Использование отсевов дробления известковых пород в керамическом производстве
Подготовил Огородников А.А.
Многими отечественными предприятиями накоплены значительные объемы отходов. Задача их утилизации становится первостепенной, так как все больше нарастают экологические проблемы и продолжаются отчуждаться земельные участки под отвалы и полигоны. В настоящее время кроме рекультивации почв ведутся научно-исследовательские работы и получены промышленно-технологические разработки по вовлечению в производство техногенных отходов горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов, сельскохозяйственной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности как вторичного сырья при получении бетона, изготовления различных строительных материалов и изделий, в том числе в дорожном строительстве.
Наибольший интерес представляет использование отходов в составах керамических масс, для которых они могут являться новой сырьевой базой. Уменьшение энергозатрат на их доработку ведёт к снижению стоимости выпускаемой продукции.
В частности, в процессе дробления гранитных, известковых и базальтовых горных пород на горно-перерабатывающих предприятиях (к примеру, Республиканское унитарное производственное предприятие «Гранит) образуется значительное количество тонкодисперсных отходов и отсевов.
В частности, практический интерес представляют тонкодисперсные отсевы известковых пород, в основном состоящие из карбоната кальция, который в составе керамических масс при определенных температурных режимах обжига изделий может выполнять функции отощителя, плавня и способствовать формированию новых кристаллических фаз. Следует учесть, что известковые породы имеют невысокую твердость (3 по шкале Маоса), что не требует больших энергетических затрат на их помол.
Сотрудниками Сибирского федерального университета проведено исследование карбонатных отсевов Назаровского щебеночного комбината, образующихся при дроблении известковых пород, и определение возможности их использования в керамическом производстве.
В рамках исследований ставилась задача изучить минеральный состав отсевов и структурные изменения, происходящие в них при нагревании, определить влияние карбоната кальция на формирование фазового состава керамических материалов и их физико-механические свойства. При проведении исследований использовался дифференциально-термический анализ, метод измерения электропроводности и рентгенофазовый анализ. Определялась огневая усадка образцов и их прочностные характеристики. В качестве основы использовалась легкоплавкая глина.
Для проведения исследований в предварительно просушенную, размолотую и просеянную глину вводились размолотые отсевы в количестве 10 и 20 %. Из подготовленных масс полусухим способом при давлении 20 Мпа формировались образцы цилиндрической формы диаметром и высотой 2 см. Затем они сушились, обжигались при температуре 700-1150°С с интервалом 50°С и выдержкой при конечной температуре 20 минут. После обжига у образцов рассчитывались огневая усадка, прочность при сжатии и изучался фазовый состав рентгеноструктурным методом. Изменения интенсивности линий рентгеновских дифракционных максимумов минералов от температуры обжига образцов состава № 1 (90% глины и 10% отсевов) показали, что основное разрушение кристаллической решетки каолинита завершается при 650°С, монтмориллонита – при 750°С, карбоната кальция – при 1150°С. Медленное плавление ортоклаза начинается с 950°С и завершается при 1150°С.
Образующиеся при распаде оксид кальция включается в реакцию по формированию анортита. Появление интенсивности линий данного минерала на рентгенограммах отмечается при 850°С. С образованием жидкой фазы рост кристаллов продолжается до 1150°С. Пропорционально увеличению содержания анортита растет прочность образца.
В керамических массах, содержащих 20% карбонатных отсевов, после обжига при 1100°С наряду с анортитом отмечается присутствие небольшого количества волластонита. Однако прочность образца при сжатии уменьшилась с 14 до 10 МПа. Причиной, по-видимому, является интенсификация распада кальция.
С целью повышения прочностных характеристик изделий исследовалась замена природных отсевов на предварительно обожженные при 1000°С. Это позволило у обожженных отсевов несколько уменьшить содержание карбоната кальция. Исследования образцов состава № 2 (90% глина и 10% обожженный карбонатный отсев) показали, что в процессе обжига в отличие от образцов состава № 1 формируется большее по совокупности количество анортита и волластонита. Прочность после обжига при 1100°С возросла с 14 до 16 МПа.
Для увеличения в образцах при обжиге жидкой фазы, способствующей образованию кристаллов анортита и волластонита, в состав керамической массы № 2 вводили 7% размолотого стеклобоя (состав № 3). Добавка стеклобоя приводит к более раннему формированию новых образований и росту количества их содержания. Это обусловило повышение прочности образцов, обожженных при 1100°С, с 16 до 18,5 МПа и снижение линейной усадки с 8 до 4,2 %.
Из полученных результатов видно, что мелкодисперсные отсевы дробления известковых пород в составах керамических масс способствуют формированию анортита и волластонита. Введение в состав предварительно обожженных отсевов с распавшимся карбонатом кальция ускоряет процесс образования новых кристаллических фаз, уменьшает трещинообразование в изделиях, повышает прочность и снижает усадку.
Таким образом, использование отсевов дробления известковых пород в керамических массах дает возможность расширить сырьевую базу промышленности строительных материалов и получать изделия высокого качества.
По материалам издания ООО РИФ «Стройматериалы», журнал «Строительные материалы», 9/2019 (РФ) и РУПП «Гранит» (РБ).
