05.01.2021

Растворы на основе отходов доломитового производства


Основанием для проведения исследований по использованию отходов доломитовых заводов, производящих шихту для металлургии, в качестве заменителя цемента в инъекционных растворах послужили две причины:

- исследования, выполненные П.С. Философовым, по использованию доломитовых цементов в растворах для кладки, штукатурки и бетонах низких марок, а также данные о возможности использования доломитовой пыли в качестве активатора пробужденного шлака, заменителя извести-пушонки и компонента бесклинкерного цемента;

- наличие в пределах Донецкой области трех доломитовых комбинатов: Никитовского, Северского и Докучаевского, — дающих ежегодно около 200 тыс. т отходов в виде доломитовой пыли.

Обжиг доломита на заводах сопровождается выделением пыли, выбрасываемой в атмосферу вместе с продуктами сгорания. С целью охраны окружающей среды пыль осаждается при газоочистке в пылевой камере, котле утилизатора, батарейных циклонах и электрофильтрах. Технологический процесс газоочистки при обжиге доломита на примере Никитовского доломитового завода показан на рис. 4.4, а количество улавливаемой пыли по установкам газоочистки приведено в табл. 4.2.

Исходным сырьем для обжига служат доломиты химического состава CaCO3*MgCO3 с примесями SiO2 и R2O3 фракцией до 14 мм.

Химический состав исходных материалов, обожженного доломита и продуктов улавливания приведен в табл. 4.3.

Дисперсный состав улавливаемой пыли распределяется следующим образом: перед электрофильтрами частиц размером до 30 мкм — 70%, 30—60 мкм — 30%; перед циклопами частиц до 60 мкм — 50%, 200—60 мкм — 50%.

Анализ гранулометрического состава и результаты пробных испытаний вяжущих свойств различных продуктов газоочистки показали, что для приготовления инъекционных суспензий типа цементных пригодна только пыль из циклонов и электрофильтров. Продукт газоочистки из пылевых камер обладает слабыми вяжущими свойствами и содержит кроме пылевых крупнозернистые частицы размером до нескольких миллиметров, поэтому он может быть рекомендован только в качестве закладочного материала для заполнения полостей и вывалов, образующихся при проведении выработок.

Химический анализ пыли газоочистки из циклонов и электрофильтров показывает, что она состоит из химических

соединений, главными из которых являются кальций и магний. В табл. 4.4 приведены результаты химического анализа смеси пыли газоочистки с циклонов и электрофильтров Никитовского доломитового завода.
Растворы на основе отходов доломитового производства

Как показали эксперименты, пыль газоочистки твердеет в результате возникновения гидратных новообразований при взаимодействии вяжущего вещества с водой. В зависимости от основного свойства твердеть и длительно противостоять воздействию различных факторов окружающей среды пыль газоочистки можно отнести к гидравлическим вяжущим веществам, близким по своим физико-химическим свойствам к романцементам и гидравлической извести. Это подтверждается и величиной гидравлического модуля, представляющего собой отношение процентного содержания по массе оксида кальция к процентному содержанию кислотных оксидов:

Для гидравлической извести численное значение гидравлического модуля находится в пределах 1,7—9. В зависимости от этого модуля различают сильногидравлическую и слабогидравлическую известь. У первой гидравлический модуль 1,7—4,5, у второй — 4,5—9. При гидравлическом модуле, равном 1,1—1,7, получают романцемент, а если модуль больше 9, то воздушную известь.

На основании данных табл. 4.4. гидравлический модуль для продуктов газоочистки с минимальным, средним и максимальным содержанием химических компонентов соответственно характеризуется величинами 3,24; 1,6; 1,26. Следовательно, колебания химического состава, а также различия в степени обжига доломитовой пыли по зонам вращающейся печи не могут быть препятствием для использования пыли газоочистки в качестве активного минерального вяжущего.

В качестве базового варианта при исследовании растворов на основе доломитовой пыли был принят двухкомпонентный состав: вода — доломитовая пыль. Оптимальное водопылевое отношение (В:П) находилось с помощью аналитических расчетов лабораторных и промышленных экспериментов.

Аналитические расчеты оптимального количества воды обходимого для приготовления раствора, производились из условия обеспечения гидратации основных компонентов доломитовой пыли и получения подвижной суспензии, которую можно перекачивать насосами.

Если предположить, что в состав пыли входят свободные оксиды, то из их совокупности можно считать гидравлически активными только MgO и CaO, поскольку гидравлическая активность R2O3 и SiO2 пренебрежимо мала по сравнению с предыдущими. Реакция гидратации вышеуказанных оксидов происходит по формулам

Исходя из того, что мольная масса CaO равна 56, воды — 18, а в 1 т пыли циклонов содержится минимум 403,9 кг CaO, а максимум 434 кг (см. табл. 4.3), минимальное количество воды, необходимое для гидратации CaO в 1 т пыли составит 403,9*18/56=129,8 кг, а максимальное — 434*18/56=139,5 кг.

Аналогичные расчеты показали, что минимальное и максимальное количество воды, требующееся для гидратации оксида магния, содержащегося в 1 т пыли циклонов, составляет соответственно 226 и 239 кг.

С учетом того, что для приготовления раствора используется смесь, содержащая 20% пыли из электрофильтров и 80% из циклонов, требуемое расчетное количество воды для гидратации оксидов кальция и магния, содержащихся в 1 т смеси, составит 156—166 кг.

Приведенный выше расчет необходимого количества воды из условия гидратации следует считать ориентировочным, поскольку не известно число входящих в состав пыли гидравлически активных сложных компонентов типа mCaO*R2O, nCaO*SiO2.

Теперь аналитически исследуем потребность в воде, исходя из условия получения подвижного раствора. Известно, что при условии плотной упаковки сферических частиц свободный объем, не занятый ими, составляет 26%. Для заполнения этого объtма водой достаточно 260 кг на 1 м3 раствора. Ho такая система не может обладать пластичностью, поскольку частицы практически не обладают относительной подвижностью. На рис. 4.5,а показана картина распределения сферических частиц при плотной упаковке. Для перемещения таких частиц относительно друг друга необходимо преодолевать потенциальный барьер, связанный в частности с поднятием каждой частицы на высоту H (рис. 4.5,б).

Независимое перемещение частиц относительно друг друга может иметь место только в случае их распределения по принципу описанного квадрата (вписанной сферы в квадрат). При таком распределении частиц (рис. 4.5, б) ограничение на перемещение частиц накладывается только на вертикальное перемещение за счет силы тяжести.

Если теперь весь объем V системы разбить на n квадратов, в которые вписаны сферы, и выразить его через диаметр сферических частиц, то получим выражение V=nV1=nd3, (4.6) где V1 — объем квадрата, описанного вокруг сферы диаметром d. Такое же число n сферических частиц займет объем

Относительная доля свободного объема, не занятого частицами, составит n = (V-Vd)/V.

Подставив выражения (4.6) и (4.7) в уравнение (4.8)

Таким образом, доля свободного объема не зависит от размера частиц и составляет 47,7% общего объема. Для приготовления 1 м3 раствора следует взять 477 кг (0,477 м3) воды.

Принимая плотность доломитовой пыли 2,7 т/м3, можно вычислить ее количество в 1 м3 раствора: 2,7*0,523=1,412 т.

Следовательно, по приведенной схеме для приготовления подвижного раствора на 1412 кг сухой пыли следует брать 477 л воды, или на 1 т пыли — 377 л воды.

В то же время эксперименты показали, что для получения легко прокачиваемой стабильной суспензии требуется несколько большее количество воды, чем это дают теоретические расчеты: оптимальное водопылевое отношение В:П=0,4:0,6.

Нa следующем этапе в лабораторных условиях проводились исследования прочностных свойств тампонажного камня, образующегося при твердении растворов из доломитовой пыли Никитовского доломитового завода. Вначале раздельно испытывались продукты всех этапов газоочистки и смесь пыли из батарейных циклонов и электрофильтров, которая при существующей технологии выдается как один продукт. В табл. 4.5 приведены результаты испытаний на одноосное сжатие образцов тампонажного камня размером 7x7 см в возрасте 28 сут, твердевших при различной температуре.

Из данных табл. 4.5 следует, что наибольшими вяжущими свойствами обладает пыль из электрофильтров. Пыль из циклонов и пылевых камер сама по себе обладает незначительными вяжущими свойствами и в самостоятельном виде может быть рекомендована только в качестве закладочного материала. Для приготовления инъекционных растворов рекомендуется смесь пыли из электрофильтров и циклонов, которая образуется в бункерах-накопителях (80% пыли из батарейных циклонов и 20% — из электрофильтров).

Дальнейшие исследования проводились со смесью из пыли электрофильтров и циклонов, при этом в качестве основных факторов, влияющих на прочностные характеристики тампонажного камня, были приняты: состав раствора (величина водопылевого отношения С), размеры твердеющего образца (b), время твердения (t), температурный (T) и влажностный (W) режимы среды твердения.

Пределы изменения вышеприведенных факторов для найденного оптимального диапазона водопылевого отношения (В:П=0,4-0,6) были установлены исходя из анализа возможных условий твердения тампонажного камня в шахте: изменение температуры среды 15—45°, твердение в воздушной среде при влажности W=100% и в воде. Для оценки влияния масштабного фактора размеры образца изменялись от 0,02 до 0,1 м.

Планирование эксперимента производилось с помощью комбинационного квадрата М.М. Протодьяконова, что позволило сократить объем испытаний в 25 раз. Для получения 95%-ного уровня значимости результатов повторяемость каждого опыта равнялась 3—6. Результаты испытаний приведены в табл. 4.6.

Образцы тампонажного камня изготавливались в разборных металлических формах и испытывались на одноосное сжатие на разрывной машине P-10.

На основании анализа результатов проведенных лабораторных испытаний можно сделать следующие выводы:

- изменение водопылевого отношения в пределах 0,4—0,6 существенно не влияет на прочность тампонажного камня, твердеющего на воздухе (изменения в пределах 10%), а при твердении его в воде увеличение водопылевого отношения в указанных пределах снижает прочность образцов в среднем в 1,7 раза;

- в зависимости от изменения влияющих факторов прочность на сжатие тампонажного камня, твердеющего на воздухе, изменяется в пределах 2,5—7,8 МПа, а твердеющего в воде — в пределах 1,0—12,8 МПа; при изменении температуры окружающей среды от. 15 до 45 °C прочность камня, твердеющего на воздухе, возрастает в 1,5 раза, а твердеющего в воде — в 8 раз;

- набор прочности во времени тампонажного камня из доломитовой пыли происходит менее интенсивно, чем цементного.

С целью дальнейшего снижения стоимости инъекционных растворов и расширения диапазона их механических и технологических характеристик, проводились испытания различных композиционных составов на основе доломитовой пыли.

Одним из путей снижения стоимости раствора является использование в качестве мелкого заполнителя песка. Были проведены испытания 60 образцов тампонажного камня из доломитопесчаного раствора, твердеющего в течение 56 сут при температуре 26 °С. Результаты испытаний приведены ниже.

С целью выяснения возможности предварительного приготовления доломитопесчаной смеси на поверхности исследовалось влияние времени разрыва между приготовлением смеси и ее затворением на прочностные характеристики тампонажного камня. Для сравнения испытывались доломитопесчаные (ДП) и цементно-песчаные смеси, затворявшиеся водой спустя семь суток после приготовления. Результаты испытаний тампонажного камня на 28-е сут показали, что его предельное сопротивление в зависимости от весового соотношения вяжущего и песка изменяется от 0,45 до 1,85 МПа.

Из вышесказанного, можно сделать следующие выводы:

- с увеличением в композиционной смеси содержания в пределах ДП:П=(1:0,5)-(1:3) прочность на сжатие тампонажного камня снижается в 3,5 раза;

- при предварительной выдержке доломитопесчаной смеси до затворения водой 7 сут, прочность тампонажного камня снижается в 1,6—4 раза, в то время как подобная выдержка цементно-песчаной смеси снижает прочность тампонажного камня в 30 раз. При этом доломитопесчаный камень оказывается в среднем в 3,8 раза прочнее цементно-песчаного.

Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать доломитопесчаные растворы вместо цементно-песчаных для тампонажа закрепного пространства.





Яндекс.Метрика