Помощь студентам в учебе
КЕРАМИЧЕСКИЙ СТЕНОВОЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Состояние производства керамических стеновых материалов 8
1.2. Влияние добавок из отходов промышленности на формовочные и
сушильные свойства керамических масс 17
1.2.1. Влияние отходов на формовочную массу 17
1.2.2. Влияние добавок на сушильные свойства 21
1.3. Применение отходов промышленности для улучшения спекания
керамических масс 28
1.4. Цель и задачи исследования 32
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1. Объекты исследования 34
2.2. Методика исследования 36
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 39
3.1. Г линистые породы 39
3.2. Отходы угледобычи 47
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ
ОБЖИГЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 51
4.1. Выгорание органических веществ 51
4.2. Дегидратация глинистых минералов 55
4.3. Изменение линейных размеров 57
4.4. Фазообразование 60
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ 64
5.1. Измельчение отходов и характеристики полученного материала 64
5.2. Определение оптимального способа формования изделий на основе
массы из вскрышных пород угледобычи 68
5.2.1. Формование изделий пластическим способом 68
5.2.2. Формование изделий полусухим способом 71
5.3. Выявление оптимальных режимов сушки сырца на основе вскрышных
пород 75
5.4. Выявление оптимального режима обжига керамических масс на основе отходов угледобычи 79
6. СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО СТЕНОВОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ 83
6.1. Объемная масса или средняя плотность 84
6.2. Водопоглощение 86
6.3. Прочность 88
6.4. Технологический регламент производства керамических стеновых
материалов на основе отходов угледобычи 92
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 98
1. ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Состояние производства керамических стеновых материалов 8
1.2. Влияние добавок из отходов промышленности на формовочные и
сушильные свойства керамических масс 17
1.2.1. Влияние отходов на формовочную массу 17
1.2.2. Влияние добавок на сушильные свойства 21
1.3. Применение отходов промышленности для улучшения спекания
керамических масс 28
1.4. Цель и задачи исследования 32
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1. Объекты исследования 34
2.2. Методика исследования 36
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 39
3.1. Г линистые породы 39
3.2. Отходы угледобычи 47
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ
ОБЖИГЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 51
4.1. Выгорание органических веществ 51
4.2. Дегидратация глинистых минералов 55
4.3. Изменение линейных размеров 57
4.4. Фазообразование 60
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ 64
5.1. Измельчение отходов и характеристики полученного материала 64
5.2. Определение оптимального способа формования изделий на основе
массы из вскрышных пород угледобычи 68
5.2.1. Формование изделий пластическим способом 68
5.2.2. Формование изделий полусухим способом 71
5.3. Выявление оптимальных режимов сушки сырца на основе вскрышных
пород 75
5.4. Выявление оптимального режима обжига керамических масс на основе отходов угледобычи 79
6. СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО СТЕНОВОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ 83
6.1. Объемная масса или средняя плотность 84
6.2. Водопоглощение 86
6.3. Прочность 88
6.4. Технологический регламент производства керамических стеновых
материалов на основе отходов угледобычи 92
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 98
Актуальность. В настоящее время идет масштабное освоение месторождений каменного угля, который является источником тепла и энергии. При этом объемы добычи каменного угля во всех регионах ежегодно растут.
Добыча каменного угля, который лежит под определенным слоем горных пород, требует разработку и удалении вышележащего слоя Земли. Практика эксплуатации месторождений каменного угля показывает, что толщина вышележащих вскрышных пород над угольным пластом достигает до 30 м и разработка и удаление сопутствующих пустых пород составляет 30¬50 % себестоимости продукции.
Вместе с тем, вскрышные породы угледобычи являются породами осадочного и метаморфического происхождения, которые имеют определенные химический и минеральный состав и при соответствующей переработке являются сырьевыми материалами для производства конкретной продукции.
Исследования показывают, что вскрышные породы угледобычи могут быть сырьевыми материалами для производства различных видов строительных материалов, в том числе керамических стеновых материалов. Только, отвальные породы каждого месторождения имеют свои особенности по химическому и минеральному составу, а также имеют свои конкретные технологические характеристики, что требует изучении вскрышных пород перед использовании.
Целью работы является получение керамических стеновых материалов на основе вскрышных пород угледобычи Тувы.
Согласно поставленной цели решались следующие задачи:
- Исследование состоянии производства керамических стеновых материалов в России и Республике Тува с выявлением проблем технологии производства указанных изделий.
- Исследование глинистых пород Тувы и вскрышных пород угледобычи, как сырьевые материалы для производства керамических стеновых материалов.
- Изучение различных термических процессов, происходящих при обжиге керамических изделий.
- Разработка технологических основ производства керамических стеновых материалов из вскрышных пород угледобычи.
- Изучение свойств полученных керамических стеновых материалов из вскрышных пород угледобычи.
- Разработка технологического регламента производства керамических стеновых материалов на основе отходов угледобычи.
Научная новизна работы заключается:
1. В исследовании вскрышных пород угледобычи Тувы и выявлении их химико-минералогических и структурных особенностей, как сырьевые материалы для производства керамических стеновых материалов.
2. В установлении особенностей термических процессов (выгорании органики, дегидратации глинистых материалов, изменении линейных размеров и фазообразовании) протекающих при обжиге глинистых и вскрышных пород.
3. В выявлении технологических особенностей керамической массы на основе вскрышных пород угледобычи при измельчении, приготовлении шихты, сушки и обжига.
4. В установлении зависимости эксплуатационных свойств керамических стеновых материалов от химико-минералогических составов и структурных особенностей вскрышных пород.
Практическая значимость работы заключается:
1. В получении керамических стеновых материалов на основе вскрышных пород угледобычи Тувы.
2. В результате технологических основ получении керамических стеновых материалов пористого и плотного черепка на основе вскрышных пород Тувы.
3. В установлении возможности регулирования эксплуатационных свойств керамических стеновых материалов на основе отходов угледобычи путем выявлении особенностей технологических процессов, протекающих при производстве керамических изделий.
4. Подобраны оптимальные составы керамических шихт на основе отходов угледобычи с учетом их химико-минералогических особенностей.
5. Разработан технологический регламент производства керамического кирпича на основе вскрышных пород методом полусухого прессования.
6. В использовании результатов работы в учебном процессе ТувГУ по дисциплинам «Строительные материалы», «Исследование строительных материалов и изделий».
На защиту выноситься:
- результаты исследования химико-минералогического и гранулометрического составов глинистых пород и отходов угледобычи Тувы;
- результаты исследования термических процессов, протекающих при обжиге керамических изделий на основе глинистых и вскрышных пород;
- составы керамических шихт для производства кирпича на основе вскрышных пород угледобычи;
- разработанный технологический регламент производства керамического кирпича на основе отходов угледобычи.
Апробация результатов работы
Результаты исследования докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, магистрантов, аспирантов ТувГУ (2016, 2017 г), на региональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли Республики Тыва» (апрель 2017г).
По результатам работы подготовлена научная статья и направлена для публикации в журнале «Аспирант и соискатель».
Добыча каменного угля, который лежит под определенным слоем горных пород, требует разработку и удалении вышележащего слоя Земли. Практика эксплуатации месторождений каменного угля показывает, что толщина вышележащих вскрышных пород над угольным пластом достигает до 30 м и разработка и удаление сопутствующих пустых пород составляет 30¬50 % себестоимости продукции.
Вместе с тем, вскрышные породы угледобычи являются породами осадочного и метаморфического происхождения, которые имеют определенные химический и минеральный состав и при соответствующей переработке являются сырьевыми материалами для производства конкретной продукции.
Исследования показывают, что вскрышные породы угледобычи могут быть сырьевыми материалами для производства различных видов строительных материалов, в том числе керамических стеновых материалов. Только, отвальные породы каждого месторождения имеют свои особенности по химическому и минеральному составу, а также имеют свои конкретные технологические характеристики, что требует изучении вскрышных пород перед использовании.
Целью работы является получение керамических стеновых материалов на основе вскрышных пород угледобычи Тувы.
Согласно поставленной цели решались следующие задачи:
- Исследование состоянии производства керамических стеновых материалов в России и Республике Тува с выявлением проблем технологии производства указанных изделий.
- Исследование глинистых пород Тувы и вскрышных пород угледобычи, как сырьевые материалы для производства керамических стеновых материалов.
- Изучение различных термических процессов, происходящих при обжиге керамических изделий.
- Разработка технологических основ производства керамических стеновых материалов из вскрышных пород угледобычи.
- Изучение свойств полученных керамических стеновых материалов из вскрышных пород угледобычи.
- Разработка технологического регламента производства керамических стеновых материалов на основе отходов угледобычи.
Научная новизна работы заключается:
1. В исследовании вскрышных пород угледобычи Тувы и выявлении их химико-минералогических и структурных особенностей, как сырьевые материалы для производства керамических стеновых материалов.
2. В установлении особенностей термических процессов (выгорании органики, дегидратации глинистых материалов, изменении линейных размеров и фазообразовании) протекающих при обжиге глинистых и вскрышных пород.
3. В выявлении технологических особенностей керамической массы на основе вскрышных пород угледобычи при измельчении, приготовлении шихты, сушки и обжига.
4. В установлении зависимости эксплуатационных свойств керамических стеновых материалов от химико-минералогических составов и структурных особенностей вскрышных пород.
Практическая значимость работы заключается:
1. В получении керамических стеновых материалов на основе вскрышных пород угледобычи Тувы.
2. В результате технологических основ получении керамических стеновых материалов пористого и плотного черепка на основе вскрышных пород Тувы.
3. В установлении возможности регулирования эксплуатационных свойств керамических стеновых материалов на основе отходов угледобычи путем выявлении особенностей технологических процессов, протекающих при производстве керамических изделий.
4. Подобраны оптимальные составы керамических шихт на основе отходов угледобычи с учетом их химико-минералогических особенностей.
5. Разработан технологический регламент производства керамического кирпича на основе вскрышных пород методом полусухого прессования.
6. В использовании результатов работы в учебном процессе ТувГУ по дисциплинам «Строительные материалы», «Исследование строительных материалов и изделий».
На защиту выноситься:
- результаты исследования химико-минералогического и гранулометрического составов глинистых пород и отходов угледобычи Тувы;
- результаты исследования термических процессов, протекающих при обжиге керамических изделий на основе глинистых и вскрышных пород;
- составы керамических шихт для производства кирпича на основе вскрышных пород угледобычи;
- разработанный технологический регламент производства керамического кирпича на основе отходов угледобычи.
Апробация результатов работы
Результаты исследования докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, магистрантов, аспирантов ТувГУ (2016, 2017 г), на региональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли Республики Тыва» (апрель 2017г).
По результатам работы подготовлена научная статья и направлена для публикации в журнале «Аспирант и соискатель».
1. В настоящее время в промышленности керамических стеновых материалов наблюдается тенденция истощение запасов качественных глинистых пород. Для производства качественных конкурентоспособных керамических стеновых материалов предприятия вынуждены применять привозные высокопластичные глины и добавки, что повышает себестоимость продукции и возникают проблемы сбыта дорогой продукции.
2. В связи с уменьшением запасов качественных высокопластичных глин и добавок, предприятия применяют местные низкосортные и грубодисперсные суглинки с низким содержанием глинистых частиц, что вызывает проблем на разных этапах технологии производства.
3. Одним из перспективных направлений решения сырьевой проблемы отрасли является применение ранее не используемых нетрадиционных
сырьевых материалов природной и техногенной основы. К числу таких
сырьевых материалов относятся отходы угледобычи - вскрышные породы при добычи каменного угля открытым способом.
4. Исследование отходов угледобычи Усть-Элегестинского угольного разреза показало, что они представлены породами различного размера от песчаного до валунов. В состав отходов угледобычи Усть-Элегестинского разреза входят песчаники, гнейсы и аргиллиты. Из числа различных вскрышных пород угледобычи в качестве сырья исследованы аргиллиты, уплотненные породы содержащие глинистые минералы.
5. Изучение глиносодержащих отходов угледобычи показало, что химический состав данных пород соответствует алюмосиликатному сырью и примерно одинаковый с химическим составом глинистых пород. Отличается высоким содержанием железистых соединений и щелочеземельных оксидов. Сырье легкоплавкий. Выявлен постепенный самораспад кусков породы на мелкие частицы, что связано с наличием сжимающих напряжений в исходной породе и их самогашением с разрушением частиц.
6. Минеральный состав отходов угледобычи характерен для сырья пригодного для производства керамических изделий. В исходной породе 16¬24 % присутствуют глинистые породы монтмориллонитовой основы. Присутствуют кварц, полевые шпаты, хлориты и железистые соединения. В силу генезиса, все минералы подвергнуты к уплотнению из-за давлении вышележащих горных пород. Структура породы плотная, сильно сжатая. Между частиц тонкий граничный слой (контактный).
7. Вскрышные породы угледобычи в естественном состоянии имеют объемную массу 1280-1460 кг/м3, что значительно меньше, чем песчаник. Измельченная песчаная фракция (частица до 3 мм) имеет объемную массу 1340 кг/м3, прочность при сжатии 28-42 МПа, водопоглощение 8-14 %, что свидетельствует о наличии внутренних пор.
8. Отходы угледобычи легко подвергаются к технологической обработке, в силу генезиса, структуры и минеральной основы. Исходная порода легко измельчается без больших усилений. После обработки в щековой дробилке, частицы размерами менее 0,63 мм, после увлажнении с водой, превращаются в пластичную массу, из которой легко формуются изделия. При измельчении в шаровой мельнице, песчаная фракция отходов угледобычи, через 4 часа обработки, имеют удельную поверхность до 8000 г/см3, что свидетельствует о большой степени размалываемости сырья.
9. Исследование процессов, происходящих при термической обработке
массы на основе отходов угледобычи показало, что несмотря на содержание органических составляющих от каменного угля, при обжиге изделий выделяются те же газы: СО, , , что характерно для глинистых пород.
Процесс выгорания органических веществ происходит в интервале 220- 400°С. Дегидратация глинистых минералов начинается при 450°С и заканчивается при 800°С из-за уплотненной структуры минералов. Исследование изменении линейных размеров образцов на основе отходов угледобычи показывает, что модификационные превращения основных компонентов шихты происходит в соответствии известных закономерностей.
При обжиге керамических масс на основе глиносодержащих отходов угледобычи образуется те же новообразования (стеклофаза, кварц, ортоклаз, анартит и гарценит), которые кристаллизуются при спекании глинистых пород.
10. Разработаны технологические основы получения керамических стеновых материалов с учетом химико-минералогических и структурных особенностей отходов угледобычи. При формовании изделий пластическим способом, в шихту вести измельченную фракцию размером частиц не более 0,31 мм, которая при увлажнении (влажность 20 %) превращается в пластичную массу с числом пластичности 7-9 и отформованные изделия не имеют дефектов. При формовании изделий способом полусухого прессования, рекомендуется брать фракцию размерами частиц до 1,2 мм, при этом количество воды для увлажнений 10 % и величина удельного давления 25-30 МПа. В виду пористости самых частиц и своеобразного соотношения пластичных частиц, содержащих воду и твердых непластичных компонентов, отформованные влажные изделия на основе отходов угледобычи, быстро сушатся (до 10 ч) без дефектов и повреждений.
Оптимальная температура обжига пористых керамических стеновых материалов составляет 900-100°С, а для плотных керамических изделий 1050- 1100°С.
11. На основе измельченных отходов угледобычи, содержание глинистые минералы получены керамические пористые стеновые материалы с объемной массой 1680-1790 кг/м3, прочность 10-16 МПа, водопоглощением более 12-16 %, морозостойкостью более 25 циклов, что соответствует требованиям ГОСТа 508-2012 на керамические стеновые изделия.
12. При получении керамических изделий плотного черепка, с водопоглощением менее 5 %, на основе отходов угледобычи Усть- Элегестинского угольного разреза, в состав шихты вести отощающие добавки, которые уменьшают огневую усадку изделий при обжиге. В качестве отощающих добавок возможно использование других отходов угледобычи - песчаников и глиежей.
2. В связи с уменьшением запасов качественных высокопластичных глин и добавок, предприятия применяют местные низкосортные и грубодисперсные суглинки с низким содержанием глинистых частиц, что вызывает проблем на разных этапах технологии производства.
3. Одним из перспективных направлений решения сырьевой проблемы отрасли является применение ранее не используемых нетрадиционных
сырьевых материалов природной и техногенной основы. К числу таких
сырьевых материалов относятся отходы угледобычи - вскрышные породы при добычи каменного угля открытым способом.
4. Исследование отходов угледобычи Усть-Элегестинского угольного разреза показало, что они представлены породами различного размера от песчаного до валунов. В состав отходов угледобычи Усть-Элегестинского разреза входят песчаники, гнейсы и аргиллиты. Из числа различных вскрышных пород угледобычи в качестве сырья исследованы аргиллиты, уплотненные породы содержащие глинистые минералы.
5. Изучение глиносодержащих отходов угледобычи показало, что химический состав данных пород соответствует алюмосиликатному сырью и примерно одинаковый с химическим составом глинистых пород. Отличается высоким содержанием железистых соединений и щелочеземельных оксидов. Сырье легкоплавкий. Выявлен постепенный самораспад кусков породы на мелкие частицы, что связано с наличием сжимающих напряжений в исходной породе и их самогашением с разрушением частиц.
6. Минеральный состав отходов угледобычи характерен для сырья пригодного для производства керамических изделий. В исходной породе 16¬24 % присутствуют глинистые породы монтмориллонитовой основы. Присутствуют кварц, полевые шпаты, хлориты и железистые соединения. В силу генезиса, все минералы подвергнуты к уплотнению из-за давлении вышележащих горных пород. Структура породы плотная, сильно сжатая. Между частиц тонкий граничный слой (контактный).
7. Вскрышные породы угледобычи в естественном состоянии имеют объемную массу 1280-1460 кг/м3, что значительно меньше, чем песчаник. Измельченная песчаная фракция (частица до 3 мм) имеет объемную массу 1340 кг/м3, прочность при сжатии 28-42 МПа, водопоглощение 8-14 %, что свидетельствует о наличии внутренних пор.
8. Отходы угледобычи легко подвергаются к технологической обработке, в силу генезиса, структуры и минеральной основы. Исходная порода легко измельчается без больших усилений. После обработки в щековой дробилке, частицы размерами менее 0,63 мм, после увлажнении с водой, превращаются в пластичную массу, из которой легко формуются изделия. При измельчении в шаровой мельнице, песчаная фракция отходов угледобычи, через 4 часа обработки, имеют удельную поверхность до 8000 г/см3, что свидетельствует о большой степени размалываемости сырья.
9. Исследование процессов, происходящих при термической обработке
массы на основе отходов угледобычи показало, что несмотря на содержание органических составляющих от каменного угля, при обжиге изделий выделяются те же газы: СО, , , что характерно для глинистых пород.
Процесс выгорания органических веществ происходит в интервале 220- 400°С. Дегидратация глинистых минералов начинается при 450°С и заканчивается при 800°С из-за уплотненной структуры минералов. Исследование изменении линейных размеров образцов на основе отходов угледобычи показывает, что модификационные превращения основных компонентов шихты происходит в соответствии известных закономерностей.
При обжиге керамических масс на основе глиносодержащих отходов угледобычи образуется те же новообразования (стеклофаза, кварц, ортоклаз, анартит и гарценит), которые кристаллизуются при спекании глинистых пород.
10. Разработаны технологические основы получения керамических стеновых материалов с учетом химико-минералогических и структурных особенностей отходов угледобычи. При формовании изделий пластическим способом, в шихту вести измельченную фракцию размером частиц не более 0,31 мм, которая при увлажнении (влажность 20 %) превращается в пластичную массу с числом пластичности 7-9 и отформованные изделия не имеют дефектов. При формовании изделий способом полусухого прессования, рекомендуется брать фракцию размерами частиц до 1,2 мм, при этом количество воды для увлажнений 10 % и величина удельного давления 25-30 МПа. В виду пористости самых частиц и своеобразного соотношения пластичных частиц, содержащих воду и твердых непластичных компонентов, отформованные влажные изделия на основе отходов угледобычи, быстро сушатся (до 10 ч) без дефектов и повреждений.
Оптимальная температура обжига пористых керамических стеновых материалов составляет 900-100°С, а для плотных керамических изделий 1050- 1100°С.
11. На основе измельченных отходов угледобычи, содержание глинистые минералы получены керамические пористые стеновые материалы с объемной массой 1680-1790 кг/м3, прочность 10-16 МПа, водопоглощением более 12-16 %, морозостойкостью более 25 циклов, что соответствует требованиям ГОСТа 508-2012 на керамические стеновые изделия.
12. При получении керамических изделий плотного черепка, с водопоглощением менее 5 %, на основе отходов угледобычи Усть- Элегестинского угольного разреза, в состав шихты вести отощающие добавки, которые уменьшают огневую усадку изделий при обжиге. В качестве отощающих добавок возможно использование других отходов угледобычи - песчаников и глиежей.