Стеновые керамические изделия на основе отходов углеобогащения и железосодержащих добавок
На правах рукописи
Карпачева Анна Анатольевна
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
И ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск - 2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Новосибирский государственный
архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Завадский Владимир Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Верещагин Владимир Иванович
кандидат технических наук, доцент
Лукьянчиков Сергей Альбертович
Ведущая организация ГОУ ВПО «Сибирский Федеральный
университет», (г. Красноярск)
Защита состоится 20 февраля 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, учебный корпус № 5, ауд. № 307/5
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан ___ января 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Копаница Н.О.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Накопление запасов техногенных продуктов производства при уменьшении запасов качественного природного сырья, делает актуальной проблему утилизации отходов, особенно в индустриальных районах. В Кузбассе сосредоточены горнодобывающая, металлургическая и другие отрасли промышленности.
Одним из путей решения этой проблемы является использование производственных отходов и попутных продуктов в промышленности строительных материалов. В частности, в производстве изделий стеновой керамики в качестве техногенного сырья применяются золы ТЭС, отходы обогащения и др.
Ежегодный объем образующихся отходов углеобогащения в горнодобывающей и обогащающей промышленности РФ составляет более 13 млн. т., часть из которых используется в строительстве, а остальная часть складируется в отвалы. На территории г. Новокузнецка работает 3 обогатительных фабрики, на которых образуется ежегодно около 1 млн. т. отходов углеобогащения, целенаправленная технологическая реализация которых снизит дефицит сырья и стоимость строительных материалов, в частности в Кузбассе.
Одним из реальных и экономически выгодных направлений использования отходов углеобогащения является получение на их основе керамических изделий с высокими эксплуатационными свойствами, удовлетворяющими требования ГОСТ на соответствующие виды изделий. Решение задачи предварительной подготовки отходов углеобогащения в виде механического тонкого измельчения и термообработки и разработки параметров получения керамических изделий на их основе является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР НГАСУ на 2005 – 2008 г. № 7.1.2 раздел «Стеновые керамические материалы на основе отходов углеобогащения и корректирующих добавок».
Объект исследования – керамические материалы на основе отходов углеобогащения, глин месторождений Кемеровской области и техногенных железосодержащих продуктов.
Предмет исследования – процессы спекания и формирования структуры обожженных керамических материалов.
Цель работы - разработка составов и технологических приемов получения керамического кирпича на основе отходов углеобогащения с предварительной их механической и тепловой обработками, способствующих формированию прочной структуры изделий после обжига.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- – исследование вещественного состава и технологических свойств отходов обогащения угля, глинистых проб и корректирующих добавок, их оценка как сырья для получения керамических изделий;
- – изучение влияния различных видов корректирующих добавок на физико-механические свойства керамических образцов;
- – разработка оптимальных составов керамических шихт на основе отходов углеобогащения, обеспечивающих необходимые физико–механические характеристики керамических стеновых материалов при минимальном содержании глинистой составляющей сырья;
- – разработка основных технологических параметров получения керамических материалов на основе отходов углеобогащения и добавок;
- – исследование процессов структурообразования при обжиге образцов из разработанных шихт с учетом проведенного комплекса технологических операций при их обработке и прессовании;
- – исследование эксплуатационных свойств керамического кирпича на основе отходов углеобогащения, разработка технологического регламента на производство керамического кирпича и проверка в опытно–промышленных условиях результатов диссертационной работы;
Научная новизна работы.
- Предварительная механическая обработка измельчением алевролитсодержащих отходов обогащения угля, относящихся к пылеватым суглинкам, повышает их пластичность на 20-25 % (число пластичности с 9,2 до 11,5), что способствует увеличению прочности керамического черепка на 20-25 % до 8 МПа за счет изменения структуры глинистых минералов.
- Снижение свободного углерода в отходах углеобогащения путем термообработки при температуре 500-600 0С с 14 до 3,5-4 % приводит к 10-12 %-ному повышению плотности отформованного изделия, росту прочности кирпича на 40-45 % и обеспечивает получение марки М100.
- Введение в состав шихты на основе отходов углеобогащения железосодержащих техногенных продуктов в количестве 3-5 % (в пересчете на Fe2O3) способствует повышению прочности обожженных керамических образцов с 12 до 20 МПа за счет активного спекания керамических масс.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Предложены методы предварительной обработки отходов углеобогащения для улучшения технологических свойств и снижения содержания свободного углерода в их составе.
2. Установлен оптимальный гранулометрический состав керамической шихты на основе отходов углеобогащения, ее влажность и параметры прессования.
3. Подобраны оптимальные составы керамических шихт на основе отходов углеобогащения и суглинка с добавкой железосодержащих техногенных продуктов – отходов метизного производства, шламовой части отходов обогащения железной руды.
4. Разработан и утвержден технологический регламент для производства кирпича на основе отходов углеобогащения для кирпичных заводов, работающих по технологии полусухого прессования с использованием механической и термической обработок исходного сырья.
5. Проведены заводские испытания в цехе по производству кирпича ЗАО «Новокузнецкремстрой-Н» (г. Новокузнецк) Получен керамический кирпич марки 125.
6. Результаты работы используются в учебном процессе НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск) и СибГИУ (г. Новокузнецк) по дисциплинам «Технология стеновых материалов и изделий» и «Технология стеновой керамики».
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2327668 от 27.06.2008 «Сырьевая смесь для получения керамических изделий».
Автор защищает:
- результаты предварительной механической и термической обработок отходов обогащения угля для производства керамического кирпича с высокими эксплуатационными свойствами;
- составы керамических шихт для производства кирпича на основе активированных отходов углеобогащения, с корректирующими добавками;
- результаты исследований обожженных керамических изделий;
- технологию получения керамического кирпича на основе отходов обогащения угля с корректирующими добавками.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы строительной отрасли» (НГАСУ (Сибстрин), Новосибирск, 2006-2008) и «Наука и молодежь на рубеже тысячелетий» (СибГИУ, Новокузнецк, 2005-2008), научно-практической конференции «Исследовательская и инновационная деятельность учащейся молодежи: проблемы, поиски, решения» (Кемерово, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (СибАДИ, Омск, 2007), шестой региональной научно-практической конференции Интеллектуальные ресурсы ХТИ – Филиала СФУ – Хакасии-2007 (наука, техника, образование) (Абакан, 2007) и второй международной научно-практической конференции «Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2008).
Личный вклад автора состоит в разработке методик и программ экспериментальных и теоретических исследований, анализе и обобщении результатов исследований, организации и проведении экспериментальных исследований в производственных условиях, организации и участии во внедрении технологических решений, изложенных в диссертационной работе.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 9 научных статьях, в т.ч. в журнале, входящем в перечень ВАК, получен патент на изобретение № 2327668 от 27.06.2008 «Сырьевая смесь для получения керамических изделий».
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы, включающего 104 наименований, 7 приложений и содержит 123 страницы основного текста, 40 таблиц и 41 рисунок.
Автор благодарен к.т.н., доценту кафедры Архитектуры и строительных материалов СибГИУ Пановой В.Ф. за консультации при постановке и выполнении экспериментальных исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрены актуальность проблемы, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе (Современное состояние вопроса использования местного глинистого сырья и техногенных продуктов обогатительных фабрик при производстве керамических стеновых изделий) показана экологическая, организационно-технологическая и экономическая проблема утилизации отходов горно-обогатительных предприятий.
Проведён анализ известных направлений использования отходов угледобычи и углеобогащения в технологии изделий строительной керамики.
Основы теории и технологии производства керамических стеновых материалов на основе отходов промышленности были разработаны в различные годы П.П.Будниковым, В.Н.Бурмистровым, В.И.Верещагиным, П.И.Боженовым, Г.И.Стороженко, А.Ю.Столбоушкиным и другими. Значительный вклад в теорию и практику получения изделий стеновой керамики внесли А.И. Августиник, Г.И. Книгина, М.И.Роговой, М.И. Шпирт, С.Ж.Сайбулатов, В.Ф. Панова и другие учёные.
Применение отходов углеобогащения значительно снижает стоимость керамических изделий на их основе. Эффективные керамические материалы можно получить на основе минеральных техногенных продуктов с различными многофункциональными корректирующими добавками.
На основе анализа данных, приведенных в технической и патентной литературе, сформулирована цель и задачи исследований.
Во второй главе (Методы исследования и характеристика сырьевых материалов) представлена методологическая схема проведения исследований. При постановке экспериментальной части работы использованы стандартные методики исследования сырьевых материалов и стеновых керамических изделий. Для изучения вещественного состава, фазовых и структурных превращений в процессе обжига сырьевых компонентов шихты был использован комплекс методов исследований: химический, термический, рентгенофазовый, адсорбционно-люминесцентный и седиментометрический анализы.
Приведены результаты исследований свойств отходов углеобогащения обогатительных фабрик г. Новокузнецка; отмечены их особенности как сырья для производства керамических стеновых материалов. В составе отходов углеобогащения с помощью рентгенофазового анализа установлено наличие монтмориллонита по дифракционным линиям с d/n=0,219;0,233;0,357; 0,720 нм, полевого шпата, кварца, смешанослоистых глинистых минералов, кальцита и др.
Основными оксидами в составе отходов углеобогащения являются: SiO2 – 53-55 %; Al2O3 – 16-18 %; СаО – 3,5-4 %; MgO – 1-1,5 %. Содержание оксидов железа - Fe2O3 колеблется от 3,0 до 4,0. Согласно «Нормам радиационной безопасности» (НБР-99) по удельной эффективности естественных радионуклидов отходы углеобогащения относятся к первому классу материалов, которые могут использоваться для изготовления изделий, применяемых в жилых и общественных зданиях.
В качестве добавок в составе керамических масс исследованы природное глинистое сырье и техногенные продукты предприятий г. Новокузнецка:
- Суглинок Байдаевского месторождения (г. Новокузнецк) – согласно ГОСТ 9169-79* относится к группе кислого глинистого сырья, высокочувствительному к сушке; умеренно пластичному; по степени спекаемости и огнеупорности относится к группе неспекающегося легкоплавкого глинистого сырья.
- Отходы обогащения железных руд – отход металлургического производства. Основу материала (40-50 %) составляют хлориты, содержит также тонкодисперсные карбонаты, кварц и полевые шпаты, оксиды железа и биотит. Удельная поверхность до 12000 м2/кг.
- Отход метизного производства (ОМП) (Западно-Сибирский металлургический комбинат, г. Новокузнецк) изучен как пигмент для окрашивания керамических изделий, который образуется при метизном производстве и представляет собой дисперсный порошок темно-красного цвета с удельной поверхностью до 700 м2/кг). Представлен гематитом (Fe2O3).
Третья глава (Оптимизация состава шихты и подбор основных технологических параметров) посвящена подбору оптимального гранулометрического состава керамической шихты, который проводился с применением математического планирования эксперимента. Применялась методика рационального планирования шестифакторного эксперимента, позволяющая так спланировать сочетание различных факторов, чтобы при минимальном числе опытов равномерно учесть все возможные их сочетания, одновременно графически выразить зависимость определяемых свойств от основных факторов. Рассматривалось влияние на прочность при сжатии, среднюю плотность и коэффициент конструктивного качества обожженных керамических образцов шести переменных факторов: содержания фракций 2,5, 1,25, 0,63, 0,315, 0,16 и фракции менее 0,16 мм. Факторы и уровни их применения приняты на основе литературных источников. Содержание фракций изменялось от 0 до 30 % с интервалом 5%. По результатам испытаний проведено усреднение значений по факторам и построены зависимости прочности при сжатии от гранулометрического состава (рисунок 1).
Рисунок 1 - Зависимость прочности при сжатии керамических образцов от содержания в шихте различных фракций отходов углеобогащения
Исследования показали, что максимальные значения прочности при сжатии, минимальные значения средней плотности и максимальные значения коэффициента конструктивного качества получены при определенных гранулометрических составах керамической шихты (таблица 1).
Таблица 1 – Гранулометрический состав шихты на основе отходов обогащения угля для получения максимальной прочности обожженных керамических образцов
| Содержание фракций, % | |||||
| 2,5 мм | 1,25 мм | 0,63 мм | 0,315 мм | 0,16 мм | менее 0,16 мм |
| - | 10 | 15 | 15 | 30 | 30 |
Наибольшим содержаниям фракций 0,315 мм и менее 0,16 мм соответствует увеличение значения прочности, таким образом, фракции 0,315 мм и менее должно быть в шихте 65-75%, содержание фракции 1,25 мм – не более 8%.
Методом математического планирования эксперимента (шесть факторов на пяти уровнях варьирования) определено уравнение функции, определяющей зависимость физико-механических показателей от процентного содержания разных фракций в шихте. Принято, что содержание фракции 0,315 мм и менее находится в пределах 60%.
По полученным данным рассчитаны уравнения регрессии зависимости прочности при сжатии керамического кирпича от содержания фракции 0,315 мм (х1), фракции 0,16 мм (х2) и фракции менее 0,16 мм (х3).
У=10,22+0,2х1+0,15х2+0,6х3+1,23х1х2+0,96х1х3-0,07х1х2.
Для увеличения содержания мелкой фракции в составе шихты проводилась механическая обработка отходов углеобогащения путем их тонкого помола до удельной поверхности 400 м2/кг. Установлено, что помол отходов углеобогащения в шаровой мельнице в течение 4-часов приводит к росту пластичности шихты на 16-22% (число пластичности увеличивается с 9,2 до 11,5). Прочность образцов возрастает на 20-25 % до 8 МПа.
Установлено, что в отходах углеобогащения различных фракций содержание углерода отличается (таблица 2) – наименьшее во фракции 20 мм и более. Для применения отходов углеобогащения в керамическом производстве эту фракцию необходимо подвергалась дроблению и помолу.
Таблица 2 – Содержание углерода в различных фракциях отходов углеобогащения
| Фракции, мм | Зольность, % | Количество углерода, % | ППП до термообработки, % | |
| до термообработки | после термообработки при t=5000С | |||
| 2,5 | 79,7 | 14,57 | 1,46 | 23,94 |
| 5 | 87,8 | 7,21 | 3,50 | 15,22 |
| 10 | 88,9 | 6,54 | 3,94 | 14,15 |
| 20 | 89,0 | 6,29 | 4,30 | 13,48 |
Повышенное содержание свободного углерода в отходах углеобогащения оказывает отрицательное влияние на физико-механические свойства обожженных образцов. При обжиге углерод не выгорает, а ококсовывается внутри черепка, что снижает прочность изделия. Для уменьшения содержания свободного углерода проведена термическая обработка отходов углеобогащения, которая заключалась в выжигании свободного углерода, содержащегося в них. Термообработка проводилась при температурах 400, 500 и 600 0С в течение 20 минут. Максимальное снижение содержания свободного углерода наблюдается в отходах фракцией 2,5 мм (с 14,57 до 1,46 %) при температуре термообработки 5000С. В целом снижение свободного углерода составило 3-4% (до 2-4 %).
Установлено, что при термообработке фракции 2,5 мм и смешивании ее с отходами углеобогащения в количестве 1:4, содержание углерода в шихте становится менее 6 %. Прочность обожженных образцов из шихт на основе отходов углеобогащения, прошедших термообработку возрастает на 40-45 % и обеспечивается получение марки М100.
Для получения более высокой марки керамических изделий в шихту вводится глинистый компонент: суглинок Байдаевский. Проведенный эксперимент по определению рационального содержания количества суглинка в смеси с отходами углеобогащения показал, что оптимальное содержание суглинка в шихте должен составлять 20-30 %. Прочность обожженных образцов составила 16-19 МПа.
Определены физико-механические свойства обожженных образцов в зависимости от содержания отходов углеобогащения и технологических параметров. В качестве таких параметров учитывалось влияние давления прессования и температура обжига. Использована методика определения оптимальных значений давления прессования и влажности пресс-порошка, основанная на фиксации прироста деформации керамических масс при сжатии. Компрессионные кривые представлены на рисунке 2.
Влажность шихты изменялась от 7 до 11%. По компрессионной кривой был определен рациональный интервал прессового давления, соответствующий участку плавного перехода кривой в прямую линию. Точка отрыва продолжения этой прямой от компрессионной кривой соответствует оптимальному значению давления прессования для шихты данной влажности. Была изготовлена серия керамических образцов из шихт на основе отходов углеобогащения и суглинка разной влажности (7, 9 и 11 %). Давление прессования варьировалось от 8,0 МПа до 24,0 МПа. Результаты испытания образцов представлены на рисунок 3.
Рисунок 2 - Компрессионные кривые осадки керамических масс на основе отходов углеобогащения
Р, Р1, Р2 – удельные давления прессования, соответствующие разной влажности керамических шихт, кгс/см2; h – осадка пресс-порошка, мм; 1, 2, 3 – контрольные точки для определения оптимального давления прессования
Рисунок 3 - Зависимость предела прочности при сжатии керамических образцов от давления прессования при различной влажности шихты
Наибольшую прочность имели керамические образцы, изготовленные из шихты влажностью 11% при давлении прессования 16,0 МПа (Rсж=27,5 МПа), наименьшую – образцы, изготовленные из шихты влажностью 7 % при давлении прессования 8,0 МПа (Rсж=11,1МПа). Таким образом, оптимальное давление прессования для керамических шихт на основе отходов углеобогащения составляет 14-16 МПа при формовочной влажности пресс-порошка 9-11 %.
Обжиг отформованных образцов проводился ступенчато с выдержками в течение 30 минут при температурах 150, 350, 550 и 850 0С и часовой выдержке при максимальной температуре. Продолжительность обжига лабораторных образцов составила 3 часа. Температура обжига определялась экспериментально исходя из наибольших прочностных показателей образцов (таблица 3) и минимального водопоглощения.
При температурах обжига свыше 10000С наблюдается резкое снижение физико-механических свойств образцов (Rсж=3,7 МПа), изменение геометрической формы и вспучивание. Значительное снижение средней плотности объясняется выгоранием остаточного углерода, содержащегося в шихте. Он действует как выгорающая добавка, увеличивая пористость изделий и снижая прочность. Зафиксирована оптимальная температура обжига 930-970 0С.
Таблица 3 – Физико-механические свойства керамических образцов, обожженных при различных температурах
| Показатель | Температура обжига, 0С | |||||
| 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | |
| Прочность при сжатии, МПа | 6,9 | 22,0 | 27,5 | 18,1 | 5,3 | Образцы вспучились и оплавились |
| Средняя плотность, кг/м3 | 1135 | 1750 | 1807 | 1674 | 850 | |
| Коэффициент конструктивного качества, МПа | 6,06 | 12,9 | 16,1 | 11,2 | 4,4 | |
| Водопоглощение по массе, % | 21,6 | 17,3 | 16,8 | 18,4 | 24,9 | |
Для улучшения спекания керамической массы и увеличения количества жидкой фазы во время обжига в состав шихты вводились железосодержащие добавки: отход метизного производства, шламовая часть отходов обогащения железных руд. Керамические образцы прессовались при оптимальном давлении и обжигались при оптимальной температуре 950 0С. Результаты испытания показали рост прочности при сжатии с увеличением количества вводимой добавки.
Железосодержащие отходы металлургического производства вводились в состав шихты в качестве тонкодисперсных добавок, улучшающих спекание керамической массы. Содержание добавок изменялось от 1 до 15%. Состав керамической шихты определен был ранее: отходы углеобогащения 70%, суглинок 30 %. Наилучшие показатели имели образцы с содержанием добавки отходов метизного производства в количестве 2-5 % (Rсж=29,1 МПа) (рисунок 4); отходов обогащения железной руды в количестве 6-9 % (Rсж=26,0 МПа).
Методом математического планирования эксперимента определены уравнения функций, определяющих зависимость физико-механических показателей от процентного содержания тонкодисперсных корректирующих добавок в шихте.
Рисунок 4 - Влияние добавки отходов метизного производства на свойства керамических образцов на основе отходов углеобогащения
По полученным данным рассчитаны уравнения регрессии зависимости прочности при сжатии керамических изделий от процентного содержания в шихте отходов метизного производства (1) и отходов обогащения железных руд (2):
У=26,216+3,89х-0,92х2+0,041х3 (1)
У=20,216+0,779х-0,147х2 (2)
где У – значение прочности при сжатии, МПа;
х – содержание корректирующей добавки в шихте, %.
Результаты экспериментальных исследований и математической обработки зависимости прочности при сжатии, средней плотности и коэффициента конструктивного качества от процентного содержания в составе шихты корректирующих добавок – отходов металлургического производства позволили выявить оптимальные составы керамических шихт, (в мас. %): отходы углеобогащения 65-70%, суглинок 25-30%, железосодержащая добавка 3-5% (в пересчете на Fe2O3). При этом составе прочность керамических изделий составляет Rсж – 30-32 МПа. На данный состав получен патент на изобретение №2327668 от 27.06.2008 «Сырьевая смесь для получения керамических изделий».
В четвертой главе (Опытно-заводские испытания технологии производства керамического кирпича с применением отходов углеобогащения) приведены результаты опытно-промышленной апробации. Представлена технология производства керамического кирпича из шихты оптимального состава (отходы углеобогащения 65-70%, суглинок 25-30%, отход метизного производства 3-5%). Приведены технологические параметры получения керамического кирпича. Разработан технологический регламент на изготовление керамического кирпича.
В производственных условиях выпущена партия керамического кирпича с корректирующими добавками. Результаты подтвердили техническую эффективность применения в качестве добавок для стеновой керамики на основе отходов углеобогащения отходов металлургического производства (таблица 4).
Таблица 4 - Влияние добавок на свойства керамических стеновых изделий производственной партии
| Вид добавки | Средняя плотность, кг/м3 | Прочность при сжатии, МПа | Водопоглощение по массе, % | Марка по прочности |
| Без добавок (отходы углеобогащения - 100 %) | 1543 | 5,2 | 14,7 | - |
| Отход метизного производства – 5% | 1607 | 10,6 | 11,4 | М100 |
| Отход метизного производства – 10% | 1611 | 9,8 | 12,5 | М100 |
| Отходы обогащения железных руд – 5 % | 1680 | 11,3 | 14,3 | М100 |
| Отходы обогащения железных руд – 10 % | 1730 | 8,1 | 16,3 | - |
| Продолжение таблицы 4 | ||||
| Глина – 25 % | 1676 | 13,6 | 15,0 | М125 |
| Суглинок – 25 % | 1685 | 10,6 | 12,9 | М100 |
| Суспензия суглинка (25 % в пересчете на сухое вещество) | 1650 | 13,2 | 15,9 | М125 |
| Суспензия глины (25 % в пересчете на сухое вещество) | 1640 | 14,2 | 16,5 | М125 |
| Отход метизного производства (5%) + суспензия суглинка (25%) | 1650 | 15,7 | 14,7 | М150 |
Результаты изучения свойств изделий опытно-промышленной партии подтвердили достоверность лабораторных исследований: марка по прочности на сжатие – М150; водопоглощение 16-18 %; марка по морозостойкости - не менее F35; средняя плотность – 1670-1700кг/м3. Керамические изделия не имели высолов после выдерживания их в воде в течение 2 суток и сохранили равномерную кремовую окраску.
Себестоимость кирпича (за 1 шт.) – 3,05 руб.; сравнительная себестоимость аналогичных изделий из глины – 5,80 руб., из шлакобетона – 3,59 руб., из пескобетона – 6,42 руб. Расчетная прибыль производства стеновых изделий на технологической линии производительностью 10 млн. шт. кирпича в год составила 35 млн. руб. в год в ценах 2007 года.
Выполнен расчет технико-экономических показателей производства керамического кирпича на основе отходов углеобогащения с корректирующими добавками. За основу приняты экономические показатели цеха по производству керамического кирпича ЗАО «Новокузнецкремстрой-Н» (г. Новокузнецк).
Основные выводы
- Отходы углеобогащения содержат глинистые минералы в количестве до 15 %; кварц – 40 %; кальцит – 5-7 %; оксиды железа 4-6 % и другие минералы. В технологическом отношении материал умеренно пластичный (число пластичности – 9, содержание глинистых частиц 13-15 %), имеет низкую чувствительность к сушке. По огнеупорности относится к легкоплавкому, по температуре и степени спекания – к низкотемпературному, неспекающемуся сырью. Образцы из керамических шихт на основе отходов углеобогащения имеют марку менее марки М100, что не соответствуют требованиям ГОСТ 530-2007 по показателю прочности при сжатии.
- Механическая обработка измельчением и термообработка отходов углеобогащения улучшает технологические свойства отходов углеобогащения (число пластичности увеличивается на 16-22 % в среднем до 11,5); уменьшает содержание свободного углерода в сырье с 14% до 3,5-4 %. Прочность образцов из такой шихты возрастает на 40-45 % до 12-14 МПа.
- При введении в состав керамической шихты на основе отходов углеобогащения железосодержащих добавок в количестве 3-5 % увеличивается прочность обожженных образцов на 30-40 % до 18-22МПа.
- Оптимальные технологические параметры прессования керамических стеновых материалов на основе отходов углеобогащения, определенные по компрессионным кривым осадки пресс-масс: формовочная влажность 7-9 %, давление прессования 14-16 МПа, что обеспечивает коэффициент сжатия – 2,5-2,65.
- Рациональные составы шихт для обеспечения максимальных физико-механических свойств образцов: 65-70 % отходов углеобогащения и 25-30 % суглинка Байдаевского и 3-5 % железосодержащих отходов (в пересчете на Fe2O3) - отходов метизного производства, шламовой части отходов обогащения железной руды.
- Результаты опытно-промышленной апробации подтвердили достоверность лабораторных исследований. Получен керамический кирпич марки М150, водопоглощение по массе 16-18 %, средняя плотность 1670-1700 кг/м3. Внедрение данной технологии позволяет расширить сырьевую базу для производства высококачественных стеновых керамических изделий.
Основные результаты диссертации
опубликованы в следующих работах:
- Завадский, В.Ф. Получение керамического кирпича с применением отходов углеобогащения и корректирующих добавок / В.Ф. Завадский, А.А. Карпачева // Изв. вузов. Строительство, 2007. – №11. – С.56-58.
- Карпачева, А.А. Керамический кирпич из отходов углеобогащения / А.А. Карпачева // «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования». - Омск: СиБАДИ, 2007. – С. 118-121.
- Карпачева, А.А. Разработка рекомендаций по улучшению качества кирпича на кирпичном заводе «Абашевский» / А.А.Карпачева, // Сб. Исследовательская и инновационная деятельности учащейся молодежи: поиски, решения: сборник трудов областной научно-практической конференции. – Кемерово, 2006. – С.66-69.
- Панова, В.Ф. Применение отходов углеобогащения для производства строительных материалов / В.Ф. Панова, А.А. Карпачева // Сб. Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологии комплексного извлечения металлов из вторичных минеральных ресурсов. – Новокузнецк: CибГИУ, 2005. – С.166-172.
- Карпачева, А.А. Рекомендации по корректировке качества кирпича из отходов углеобогащения. / А.А. Карпачева // Сб. докладов 64-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск: НГАСУ, 2007. – С. 12.
- Карпачева, А.А. Промышленные отходы Кузбасса, их положение к квалификационной системе как сырья для получения обжиговых и безобжиговых строительных материалов / А.А. Карпачева, В.Ф. Панова // Сб. докладов 61-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин). – Новосибирск: НГАСУ, 2004. – С. 24-25.
- Карпачева, А.А. Активизация отходов углеобогащения / А.А. Карпачева // Экология и ресурсосберегающие технологии в строительном материаловедении. Международный сборник научных трудов. Новосибирск: НГАУ, 2006. – С.91-93.
- Карпачева, А.А. Особенности спекания керамических масс на основе отходов углеобогащения / А.А, Карпачева // Интеллектуальные ресурсы ХТИ – Филиала СФУ – Хакасии-2007 (наука, техника, образование) Абакан: ХТИ - Филиал СФУ. – 2007. – С. 56-58.
- Патент РФ № 2327668, МПК С04В33/132. Сырьевая смесь для получения керамических изделий / В.Ф. Панова, А.А. Карпачева, Е.П., Микова; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «СибГИУ» - Опубл. в БИ 2 18 от 27.06.08.
Карпачева Анна Анатольевна
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И
ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК
05.23.05. – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Изд. Лиц. № 1253 от 31.10.97 г.
Подписано в печать г. Формат 6084 1/16.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Усл.-печ.л.. Уч.-изд.л..
Тираж экз. Заказ №
Изд-во ГОУ ВПО «ТГАСУ», 634003, г. Томск, пл. Соляная,2.
Отпечатано с оригинал-макета автора в ООП ГОУ ВПО «ТГАСУ».
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
