OPTIMIZATION OF THE COMPOSITION OF THE RAW MATERIAL MIXTURE OF LOW-TEMPERATURE CEMENT ON THE BASIS OF FUEL-CONTAINING COAL PREPARATION WASTE

Full Text

Одним из перспективных направлений снижения энергетических затрат в промышленности строительных материалов является широкое вовлечение в технологический оборот крупнотоннажных отходов углеобогащения (ОУ). Отходы углеобогатительных фабрик достаточно стабильны по химико-минералогическому составу, содержат топливные включения в количестве 8-20 % по массе, что предопределяет выраженные теплотворные свойства последних [1]. Это позволяет отнести данные отходы к ценному минеральному сырью для производства обжиговых строительных материалов, в первую очередь вяжущих веществ, как наиболее энергоемкого и потребляемого продукта. Среди возможных вариантов решения данной задачи вяжущие низкотемпературного обжига представляют наибольший интерес, поскольку являются наименее энергоемкими среди обжиговых цементов [2-7]. Рассмотрим разработанный способ получения вяжущего посредством обжига при 1000-1100 °С двухкомпонентной сырьевой шихты, включающей известняк и гравитационные отходы углеобогащения в установленных соотношениях по массе. Традиционное известково-пуццолановое вяжущее (ИПВ), получаемое совместным помолом воздушной извести и активной минеральной добавки, является двухкомпонентной системой, включающей 60-80 % активной добавки и 20-40 % извести [8]. Cуммарная энергоемкость ИПВ, таким образом, слагается из энергетических затрат на получение извести, а также на совместный помол исходных компонентов. Наиболее энергоемким является первый процесс. В зависимости от типа установки для обжига на получение 1 кг извести в заводских условиях расходуется от 3500 до 8900 кДж тепла [9]. Таким образом, удельная энергоемкость ИПВ в основном определяется содержанием в его составе извести и находится в пределах 700-3500 кДж/кг вяжущего в зависимости от состава ИПВ и энергоемкости применяемой извести. Вместе с тем для получения вяжущего предлагаемым способом использование ОУ с содержанием угольных частиц 10-20 % по массе позволяет иметь на 1 кг шихты 0,08-0,16 кг органического топлива или 2000-4800 кДж потенциального тепла. Таким обра- А. А. Рязанов, В. М. Латыпов, А. Н. Рязанов, В. А. Рязанова 51 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 зом, энергетический потенциал сырьевой шихты сопоставим с энергозатратами на декарбонизацию известняка, что обосновывает целесообразность совместного обжига карбонатной породы с отходами углеобогащения. В работе в качестве сырьевых компонентов использовали известняк Луганского месторождения с суммарным содержанием СаСО3 и MgCO3 79,94 %, а также гравитационные ОУ ряда центральных обогатительных фабрик (ЦОФ) Донбасса. Химический состав отходов представлен в табл. 1. В лабораторных условиях для получения вяжущего указанным способом готовили шихту, состоящую из известнякового отсева фракциями 5-10 мм и отходов ОУ фракциями 0-5 мм в соотношении от 1:1 до 1:3 по массе карбонатной породы. После обжига в лабораторной муфельной печи производили тонкий помол полученного спека до удельной поверхности 2500-3000 см2/г. При разработке плана исследований влияния состава сырьевой шихты и режима обжига на физико-механические свойства известково-глинитного цемента (ИГЦ), в качестве базового был принят трехфакторный план второго порядка [10]. В нашем случае изучаемыми параметрами являлись: y1 - прочность при сжатии цементно-песчаных образцов на ИГЦ состава Ц:П=1:3 через 28 суток нормального твердения (R28 СЖ, МПа); y2 - прочность при сжатии цементно-песчаных образцов на ИГЦ после пропаривания при 95 °С по режиму 2+8+2 ч (RТ СЖ , МПа). Влияющими факторами принимались: х1 - содержание отходов в шихте, в частях по массе известняка; х2 - продолжительность обжига клинкера, мин; х3 - температура обжига, °С. Область изменения переменных факторов определялась теоретическими предпосылками и результатами предварительных опытов (табл. 2). Таблица 1 Химический состав отходов углеобогащения ЦОФ SiO2 А12O3 Fe2O3 СаО MgO SO3 К2O Na2O Белореченская 55,3 20,6 10,9 3,8 1,3 2,8 2,6 1,0 Суходольская 50,3 23,3 14,0 3,2 1,9 3,7 2,3 1,2 Мащевская 45,8 15,5 6,8 3,4 1,6 2,6 3,8 1,6 Для вычисления коэффициентов уравнения применяли программу STATISTICA for Windows, release 4.3 (MathCAD 7.0). По результатам представленного в табл. 2 плана исследований были получены коэффициенты уравнений и следующие модели функций отклика y1 и y2: y1 = 38,1 + 1,59x1 + 0,94x2 + 0,68x3 - 2,7x21 , (1) y2 = 48,4 + 2,49x1 + 0,31x2 + 0,897x3 - 3,87x21 . (2) Проверка адекватности моделей показала, что в обоих случаях расчетные значения критерия Фишера оказались меньше табличного значения, т. е. модели адекватны. Графическая интерпретация полученных зависимостей представлена на рис. 1-3. Исследованиями установлено, что оптимальным является обжиг при 1100 °С. Экспериментально доказано, что в интервале соотношений сырьевых компонентов в шихте от 1:1 до 1:3 по массе карбонатного компонента основные свойства получаемого вяжущего сохраняются. Это позволяет регулировать количество вводимых в шихту отходов углеобогащения в широких пределах, что теоретически может обеспечить полное или существенное замещение технологического топлива отходами. Активность полученного ИГЦ в том же диапазоне соотношений компонентов в шихте составила 10-16,5 МПа. После пропаривания при 95 °С по режиму 2+8+2 ч прочность цементно-песчаных образцов возрастала соответственно до 12,5-23,4 МПа, т. е. на 20-44 % (табл. 3). Анализируя данные об изменении активности вяжущего в зависимости от параметров обжига и состава шихты, можно отметить следующие характерные явления. Таблица 2 Интервалы варьирования факторов Код Значение кода Значение факторов х1 х2 х3 Основной уровень 0 2 45 1050 Интервал варьирования х 1 15 150 Верхний уровень + 3 60 1200 Нижний уровень - 1 30 900 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 52 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ При увеличении температуры с 900 до 1100 °С активность ИГЦ возрастает на 31-66 % для всего диапазона сырьевых составов. При этом наиболее значительный прирост активности наблюдался у ИГЦ из шихты с наибольшим содержанием известняка - 50 % по массе, что объясняется увеличением степени диссоциации СаСО3 при 1100 °С и, следовательно, увеличением содержания свободного оксида кальция в вяжущем, а также образованием до 8 % по массе β-С2S в указанном температурном интервале, что подтверждается данными рентгеноструктурных Таблица 3 Физико-механические характеристики лабораторных образцов на ИГЦ Содержание ОУ в шихте, % по массе Rсж образцов из цементного теста после ТВО, МПа Rсж образцов из пластичных растворов, МПа 7 сут в Н.У. 28 сут в Н.У. Пропаривание, 95 °С, 2+8+2 ч изгиб сжатие изгиб сжатие изгиб сжатие ОУ Белореченской ЦОФ 50 23,40 1,35 4,16 5,13 15,28 6,98 20,17 66 26,15 1,46 4,56 5,60 16,46 9,63 23,43 75 25,37 1,10 3,36 5,78 16,21 6,51 21,40 ОУ Суходольской ЦОФ 50 16,45 1,06 3,61 4,10 10,26 5,54 15,23 66 20,59 1,38 4,58 4,84 12,65 5,96 17,69 75 17,63 1,30 4,24 4,53 11,74 5,60 14,15 ОУ Мащевской ЦОФ 50 15,71 1,60 5,45 4.21 10,75 5,63 12,68 66 19,60 1,76 6,23 5,66 14,52 7,50 17,53 75 16,80 1,30 4,12 4,57 10,34 6,35 12,45 исследований. Повышение температуры обжига до 1200 °С приводило к спеканию шихты и резкому снижению активности вяжущего при одновременном увеличении сроков схватывания. При последующем увеличении температуры обжига до 1250 °С активность вяжущего снижается на 12-38 %. Насыпная плотность ИГЦ находится в пределах 810-915 кг/м3 в рыхлом состоянии, 1180-1290 кг/м3 - в уплотненном, истинная плотность составляет 2340- 2860 кг/м3. Нормальная густота теста 30-39 % в зави- Рис. 1. Влияние продолжительности и температуры обжига сырьевой шихты на активность ИГЦ А. А. Рязанов, В. М. Латыпов, А. Н. Рязанов, В. А. Рязанова 53 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 симости от количественного состава исходной шихты. Вяжущее характеризуется следующими сроками схватывания: начало 42-54 мин, конец 1 ч 45 мин - 2 ч 24 мин. Повышению активности способствует применение добавок электролитов. При введении с водой затворения СаСl2 в количестве 2 % по массе вяжущего прочность при сжатии цементно-песчаных образцов увеличивается в среднем на 36,8 % через 28 сут твердения в нормальных условиях (Н.У.), соответственно Рис. 2. Влияние состава сырьевой шихты и продолжительности обжига на активность ИГЦ Рис. 3. Влияние состава шихты и температуры обжига на активность ИГЦ Rсж =20,6-22,3 МПа и на 26,7 % после пропаривания при 95 °С (Rсж=24,0-26,8 МПа). Введение с водой затворения Na2SO4 в том же количестве увеличивает прочность при сжатии на 17,3-38,0 % (Rcж= 19,0-21,0 МПа) через 28 сут твердения в Н.У. и на 12,5-16,0 % (Rсж=22,5-24,6 МПа) после пропаривания. Введение при помоле двуводного гипса (5 % по массе) приводит к увеличению прочности при сжатии в среднем на 47,2 % (Rсж=17,5-17,8 МПа) через Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 54 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ 28 сут твердения в Н.У. и на 33 % (Rсж=21,9-22,6 МПа) после пропаривания. Одновременное введение двуводного гипса (5 % по массе) и СаCl2 (2 % по массе) увеличивает прочность при сжатии в среднем на 47,2 % (до 26,3 МПа) через 28 сут твердения в Н.У. и на 33 % (до 23,7 МПа) после пропаривания. Выводы. 1. Экспериментально установлена возможность эффективного использования гравитационных отходов углеобогащения для получения местного гидравлического вяжущего - известково-глинитного цемента. 2. Исследованиями установлено, что при увеличении температуры с 900 до 1100 °С активность ИГЦ возрастает на 31-66 % для всего диапазона сырьевых составов. Повышение температуры обжига до 1200 °С приводит к резкому снижению активности вяжущего и увеличению сроков схватывания. 3. Экспериментально установлено, что обжиг при 1100 °С двухкомпонентной шихты, включающей известняк и гравитационные отходы углеобогащения в соотношении от 1:1 до 1:3 по массе карбонатной породы, позволяет получать известково-глинитный цемент с прочностью при сжатии в цементно-песчаном растворе через 28 сут твердения в Н.У. 15-16 МПа и 20-23 МПа после пропаривания при 90 °С по режиму 2+8+2 ч. 4. Установлено, что повышению активности вяжущего до 26 МПа способствует совместное применение добавки СаСl2 с водой затворения (2 % по массе) и двуводного гипса при помоле (5 % по массе). 5. Активными фазами ИГЦ являются β модификация белита, оксид кальция и метаморфизированное, в результате обжига, глинистое вещество отходов углеобогащения.

About the authors

Anton A. RIAZANOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Valery M. LATYPOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Aleksander N. RIAZANOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Victoriia A. RIAZANOVA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files