ф
экологические и практические аспекты
совместного использования
отходов чёрной металлургии и энергетики
Доктор технических наук В.З. АБДРАХИМОВ (Самарская академия государственного и муниципального управления)
В 1972 г. Денис, Донелла Медоуз и Йор-ген Рандерс представили Римскому клубу свой знаменитый доклад "Пределы роста"- сценарий социально-экономической судьбы человечества в случае сохранения наблюдавшихся тенденций. Сценарий получился печальным: при любых конкретных значениях рассматриваемых параметров нашу цивилизацию ждал крах1. К нему вели два основных механизма: истощение природных ресурсов и неконтролируемый рост отходов. Авторы доклада имели в виду в первую очередь промышленные выбросы в атмосферу и воду. Роль твёрдых бытовых отходов относительно производственных невелика.
Значительная часть выбросов вредных веществ в атмосферу приходится на энергетику и чёрную металлургию.
Производство керамических композиционных строительных материалов - одна из самых материалоёмких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использование топлива, сырья и других мате-5 риальных ресурсов становится решающим ° фактором её успешного развития в усло-
1 виях проводимой экономической реформы. 8 В связи с этим применение в керамических
о
2 -
| 1 Абдрахимов В.З. Вопросы экологии и утилиза-
£ ции техногенных отложений в производстве
2 керамических композиционных материалов.
§ Самара: Самарский государственный архитек-
о турно-строительный университет. 2010; Абдра-
® химов В.З., Абдрахимова Е.С., Абдрахимов Д.В.,
Е Абдрахимов А.В. Применение техногенного
С!
® сырья в производстве кирпича и черепицы. Р СПб.: Недра. 2004.
материалах отходов производств приобретает особую актуальность2. Около 66% зо-лошлаковых материалов, образующихся при сжигании углей, имеют повышенное содержание несгоревших остатков. Суммарное содержание подобных остатков может удовлетворить потребность в топливе всей керамической промышленности по производству кирпича, а минеральная часть золы - заменить до трети потребности в глиняном сырье3. Однако общий объём использования золошлаковых материалов в производстве керамических материалов предприятиями России не превышает 10%.
Использование отходов экономически выгодно, так как исключаются затраты на геологоразведочные работы, на строительство и эксплуатацию карьеров, при производстве строительных материалов уменьшаются затраты на топливо, снижаются себестоимость, удельные капиталовложения, уменьшаются площади, занятые под отвалы. Кроме того, использование отходов производств - один из эффективных способов экономии природных материалов, при этом одновременно происходит утилизация
2 Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Использование отходов обогащения цветной металлургии в производстве кислотоупорных изделиях // Известия вузов. Цветная металлургия. 2004. № 4. С. 13-19.
3 Абдрахимов В.З. Исследование железосодер-
жащего традиционного природного и техногенного сырья на спекание керамических материалов. Влияние ионов Ре?+ и Рэ3+ на образование низкотемпературного муллита. Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 2009.
34 © В.З. Абдрахимов
побочных продуктов и вносится вклад в охрану окружающей среды4.
Поскольку по выбросам вредных веществ в атмосферу значительный вклад вносят энергетика и чёрная металлургия, в данной работе рассматриваются исследования по совместному влиянию металлургического шлака от выплавки серого чугуна и золош-лакового материала на физико-механические показатели керамического кирпича.
Сырьевые материалы
Для производства керамического композиционного материала использовались в качестве отощителя (добавки, понижающие пластичность) металлургический шлак от выплавки белого чугуна (г. Магнито-
4Абдрахимов В.З. Вопросы экологии и утилизации техногенных отложений в производстве керамических композиционных материалов. Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 2010; Абдрахимов Д.В., Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Влияние некоторых отходов производства цветной металлургии на физические и механические свойства кирпича // Известия вузов. Цветная металлургия. 2004. № 2. С. 4-9.
горск) и золошлаковый материал, а в качестве глинистого компонента - легкоплавкая бейделлитовая глина Образцов-ского месторождения Самарской области, химический и гранулометрический составы и физико-механические свойства которых ранее были изучены в работе5.
Металлургический шлак имеет повышенное содержание оксида кальция. Известно, что СаО, несмотря на высокую температуру плавления, в глиносодержащих массах является сильным плавнем (способствует снижению температуры обжига) вследствие образования с А12О3 и SiO2 сравнительно легкоплавких соединений6. При температурах около 1000 оС взаимодействие между СаО и глинистыми веществами ещё незначительно, а при более высоких температурах реакция интенсифицируется и образуются уплотняющие легкоплавкие со-единения,эвтектики и стекла.
Минералогический состав исследуемого шлака представлен в основном кварцем, псевдоволластонитом, анортитом и монти-челлитом7.
Для производства керамического композиционного материала в качестве отощите-
Рис. 1.
Микроструктура золошлакового материала:
1 - магнетит; 2 - стекло, 3 - муллит;
4 - органические включения;
5 - кварц; 6 - анортит; 7 - полевой шпат; 8 - гематит. I - увеличение х500-1000,
А - 500, Б - 1000; II - увеличение х20000-24000, А и В х20000; Б и Г х24000.
5 Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С., Абдрахимов Д.В., Абдрахимов А.В. Применение техногенного сырья в производстве кирпича и черепицы. СПб.: Недра, 2004.
6 Абдрахимов В.З. Влияние золошлакового материала и карбонатного шлама на физико-механические показатели, фазовый состав и структуру пористости керамического композиционного материала // Строительный вест_^ ник Российской инженерной
академии. 2009. Вып. 9. С. 21-29; Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Физико-химические процессы структурообразования в керамических материалах на основе отходов цветной металлургии и энергетики. Восточно -Казахстанский государственный технический университет / Усть-Каменогорск, 2000.
7 Абдрахимов В.З. Вопросы экологии и утилизации техногенных отложений в производстве керамических композиционных материалов. Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 2010.
35
Рис. 2.
Микроструктура бейделлитовой глины Образцовского месторождения: 1 - бейделлит, 2 - органические включения, 3 - полевой шпат, 4 - кварц, 5 - гидрослюда. Увеличение А и В х10000; Б и Г х8000.
ля и выгорающей добавки нами использовался золошлаковый материал Тольяттин-ской ТЭС.
Микроструктура золошлакового материала представлена на рис. 1.
Стекловидная фаза исследуемого зо-лошлака неоднородна и под микроскопом представлена жёлто-бурым
цветом, обусловленным на- ^-
личием оксида железа.
Минералогический состав золошлакового материала представлен следующими минералами (в мас. %): амор-физованное глинистое вещество - 10-20; органика - 1820 (потери при прокаливании около 20%, табл. 2); стекловатые шарики - 45-65; кварц, полевой шпат - 5-15; кальцит - 3-5; гидрогранаты муллит, оксиды железа -510, примеси - 3-7. Имея повышенное содержание органики, золошлаковый мате-
риал может использоваться в производстве керамических материалов и в качестве выгорающей добавки.
Основным породообразующим глинистым минералом в исследуемой глине является бейделлит (рис. 2).
По огнеупорности (1320-1350 °С) глина относится к легкоплавким, но температура огнеупорности имеет верхний предел, близкий к температуре тугоплавких глин8. По содержанию А12О3 относится к группе полукислого сырья, по содержанию оксида железа - к группе с высоким содержанием красящих оксидов.
Экспериментальная часть
Для изучения влияния металлургического шлака от выплавки белого чугуна и золошлакового материала на основные физико-механические показатели (механическая прочность при сжатии, водо-поглощение и морозостойкость) кирпича были исследованы составы, приведённые в табл. 1, с использованием метода линейной регрессии.
Определяющим фактором качества керамического кирпича являются процентное содержание металлургического шлака и золошлакового материала в составах. Эксперимент состоял из восьми опытов. В первом опыте независимые переменные Х1 (содержание металлургического шлака)
8Абдрахимов В.З, Абдрахимова Е.С., Абдрахи-мов Д.В., Абдрахимов А.В. Применение техногенного сырья в производстве кирпича и черепицы. СПб.: Недра. 2004.
Составы керамических масс
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов, %
Бейделлитовая глина, Х3 Металлургический шлак от выплавки белого чугуна, Х1 Золошлаковый материал, Х2
1 2 3 4 5 6 7 8
100 92 85 75 68 60 55 50
0 5 10 15 20 25 27 30
0 3 5 10 12 15 18 20
36
2 (содержание золошла-
#
Показатели
Водопоглоще-ние, % (У,) Прочность на сжатие, МПа
(У>)
Морозостойкость, циклы
(Уз)
и Х
кового материала) принимали минимальное значение, равное 0%. В каждом последующем опыте содержание металлургического шлака и золошлакового материала увеличивали до максимального в 8-ом опыте (табл. 1).
Составы керамических масс готовили пластическим способом формования при влажности шихты 22-28% (в зависимости от содержания металлургического шлака). Сформованные изделия (в основном кирпичи размером 250 х 120 х 65 мм), высушенные до остаточной влажности не более 8%, обжигались при температуре 1050 оС. Физико-механические показатели кирпича приведены в табл. 2.
Из таблицы видно, что введение в составы керамических масс металлургического шлака до 25%, а золошлакового материала до 15% (6-ой опыт) приводит к улучшению физико-механических показателей керамического композиционного материала, а дальнейшее увеличение их содержания -к снижению показателей.
Рис. 3.
Включения анортита: А - крупный кристалл анортита в виде табличек с полисинтетическими двойниками; Б - анортит удлинённо призматической формы; В - короткопризматический анортит. Увеличение: А х600, Б х 12000; В х 15000.
Таблица 2
Физико-механические показатели образцов
Сост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.