Статья: Разработка технологии получения пористых керамических материалов с использованием отходов переработки бурых углей

Беломеря Н.И., Мнускина В.В. (ДонГТУ)

Рассмотрена возможность применения полукокса - отхода переработки бурых углей Александрийского месторождения для получения керамических изделий с пористой структурой. Установлены оптимальные количества добавок полукокса в керамические массы, позволяющих обеспечить технологичность процессов и выполнение регламентируемых физико-технических показателей пористых материалов.

Производство керамических строительных материалов по-прежнему остается приоритетным направлением промышленности, спрос на которые не уменьшается. В связи со сложными экономическими условиями и напряженной экологической обстановкой выдвинуты новые требования к разработке их производства, в частности, весьма актуально использование отходов различных производств.

Анализ литературных источников показал, что в производстве керамических изделий все болшее применение находят золы и шлаки ТЭС, отходы угледобычи и переработки углей и др., присутствие которых способствует получению изделий высокого качества.

Целью данной работы является разработка нового направления использования полукокса - продукта полукоксования бурых углей Александрийского месторождения - в производстве изделий строительной керамики в качестве выгорающей добавки.

Введение полукокса в состав масс предполагает улучшение не только физико-технических свойств строительных материалов, но и экономию значительного количества технологического топлива на обжиг этих изделий. Известно, что использование шахтных пород в качестве выгорающей добавки позволяет производить обжиг за счет тепла, выделяющегося при их сгорании, а избыток тепла отводить на сушку.

Полукокс, полученный полукоксованием без доступа воздуха (нагрев до 500-600 градусов С) бурых углей Александрийского месторождения, имеет следующие характеристики (таблица 1).

Таблица 1. Усредненные показатели качества полукокса из бурых углей Александрийского месторождения, % масс

Однако полукокс имеет и ряд недостатков: высокая зольность и повышенная серность. В связи с повышенным количеством золы можно ожидать снижение температуры спекания материала за счет присутствия в ней оксидов щелочных и щелочноземельных металлов (R2O и RО), которые являются сильными плавнями. При обжиге изделий сера образует SО2 и SО3, которые загрязняют окружающую среду.

Использование полукокса в массах изделий строительной керамики вызывает неоходимость регулирования режима обжига. Так как в процессе обжига происходит выгорание полукокса, неполное выгорание углерода приводит к образованию черной сердцевины изделий. Поэтому, чтобы получить изделия высокого качества необходимо осуществлять изотермическую выдержку при температурах 850-950 градусов С.

Несмотря на некоторое усложнение процессов, происходящих при обжиге изделий с полукоксом, и на ряд его недостатков, представляется интересным исследовать вопрос о влиянии полукокса на свойства строительной керамики.

Анализ химического состава минерального остатка полукокса бурых углей Александрийского месторождения указывает на наличие оксидов, составляющих основу глинистых материалов. Исследование кинетики потери массы полукокса в интервале температур 40-1000 градусов С показало, что невыгорающий остаток при максимальной температуре нагрева, соответствующей температуре обжига, составляет 15%.

Внешний вид прокаленного остатка указывает на небольшое содержание оксидов железа в полукоксе, так как остаток имеет светло-бежевый цвет с розовым оттенком. В нем содержится малое количество оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, поскольку прокаленный остаток представляет собой сыпучий порошок. Основу полукокса составляют оксиды глинистых материалов: SiO2 и Al2O3 - действие которых проявляется при более высоких температурах 1050-1100 градусов С. При этих температурах при постоянной массе полукокса превращается в стекловидный расплав.

На первом этапе исследования влияния добавок полукокса на физико-химические свойства керамических масс были проведены предварительные эксперименты по получению пористых структур на основе глины Дзержинского месторождения.

все массы состояли из 95-70% глины, 5-30% полукокса с шагом 5%. Крупность частиц глины и полукокса составляла менее 0,5 мм. Образцы изготовлены методом полусухого прессования (влажность 10%) и обжиг проводили в электрической муфельной печи при температуре 1050 градусов С.

Основные физико-технические свойства образцов определяли по стандартным методикам. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные физико-технические свойства глинистых масс, содержащих полукокс

Анализ результатов предварительных исследований показал весьма значительное увеличение водопоглощения и пористости с возрастанием содержания полукокса в образцах. Так, например, при 30% содержание полукокса открытая пористость увеличивается до 52%, а водопоглощение - до 42%.

Этот факт позволил обозначить области и перспективы использования продукта полукоксования бурых углей в качестве выгорающей добавки, обеспечивающей высокую пористость при изготовлении легковесных шамотных огнеупоров и пористой фильтрующей керамики.

Таким образом, результаты предварительных исследований подтвердили предположение о путях использования полукокса бурых углей Александрийского месторождения в качестве топливосодержащей добавки в производстве обыкновенного глиняного кирпича, легковесных шамотных огнеупоров и пористой фильтрующей керамики.

Из данных таблицы 2 видно, что требования по морозостойкости, предъявляемые к глиняному кирпичу, не выполняются. Поэтому был проведен отбор глин месторождений Донецкой области, свойства которых соответствовали бы всем предъявляемым требованиям.

Найдено, что для изготовления керамического кирпича подходят глины Никифоровского и Краматорского месторождений, а для образцов шамотного легковесного огнеупора - глина Волновахского месторождения.

Основные физико-технические свойства керамических масс, содержащих оптимальное количество полукокса, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные свойства масс, содержащих оптимальное количество полукокса

Таким образом, показано, что полукокс бурых углей является ценным компонентом керамических масс, который может использоваться для создания пористой структуры в керамических изделиях различного назначения.