водной эмульсии нефтепродуктов с суспензированными твердыми частицами. Минералогически представлена магнетитом (d/n=0,253; 0,148; 0,161 нм), вюститом (d/n=0,214; 0,151; 0,247 нм), гематитом (d/n=0,269; 0,251; 0,169 нм), α-Fe (d/n=0,203; 0,143 нм). На кривой дифференциально-термического анализа выявлен экзотермический эффект с максимумом в 300°С, связанный с выгоранием органического вещества и началом процесса окисления вюстита и магнетита. В дальнейшем процесс окисления магнетита явно фиксируется при температурах 510–820 и 880°С с общими потерями массы 7,51%.
Сравнительная эффективность опудривающих добавок и физико-механические характеристики керамзитового гравия с опудриванием на шихте состава (масс.%): торф — 2, металло-масляная окалина — 3, сажинская глина — 95 приведены таблице 5.
Таблица 5
Сравнительная эффективность опудривающих добавок
|
Опудривающая добавка |
Параметры вспучивания |
Объемная плотность в куске, г/см3 |
Коэффициент вспучивания |
|
|
Оптимальная температура обжига, °С |
Интервал вспучивания, ° |
|||
|
Без опудривания |
1150 |
36 |
0,71 |
2,51 |
|
Кварцит молотый |
1170 |
56 |
0,56 |
3,17 |
|
Отработанная формовочная смесь |
1160 |
70 |
0,47 |
3,70 |
|
Асбопесок |
1170 |
56 |
0,59 |
2,98 |
Заключение
Опудривание гранул огнеупорными порошками способствует повышению температуры плавления поверхностного слоя и получению внутри гранул расплава с оптимальными реологическими характеристиками. В поверхностных граничных слоях между глиной и опудривателем происходит рост температуры от глины к опудривателю. Наибольший эффект наблюдается при опудривании гранул отработанной формовочной смесью. Повышение коэффициента вспучивания глинистого сырья возможно также за счет корректировки состава шихты путем ввода металло-масляной окалины.
Рецензенты:Фабинский П.В., д.х.н., доцент, ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск;
Кузнецов П.Н., д.х.н., профессор, Институт химии и химической технологии СО РАН, г. Красноярск.