7 Июль 2016

 

П.Н. ЖЕЛЕЗНЫЙ, инженер, И.А. ЖЕНЖУРИСТ, В.Г. ХОЗИН, кандидаты техн. наук,
Казанская государственная архитектурно-строительная академия

 

О возможности применения зол и шлаков ТЭС в различных отраслях промышленности известно давно. В настоящее время, когда традиционные сырьевые материалы стали дефицитны и часто дороги, к зольным отходам снова появляется интерес [1, 2].

 

Минерально-сырьевая база керамической промышленности Республики Татарстан бедна запасами качественного глинистого сырья. Эта проблема стоит остро и для Казанского региона. Растущие темпы гражданского строительства нуждаются в качественном керамическом рядовом и лицевом кирпиче.

 

За долгие годы в республике накоплены значительные объемы отходов различных производств, в том числе золы ТЭС. Их использование — важная экологическая и экономическая задача.

 

В настоящей работе была изучена возможность применения зольных отходов Казанской ТЭС-2 в производстве строительной керамики из суглинков Казанского региона. Для исследования были выбраны перспективные с точки зрения местонахождения суглинки Новониколаевского, Калининского и Кощаковского месторождений. Суглинок Новониколаевского месторождения лежит вблизи отвалов зольных отходов ТЭС-2 (объем залегания суглинка 1,25 млн м3, объем зольных отходов — 780 тыс. т). Химический состав используемых сырьевых компонентов представлен в табл. 1. Гранулометрический состав Новониколаевского суглинка представлен следующими фракциями: <0,005 мм — 20—30%, 0,005—0,05 мм — 60-70%, 0,05-1 мм — 10-20%. Зола представляет собой порошок серого цвета, гранулометрический состав которого представлен в табл. 2.

 

Минеральный состав золы формируется из связанных оксидов Si, Al, Ti, Fe, Ca, Mg, S, микроэлементов Sr, Mn, Cd, Ba, Zr, Pb и представлен на 70% стеклофазой и 15% аморфизированным глинистым веществом, кварцем, карбонатами Ca, Mg, гематитом, муллитом. Содержание углерода в пределах 810% [3, 4]. Характеристика глинистого сырья представлена в табл. 3.

 

Было проведено сравнение прочностных характеристик образцов-цилиндров, изготовленных по полусухой технологии из суглинков Новониколаевского, Калининского и Кощаковского месторождений. Оптимальный гранулометрический состав пресс-порошков следующий: фракция 3-1 мм — 45-55%, фракция <1 мм — 55-45%. Влажность пресспорошков — 8-9%. Плотность образцов, отформованных при давлении прессования 22-27 МПа, составляла 2-2,2 г/см3. Образцы сушились и обжигались в муфельной печи при скорости поднятия температуры 40-50оС/ч. Выдержка при максимальной температуре — 1 ч.

 

Было установлено, что максимальная прочность при сжатии для кощаковской и калининской глин достигается в интервале температур 900— 1000оС с дальнейшим ее снижением при повышении температуры. Та же прочность для образцов из новониколаевской глины достигается в зоне 1000—1100оС. Таким образом, производство кирпича из новониколаевского суглинка потребует повышенных энергозатрат. В связи с этим были проведены исследования возможности повышения прочности керамического черепка из новониколаевского суглинка в интервале температур 900— 1000оС. Был проведен подбор шихты на основе нковониколаевского суглинка и золы ТЭС.

 

Образцы прессовали и обжигали по вышеописанной технологии. Медленный подъем температуры от 700оС до максимальной обеспечивает полное выгорание углерода и равномерный по объему обжиг.

 

Таблица 1

Сырье

SiО2

Аl2O3

ТiO2

Fe2O3

СаО

МgО

SO3

2О+К2О

п.п.п.

Суглинок калининский

67-72

12,6-14,5

4,6-7,5

1,4-2,9

1,82,2

следы

1,98

4,5

Суглинок кощаковский

68-72

10,9-12,1

0,72

3,6-3,8

2,28

1,8

0,04

3,4-3,6

3,8-4,6

Суглинок новониколаевский

73-74

10-11

0,54

4,17

2,49

1,59

0,06

1,89

3,87

Зола ТЭС-2 (Казань)

48-52

19-24

0,6-0,7

4-6

3-6

2-4

0,2-0,7

1,3-2,3

8-19

 

Таблица 2

Фракция, мм

1

0,5

0,315

0,2

0,1

0,063

0,05

< 0,05

Содержание,%

1,7

2,5

3,4

6,7

28,7

12,8

23,9

13,3

 

Таблица 3

Суглинок

Содержание тонкой фракции <0,001 мм, %

Содержание Аl203 в пересчете на простое вещество, %

Содержание гигро-скопической воды, %

Число пластичности

Чувствительность к сушке (по Чижскому), с

Спекаемость

Огнеупорность, оС

Rсж, МПа

Rиз, МПа

Калининский

40

14,45

3

12-20

98-110 высокочувствительный

Неспекающийся

1288

26-40

18-26

Кощаковский

20,16

12,92

2,95

10-12

125 среднечувствительный

Неспекающийся

1295

13-23

13-20

Новониколаевский

24,2

10,51

2,46

8-12

152 среднечувствительный

Неспекающийся

1350

40-56

3-7

 

В процессе обжига золокерамический материал дополнительно разогревается за счет внутреннего тепловыделения при выгорании частиц кокса, окиси углерода, содержащихся в порах стеклофазы. Температура образцов может превышать температуру среды на 80-100оС, что оказывает существенное влияние на формирование прочной структуры керамического черепка [1, 5].

 

Зологлиняная шихта на основе новониколаевского суглинка представляет собой высокодисперсную композицию (содержание фракции <1 мм для состава с 20% золы — более 70%), которая при увлажнении водой представляет собой малопластичную массу. На рис. 1 показана зависимость прочности при сжатии образцов из 100% новониколаевского суглинка и шихты с 20% золы ТЭС от влажности шихты.

 

Из рис. 1 видно, что при температуре обжига 1000оС для новониколаевского суглинка наибольшая прочность достигается при полусухом прессовании. Это может быть объяснено высоким содержанием в суглинке высокодисперсного кварца (фракция 0,005—0,05 мм — 60—70%). Введение в суглинок мелкодисперсной золы ТЭС и увеличение влажности формовочной смеси повышает пластические свойства массы, способствует равномерному уплотнению сырца при прессовании. Это обусловило увеличение прочности образцов при 1000оС в диапазоне влажности пластического формования. Для этого диапазона влажности были испытаны составы с различным содержанием золы (рис. 2).

 

Rсж,МПа Rсж,МПа
sm08_04-44 sm08_04-45
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии образцов от влажности шихты: 1 — суглинок новониколаевский (100%), Тобж = 1000оС; 2 — шихта: суглинок новониколаевский (80%) + зола (20%), Тобж = 950оС; 3 — шихта: суглинок новониколаевский (80%) + зола (20%), Тобж = 1000оС Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии образцов от количества добавки золы (влажность шихты 20%):
1 — Тобж = 950оС;
2 — Тобж = 1000оС;
3 — Тобж = 1050оС

 

Структурообразование в глинах и керамических материалах, представляющих собой полиминерально-коллоидные и композиционные системы, описывается в рамках физико-химической механики дисперсных структур [1, 2, 5, 6]. Технологические свойства глин и формируемого из них сырца определяются взаимопревращениями коагуляционных и конденсационных структур, а свойства керамики — образующимися при обжиге кристаллизационными образованиями [1, 5]. В нашем случае предполагается различие в механизме формирования оптимальной коагуляционно-кристаллизационной структуры сырца при переходе от пластичного формования к полусухому и закрепленной при обжиге. Кроме того, формированию кристаллизационной структуры при обжиге способствует повышенное содержание кварца в глине. Удовлетворительная прочность материала достигается при температуре около 1000оС.

 

Проведенные исследования показали хорошие перспективы использования новониколаевского суглинка и золы ТЭС для получения строительной керамики. Современные технологии производства строительной керамики могут обеспечить высокое качество изделий из отходов и местного низкосортного сырья.

 

Список литературы

  1. Сайбулатов С.Ж. Ресурсосберегающая технология керамического кирпича на основе зол ТЭС. М.: Стройиздат. 1990. 248 с.
  2. Семин М.А., Джумагулов С.Д. Золы и шлаки ТЭС — ценное минеральное сырье для силикатной отрасли // Стекло и керамика. 2003. № 8. С. 22-23.
  3. Исследование сырья Подгорен-ского кирпичного завода на пригодность для производства кирпича методом полусухого прессования с пластической переработкой массы / Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИИстром им. П.П. Будникова. 1985. 87 с.
  4. Разработать способы повышения качества изделий полусухого прессования путем обработки пресс-порошка различными химически активными веществами / Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИИстром им. П.П. Будникова. 1984. 38 с.
  5. Женжурист И.А. Об особенностях формирования керамического черепка из пресс-порошков пылеватого суглинка // Строит. материалы. 2000. № 6. С. 26-28.
  6. Стороженко Г.И., Завадский В.Ф. Технология производства и сравнительный анализ пресс-порошков для строительной керамики и механоактивированного сырья // Строит. материалы. 1998. № 12. С. 6.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»