Введение. Стеновые керамические материалы являются одними из наиболее древних строительных материалов, используемых для кладки и облицовки несущих, самонесущих и ненесущих стен и других элементов зданий и сооружений. По прошествии многих веков керамические стеновые материалы занимают лидирующие позиции на строительном рынке благодаря своим физико-механическим и теплофизическим свойствам, долговечности, а также экологичности и архитектурной выразительности [1, 2].
Отходы обогащения добываемого природного сырья образуются в одноименных процессах, которые обычно являются промежуточными между добычей полезных ископаемых и их последующей глубокой химической, физико-химической или биохимической переработкой. Обогащение позволяет отделить значительную часть пустой породы и вредных примесей и, тем самым, повысить концентрацию ценных компонентов в исходном сырье, что наиболее ярко проявляется при обогащении руды [3].
Техногенные отходы добычи углей являются причиной возникновения следующих основных проблем экологического и экономического характера:
- складирование отходов на свалках и полигонах вызывает загрязнение почвы, воды и воздуха окружающей среды;
- организация переработки отходов является дорогостоящим процессом;
- образующиеся cвалки занимают значительные площади земельных ресурсов, пригодных для более рационального использования.
Согласно данным, приведенным в исследованиях [4–6], по ориентировочным расчетам в Российской Федерации ежегодное количество образующихся отходов углеобогащения превышает 115 млн. тонн. Комплексное использование отходов углеобогащения в производстве строительных материалов может дать народному хозяйству значительный экономический эффект, обусловленный экономией природного сырья, уменьшением расходов на складирование и транспортирование отходов, и сокращением отводимых под отвалы земель.
В данной работе было проведено исследование возможности использования отходов обогащения сырья, добываемого в угольных разрезах провинции Куанг Нинь, с целью получения сырьевых материалов для производства стенового керамического кирпича.
Методология. Свойства стенового керамического кирпича определяли в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 530-2012. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия [7].
Основная часть. В процессе добычи угля во Вьетнаме на угольных разрезах в провинциях Куанг Нинь, Тхай Нгуен, Лао Кай и др. образуется большое количество отходов, что вызывает загрязнение окружающей среды, пагубно влияет на условия жизни человека и животных и занимает большую площадь под отвалы отходов обогащения (рис. 1).
|
|
|
Рис. 1. Загрязнение окружающей среды техногенными отходами добычи угля на разрезах в провинции
Куанг Нинь (Вьетнам)
Разведанные запасы угля во Вьетнаме в 2015 году составили свыше 55÷ 58 млн. т. и по прогнозам к 2020 году возрастут до 60 ÷ 65 млн. т. По имеющимся данным для того, чтобы добыть 1 тонну угля на открытых угольных разрезах Вьетнама необходимо взорвать, погрузить и произвести транспортировку 10 ÷ 14 м3 горной породы [8]. Таким образом, к 2020 году качество образовавшихся твёрдых отходов углеобогащения может достичь 600 ÷ 910 млн. м3, что приведёт к значительному экологическому и экономическому ущербу из-за загрязнения окружающей среды и необходимости отведения сотни тысяч квадратных метров площадей для размещения этих отходов.
В настоящее время во Вьетнаме отходы угледобычи частично используются в качестве сырьевых материалов и минеральных добавок при производстве портландцемента на некоторых цементных заводах. Однако объем их использования незначителен.
Согласно решениям, опубликованным в приказе Премьер-министра Вьетнама [9], с целью совершенствования организации и дальнейшего развития производства строительных материалов в стране необходимо решить следующие актуальные вопросы:
- усовершенствовать технологию производства кирпича из глинистого сырья для снижения ущерба, наносимого окружающей среде за счёт уменьшения расходов сырья и топлива, а также меньшего использования земель сельскохозяйственного назначения в качестве глинодобывающих карьеров;
- расширить использование многотоннажных техногенных отходов в качестве глинозамещающих сырьевых материалов.
В технологии стеновых керамических материалов качество глинистого сырья является важнейшим фактором, определяющим технологические параметры производства и характеристики получаемой продукции. В последние годы как в Российской Федерации, так и во Вьетнаме вследствие истощения сельскохозяйственных и аллювиальных земель для развития керамической технологии на перспективу возникла необходимость использовать новые виды сырья – отходы углеобогащения с высоким содержанием глин [10–13].
По вещественному составу отходы углеобогащения представляют собой многокомпонентную смесь, состоящую из различных минеральных включений, глины и остатков угля. В отходах углеобогащения сырья, добываемого в угольных разрезах провинции Куанг Нинь, преобладают аргиллиты и углистые аргиллиты (от 44 до 83 %), песчаники (в среднем 6,3 %), алевролиты (в среднем
14 %) и карбонаты (в среднем 2,5 %) (табл. 1). Кроме того, в таких отходах содержится до 10 ÷
28 % угля [14].
Для определения зависимости между химическим составом глиносодержащих отходов и возможностью их последующего применения была использована диаграмма А.М. Августиника [14-16], на которой по оси ординат принято отношение молей Аl2O3 и SiO2, а по оси абсцисс - сумма молей плавней (CaO + MgO +Na2O+K2O + Fe2O3+ TiO2). Результаты проведённого анализа представлены в табл.4 и на рис. 2.
Таблица 1
Минеральный состав отходов обогащения углесодержащих горных пород, добываемых
в угольных разрезах провинции Куанг Нинь
|
№ ПП |
Наименование минералов |
Содержание минералов, % масс. |
||
|
Донг-Трье |
Ха-Ту |
Ха-Ламь |
||
|
1 |
Аргиллиты |
70 ÷ 83 |
44 ÷ 62 |
51÷ 65 |
|
2 |
Алевролиты |
7 ÷ 10 |
15 ÷ 17 |
16 ÷ 19 |
|
3 |
Песчаники |
3 ÷ 6 |
5 ÷ 7 |
7 ÷ 10 |
|
4 |
Карбонаты |
1 ÷ 4 |
2 ÷ 4 |
1 ÷ 3 |
|
5 |
Остатки угля |
6 ÷ 10 |
16 ÷ 28 |
11 ÷ 17 |
Основную массу Куангнинских аргиллитов составляют глинистые минералы – гидрослюды и каолинит (от 37 до 42 % масс.) (табл. 2 и 3).
Таблица 2
Минеральный состав аргиллитов, содержащихся в отходах обогащения сырья, добываемого в угольных разрезах провинции Куанг Нинь
|
Угольные разрезы |
Среднее содержание минералов, % масс. |
||||||
|
Каолинит |
Гидрослюды |
Хлорит |
Кварц |
Полевой шпат |
Гётит |
Остальное |
|
|
Донг-Трье |
13 |
27 |
12 |
39 |
6 |
- |
амфиболы |
|
Ха-Ту |
10 |
32 |
13 |
35 |
7 |
- |
амфиболы |
|
Ха-Ламь |
15 |
22 |
10 |
37 |
6 |
6 |
амфиболы |
Таблица 3
Химический состав аргиллитов, содежащихся отходах обогащения сырья, добываемого
в угольных разрезах провинции Куанг Нинь
|
Угольные разрезы |
Среднее содержание оксидов, % масс. |
|||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
K2O |
TiO2 |
SO3 |
п.п.п. |
|
|
Донг-Трье |
66,72 |
12,56 |
7,85 |
4,56 |
0,95 |
2,3 |
1,16 |
0,95 |
0,45 |
2,5 |
|
Ха-Ту |
60,74 |
10,85 |
8,28 |
5,54 |
4,24 |
3,53 |
2,25 |
0,92 |
0,51 |
3,14 |
|
Ха-Ламь |
65,52 |
12,49 |
3,26 |
7,25 |
1,6 |
2,48 |
3,05 |
0,36 |
0,74 |
3,25 |
Примечание: п.п.п. - потери при прокаливании.
Таблица 4
Содержание оксидов в отходах обогащения сырья, добываемого в угольных разрезах провинции Куанг Нинь
|
Угольные разрезы |
Содержание оксидов, моль |
|||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
K2O |
TiO2 |
Аl2O3/SiO2 |
(RO+R2O +Fe2O3+TiO2) |
|
|
Донг-Трье |
1,112 |
0,123 |
0,049 |
0,081 |
0,024 |
0,037 |
0,012 |
0,004 |
0,111 |
0,207 |
|
Ха-Ту |
1,012 |
0,106 |
0,052 |
0,099 |
0,106 |
0,057 |
0,024 |
0,004 |
0,105 |
0,342 |
|
Ха-Ламь |
1,092 |
0,122 |
0,020 |
0,129 |
0,040 |
0,040 |
0,032 |
0,002 |
0,112 |
0,263 |
Отходы углеобогащения сырья, добываемого в различных угольных разрезах провинции Куанг Нинь, изображены на диаграмме Августиника в виде точек А, Б и В, которые расположены в области кирпичных глин (рис. 2).
Технологии производства стеновых керамических кирпичей на основе отходов углеобогащения
При использовании отходов обогащения углей в производстве стенового керамического кирпича важное значение имеют их вещественный и минеральный состав, а также влажность, которые определяют рациональный выбор одного из двух способов производства: пластического формования или полусухого прессования [17–19].
|
|
Области применения глинистого сырья: 1 – каолины и глины, пригодные для производства огнеупорных (шамотных) изделий; 2 – глины, пригодные для производства керамических камней, плиток для пола, канализационных труб и кислотоупоров; 5 – клинкерные глины; 6 – кирпичные глины; 7 – керамзитовые глины. |
Рис. 2. Расположение исследуемого глинистого сырья на диаграмме Августиника
Примечание: А – отходы углеобогащения сырья с угольного разреза Донг-Трье;
Б – отходы углеобогащения сырья с угольного разреза Ха-Ту;
В – отходы углеобогащения сырья с угольного разреза Ха-Ламь
Способ пластического формования следует применять, если используемые отходы содержать достаточное количество влажной глины и поэтому нет необходимости её добавления в сырьевую композицию. В противном случае для производства стеновой керамики более рациональным будет способ полусухого прессования.
Технологические схемы организации производства стеновых керамических кирпичей указанными способами представлены на рис. 3 и 4.
При рассмотрении двух вариантов технологии производства стеновых керамических кирпичей необходимо обратить внимание на следующие вопросы:
- поскольку отходы углеобогащения имеют значительную твёрдость, то для их измельчения необходимо использовать щековую дробилку;
- процесс переработки сырья требует использование роликовой или шаровой мельницы для получения сырьевой смеси требуемого гранулометрического состава, позволяющей формировать качественный кирпич-сырец;
- отходы углеобогащения представляют собой твёрдую и низкосвязанную массу, поэтому в зависимости от их состава для обеспечения возможности последующего формирования изделий нужно добавить до 10 ÷ 25 % масс. глины. Причём, чем больше в отходах содержится глинистых включений, тем меньшее количество глины требуется добавлять;
- из рассмотренных выше двух способов получения керамических кирпичей полусухое прессование будет более рациональным, так как измельчённые отходы углеобогащения имеют низкую влажность и поэтому без дополнительного увлажнения не могут образовывать сырьевую ленту при выдавливании из пресса по методу пластического формования;
- основным недостатком способа пластического формования является необходимость сушки сырца перед обжигом [20];
- при производстве стеновых керамических кирпичей способом полусухого прессования из-за меньшей влажности сырца отпадает необходимость его предварительной сушки перед обжигом или проведение этих операций можно совместить в одном агрегате, что экономит время и топливо, а также способствует обеспечению правильности формы и требуемых размеров кирпича, имеющих большое значение для прочности будущей кладки.
|
Рис. 3. Схема формования стеновых керамических кирпичей пластическим способом |
Рис. 4. Схема прессования стеновых керамических кирпичей полусухим способом |
Основные эксплуатационные показатели стеновых керамических кирпичей, произведённых способом полусухого прессования, приведены в табл. 5 и на рис. 5.
Таблица 5
Физико-механические характеристики стеновых керамических кирпичей с двумя
горизонтальными пустотами, полученных из отходов углеобогащения сырья разреза Донг-Трье на производственной линии завода Хыу-Хунг
|
Состав |
Прочность на сжатие, МПа |
Прочность при изгибе, МПа |
Водопоглощение, % |
Объёмная масса, кг/м3 |
Плотность, г/см3 |
|
75 % отходов +25 % глины |
7,0 |
1,63 |
8,6 |
1610 |
2,55 |
|
80 % отходов +20% глины |
6,6 |
1,61 |
9,2 |
1570 |
2,42 |
|
90 % отходов +10 % глины |
6,5 |
1,59 |
9,6 |
1520 |
2,40 |
|
100 % отходов |
6,3 |
1,55 |
10,6 |
1450 |
2,41 |
|
|
|
Рис. 5. Процесс производства стенового керамического кирпича из отходов углеобогащения на заводе
Хыу Хунг
Выводы. На основе полученных экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:
- стеновые керамические кирпичи, полученные способом полусухого прессования из сырьевой композиции на основе глиносодержащих отходов углеобогащения с добавлением до 10÷25 % масс. глины, имеют требуемые эксплуатационные показатели, массу от 1,8 до 2,5 кг и обладают пористой структурой из-за выгорания остатков угля в процессе обжига, что помимо снижения массы изделий будет способствовать повышению их тепло- и звукоизоляционных свойств;
- технология полусухого прессования достаточна проста, по сравнению со способом пластического формования требует меньшего расхода топлива из-за отсутствия необходимости предварительной сушки сырца перед обжигом и позволяет получать готовые изделия более правильной геометрической формы;
- использование отходов обогащения углей для производства стеновых керамических изделий во Вьетнаме позволяет улучшить экологическую и экономическую ситуацию в стране за счет сохранения природных сырьевых и земельных ресурсов, снижения уровня загрязнения почвы, воды и воздуха и уменьшения затрат, вызванных необходимостью организации хранения отходов.
