CC BY
41
УДК 666:691.443:66.77 © А.К. Кайракбаев, В.З. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова, 2019
Получение плиток для полов на основе золы легкой фракции и глинистой части «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд
■ Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-6-78-81 -
КАЙРАКБАЕВ Аят Крымович
Канд. физ.-мат. наук, доцент Актюбинского университета имени С. Баишева,
030009, г. Актобе,Республика Казахстан, тел.: + 7 (7132) 40-30-21, +7 (778) 730-20-18, e-mail: [email protected]
АБДРАХИМОВ Владимир Закирович
Доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВО «Самарский государственный экономический университет», 443090, г. Самара, Россия, тел.: +7 (846) 337-58-92, e-mail: [email protected]
АБДРАХИМОВА Елена Сергеевна
Канд. техн. наук, доцент кафедры «Химия» ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», 443086, г. Самара, Россия, тел.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: [email protected]
Плитка для полов с высокими физико-механическими показателями без применения природных традиционны>1хматериалов получена на основе отходов энергетики - золыы легкой фракции и отходов цветной металлургии - глинистой части «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд. Зола легкой фракции гидроудаления образуется в результате пыэ/левидного сжигания углей и уносится водой на периферию золоотвала как наиболее легкий компонент, при этом по мере движения золы/ из одной зоныы в другую более плотные и тяжелы^/е частицы>/ оседают. В качестве связующего (глинистого компонента) для получения керамических плиток использовалась глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд, которая является отходом цветной металлургии. Введение в составы керамиче-
* Работа выполнена в рамках реализации научно-технического проекта, одобренного к грантовому финансированию на 2018-2020 гг. Национальным научным советом Республики Казахстан по направлению науки «Рациональное использование природных ресурсов, в том числе водных ресурсов, геология, переработка, новые материалы и технологии, безопасные изделия и конструкции». Договор на грантовое финансирование № 177от 15 марта 2018 г., ИРН 05131501.
ских масс 50% золы/ легкой фракции практически в два раза снижает водопоглощение керамических плиток для полов при температуре обжига 1100 °С.
Ключевые слова: плитка для полов, зола легкой фракции, глинистая часть «хвостов» гравитации, физико-механические показатели, температура обжига.
ВВЕДЕНИЕ
Угольная промышленность играет особую роль в топливно-энергетическом комплексе Казахстана. По подтвержденным запасам угля Казахстан занимает место в первой мировой десятке, а их доля в общемировом объеме запасов этой категории составляет 4% [1]. Запасы каменного угля в республике оцениваются в 75 млрд т. Республика Казахстан также входит в десятку крупнейших потребителей угля в мире.
Основным потребителем первичных энергоресурсов в Казахстане является сектор производства электроэнергии и тепла (около 50% от потребляемого топлива). Общая мощность электрогенерирующих источников в РК составляет более 18 тыс. МВт. Основу генерирующих мощностей составляют тепловые электростанции - около 87%, гидроэлектростанции составляют около 12%, прочие - 1%. Около 38% всей генерирующей мощности (6,7 тыс. МВт) составляют теплоэлектроцентрали с совместной выработкой тепла и электроэнергии. В Казахстане в настоящее время работают 32 тепловые электростанции на твердом топливе. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности. В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн доз, железа - 400 мл н доз, магния -1,5 млн доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах [1]. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.
В Республике Казахстан ежегодный выход золы и зо-лошлаковых смесей при сжигании углей составляет около 19 млн т, а в золоотвалах к настоящему времени накоплено более 300 млн т отходов.
Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков, а
попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания. В отличие от других производств, например черной и цветной металлургии, дымовые выбросы современных ТЭС осуществляются через небольшое количество очень высоких труб высотой более 180 м. Поэтому загрязнители рассеиваются в обширном пространстве нижней тропосферы. В сферах влияния различных ТЭС установлено, что в ближайшей зоне радиусом 12-15 км, в зависимости от высоты трубы, выпадает от 35 до 60% выбрасываемой золы. Остальная ее часть рассеивается на большее расстояние. Утилизация золош-лаковых отходов в РК не превышает 1%.
Производство керамических материалов - одна из самых материалоемких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использования топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором его успешного развития в условиях проводимой экономической реформы [2].
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Получение керамических плиток для полов на основе глинистой части «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ) - отхода цветной металлургии и золы легкой фракции (ЗЛФ) - отхода топливно-энергетического комплекса без применения природных традиционных материалов.
Таблица 1
Химический состав исследуемых отходов
Компо- | Содержание оксидов, мас., % |
нент SiO2 Al O Fe O 2 3 2 3 CaO MgO П.п.п.
ЗЛФ 58-59 21-22 5-5,5 3-4 1-1,5 8-9 0,5-1
ГЦИ 58-59 23-24 5-6 1-2 1-1,5 0,5-0,9 7-8
Таблица 2
Технические характеристики ЗЛФ
Насыпная Истинная Содержание Удельная Огнеупор-
плотность, плотность, стеклофазы, поверхность, ность,
кг/м3 г/см3 % см2/г оС
350-500 2,53-2,6 80-90 2700-3000 1150
Таблица 3
Фракционный состав ЗЛФ
Содержание фракций в %, размер частиц в мм
>0,063 0,063-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,0001 18,4 35,3 30,4 12,4 3,5
Таблица 4
Составы керамических масс
Сырьевые | Содержание компонентов, мас., % |
компоненты 1 2 1 1 3 1
ГЦИ 100 60 50
ЗЛФ - 40 50
Таблица 5
Физико-механические показатели плиток для полов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Сырьевые материалы. В настоящее работе в качестве отощителя (для снижения сроков сушки) и в качестве плавня (для снижения температуры обжига) использовалась зола легкой фракции (ЗЛФ). В качестве связующего (глинистого компонента) для получения керамических плиток использовалась глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ), которая является отходом цветной металлургии.
Зола легкой фракции гидроудаления образуется в результате пылевидного сжигания углей разреза «Каражы-ра», который разрабатывается компанией «Каражыра ЛТД». ЗЛФ уносится водой на периферию золоотвала как наиболее легкий компонент, при этом, по мере движения золы из одной зоны в другую, более плотные и тяжелые частицы оседают [3, 4, 5]. Химический состав ЗЛФ представлен в табл. 1, технические характеристики - в табл. 2, а фракционный состав компонентов - в табл. 3.
В качестве связующего (глинистого компонента) для получения керамических плиток использовалась глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ) [6, 7, 8], которая является отходом цветной металлургии, химический состав - см. табл. 1. Минералогический состав ГЦИ, который представлен следующими минералами, мас., %: каолинит 43-48; гидрослюда + монтмориллонит - 8-12; кварц - 13-16; полевой шпат - 18-20; кальцит - 2; циркон - 2; ильменит - 3; оксиды железа - 3; содержание органических примесей - 0,8-0,98.
Технология производства. Приготовление керамической массы по составам, представленным в табл. 4, осуществлялось по традиционной технологии следующим об-
Составы ГОСТ 6787-90
Показатели 1 2 3 «Плитки керамические для полов»
Водопоглощение, % 5,7 3,18 2,83 Менее 5
Морозостойкость, циклы Более 150 Не менее 50
Истираемость, г/см2 0,073 0,05 0,048 Менее 0,7
Термостойкость, оС Более 150 Не менее 120
Механическая прочность 35,3 40,2 42,4 -
при изгибе, МПа
Кислотостойкость, % 92,1 94,38 95,16
разом: совместный помол всех компонентов по сухому способу в лабораторной шаровой мельнице до остатка на сите № 0063 1-2%. Затем полученная шихта увлажнялась до влажности 6-8%. Из шихты прессовались плитки размером 100 х 100 х 10 мм. После сушки до остаточной влажности не более 1,5% плитки обжигались в лабораторной печи по методу скоростного режима обжига, температура обжига - 1100оС. Физико-механические показатели керамической массы и плиток представлены в табл. 5.
Как следует из табл. 5, керамические плитки состава № 1 без содержания ЗЛФ не соответствуют требованиям ГОСТа. При увеличении в составах керамической шихты содержания ЗЛФ до 50% пластичность массы снижается с 22 до 11, что способствует образованию трещин на керамических плитках при прессовании.
Исследования показали, что при пластичности керамической шихты менее 12 при прессовании на образцах появляются трещины, поэтому использование ЗЛФ более 50% нежелательно. Таким образом, оптимальным составом для производства керамических плиток является состав № 2, содержащий 40% ЗЛФ.
Микроструктура образцов, обожженных при температуре 1100°С, представлена на рисунке.
Из рисунка следует, что в образцах состава на основе ГЦИ без применения ЗЛФ присутствуют: сравнительно крупные поры (до 40 мкм), узкие вытянутые щелевидные поры, встречаются также изометричные поры типа «каналов». Именно эти поры определяют водопоглощение керамических материалов. Вредное влияние на механическую прочность вытянутых (щелевидных) пор оценивается приблизительно в пять раз больше, чем округлых. Кроме этого, наличие щелевидных пор предполагает неполное завершение процессов спекания.
В образцах состава, содержащих ЗЛФ, встречаются изолированные изометрические, иногда овальные, поры размером 3-10 мкм. Наличие пор изометрической формы и овальной закрытой пористости, в отличие от вытянутых (щелевидных) пор, в керамических материалах придает им механическую прочность.
ВЫВОДЫ
Таким образом, исследования показали, что зола легкой фракции (ЗЛФ) способствует получению плиток для полов на основе глинистой части «хвостов» гравитации при температуре обжига 1100°С.
Кроме того, ЗЛФ способствует образованию пор изометрической формы и овальной закрытой пористости, которые, в отличие от вытянутых (щелевидных) пор, в керамических материалах придают им механическую прочность.
Исследования показали, что в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений использования отходов производств является вовлечение их во вторичный оборот в качестве сырьевых материалов.
Использование промышленных отходов в производстве керамических плиток для полов способствует утилизации промышленных отходов, охране окружающей среды и расширению сырьевой базы для получения керамических материалов.
Производство керамических пористых материалов -одно из самых материалоемких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использования топлива, сырья и
других материальных ресурсов становится решающим фактором его успешного развития в условиях проводимой экономической реформы [2].
Список литературы
1. РНД 03.0.0.2.01-96. Классификатор токсичных промышленных отходов производства промышленных предприятий РК. Алматы: МОООС РК, 1997.
2. Абдрахимова Е.С., Кайракбаев А.К., Абдрахимов В.З. Использование отходов углеобогащения в производстве керамических материалов - современные приоритеты развития для «зеленой» экономики // Уголь. 2017. № 2. С. 54-57. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/022017.pdf (дата обращения: 15.05.2019).
3. Абдрахимов В.З. Образование золы легкой фракции и перспектива ее использования в производстве керамических плиток // Комплексное использование минерального сырья. 1988. № 6. С. 75-78.
4. Абдрахимов В.З. Влияние золы легкой фракции на физико-механические свойства керамической плитки // Комплексное использование минерального сырья. 1988. № 7. С. 75-80.
5 Абдрахимов В.З. Применение легкой фракции золы и вол-ластонита в производстве облицовочной плитки // Комплексное использование минерального сырья. 1986. № 11. С. 68-70.
6. Глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд - сырье для производства керамических материалов / В.З. Абдрахимов, Е.С. Абдрахимова, Д.В. Абдрахимов, А.В. Абдрахимов // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. № 5. С. 38-42.
7. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Структурные превращения соединений железа в глинистых материалах, по данным мессбауэровской спектроскопии // Журнал физической химии. 2006. Т 80. № 7. С. 1-8.
8. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Процессы, происходящие при обжиге глинистой части «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд // Новые огнеупоры. 2009. № 3. С. 13-19.
RESOURCES
UDC 666:691.443:66.77 © A.K. Kairakbaev, V.Z. Abdrakhimov, E.S. Abdrakhimova, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 6, pp. 78-81
Title
GETTING TILES FOR FLOORS BASED ON ASH LIGHT FRACTION AND CLAY PART OF "TAILS" OF GRAVITY ZIRCON-ILMENITE ORES
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-6-78-81
Authors
Kairakbaev A.K.1, Abdrakhimov V.Z.2, Abdrakhimova E.S.3
1 Baishev University Aqtobe, Aqtobe city, 030000, Republic of Kazakhstan
2 Samara State University of Economics, Samara, 443090, Russian Federation
3 Samara National Research University, Samara, 443086, Russian Federation
Authors' Information
Kairakbaev A.K., PhD (Physico-mathematical), Associate Professor, tel.: + 7 (7132) 40-30-21, +7 (778) 730-20-18, e-mail: [email protected] Abdrakhimov V.Z., Doctor of Engineering Sciences, Professor, tel.: +7 (846) 337-58-92, e-mail: [email protected]
Abdrakhimova E.S., PhD (Engineering), Associate Professor at the Department of "Chemistry", tel.: +7 (906) 127-09-44, e-mail: [email protected]
Abstract
Obtained on the basis of waste energy - light fraction ash and waste nonfer-rous metallurgy - clay part of the "tails" gravity zircon-ilmenite ore floor tiles with high physical and mechanical properties without the use of natural traditional materials. As a result of pulverized combustion of coal ash of light fraction of water removal is carried away by water to the periphery of the ash dump as the lightest component, while, as the ash moves from one zone to another, denser and heavier particles settle. As a binder (clay component) for the production of ceramic tiles used clay part of the "gravity tails of zircon-ilmenite ores, which is a waste of non-ferrous metallurgy. The introduction of a light fraction of 50% ash into the ceramic masses almost twice reduces the water absorption of ceramic tiles for floors at a firing temperature of 1100 °C.
Keywords
Floor tiles, Light fraction ash, Clay "tails" of gravity, Physical and mechanical parameters, Firing temperature.
References
1. RND 03.0.0.2.01-96. Classifier of toxic industrial waste of industrial enterprises of Kazakhstan. Almaty, MOOS RK, 1997.
2. Abdrakhimova E.S., Kayrakbaev A.K. & Abdrakhimov V.Z. Ispolzovanie otho-dov ugleobogashcheniya v proizvodstve keramicheskih materialov - sovre-mennye prioritety razvitiya dlya "zelenoy" ekonomiki [Use of waste products coal enrichment in manufacture of ceramic materials - the perspective direction for"green" economy]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 2, pp. 54-57. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/022017.pdf (accessed 15.05.2019).
3. Abdrakhimov V.Z. Obrazovanie zoly legkoy frakcii i perspektiva ee ispol-zovaniya v proizvodstve keramicheskih plitok [Education ash light fraction
and the prospect of its use in the manufacture of ceramic tiles]. Kompleksnoe ispolzovanie mineralnogo syrya - Complex use of mineral raw materials, 1988, No. 6, pp. 75-78.
4. Abdrakhimov V.Z. Vliyanie zoly legkoj frakcii na fiziko-mekhanicheskie svoystva keramicheskoy plitki [Influence of the ash of the light fraction on the physico-mechanical properties of ceramic tiles]. Kompleksnoe ispolzovanie mineralnogo syrya - Complex use of mineral raw materials, 1988, No. 7,
pp. 75-80.
5. Abdrakhimova V.Z. Primenenie legkoy frakcii zoly i vollastonita v proizvodstve oblicovochnoy plitki [Application of light fraction ash and wollastonite in the production of ceramic tiles]. Kompleksnoe ispolzovanie mineralnogo syrya - Complex use of mineral raw materials, 1986, No. 11, pp. 68-70.
6. Abdrakhimov V.Z., Abdrakhimova E.S., Abdrakhimov D.V. & Abdrakhimov A.V. Glinistaya chast' "hvostov" gravitacii cirkon-ilmenitovyh rud - syrye dlya proizvodstva keramicheskih materialov [Clay part of "tails" of gravity zircon-ilmenite ores - the raw material for the production of ceramic materials]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika - Refractories and technical ceramics, 2005, No. 5, pp. 38-42.
7. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Strukturnye prevrashcheniya soedineniy zheleza v glinistyh materialah po dannym messbauerovskoy spektroskopii [Structural transformations of iron compounds in argillaceous materials according Mossbauer spectroscopy]. Zhurnal fizicheskoy himii -Journal of physical chemistry, 2006, Vol. 80, No. 7, pp. 1-8.
8. Abdrakhimova E.S. & Abdrakhimov V.Z. Processy, proiskhodyashchie pri obzhige glinistoy chasti"hvostov" gravitacii cirkon-ilmenitovyh rud [Processes occurring during the firing of clay part of'tails" of gravity zircon-ilmenite ores]. Novye ogneupory - New refractories, 2009, No. 3, pp. 13-19.
Acknowledgements
The work was performed as part of the implementation of a scientific and technical project approved for grant financing for a period from 2018 to 2020 by the National Scientific Council of the Republic of Kazakhstan in the direction of science "Rational use of natural resources, including water resources, geology, processing, new materials and technologies, safe products and designs». Grant financing contract No. 177 of March 15, 2018, IRN 05131501.
we process the future
413.199.509
ТОНН СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА В ГОД
Система ВМТЕС - гениальное решение, которое в течение уже нескольких десятилетий является синонимом эффективного грохочения труднопросеиваемых сыпучих материалов в различных отраслях промышленности. Динамическое движение просеивающих полотен обеспечивает высокую точность просеивания даже при работе с влажным материалом, а долгий срок службы сит гарантирует существенную экономию времени и средств.
щш
«
s <
www.binder-co.com
binder+c
