WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Гладких Инна Васильевна

Исследование и разработка процессов получения безобжиговых композиционных материалов

из техногенного сырья 

Специальность 05.16.07 – Металлургия техногенных и вторичных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Новокузнецк – 2012

Работа выполнена на кафедре «Теплофизика и промышленная экология»  Федерального

государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального

образования "Сибирский государственный индустриальный университет"

Научный руководитель:  доктор технических наук, профессор

Волынкина Екатерина Петровна

Официальные оппоненты: Шульц Леонид Александрович

доктор технических наук, профессор

НИТУ «МИСиС», кафедра теплофизики и

экологии металлургического производства

 

Вильданов Сергей Касимович

кандидат технических наук, доцент

ООО «ОгнеупорТрейдГрупп», заместитель

генерального директора

Ведущая организацияФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 10 часов, на заседании диссертационного совета Д.212.132.02 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский пр., д. 6, корп. 1, ауд. А-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИТУ «МИСиС»

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте НИТУ «МИСиС» –  http://misis.ru

Текст автореферата и объявление о защите направлены для размещения в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу referat_vak@mon.gov.ru

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский пр., д. 4, Ученый Совет. 

Справки по телефонам: +7(499) 236-82-17

Автореферат разослан «  17 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор         Семин А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России ежегодно образуется около 4 млрд. т отходов, при этом отходы горнодобывающей отрасли составляют 88 % (3,35 млрд. т), металлургической – 4,6 % (175,2 млн. т), теплоэнергетики – 1,8 % (67,6 млн. т). Накопления отходов оцениваются в 120 млрд. т, а годовой экономический ущерб от загрязнения отходами окружающей среды составляет 10 % валового внутреннего продукта.

Лидером по количеству образующихся отходов является Кемеровская область, что обусловлено преобладанием в экономике региона отраслей промышленности с высоким ресурсным и энергетическим потреблением – горнорудная, металлургическая, теплоэнергетика. Общее количество образующихся в Кемеровской области отходов составляет 1,9 млрд. т, в том числе отходы горнодобывающей отрасли – 1,8 млрд. т, отходы металлургии – 29,7 млн. т, отходы теплоэнергетики – 3,1 млн. т. Накопления отходов этих отраслей в регионе превышают 22,5 млрд. т.

Являясь источником негативного воздействия на окружающую среду, отходы горнодобывающей отрасли, металлургии и теплоэнергетики в то же время представляют собой источник возобновляемого техногенного сырья для получения различных видов продукции. Широкие возможности для переработки техногенного сырья и продукции на его основе имеет металлургия. В настоящее время в металлургических агрегатах перерабатываются различные виды отходов – от традиционного металлолома до отработанных автопокрышек.

Перспективным направлением использования целого ряда отходов, накопленных на территории Кемеровской области, является производство на их основе композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов для металлургии. Это обусловлено массовым потреблением огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки металлургических агрегатов и необходимостью их поставок на металлургические предприятия Кузбасса из других регионов. Доступными источниками местного техногенного сырья для производства огнеупорных и теплоизоляционных материалов являются лом огнеупоров, золошлаковые отходы теплоэнергетики, металлургические шлаки и пыли, глина вскрышных пород.

Вовлечение отходов в металлургическое  производство позволит не только уменьшить антропогенную нагрузку на окружающую среду на территории размещения металлургических предприятий, но и снизить ресурсо- и энергоемкость технологических процессов, повысить их эколого-экономическую эффективность.

Цель работы. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности изготовления безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов из техногенного сырья на основе отходов металлургии, горнодобывающей отрасли и теплоэнергетики.

Основные задачи исследования:

- разработать методологию оценки качества техногенного сырья с целью использования его в качестве заменителя природного сырья для изготовления безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов для металлургии;

  • изучить характеристики и технологические свойства техногенного сырья (отходы огнеупорных материалов, зольные микросферы золы-уноса ТЭЦ, саморассыпающийся шлак электросталеплавильного производства, дисперсные отходы ферросплавного производства – микрокремнеземистая пыль сухой газоочистки рудотермических печей и ферросилициевая пыль из аспирационных систем установок дробления и фракционирования ферросилиция, глина вскрышных пород) с целью возможного использования в производстве безобжиговых композиционных материалов;
  • исследовать влияние техногенного сырья на качество безобжиговых композиционных материалов, определить принципы создания композиций и оптимальные составы для последующего получения теплоизоляционных и огнеупорных изделий;
  • разработать процессы получения безобжиговых композиционных материалов из техногенного сырья, исследовать потребительские свойства и определить возможность их применения в тепловых агрегатах металлургии.

Научная новизна работы:

  1. Выявлены экзотермические эффекты при взаимодействии ферросилициевой пыли и водной керамической вяжущей суспензии (ВКВС) и объяснены причины, их обуславливающие: образование феррита натрия (в температурном интервале 100-120 0С), -фазы силицида железа (400-420 0С) и клиноферросилита (800-840 0С).
  2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено формирование высокопористой структуры теплоизоляционных материалов вследствие образования водорода при взаимодействии ферросилициевой пыли и ВКВС.
  3. Впервые экспериментально установлено увеличение термостойкости огнеупорных материалов на 50-70 % при введении в состав шихты до 15 % отвального саморассыпающегося шлака электросталеплавильного производства ОАО «НКМК», что объяснено высоким содержанием  шеннонита (γ-2СаОSiO2), усиливающего полимеризацию вяжущего (ВКВС) и межфазовое взаимодействие частиц заполнителя.
  4. Определены значения констант в уравнении зависимости коэффициента теплопроводности от температуры для теплоизоляционных материалов на основе зольных микросфер, жидкого стекла и ВКВС.

Практическая значимость. Сформулирована концепция синтезирования новых видов безобжиговых композиционных теплоизоляционных и огнеупорных материалов для металлургии и теплоэнергетики на основе техногенного сырья и разработана методология его оценки, позволившие расширить перечень используемых отходов, разработать новые составы шихт и спрогнозировать свойства полученных изделий. Экспериментально доказана возможность использования ферросилициевой пыли в качестве газообразователя для изготовления безобжиговых композиционных теплоизоляционных материалов и подтверждена возможность использования экзотермического эффекта взаимодействия ферросилициевой пыли и ВКВС для сушки шихты в процессе изготовления теплоизоляционных материалов. Экспериментально подтверждена возможность получения термостойких огнеупорных материалов из техногенного сырья при использовании шлака ЭСПЦ в количестве 10-15 %. Определены уравнения зависимости коэффициента теплопроводности от температуры для теплоизоляционных материалов на основе зольных микросфер, жидкого стекла и ВКВС. Разработаны и рекомендованы к внедрению составы безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов из техногенного сырья в качестве футеровки рабочего и изоляционного слоев среднетемпературной и низкотемпературной зон воздухонагревателя доменной печи ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», а также футеровки газохода и перегородок конвективного пучка котла ОАО «Кузнецкая ТЭЦ».

Полученные научные результаты внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО  «Сибирский государственный индустриальный университет» при подготовке студентов по специальности 150109 “Металлургия техногенных и вторичных ресурсов”, 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».

На защиту выносятся:  теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования ферросилициевой пыли в качестве газообразователя и реализация экзотермического эффекта взаимодействия ферросилициевой пыли и ВКВС для сушки шихты в процессе изготовления безобжиговых композиционных теплоизоляционных материалов; результаты экспериментальных исследований влияния шлака ЭСПЦ, характеризующегося высоким содержанием шеннонита, на термостойкость огнеупорных материалов; результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению составов шихт и способов получения безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов из техногенного сырья, отвечающих требованиям ГОСТа.

Автору принадлежит: формулирование цели и задач исследования, разработка методологии и критериев оценки качества техногенного сырья и процессов получения безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов на его основе, проведение экспериментальных исследований, обработка результатов, их обобщение и анализ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: III Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, 2001 г.); Международной научно-практической конференции «Металлургия России на рубеже ХХI века» (Новокузнецк, 2005 г.); I и II Международной научно-практической конференции «Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2005, 2008 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 публикациях, в том числе в 5 изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 27 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 153 наименований и 5 приложений.

Содержание работы

В первой главе на основании выполненного анализа опубликованной научно-технической информации определены и обоснованы цели и задачи исследования. Показано, что предприятия горно-металлургического комплекса и теплоэнергетики, составляющие основу экономики Кемеровской области, обеспечивают, с одной стороны, 57 % валового регионального продукта, и с другой стороны, 91,5 % газообразных выбросов в атмосферу, 46,7 % сбросов загрязненных сточных вод, 97,2 % отходов. В отвалы и шламонакопители региона ежегодно направляется 856 млн.т отходов, в том числе 804 млн.т отходов горнодобывающей отрасли, 19 млн.т отходов металлургии, 2,6 млн.т отходов теплоэнергетики. Показана прямая связь между количеством поступающих загрязнений в окружающую среду и состоянием здоровья населения.

Наряду с этим образующиеся в Кемеровской области отходы горнорудных, металлургических и теплоэнергетических предприятий представляют собой техногенное сырье, использование которого позволит не только снизить давление на окружающую среду, но и сократить потребление материальных и энергетических ресурсов, уменьшить себестоимость продукции. Обоснована перспективность использования в качестве техногенного сырья для производства огнеупорных и теплоизоляционных материалов отходов огнеупоров, зольных микросфер золы-уноса ТЭС, саморассыпающегося шлака электросталеплавильного производства, дисперсных отходов ферросплавного производства (микрокремнеземистая пыль и ферросилициевая пыль), глины вскрышных пород. Показано, что в настоящее время в регионе ежегодно образуется более 150 тыс. т отходов огнеупоров (в основном бой шамотного и динасового кирпича), основная масса которых направляется в отвалы. Зольные микросферы, несмотря на свои уникальные теплоизоляционные свойства, не находят применения и складируются в шламонакопителях ГРЭС и ТЭС вместе с основной массой золошлаковых отходов, а их накопления составляют около 100 тыс. т. Несмотря на массовую переработку металлургических шлаков с получением металлопродукта и фракционированного щебня практически не используются саморассыпающиеся шлаки электросталеплавильного производства, накопления которых в отвале ОАО «НКМК» превышают 8 млн.т. Дисперсные отходы ферросплавного производства, применяемые в строительной индустрии стран ЕС, США, Канады в качестве активной минеральной добавки цемента и бетона (микрокремнеземистая пыль) или в металлургии в качестве раскислителя стали (ферросилициевая пыль), в России имеют очень ограниченный потребительский рынок. Некоторые виды вскрышных пород (наиболее массового отхода, как в Кузбассе, так и в России) по химико-минералогическому составу являются готовым сырьем для огнеупорной, керамической и строительной промышленности, однако уровень использования в этих отраслях довольно низок (3-6 %), при этом преимущественным способом их утилизации является применение для закладки выработанного пространства месторождений полезных ископаемых.

Показано, что перечисленные отходы являются ценным техногенным сырьем для получения безобжиговых, т.е. приобретающих заданные свойства в результате твердения при сушке или нагревании при температуре не выше 600 0С, огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки и изоляции металлургических агрегатов.

Во второй главе обоснована необходимость разработки методологии оценки отходов как техногенного сырья для получения композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, обладающих необходимыми для практического использования технологическими и эксплуатационными характеристиками. Показано, что существующие критерии выбора сырьевых компонентов, применимые к природному сырью, недостаточны и не всегда могут быть использованы применительно к техногенному сырью. В связи с этим в рамках данной работы разработана методология оценки техногенного сырья как заменителя традиционных природных сырьевых материалов для получения композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Структурно-методологическая схема оценки качества техногенного сырья представлена на рис.1.

Предложено выполнять оценку степени пригодности техногенного сырья поэтапно по следующим параметрам: объем образования, экологическая безопасность, характер образования, химико-минералогический состав и технологические показатели.

На I этапе техногенное сырье оценивается по объемам его образования и классифицируется как крупнотоннажное (более 1000 тыс. т в год), среднетоннажное (10-1000 тыс. т в год) или малотоннажное (менее 10 тыс. т в год). Крупно- и среднетоннажное техногенное сырье может быть использовано в составе композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в качестве основного сырья (заполнителей), заменяющего природное, малотоннажное – в виде корректирующих добавок, связующих и т.д.

На II этапе оценивается экологическая безопасность техногенного сырья и определяется степень его токсичности. В качестве критериев степени токсичности техногенного сырья предложено использовать класс опасности отходов для окружающей среды, а также радиационную безопасность (РБ) сырья. В соответствии с действующим природоохранным законодательством РФ класс опасности отходов для окружающей среды определяется по Федеральному классификационному каталогу отходов (ФККО), либо при отсутствии данной позиции в коде отхода расчетным или экспериментальным методом. РБ устанавливается по величине удельной эффективной активности естественных радионуклидов Аэфф согласно ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение эффективной удельной активности естественных радионуклидов». Предложено при оценке экологической опасности классифицировать техногенное сырье на высокотоксичное (I и II классы опасности; 4 класс РБ (Аэфф более 1350 Бк/кг)), среднетоксичное (III класс опасности; 2 и 3 классы РБ (Аэфф =370-1350 Бк/кг)) и нетоксичное (IV и V классы опасности; 1 класс РБ (Аэфф менее 370 Бк/кг)).

На III этапе техногенное сырье оценивается по характеру образования, который обуславливает его химико-минералогический состав и технологические свойства. Сырье классифицируется на сохранившее в процессе образования свойства исходного сырья (например, вскрышные породы или хвосты обогащения полезных ископаемых) и синтетическое техногенное сырье, образовавшееся в результате глубоких физико-химических превращений исходного природного сырья, (например, металлургические шлаки, колошниковая пыль и др.). Синтетическое сырье, в свою очередь, предложено классифицировать на продукты, образовавшиеся при температуре ниже температуры спекания, например, огнеупорный лом, и продукты, образовавшиеся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением масс, например, зола-унос и др.

На IV этапе выполняется оценка техногенного сырья по химико-минералогическому составу, определяемому на основе специально проведенных исследований. Химико-минералогический состав и свойства минеральной составляющей сырья имеют первостепенное значение при обосновании возможности и выборе направления его дальнейшего использования для получения композиционных материалов. В зависимости от содержания в техногенном сырье минеральных и органических компонентов оно подразделяется на минеральное, органо-минеральное и органическое. Органическое техногенное сырье в производстве композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов не применяется. Минеральное и органоминеральное техногенное сырье на основании данных о содержании в минеральной части аморфной фазы, определяющей способность использования его в качестве активной минеральной добавки, компонента пуццоланового портландцемента или вяжущего, классифицируется на активное (содержание аморфной фазы более 50 %), инертно-активное (содержание аморфной фазы менее 50 %) или инертное (отсутствие аморфной фазы). В случае соответствия химико-минералогического состава техногенного сырья составу традиционных природных материалов, оно оценивается, как готовый шихтовый материал, при несоответствии – может быть использовано в качестве добавки.

На V этапе выполняется оценка техногенного сырья по основным технологическим показателям – гранулометрическому составу, удельной поверхности, огнеупорности и теплопроводности, что позволяет установить степень его готовности к использованию, определить способы и параметры обработки, выявить направление использования сырья – в виде огнеупорного или пористого заполнителей. Количественные значения технологических показателей для огнеупорных заполнителей определяются согласно ГОСТ 23037-99 «Заполнители огнеупорные». Для теплоизоляционных материалов определяющее значение имеет теплопроводность, которая зависит от пористости и характеристики пористой структуры, химического состава, степени кристалличности (доля кристаллической фазы в минеральной части материала, выраженная в %) техногенного сырья.

Таким образом, разработанная методология оценки качества техногенного сырья позволяет выявить принципиальную возможность его применения для получения композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, определить направление его использования (огнеупорный заполнитель, пористый заполнитель, вяжущее), выявить важные технологические свойства и особенности, спрогнозировать основные параметры технологического режима производства композиционных материалов.

В третьей главе в соответствии с разработанной методологией проведены исследования отходов огнеупоров, зольных микросфер золы-уноса ТЭС, шлака электросталеплавильного производства, дисперсных отходов ферросплавного производства, глины вскрышных пород и выполнена оценка их перспективности использования в качестве техногенного сырья для производства безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

Исследования проведены с использованием стандартных химических и физико-химических методов, применяемых для оценки природного сырья, современными инструментальными методами, а также на специально сконструированных для этой цели установках. Химический анализ на содержание основных оксидов проведен в соответствии с государственными стандартами. Химический спектральный анализ выполнен на рентгенофлуоресцентном (УКА-20К), оптическом (КАМЕКА) длиннофокусном (ДРС-452) спектрометрах. Минеральный состав определялся с использованием петрографического (ПОЛАМ-ЛМПР), стереографического (МБС-2) микроскопов. Количественный структурно-минералогический анализ выполнен на компьютеризированном микроскопическом ком­плексе МИУ-5М. Рентгенофазовый анализ проведен на дифрактометре Дрон-2.0 при CoК. излучении. Электронная микроскопия осуществлялась на сканирующем электронном микроскопе JSU-35 фирмы «Jeol». Термогравиметрические исследования проведены на дериватографе Q-1000 в потоке аргона. Величина удельной поверхности определялась методом низкотемпературной сорбции азота (метод БЭТ). Калориметрические исследования проведены на калориметре «Кальве». Спектры ЭПР регистрировались на радиоспектрометре ER-200Д фирмы «Брукер». Определение физико-механических, теплотехнических свойств композиционных материалов осуществлялось в соответствии с ГОСТ и стандартными методиками, принятых в технологии огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Истинная плотность определялась пикнометрическим методом на специально разработанной лабораторной установке, состоящей из вакуум-системы, вакуумметра, пикнометра. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием статистических и графических методов анализа в электронных таблицах Microsoft Excel, а также пакета программ STATISTICA 6.0.

Объектами исследования являлись: огнеупорные отходы – лом шамотного и динасового кирпича, бывшего в употреблении; зольные микросферы золы-уноса «Западно-Сибирская ТЭЦ – филиал ОАО «ЗСМК»; саморассыпающийся шлак электросталеплавильного производства ЭСПЦ №2 ОАО «НКМК»; микрокремнеземистая пыль сухой газоочистки рудотермических печей и ферросилициевая пыль из аспирационных систем установок дробления и фракционирования 75 %-го ферросилиция ОАО «Кузнецкие ферросплавы»; огнеупорная глина вскрышных пород Изыхского угольного разреза. В результате проведенных исследований выявлены технологические свойства и особенности изученных видов отходов, обуславливающие возможность и направления их применения для получения композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Далее представлены характеристика и свойства исследуемых отходов.

Огнеупорные отходы – лом шамотного и динасового кирпича – образуются в процессе ремонта и демонтажа футеровки высокотемпературных металлургических и теплоэнергетических агрегатов. Данный вид отхода оценивается как среднетоннажное техногенное сырье: удельное образование огнеупорных отходов на единицу продукции, в частности, на 1 т стали составляет 15 кг, а общее образование отходов огнеупоров в Кемеровской области составляет более 105 тыс. т в год. Огнеупорные отходы являются нетоксичным техногенным сырьем (V класс опасности – практически не опасные отходы и 1 класс РБ (Аэфф < 370 Бк/кг)). По характеру образования огнеупорные отходы могут быть охарактеризованы как синтетическое техногенное сырье, образовавшиеся при температуре ниже температуры спекания, в частности, огнеупорный лом. Оценка химико-минералогического состава показала, что огнеупорные отходы являются минеральным инертно-активным сырьем (содержание аморфной фазы в шамотном ломе составляет 30-40 %, в динасовом – 5-10 %). Установлено, что химический состав огнеупорных отходов близок к составу исходных огнеупоров за исключением снижения содержания диоксида кремния: в шамотном ломе – с 58,3 до 51,6 %, в динасовом – с 96,4 до 92,33 % (табл.1).

Табл. 1 – Химический состав шамотного, динасового кирпича и огнеупорных отходов

Компоненты

Массовая доля, %

Шамотный кирпич

Шамотный лом

Динасовый кирпич

Динасовый лом

SiO2

58,30

51,60

96,40

92,33

Al2O3

32,40

33,32

0,57

1,70

Fe2O3

0,90

1,05

0,64

0,95

CaO

0,33

0,53

1,15

1,33

MgO

0,40

0,57

0,10

0,40

TiO2

0,80

1,20

0,01

0,03

K2O+ Na2O

2,24

3,13

1,13

2,53

п.п.п.

4,63

8,60

-

0,73

В результате проведенных исследований основных технологических показателей огнеупорных отходов установлено, что огнеупорность шамотного лома составляет 1690 0С, динасового – 1710 0С, что характеризует сырье как огнеупорное и пригодное для использования в качестве огнеупорных заполнителей композиционных материалов. Огнеупорный лом характеризуется полидисперсным составом, как правило, с преобладанием крупнокусковых материалов, в связи с чем требуется его предварительная подготовка (сортировка, дробление и фракционирование).

По совокупности свойств отходы шамотного и динасового кирпича могут быть использованы в качестве огнеупорных заполнителей (отвечают требованиям ГОСТ 23037-99 «Заполнители огнеупорные») для получения композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

Зольные микросферы золы-уноса «Западно-Сибирская ТЭЦ – филиал ОАО «ЗСМК». Зольные микросферы образуются при сжигании пылевидного угля на тепловых электростанциях в результате высокотемпературного плавления золы и раздува полученного расплава продуктами горения в тонкостенные сферические частицы. Доля микросфер, поступающих с золой уноса Западно-Сибирской ТЭЦ на шламонакопитель ОАО «ЗСМК», составляет 2-11 %. Подверженные естественной сепарации зольные микросферы выносятся в пруд вторичного отстаивания, где накапливаются и уплотняются на поверхности водной части шламонакопителя. При изучении под электронным микроскопом зольных микросфер, отобранных с поверхности пруда вторичного отстаивания, установлено, что они представляют собой правильные сферические стекловидные образования с гладкой блестящей поверхностью, заполненные смесью газообразных продуктов горения углей (рис. 2). Цвет частиц меняется от белого (прозрачные) до светло-серого. По объему образования микросферы могут быть оценены как малотоннажное сырье: 6-33 тыс. т в год для Западно-Сибирской ТЭЦ. Зольные микросферы являются нетоксичным техногенным сырьем (IV класс опасности – малоопасные отходы и 1 класс РБ (Аэфф< 370 Бк/кг)). По характеру образования микросферы представляют собой синтетическое сырье, полученное при высокотемпературном нагреве и плавлении зольных частиц. В результате оценки химико-минералогического состава установлено, что зольные микросферы являются минеральным активным сырьем, которое состоит на 81 % из аморфного стекла алюмосиликатного состава и на 19 % из кристаллических веществ. Кристаллическая фаза представлена кварцем (84-85%), муллитом (8-10 %), ортоклазом и нефелином (5-8 %). Химический состав зольных микросфер (мас. %): SiO2-68,9; Al2O3-17,0; Fe2O3-5,7; CaO-2,8; Na2O-1,9; K2O-1,1. Значительное содержание SiO2 (68,9 %) и Al2O3 (17,0 %) обуславливают тугоплавкость (огнеупорность) сырья.

В табл. 2 представлены технологические показатели зольных микросфер.

Табл. 2 –Технологические показатели зольных микросфер

Показатели

Значения

Требования, предъявляемые к заполнителям (по ГОСТ 9757-90)

Средний размер частиц, мм

0,128

Менее 5

Насыпная плотность, кг/м3

110-350

100-1200

Прочность на всестороннее сжатие, МПа

5-10

0,2-10

Теплопроводность, Вт/(м·К)

0,08-0,11

0,01-0,5*

Степень кристалличности, %

19

-

Огнеупорность, 0С

1459-1557

1580-1690**

* - не нормируется; ** - отвечает ГОСТ 23037-99 «Заполнители огнеупорные»

Из приведенных данных следует, что зольные микросферы по своим технологическим показателям удовлетворяют требованиям ГОСТ 9757-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые». Сочетание сферической структуры, низкой плотности и теплопроводности, высокой механической прочности, огнеупорности и аморфной структуры (низкая степень кристалличности) обосновали возможность использования зольных микросфер в качестве сферического полого заполнителя теплоизоляционных материалов. При этом использование газонаполненных микросфер обеспечит формирование однородной мелкопористой структуры материалов с замкнутыми сферическими порами (микросферы), что обуславливает низкую теплопроводность и высокую механическую прочность изделий.

Саморассыпающийся шлак ЭСПЦ №2 ОАО «НКМК». Шлак электросталеплавильного производства образуется в результате окисления примесей металлошихты, флюсующих добавок, а также продуктов разрушения футеровки плавильного агрегата. Удельный выход шлаков от электросталеплавильных печей составляет 80 кг/т стали, а общее образование в Кемеровской области превышает 160 тыс. т в год, что характеризует шлак как среднетоннажное техногенное сырье. Данный вид отхода является нетоксичным техногенным сырьем (IV класс опасности и 1 класс РБ (Аэфф< 370 Бк/кг)). По характеру образования шлак является синтетическим сырьем, образовавшимся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением масс. Шлак представляет собой минеральное инертное сырье, характеризующееся следующим химическим составом (мас.%): CaO 45-50; SiO2 10-20; MgO 6-15; MnO 6-12; Al2O3 5-7; Fe2O3 4-6; Р2O5 0,5-1,5. Отношение (CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3) составляет 3,4, что обуславливает высокоосновность шлака.

Известно, что шлак электросталеплавильного производства склонен к силикатному распаду вследствие перехода двухкальциевого силиката из неустойчивой -формы в стабильное γ-состояние, который сопровождается увеличением объема кристаллической решетки на 10-12 %, созданием значительных внутренних напряжений и повышением удельной поверхности материала до 1400 м2/кг, что обуславливает возможность его использования в производстве композиционных огнеупорных материалов без дополнительного помола. Рентгенофазовым анализом установлено, что в исследуемом отвальном шлаке ЭСПЦ-2 ОАО «НКМК» присутствует значительное количество (до 70 %) γ-2СаОSiO2 (шеннонит) при незначительном содержании -2СаОSiO2 (ларнит), что свидетельствует о практически завершенном модификационном превращении двухкальциевого силиката. Высокая доля шеннонита обеспечит процессы твердения смесей на основе жидкого стекла и будет способствовать увеличению термостойкости огнеупорных материалов. Установлено, что шлак, заскладированный на шлаковом отвале ОАО «НКМК», имеет крупность частиц 1-10 мкм, в том числе доля частиц размером менее 8 мкм составляет более 40 %, что характеризует высокую дисперсность шлака.

Таким образом, высокое содержание двухкальциевого силиката γ-формы обуславливает возможность использования шлака ЭСПЦ в качестве отвердителя жидкого стекла и добавки, повышающей термостойкость композиционных огнеупорных материалов.

Микрокремнеземистая пыль ОАО «Кузнецкие ферросплавы». Микрокремнеземистая пыль образуется при производстве ферросилиция, улавливается при сухой очистке колошниковых газов от открытых рудотермических печей. Удельный выход пыли составляет 100 кг/т ферросплава, а годовой объем образования на ОАО «Кузнецкие ферросплавы» оценивается около 40 тыс. т, что характеризует сырье как среднетоннажное. Микрокремнеземистая пыль является нетоксичным сырьем (IV класс опасности и 1 класс РБ (Аэфф< 370 Бк/кг)). По характеру образования микрокремнеземистая пыль является синтетическим техногенным сырьем, полученным в результате основных физико-химических реакций, протекающих в высокотемпературных (1700-2250 0С) и низкотемпературных (ниже 1000 0С) зонах рудотермической печи. При оценке химико-минералогического состава установлено, что микрокремнеземистая пыль представляет собой минеральное активное (аморфное) техногенное сырье, основным компонентом которого является SiO2. Химический состав пыли (мас.%): SiO2-92,80; Al2O3-0,86; Fe2O3-1,76; CaO-1,10; MgO-1,28; MnO-0,15; С-0,56; п.п.п.-2,5. В результате исследований гранулометрического состава пыли установлено, что основная доля частиц (90,07 %) имеет размер менее 1,98 мкм, что характеризует ее как ультрадисперсную. Величина удельной поверхности пыли составляет 20000-22000 м2/кг, насыпная плотность – 200-250 кг/м3.

Ультрадисперсность и высокое содержание аморфного SiO2 (до 93 %) предопределяют значительную реакционную способность и пуццолановую активность микрокремнеземистой пыли, что обуславливает возможность использования ее в виде сырья для получения тиксотропного вяжущего – ВКВС, а также в качестве активной минеральной добавки композиционных огнеупорных материалов.

Ферросилициевая пыль 75 %-го ферросилиция ОАО «Кузнецкие ферросплавы» образуется при дроблении и фракционировании ферросилиция марки ФС75, улавливается аспирационной системой. Удельный выход пыли составляет 12 кг/т ферросплава, объем образования – 4,5 тыс. т/год, что оценивает сырье как малотоннажное. Ферросилициевая пыль является среднетоксичным техногенным сырьем (III класс опасности – умерено опасные отходы и 1 класс РБ (Аэфф< 370 Бк/кг)). По характеру образования данный вид отхода может быть охарактеризован как сохранивший свойства исходного сырья, поскольку пыль не утратила свои свойства, содержит целевой элемент выплавляемого ферросплава и, по сути, является таким же раскислителем, что и исходный продукт. В результате исследований химико-минералогического состава ферросилициевой пыли установлено, что пыль представляет собой минеральное инертное сырье, которое характеризуется повышенным содержанием кремния (до 83 %) по сравнению с исходным сырьем – ферросилицием марки ФС75. Химический состав пыли (мас.%): Si-82,72; S-0,02; Al-1,55; Mn-0,23; Ca-0,12; Р-0,04. Высокие концентрации примесных элементов алюминия (1,55 %), кальция (0,12 %), фосфора (0,04 %) являются причиной рассыпаемости пыли во влажной атмосфере и увеличения ее удельной поверхности. При изучении технологических показателей установлено, что пыль является тонкодисперсным сырьем: 50 % частиц крупностью менее 50 мкм, средний размер частиц – 15,6 мкм. Удельная поверхность пыли составляет 850 м2/кг, что сопоставимо с показателями алюминиевой пудры – наиболее распространенным газообразователем для получения ячеистых бетонов.

Ферросилициевую пыль предположено использовать в качестве газообразующего вещества при получении безобжиговых теплоизоляционных материалов.

Огнеупорная глина вскрышных пород Изыхского угольного разреза. При открытой разработке угольных месторождений образуется значительное количество вскрышных пород, верхние горизонты которых представлены рыхлыми отложениями, в частности, глинами. Удельный выход глины Изыхского угольного разреза составляет 0,12 т/т угля, а общее образование оценивается около 600 тыс. т в год, что характеризует сырье как среднетоннажное. Данный вид отхода является нетоксичным техногенным сырьем (V класс опасности и 1 класс РБ (Аэфф< 370 Бк/кг)). По характеру образования глина представляет собой сырье, сохранившее природные свойства, является породой вскрыши. В результате проведенных химико-минералогических исследований установлено, что глина представляет собой минеральное инертное техногенное сырье каолинитового состава (каолинит – 87-94 %, α-кварц – 5-10 %, полевые шпаты – 1-3 %). Химический состав глины (мас.%): SiO2-52,92; Al2O3-30,80; Fe2O3-0,10; CaO-0,30; MgO-0,40; TiO2-0,68; K2O-0,70; п.п.п.-14,10. Глины вскрышных пород относятся к полукислому сырью (количество Al2O3+TiO2 составляет 31,48 %). Оценка технологических показателей, представленных в табл.3, показала, что глина является среднедисперсным, среднепластичным, огнеупорным сырьем, которое может быть использовано в естественном виде для изготовления грубой и тонкой керамики, а в комбинации с шамотным порошком – для получения алюмосиликатных огнеупорных изделий.

Табл. 3 –Технологические показатели глины вскрышных пород Изыхского угольного разреза

Показатели

Значения 

Содержание частиц крупностью менее 0,2 мм, %

76,20

Средний размер частиц, мм

0,11

Показатель пластичности

21-29

Огнеупорность, 0С

1450

На основании результатов проведенных исследований сформулирована концепция получения новых видов огнеупорных и теплоизоляционных материалов из техногенного сырья, заключающаяся в том, что путем целенаправленного подбора композиций техногенных сырьевых компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию (огнеупорный и порообразующий заполнители, отвердитель, активная минеральная добавка, вяжущее, газообразователь, пластификатор), можно синтезировать новые виды огнеупорных и теплоизоляционных материалов и регулировать их технологические свойства (прочность, огнеупорность, термостойкость, теплопроводность).

В четвертой главе изложены результаты исследований по разработке составов шихт и способов получения безобжиговых композиционных теплоизоляционных и огнеупорных материалов из техногенного сырья. В основу разработок положены следующие принципы:

- обеспечение максимальной (до 100 %) доли техногенного сырья в составе шихты;

- исключение высокотемпературного обжига при обеспечении необходимого набора прочности изделий в процессе сушки при температуре не более 600 0С;

- получение композиционных материалов, не уступающих традиционно используемым огнеупорным и теплоизоляционным изделиям по основным качественным показателям: прочности, огнеупорности, термостойкости, теплопроводности.

В соответствии с изложенной выше концепцией при разработке составов композиционных материалов использовали: огнеупорные отходы – лом шамотного и динасового кирпича в качестве огнеупорного заполнителя (фракция менее 1 мм); шлак ЭСПЦ – в качестве отвердителя жидкого стекла и добавки, повышающей термостойкость огнеупоров; зольные микросферы – в качестве сферического полого заполнителя; ферросилициевую пыль – в качестве газообразователя для формирования пористой структуры теплоизоляционных материалов; микрокремнеземистую пыль – для получения вяжущего (ВКВС) и в качестве активной минеральной добавки; глину вскрыши – в качестве пластификатора. Наряду с техногенным сырьем в качестве порообразующего компонента теплоизоляционных материалов использовали традиционное сырье – бисерный полистирол, который широко используется при изготовлении пенополистиролбетона.

В исследованиях использовали два вида вяжущих: жидкое стекло натриевое по ГОСТ 13078-81 и ВКВС на основе микрокремнеземистой пыли. Жидкое стекло является наиболее доступным и распространенным вяжущим, используемым в технологии получения традиционных огнеупорных изделий,  применяемых в футеровках металлургических агрегатов. Материалы, полученные на основе ВКВС, для которой свойственен полимеризационный характер твердения, не требуют обжига и отличаются высокими прочностными свойствами, кислотостойкостью, абсолютной влагостойкостью, огнеупорностью, экологичностью. ВКВС была получена механической активацией микрокремнеземистой пыли в щелочной среде с рН=11-12 и характеризовалась плотностью 1,35-1,4 г/см3, вязкостью 1,2-1,56 Па⋅с, что сопоставимо с аналогичными показателями жидкого стекла.

Разработка процессов  получения композиционных теплоизоляционных материалов из техногенного сырья. Отличительной особенностью теплоизоляционных материалов является их высокопористая структура, для формирования которой в исследованиях использованы: метод газообразования, основанный на выделении газа в поризируемом материале за счет добавки к основному сырью газообразователя (ферросилициевая пыль); метод вспучивaния органических компонентов сырья (полистирол) при нагревании; использование полых сферических заполнителей (зольные микросферы). Процессы получения теплоизоляционных материалов состоял из дозирования сырьевых компонентов, их смешивания, формования материалов, выдержки сырцов-материалов на воздухе в течение суток и тепловой обработки.

Теплоизоляционные материалы на основе огнеупорных отходов, ферросилициевой пыли и ВКВС. Исследованы процессы получения теплоизоляционных материалов на основе огнеупорных отходов – шамотного и динасового лома в качестве заполнителей, ферросилициевой пыли в качестве газообразователя, ВКВС в качестве вяжущего. Приготовлено и исследовано 60 составов шихт с содержанием огнеупорного заполнителя 35-70 мас. %, ферросилициевой пыли – 10-35 мас. %, ВКВС – 20-40 мас. %. Формование образцов осуществлялось трамбованием, тепловой обработке образцы не подвергались.

Применение ферросилициевой пыли, представляющей собой смесь силицида железа и кремния (FeSi2 + Si), в качестве газообразователя основано на ее химическом взаимодействии со щелочью NaOH, содержащейся в ВКВС:

2FeSi2 + 9NaOH + 8H2O = NaFeO2 + Fe(OH)3 + 4Na2SiO3 +11H2↑ + q (1)

В результате данной реакции, протекающей при температуре 100-105 0С, выделяется водород, который является источником образования пор в материале.

Исследовано влияние расхода ферросилициевой пыли и ВКВС на основные качественные показатели готовых образцов теплоизоляционных материалов (открытая пористость, кажущаяся плотность, прочность на сжатие). Установлено, что открытая пористость образцов составляла от 50 до 83 %, в значительной степени зависела от содержания ферросилициевой пыли и ВКВС в шихте и практически не зависела от типа огнеупорного заполнителя (рис. 3). Максимальные значения пористости (76-83 %) получены при содержании ферросилициевой пыли более 25 мас. % и ВКВС 30-40 мас. %.

Кажущаяся плотность образцов теплоизоляционных материалов снижалась при увеличении количества пыли и ВКВС в шихте с 20 до 35 мас. % и составляла 0,45-1,2 г/см3. Прочность образцов на основе динасового заполнителя составляла 1,3-3,4 МПа, шамотного – 1,0-3,1 МПа.

При исследовании прочностных свойств полученных образцов выявлено снижение прочности на 40-43 % при увеличении содержания ферросилициевой пыли и ВКВС в шихте более 30 мас. %, что обусловлено изменением геометрии и плотности межпоровых перегородок вследствие формирования неоднородной пористой структуры с отдельными деформированными порами.

В результате проведенных термогравиметрических исследований смеси ферросилициевой пыли и ВКВС (рис. 4) выявлено три экзотермических эффекта (кривая ДТА), а путем сопоставления с данными рентгенофазового анализа установлены причины, их обуславливающие: первый незначительный – в интервале температур 100-120 0С связан с образованием феррита натрия NaFeO2; второй, также незначительный экзотермический эффект – в температурном интервале 400-420 0С объясняется образованием -фазы силицида железа FeSi2; третий, наиболее значительный экзотермический эффект – в области температур 800-840 0С связан с реакцией кристаллизации клиноферросилита FeO⋅SiO2.

В результате проведенных калориметрических исследований экзотермического взаимодействия ферросилициевой пыли и ВКВС установлено, что величина теплового эффекта составляет 2,9 МДж/кг пыли. Расчетным путем показано, что этого тепла достаточно для сушки шихты в процессе изготовления теплоизоляционных материалов до остаточной влажности 4-5 % (при начальной влажности шихты 10-12 %).

В табл. 4 представлены оптимальные составы шихт с содержанием огнеупорного заполнителя 35-60 мас. %, ферросилициевой пыли 20-35 мас. %, ВКВС 20-35 мас. %, обеспечивающие получение высококачественных безобжиговых теплоизоляционных материалов. Приведенные данные показывают, что изготовленные полностью из техногенного сырья теплоизоляционные материалы характеризуются высокой пористостью (60-80 %), пониженной кажущейся плотностью (0,45-1,0 г/см3) и удовлетворительной прочностью (1,5-3,0 МПа), что сопоставимо с показателями традиционно используемых теплоизоляционных изделий марки ДЛ-1,0, ШЛ-1-0,4 (общая пористость более 45 %, кажущаяся плотность 0,4-1,0 г/см3, прочность на сжатие 1,2-3,5 МПа).

Табл. 4 – Оптимальные составы и свойства разработанных композиционных теплоизоляционных материалов на основе огнеупорных отходов, ферросилициевой пыли и ВКВС

Показатели

Состав шихты, % (мас.)

Кажущаяся

плотность, г/см3

Пористость

открытая, %

Прочность на сжатие, МПа

Огнеупорный заполнитель

ВКВС

Ферросилициевая пыль

динасовый

60

20

20

1,2

58,5

3,4

55

25

1,0

61,2

3,1

45

35

20

0,57

76,0

1,8

40

25

0,5

78,0

1,5

35

30

0,45

80,5

1,3

шамотный

60

20

20

1,19

58,4

3,1

55

25

1,0

61,2

2,8

50

25

25

0,97

62,0

2,46

45

30

0,95

63,2

2,35

50

30

20

0,93

75,2

2,2

45

25

0,8

77,0

2,0

Теплоизоляционные материалы на основе огнеупорных отходов, полистирола и ВКВС. Проведены исследования по разработке составов композиционных теплоизоляционных материалов на основе огнеупорных отходов – шамотного и динасового лома в качестве заполнителей, ВКВС в качестве вяжущего, бисерного полистирола (средний диаметр бисера – 0,88 мм) в качестве порообразователя. Исследовались составы с содержанием шамотного и динасового заполнителей 65-79 мас. %, вквс – 20-30 мас. %, полистирола – 1-5 мас. %. Образцы формовались трамбованием, тепловая обработка проводилась при температуре 60-100 0С.

Полистирол является продуктом суспензионной полимеризации стирола при участии изопентана в качестве газообразователя. Формирование пористой структуры теплоизоляционных материалов основано на способности гранул полистирола увеличиваться в объеме под влиянием нагрева до температуры 80 0С более, чем в 10 раз за счет размягчения стирола и образования газа.

Установлено, что использование полистирола приводит к формированию неравномерно-пористой макроструктуры образцов, характеризующейся рыхлым строением межпоровых перегородок, наличием продольных дефектов, снижающих прочность и приводящих к разрушению изделий. Это обусловлено интенсивным ростом объема гранул полистирола в период сушки при температуре 80 0С, которая была недостаточна для набора прочности материала в результате поликонденсационного структурообразования, возникновением значительных внутренних напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению образцов. Нецелесообразность использования полистирола обусловлена также выделением пожароопасных и токсичных паров стирола и изопентана, образующихся в процессе его разложения при нагревании.

Теплоизоляционные материалы на основе зольных микросфер, ВКВС и жидкого стекла. Исследованы процессы получения теплоизоляционных материалов на основе зольных микросфер с использованием двух типов вяжущих – вквс и жидкого стекла, в качестве отвердителя жидкого стекла использован шлак ЭСПЦ. Исследовалось 6 составов с содержанием вяжущего 10-30 мас. %, зольных микросфер – 60-90 мас. %, шлака ЭСПЦ – 10 мас. %. Формование образцов проводилось двумя способами – трамбованием и полусухим прессованием при давлении 5, 10 МПа во избежание разрушения сферической формы зольных микросфер. Тепловая обработка осуществлялось при температуре 130 и 600 0С.

Установлено, что трамбование не обеспечивает получение достаточно прочного сырца. В образцах, отформованных прессованием при давлении 10 МПа, образуются трещины расслаивания, возникающие в результате «перепрессовки», упругого расширения запрессованного воздуха в сырце, упругого сжатия формы, в которой прессуется изделие и «барического рельефа», в связи с чем дальнейшие исследования проводились на образцах, полученных прессованием при давлении 5 МПа.

На рис. 5 представлены результаты исследований влияния типа и содержания вяжущего на качественные показатели (кажущаяся плотность, открытая пористость, прочность на сжатие, теплопроводность) образцов теплоизоляционных материалов, полученных с использованием термической обработки при 130 и 600 0С. Полученные результаты показали, что кажущаяся плотность и открытая пористость образцов зависят, главным образом, от содержания вяжущего в шихте и практически не зависят от его типа (жидкое стекло или ВКВС), и составляют, соответственно, 1,10-1,38 г/см3 и 45-52 %. В то же время установлено, что при использовании ВКВС прочность теплоизоляционных материалов на 35-61 % выше, чем при применении жидкого стекла, что обусловлено полимеризационным структурообразованием.

При увеличении содержания вяжущих более 30 мас. % наблюдается снижение прочности образцов, обусловленное повышением  внутреннего давления запрессованного воздуха в сырце из-за увеличения влажности шихты, возникновением в прессовках растягивающих напряжений и образованием трещин расслаивания.

Исследования теплоизоляционных свойств полученных образцов проведены на измерителе теплопроводности ИТ-л-400 в интервале температур 25-400 0С. Установлено, что с увеличением содержания обоих видов вяжущего с 10 до 30 мас. % теплоизоляционные свойства образцов ухудшились – коэффициент теплопроводности увеличился почти в 2 раза – с 0,09 до 0,17 Вт/(мК). На основании полученных данных в Microsoft Excel линейной аппроксимацией получены уравнения зависимости коэффициента теплопроводности от температуры (коэффициент корреляции – 0,95) для образцов на основе жидкого стекла (2) и ВКВС (3), (Вт/(мК)):

1 = 0,11+0,0007tср (2)

2 = 0,11+0,0006tср  (3),

  где tср – температура, 0С.

Определены оптимальные составы шихт, обеспечивающие получение теплоизоляционных материалов с высокими качественными характеристиками: прочность на сжатие – 9,5-14,9 МПа, теплопроводность – 0,09-0,12 Вт/(мК) (табл.5), что сопоставимо с показателями традиционно используемых теплоизоляционных изделий (марки ШЛ-0,9, ШЛА-1,3). Установлено, что использование в качестве вяжущего ВКВС обеспечивает получение качественных теплоизоляционных материалов на основе одних зольных микросфер, в то время как получение аналогичного качества материалов при применении жидкого стекла возможно только при введении в состав шихты отвердителя (шлак) и тепловой обработки при температуре 600 0С.

Табл. 5 – Оптимальные составы и качественные показатели композиционных теплоизоляционных материалов на основе зольных микросфер

Показатели

Состав шихты, % (мас.)

Кажущаяся плотность, г/см3

Пористость

открытая, %

Прочность на сжатие, МПа

Теплопроводность Вт/(мК)

жидкое стекло

ВКВС

шлак

микросферы

20

-

10

70

1,30

46

9,5

0,12

-

10

-

90

1,10

48

11,9

0,09

-

20

-

80

1,30

48

14,9

0,12

В целом, полученные результаты показали принципиальную возможность получения высококачественных безобжиговых композиционных теплоизоляционных материалов из техногенного сырья (огнеупорные отходы, ферросилициевая пыль, зольные микросферы). Представленные в табл.6. сравнительные характеристики полученных образцов и традиционно используемых в металлургии теплоизоляционных изделий показывают, что разработанные композиционные теплоизоляционные материалы удовлетворяют требованиям ГОСТ 5040-96 «Изделия огнеупорные и высокоогнеупорные легковесные теплоизоляционные» (кажущаяся плотность 0,9-1,3 г/см3, прочность на сжатие 2,7-3,5 МПа), при этом материалы на основе зольных микросфер по теплопроводности (0,25-0,31 Вт/(мК)) и прочности (9,5-14,9 МПа) значительно превосходят традиционные изделия.

Разработка процессов получения композиционных огнеупорных материалов из техногенного сырья. Проведены исследования по получению огнеупорных материалов на основе огнеупорных отходов (шамотный лом) в качестве заполнителя, шлака ЭСПЦ в качестве добавки,

Табл. 6 – Сравнительные характеристики огнеупорных и высокоогнеупорных легковесных теплоизоляционных изделий (по ГОСТ 5040-96) и композиционных теплоизоляционных материалов

п/п

Марка,

состав, %

Массовая доля Al2O3 не менее, %

Массовая доля SiO2, не менее, %

Кажущаяся плотность, г/см3, не более

Прочность на сжатие, МПа

Теплопроводность, Вт/(м К), не более, при ср. темп-ре

350 ± 25, °С

Максимальная температура применения, С

Изделия огнеупорные и высокоогнеупорные легковесные теплоизоляционные (по ГОСТ 5040-96)

1

ДЛ-1,0

-

91

1,0

3,5

0,6

1550

2

ШЛ-1,0

-

-

1,0

3,0

0,5

1300

3

ШЛ-0,9

-

-

0,9

2,5

0,4

1270

4

ШЛА-1,3

36

1,3

4,5

0,6

1400

Разработанные композиционные теплоизоляционные материалы

5

динас-55, фер.пыль-25, ВКВС-20

-

92,2

1,0

2,72

-

1450

6

шамот-50, фер.пыль-25, ВКВС-25

-

-

0,97

3,52

-

1300

7

шамот-45, фер.пыль-25, ВКВС-30

-

-

0,8

2,20

-

1270

8

микросферы-70, шлак-10, жидкое стекло-20

15

73

1,3

9,50

0,27

1350

9

микросферы-90, ВКВС-10

20

76

1,1

11,90

0,25

1350

10

микросферы-80, ВКВС-20

17

70

1,3

14,90

0,31

1370

повышающей термостойкость, микрокремнеземистой пыли в качестве активной минеральной добавки, глины вскрыши в качестве пластификатора, ВКВС в качестве вяжущего. В основу разработок была положена технология керамобетона с «плавающим» каркасом. Керамобетоны – полифракционные материалы, в которых зерна заполнителя «втоплены» в затвердевшую матрицу из ВКВС. Материалы с «плавающим» каркасом характеризуются наличием прослойки ВКВС между зер­нами заполнителя, при котором из мелких частиц заполнителя, находящихся в молекулярном поле крупных, возникает жесткая решетка повышенной прочности.

Исследования проводились на образцах, полученных трамбованием, виброуплотнением и прессованием (при давлении 5 МПа) шихты с содержанием шамотного заполнителя 45-90 мас. %, шлака ЭСПЦ – 0-25 мас. %, микрокремнеземистой пыли – 0-20 мас. %, глины – 10 мас. % (для виброуплотненных образцов).

Содержание ВКВС для трамбованных и виброуплотненных образцов составляло 20 мас. %, для прессованных – 10 мас. %. Выдержка сырцов-материалов проводилась на воздухе при температуре 20 0С. Сушка образцов осуществлялась в 2 этапа: при температуре 60-70 0С и 120-130 0С. Качество полученных образцов оценивалось по следующим показателям: кажущаяся плотность, открытая пористость, термостойкость и прочность на сжатие.

Исследовано влияние шлака ЭСПЦ на термостойкость образцов огнеупорных материалов. Установлено, что увеличение его количества в шихте способствует росту термостойкости образцов на 55-72 %, однако при его содержании выше 20 мас. % этой тенденции не наблюдается (рис. 6).

При изучении прочностных свойств образцов композиционных материалов выявлена четко выраженная зависимость между увеличением содержания шлака и снижением прочности (рис. 7). Установлено, что при достижении содержания шлака 20 мас. %, потеря прочности составляет 20-30 %. Таким образом, для обеспечения оптимального соотношения термостойкость-прочность

(7-13 водяных теплосмен-15-25 МПа) в шихту целесообразно вводить 10-15 мас. % шлака.

Исследовано совокупное влияние гранулометрического состава шамотного заполнителя и содержания шлака на прочностные характеристики прессованных образцов. Установлено, что более высокая прочность полученных огнеупорных материалов достигается при использовании непрерывной гранулометрии заполнителя (фракция менее 1,0 мм) по сравнению с прерывистой (фракции (1,0-0,63 мм):(менее 0,4 мм) в соотношении 30:70 %), однако при содержании шлака более 10 мас. % эта тенденция нарушается вследствие значительного влияния шлака (рис. 8).

Исследовано влияние микрокремнеземистой пыли на прочностные показатели трамбованных образцов. Установлено, что введение 15 мас. % микрокремнеземистой пыли приводит к увеличению прочности на 23-32 %, которая составляет 22-27 МПа (рис.9). Дальнейшее увеличение содержания пыли в шихте нецелесообразно, так как происходит снижение прочности образцов.

В результате проведенных исследований установлены оптимальные составы композиций с содержанием шамотного заполнителя 60-80 мас. %, шлака ЭСПЦ 10 мас. %, глины вскрыши 10 мас. %, микрокремнеземистой пыли 10 мас. %, ВКВС 10-20 мас.%, обеспечивающие получение высококачественных огнеупорных материалов. Сравнительный анализ характеристик полученных образцов и традиционно используемых в металлургии огнеупоров (табл.7) показывает, что разработанные композиционные огнеупорные материалы, изготовленные полностью из техногенного сырья, удовлетворяют требованиям ГОСТ 390-96 «Изделия огнеупорные шамотные и полукислые общего назначения и массового производства» (открытая пористость 26-30 %, прочность на сжатие 15-18 МПа, огнеупорность 1630-1660 0С). Композиционный материал на основе шамотного заполнителя, ВКВС и шлака (состав № 8 табл.7) удовлетворяет требованиям ГОСТ 15635-70 «Изделия шамотные для футеровки чугуновозных ковшей» (открытая пористость 24 %, прочность на сжатие 25 МПа, огнеупорность 1680 0С).

Табл. 7 – Сравнительные характеристики огнеупорных шамотных и полукислых изделий общего назначения и массового производства (по ГОСТ 390-96) и композиционных материалов

п/п

Марка,

состав, %

Массовая доля Al2O3 не менее, %

Пористость открытая, %

Прочность на сжатие, МПа

Термостойкость, водяные теплосмены

(при температуре 950 0С)

Огнеупорность, 0С

Максимальная температура применения, С

Изделия огнеупорные шамотные и полукислые общего назначения и массового производства (по ГОСТ 390-96)

1

ША

30

30

15

-

1690

1400

2

ШБ

28

30

-

-

1650

1350

3

ШВ

28

-

13

-

1630

1250

4

ШУС

28

30

12

-

1580

1250

Разработанные композиционные огнеупорные  материалы

5

шамот-80, шлак-10, Вквс-20  (Т)

30

30

15

8

1630

1250

6

шамот-60, шлак-10, микрокремнеземистая пыль-10, ВКВС-20  (Т)

28

26

20

-

1650

1250

7

шамот-60, шлак-10, глина-10, Вквс-20 (В)*

30

26

18

11

1660

1350

8

шамот-80, шлак-10, Вквс-10  (П)**

30

24

25

12

1680

1400

Примечание: Т – трамбование; В – виброуплотнение; П – прессование

*– отвечает требованиям ГОСТ 390-96; ** – отвечает требованиям ГОСТ 15635-70

Таким образом, разработанные процессы получения безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов из техногенного сырья обеспечивают максимальную (до 100 %) долю техногенного сырья в составе шихты, исключают высокотемпературный обжиг, сопровождающийся газообразными выбросами, и таким образом способствуют снижению расхода природных ресурсов и загрязнения окружающей среды. Полученные материалы из техногенного сырья по своим качественным показателям не уступают традиционно используемым изделиям, являются экологически безопасными, поскольку не содержат токсичных и опасных веществ для окружающей среды.

В результате проведенных исследований экспериментально подтверждена концепция синтезирования новых видов композиционных теплоизоляционных и огнеупорных материалов и регулирования их технологических свойств (прочность, огнеупорность, термостойкость, теплопроводность) путем целенаправленного подбора композиций техногенных сырьевых компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию: заполнитель, порообразователь, активная минеральная добавка, вяжущее.

В пятой главе представлены результаты промышленных испытаний безобжиговых композиционных материалов из техногенного сырья (огнеупорные отходы, шлак ЭСПЦ, глина вскрыши, зольные микросферы, ВКВС). Опытные партии композиционных материалов изготовлены на опытном участке смоломагнезитового цеха ОАО «ЗСМК». В качестве базы для сравнительного анализа использованы технические характеристики и данные о промышленной эксплуатации огнеупорных и теплоизоляционных материалов, применяемых в футеровках технологических и теплоэнергетических агрегатов металлургии согласно производственно-техническим инструкциям.

В доменном цехе ОАО «ЗСМК» проведены промышленные испытания композиционных материалов в качестве футеровки рабочего и изоляционного слоев воздухонагревателя доменной печи №3 полезным объемом 3000 м3. Часть кладки среднетемпературной и низкотемпературной зон воздухонагревателя была выполнена с использованием опытных блоков на основе шамотного заполнителя, шлака ЭСПЦ и ВКВС (состав № 8 табл. 7) вместо шамотных огнеупоров марок ШВ-37 и ШВ-28. Для защиты стального кожуха в качестве альтернативного материала вместо легковесных огнеупоров марки ШЛ-1,0 использовали теплоизоляционные изделия на основе зольных микросфер (состав № 9, табл. 6). Промышленные испытания (в течение 2-х межремонтных периодов) показали положительные результаты эксплуатации композиционных материалов: отсутствие дефектов, трещин. Выполненная оценка снижения затрат на материалы при изготовлении футеровки воздухонагревателя с использованием композиционных материалов показала, что экономия составит 45,43 %. Разработаны технические условия на теплоизоляционные материалы «Изделия полукислые легковесные теплоизоляционные на основе сферического заполнителя (зольные микросферы)», предназначенные для изоляции кладки стен воздухонагревателей и воздухопроводов горячего дутья доменных печей.

Проведены промышленные испытания опытной партии композиционных огнеупорных материалов на основе шамотного заполнителя, шлака ЭСПЦ, глины вскрыши и ВКВС (состав № 7, табл. 7) в качестве футеровки газохода и перегородок конвективного пучка котла №7 ОАО «Кузнецкая ТЭЦ» вместо огнеупорного кирпича марки КШ-Ш579. Испытания показали, что срок службы футеровки увеличился в 2 раза, повышенная стойкость перегородок в конвективной зоне котла способствовала снижению потерь тепла с уходящими дымовыми газами, что позволило сэкономить 1500 т.у.т./год. Композиционные материалы разработанного состава рекомендованы для футеровки газоходов и конвективных поверхностей котельных агрегатов ТЭЦ, ПВС, котлов-охладителей за конверторами, котлов-утилизаторов в установках сухого тушения кокса.

В качестве других перспективных направлений использования безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов рекомендованы: для футеровки чугуновозных ковшей со сферическим днищем, горна, плавильного пояса и фурменной зоны вагранок, поднасадочных арок и дымовых трактов регенераторов сталевыпускных желобов мартеновской печи, теплоизоляционного слоя вакуум-камеры, конструктивных элементов нагревательных колодцев регенеративного и рекуперативного типов, индукционных печей, вакуум-ковшей и разливочных ковшей различной емкости при производстве алюминия.

Основные Выводы

  1. Разработана методология и предложены критерии оценки отходов как техногенного сырья для изготовления безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки тепловых агрегатов металлургии и теплоэнергетики.
  2. На основе результатов исследований отходов с использованием предложенной методологии выявлены и теоретически обоснованы направления использования образующихся в Кемеровской области отходов в качестве огнеупорных (отходы шамотного и динасового кирпича) и порообразующих заполнителей (зольные микросферы), пластификаторов (глина вскрышных пород), активных минеральных добавок (шлак ЭСПЦ), сырья для приготовления вяжущих (микрокремнеземистая пыль), газообразователей (ферросилициевая пыль) для производства безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов.
  3. На основании результатов проведенных исследований сформулирована концепция синтезирования новых видов огнеупорных и теплоизоляционных материалов и регулирования их технологических свойств путем целенаправленного подбора композиций техногенных сырьевых компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию (заполнитель, порообразователь, активная минеральная добавка, вяжущее).
  4. Разработаны составы шихт и процессы получения безобжиговых композиционных теплоизоляционных и огнеупорных материалов из техногенного сырья, удовлетворяющих требованиям соответствующих стандартов и не уступающих по своим качественным показателям традиционно используемым изделиям.
  5. Экспериментально доказана возможность использования ферросилициевой пыли в качестве газообразователя для изготовления безобжиговых композиционных теплоизоляционных материалов и подтверждена возможность использования экзотермического эффекта взаимодействия ферросилициевой пыли и ВКВС для сушки шихты в процессе изготовления теплоизоляционных материалов.
  6. Установлена нецелесообразность использования бисерного полистирола в качестве порообразователя.
  7. Показана возможность получения высококачественных безобжиговых композиционных теплоизоляционных материалов на основе зольных микросфер при одновременном использовании в качестве вяжущего ВКВС, что обусловлено высокими теплоизоляционными свойствами микросфер и полимеризационным механизмом твердения ВКВС.
  8. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения термостойких огнеупорных материалов из техногенного сырья (шамотный лом, микрокремнеземистая пыль, глина вскрышных пород) при использовании шлака ЭСПЦ в количестве 10-15 %.
  9. В результате проведенных промышленных испытаний установлена технологическая возможность и эффективность разработанных безобжиговых композиционных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в качестве футеровки рабочего и изоляционного слоев среднетемпературной и низкотемпературной зон воздухонагревателя доменной печи ОАО «ЗСМК», а также футеровки газохода и перегородок конвективного пучка котла ОАО «Кузнецкая ТЭЦ».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК

    1. Гладких И.В. Получение пористых керамических изделий из техногенного сырья / И.В. Гладких, К.А. Черепанов // Известия вузов. Черная металлургия. – 2002. – №8. – С. 54-56. 
    2. Гладких И.В. Использование техногенного сырья для получения огнеупорных блоков / И.В. Гладких, Д.С. Куимов // Известия вузов. Черная металлургия. – 2006. – №2. – С. 63-66. 
    3. Гладких И.В. Безобжиговые теплоизоляционные материалы на основе зольных микросфер из золоотвала Западно-Сибирской ТЭЦ / И.В. Гладких, Е.П. Волынкина // Известия вузов. Черная металлургия. – 2008. – №4. – С. 49-52. 
    4. Гладких И.В. Утилизация зольных микросфер Западно-Сибирской ТЭЦ при получении безобжиговых композиционных материалов / И.В. Гладких, Е.П. Волынкина // Экология и промышленность России. – 2009. – Февраль. – С. 32-34.
    5. Гладких И.В. Методология оценки качества техногенного сырья при производстве огнеупорных и теплоизоляционных материалов для металлургии / И.В. Гладких, Е.П. Волынкина // Известия вузов. Черная металлургия. – 2011. – №10. – С. 42-45. 

Труды научно-практических конференций и сборников

    1. Черепанов К.А. Изготовление теплоизоляционных материалов на основе промышленных отходов / К.А. Черепанов, И.В. Гладких, Е.Н. Килякова // “Экономика, экология и общество России в 21-м столетии”: Труды 3-й Междунар. науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 23-25 мая 2001г. - Санкт-Петербург, СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. – С. 761-763.
    2. Волынкина Е.П. Золосферы Западно-Сибирской ТЭЦ – отход или уникальный материал? / Е.П. Волынкина, И.В. Гладких // «Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе»: Сб. докладов Первой Международной научн.-практ. конф./ СибГИУ. – Новокузнецк – 2005. – С. 181-184.
    3. Гладких И.В. Исследование свойств микросфер золы Западно-Сибирской ТЭЦ / И.В. Гладких, Е.П. Волынкина // «Металлургия России на рубеже ХХI века»: Сб. научн. тр. Международной научн.-практ. конф./ СибГИУ. – Новокузнецк – 2005. – С. 316-319.
    4. Гладких И.В., Волынкина Е.П. Безобжиговые теплоизоляционные материалы на основе зольных микросфер из золоотвала Западно-Сибирской ТЭЦ / И.В. Гладких, Е.П. Волынкина // Вестник Горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сб. науч. тр. Вып.20/ СибГИУ. – Новокузнецк, 2007. – С. 158-166.
    5. Гладких И.В. Безобжиговые композиционные материалы с использованием зольных отходов / И.В. Гладких, Е.П. Волынкина // «Управление отходами – основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе»: Сб. докладов Второй Международной научн.-практ. конф./ СибГИУ. – Новокузнецк – 2008. – С.111-116.

Подписано в печать  .04.12.

Формат бумаги 6084 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1.4.  Тираж 100 экз. Заказ .

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Издательский центр СибГИУ.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.