Метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего на основе техногенного сырья
3 этап. При предварительной оценке пригодности техногенного сырья для производства строительных материалов необходимо убедиться не только в удовлетворительном валовом химическом составе и минимальном содержании вредных примесей, но и в их химико-минералогической однородности.
На данном этапе важно определить, при каких температурах происходит переработка промышленных отходов, и какие кристаллические фазы при этом формируются. Физические свойства и условия образования фаз в основном технологическом процессе характеризуют реакционную способность отходов промышленности, а также позволяют определять условия, при которых возможна активация их свойств.
Соотношение между параметрами физико-химической системы, в том числе промышленных отходов, для решения теоретических и экспериментальных задач, связанных с получением новых материалов и различным сочетанием свойств сырьевых компонентов может быть выполнено с помощью анализа диаграммы состояния CaO – SiO2 – Al2O3.
Поскольку в основном технологическом процессе промышленные отходы проходят высокотемпературную обработку с образованием минералов, представляется возможным их фазовый и химический составы рассматривать
в системе CaO - SiO2 - Al2O3, а диаграмму этой системы (рисунок 2) использо
вать в качестве технической модели для определения оптимального состава основных оксидов разрабатываемого вяжущего материала на базе техногенного сырья. Для решения задачи по проектированию оптимального состава композиционного безобжигового вяжущего в системе CaO - SiO2 - Al2O3 принята некоторая значимая область, к границам которой необходимо привести физико-химические характеристики сырьевых компонентов, которые наиболее близко отвечают его типичному составу и обобщены сходными признаками вяжущих веществ.
На данном этапе, исходя из анализа научных разработок по поиску оптимальных структур безобжиговых вяжущих с улучшенными эксплуатационными свойствами, принимая во внимание существующую сырьевую базу техногенных отходов с определенным фазовым составом, учитывая их свойства и химический состав, выдвинута гипотеза о возможности получения композиционного безобжигового вяжущего, проектируемого в системе CaO - SiO2 - Al2O3 из отходов промышленности.
Анализ областей расположения промышленных отходов по отношению к областям расположения известных материалов (стекло, глиноземистый цемент и т.п.) с совпадением (не совпадением) химического и минералогического состава в системе CaO–SiO2–Al2O3 позволяет определить, к границам какой группы материалов ближе находится исследуемый отход и, соответственно, в какую группу потенциально он может войти. При этом появляются логические выходы, зависящие от зоны охвата исследуемых материалов, рисунок 3.
В случае, когда значения промышленного отхода принадлежат рекомендуемым свойствам конкретного материала, например фосфогипс полностью совпадает с зоной извести (рисунок 2), тогда природный материал, в данном случае известь, можно заменять в производстве строительных материалов промышленным отходом (фосфогипсом), соответственно удовлетворяющим требованиям 1-го этапа.
Интересен для реализации идеи создания новых видов композиционных минеральных безобжиговых вяжущих вариант, когда значения находятся на границе множества свойств.
В данном случае можно поставить вопрос об активном воздействии приближения свойств промышленных отходов к свойствам конкретного материала, т.е. к множеству значений рекомендуемого свойства. Для этого на диаграмме тройной системы CaO – SiO2 – Al2O3 помещаем промышленные отходы с необходимыми свойствами и за счет комплексного использования (смешивания) в математически обоснованных соотношениях приближаем количественный химический состав к центру множества значений рекомендуемых свойств конкретного материала.
В ситуации, когда значения не принадлежат рекомендуемым свойствам конкретного материала, существуют определенные подходы к вопросу дальнейшей работы по вовлечению вторичного продукта промышленности в строительное производство: пассивный подход – отклонить исследуемый материал от использования; активный подход – проанализировать свойства на возможность их модификации различными методами, тем самым сместить в сторону возможности более эффективного применения в строительном материале.
Обобщая задачи логической схемы (рисунок 3) в целях реализации создания нового эффективного материала, необходимо: содержание основных оксидов CaO, Al2O3, SiO2 побочных продуктов промышленности вычислить в долях от 100 % по массе; математическим решением системы уравнений, используя современные программные продукты - Microsoft Office Excel, MathCAD и т.п., долевой химический состав привести к типичному составу основных оксидов конкретного строительного материала в системе CaO–SiO2–Al2O3.
Результатом является расчет состава шихты методом оптимизации для получения строительных композиционных материалов.
- Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов» с использованием базиса трехкомпонентной системы CaO-SiO2-Al2O3 в качестве технической модели для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.
Поэтапный всесторонний анализ информации образуемых промышленных отходов (побочных продуктов), рассматриваемых как минеральный сырьевой источник для переработки в строительной отрасли, с целью практического применения обобщен в разработанной схеме комплексной переработки промышленного сырья в строительное производство, рисунок 4.
Предложен алгоритм схемы в виде функциональных связей на трех последовательных этапах (рис.5): 1 этап – анализ на соответствие промышленных отходов (ПО) требованиям нормативно-технической документации; 2 этап – анализ минералогического состава и физико-химических свойств ПО; 3 этап – анализ направления комплексного вовлечения
побочных продуктов на базе технической модели и расчет состава шихты.
Рисунок 4. Схема комплексной переработки промышленных отходов в производстве строительных материалов
Рисунок 5. Алгоритм формирования сырьевой смеси композиционного строительного
материала при комплексной переработке промышленных отходов
Условные обозначения:
ОТП-X; ОТП-Y - основные отраслевые технологические производства: химической, металлургической и т.п. промышленности; ОПП - основной продукт производства; ПО – промышленные отходы; 1, 2, i... n - виды отходов производства; ГОСТ - государственный стандарт; СТО (ТУ) - стандарт организации (технические условия) на конкретный отход производства, рекомендующий его использование и гарантирующий безопасность для применения в строительной отрасли; НТД – нормативно-техническая документация; 1с, 2с, jС … mС – виды отходов производства (ОП), разрешенные к использованию в строительстве; СХ-1с, СХ-2с, СХ-jC … СХ-mC, – химические свойства j-го вида ОП, разрешенного к использованию в строительстве; СФ-1с, СФ-2с, СФ-jC … СФ-mC – физические свойства j-го вида ОП, разрешенного к использованию в строительстве; СС-1с, СС-2с, СС-jC … СС-mC, – специальные строительные свойства j-го вида ОП, разрешенного к использованию в строительстве; ОС – общая статистика по свойствам конкретного ОП; СС – специальная (отраслевая) статистика по свойствам конкретного ОП; ЛА – лабораторный анализ по свойствам отдельной партии ОП; СМ-1, СМ-2, СМ-k … СМ-f – сырьевые материалы из промышленных отходов; СКМ-1, СКМ-2, СКМ-t … СКМ-w, – строительные композиционные материалы.
- На основе предложенного метода, базирующегося на использовании трехкомпонентной диаграммы состояния CaO-SiO2-Al2O3, разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ) (патент № 2010146531).
На примере использования промышленных отходов Череповецкого промышленного узла был реализован метод разработки многокомпонентного минерального вяжущего.
Согласно требованиям 1-го и 2-го этапов (рис.1,2) исследованы и проанализированы факторы, влияющие на колебания химико-минералогического состава промышленных отходов Череповецкого промышленного узла на основе научной литературы, технических отчетов отраслевых институтов, выборочных лабораторных исследований. Установлена номенклатура и направления переработки органических и неорганических побочных продуктов промышленности, разрешенных к использованию в строительной отрасли в качестве сырьевых компонентов.
Определены объемы накоплений побочных продуктов промышленности и объемы реализации их в строительную отрасль за период 2005-2010 г.г.
Проведен анализ возможности использования промышленных отходов в производстве строительных материалов в соответствии с требованиями нормативных документов; определен химический и минералогический состав промышленных отходов металлургической, химической, энергетической отраслей. Обобщенные результаты среднестатистических (табл.1), отраслевых, лабораторных исследований по химическому составу показали, что границы отклонений лежат в значениях, характерных для многолетних исследований, откуда можно сделать вывод о стабильности химического состава техногенных отходов Череповецкого промышленного узла в целом.
Таблица 1
Среднестатистический состав промышленных отходов Череповецкого промышленного узла
Наименование показателя, единицы измерения | CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | MnO | Fe общий | FeO | Fe2O3 | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
Сталеплавильные шлаки, в том числе шлак гранулированный из конвертерного шлама, % | 34,0-45,0 | 10,0-24,0 | 0,5-11,8 | 3,4-24,8 | 0,4-4,9 | 14,7-34,4 | 5,8-23,4 | 2,6-23,7 | |
Продолжение табл.1 | |||||||||
Доменные шлаки, % | 35,5-38,8 | 33,3-38,0 | 8,3-9,6 | 10,0-11,8 | 0,43-0,88 | 0,7-2,8 | _ | _ | |
Наименование показателя, единицы измерения | CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | SO3 | Na2O | K2O | Fe2O3 | |
Фосфогипс | Фосфополугидрат, % | 38,1-39,7 | 0,14-0,34 | 0,0015-0,02 | 0,009-0,021 | 56,2-59,2 | 0,26-0,3 | 0,06 | 0,018-0,042- |
Фосфодигидрат, % | 38,3-39,5 | 0,27-0,66 | 0,0015-0,03 | 0,003-0,014 | 55,0-58,6 | 0,05-0,12 | 0,05-0,08 | 0,026-0,028 | |
Наименование показателя, единицы измерения | CaO | SiO2 | Cu | Zn | SO3 | SO4 | Pb | Fe2O3 | |
Пиритный огарок,% ( кроме Au, Ag) | 1,2-1,3 | 11,3-21,3 | 0,2-0,4 | 0,5-1,2 | 0,9-2,3 | 0,6-1,0 | 0,09-0,3 | 59,3-77,6 | |
Наименование показателя, единицы измерения | CaO | SiO2 | Al | Zn | F | SO4 | Mn | Fe2O3 | |
Кремнегель алюминийсодержащий, % | 0,1-0,6 | 63,0-80,0 | 1,2 – 5,1 | 0,002-0,003 | 5,4-13,4 | 0,04-0,09 | 0,001-0,002 | 0,01-0,02 | |
Наименование показателя, единицы измерения | CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | К2О | Fe2O | TiO2 | Na2 | |
Зола Интинского каменного угля | 4,0-8,0 | 54,0-58,0 | 18,0-20,0 | 1,6-3,0 | 1,0-1,5 | 11,0-15,0 | 0,8-1,0 | 0,9-1,4 |