Производство керамического кирпича из вскрышных пород Экибастузского угольного бассейна

Производство керамического кирпича из вскрышных пород Экибастузского угольного бассейна Федорякина А. А. студентка ПГУ им. С. Торайгырова, г. Павлодар Масакбаева С. Р. преподаватель ПГУ им. С. Торайгырова, г. Павлодар

В настоящее время в Республики Казахстан развернулась программа масштабного жилищного строительства, согласно посланию Президента к народу и «Программе жилищного строительства в Республике Казахстан на 2011 — 2014 годы», а так же согласно «Стратегическому плану развития Республики Казахстан до 202 года».

Уже сегодня в целях удовлетворения запросов строителей не только павлодарского региона, но и Астаны, Караганды и других регионов здесь построено несколько кирпичных заводов. Это кирпичный завод в селе Черное Лебяжинского района Павлодарской области ТОО «СМП-Павлодар»; два кирпичных завода в городе Экибастуз ТОО «Вершина» и т. д. Так же на месторождении Кызыл-Кураминское в Майском районе Павлодарской области завершается строительство предприятия по выпуску кирпича мощностью 10,0 млн штук в год. Кроме того, в Баянаульском районе будет открыт еще один кирпичный завод. Строительство объекта ведет ТОО «Кирпичный завод «Бирлик» .

Основным сырьём для производства керамического кирпича являются легкоплавкие глины — горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластическое тесто, превращающееся после обжига при 800- 10 000 С в камнеподобный материал. В Павлодарской области несколько месторождений: Кызыл-Кураминское, Калкаманское, Сухановское и другие.

Очень важно для характеристики глины содержание в ней глинозёма, повышающего технологические свойства сырья: в легкоплавких глинах оно колеблется в пределах от 10 до 15%. Содержание кремнезёма колеблется в пределах от 60 до 75%. В глинах часть кремнезёма находится в связанном виде в глинообразующих минералах и в несвязанном виде как примесь, обладающая свойством отощающих материалов. Кальций содержится в глинах в виде карбонатов и сульфатов, а магний — в виде доломита. В некоторых сортах глин наличие кальция и магния в пересчете на их оксиды (CaO и MgO) достигает 25%, но, как правило, общее их содержание не превышает 5−10%. Обычно соединения кальция и магния отрицательно влияют на спекаемость и прочность керамических изделий. Оксиды железа, титана, марганца и других металлов содержатся в глинах в количестве до 10−12% и оказывают существенное влияние на целый ряд важнейших свойств керамических изделий. Наибольшее влияние оказывают оксиды железа — они улучшают спекаемость изделий и придают им окраску. Калий и натрий входят в глины в виде щелочных оксидов, содержание которых находится в пределах 3,5−5%

Наиболее дешевыми всегда были строительные материалы, произведенные из местных сырьевых материалов и отходов промышленности. В процессе эксплуатации угольных месторождений происходит постоянное складирование снятой с поверхности вскрышной породы, которая занимает большое количество плодородных земель, причем площади, отведенные под отвалы, из года в год увеличиваются. Кроме отчуждения земельных угодий, породные отвалы коренным образом изменяют и преобразуют природный ландшафт, а вследствие самовозгорания, ветровой и водной эрозии загрязняют воздушный и водный бассейны, почву, источники водоснабжения.

В течении ряда лет проводились исследования по изучению вскрышных пород Экибастузского угольного месторождения и использованию их в качестве основного сырья для производства строительных материалов.

Отходы угольной промышленности отличаются от других видов минерального сырья содержанием органического вещества, физико-механическими и физико-химическими свойствами, обусловленными их формированием в процессе углефикации.

Геологическими изысканиями установлено, что вскрышная порода надугольной толщи сложена песчаниками, алевролитами, аргиллитами и их переслаиванием, доля угля, углестых пород и углестых сланцев незначительна. Минеральная часть вскрышных пород близка по содержанию основных оксидов к глинистому сырью: содержание оксида кремния составляет 54 — 59%, он находится в связном и свободном состояниях; оксид алюминия находится в связном состоянии в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей, его содержание составляет 18%; содержание оксида железа колеблется от 5,1 до 5,6%; оксиды магния и кальция входят в состав глинистых минералов и карбонатов, их суммарное содержание находится в пределах 1,7 — 2,8%; суммарное содержание оксидов натрия и калия колеблется от 2,9 до 3,5%, они входят в состав глинообразующих минералов, а так же присутствуют в примесях в виде водорастворимых солей. Установлено, что содержание токсичных и потенциально-токсичных элементов во вскрышных породах, таких как сера, фосфор, ртуть, мышьяк, бериллий, значительно ниже предельно допустимых концентраций, за исключением марганца, что определяет их в целом как экологически безопасное сырье.

Для производства керамического кирпича в качестве топливно-минеральной добавки пригодны вскрышные породы, представленные углистыми сланцами, залегающими над первым угольным пластом и относящимися к слою I. В качестве основного сырья пригодны вскрышные породы второго слоя, залегающие выше слоя I угластых сланцев [1, 16 с].

Вскрышные породы автотранспортом доставляются на завод, где проходят несколько стадий измельчения в дробилках и мельницах, откуда через систему циклонов подготовленный порошок направляется в бункера-накопители. Затем сырье подается в смеситель для непрерывного равномерного увлажнения, паропрогрева и перемешивания керамической массы. Далее керамическая масса подается для более тщательной переработки в вальцы тонкого помола, а оттуда — в смеситель с фильтрующей решеткой, где окончательно увлажняется, перемешивается и подается на ленточный вакуум — пресс для формирования сырца. Отформованные изделия подаются в сушку. Сушка продолжается 42 часа при 100 0С. После сушки палеты снимаются с вагонетки разборщиком и подаются на пост садки. Автомат-укладчик снимает и укладывает их на печную вагонетку. Обжиг проводится в туннельных печах при 970 — 980 0С на протяжении 32 часов.

В процессе сушки завершается изменение объема полученного полуфабриката, обусловленное удалением влаги, обеспечивается необходимая прочность полуфабриката, позволяющая садить его на печные вагонетки и подвергать другому виду транспортировки, удаляется связка до такого количества, которое не влияет отрицательно на работу печей и не вызывает дефектов при обжиге [2, 122 с].

Процесс обжига можно разделить на несколько периодов. В интервале температур 20 — 150 0С происходит досушка кирпича — сырца. Досушка производится с целью полного удаления воды затворения и гигроскопической влаги, а также равномерного прогрева массы полуфабриката. Вторая стадия обжига — подогрев сырца до температуры 6000С (до начала упругих деформаций). В период подъема температуры в материале происходят следующие процессы: химически связанная вода начинает удаляться из кирпича — сырца при температуре 3500С, а отдача главной массы этой воды идет при температуре 450 — 500 0С, происходит усадка изделия и снижение механической прочности. При температуре 600 0С начинается выделение летучей части органических примесей глины и сгорание введенных в состав массы выгорающих добавок, а так же окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения.

C + O2 > CO2(г) В этот период материал обладает наибольшей пористостью, способствующий беспрепятственному удалению воды и летучей части органических веществ. Одновременно с отдачей химически связанной влаги оксид железа FeO в результате окисления переходит в оксид железа Fe2O3.

экибастузский керамический кирпич строительство

Fe2O3· nH2O

Fe2O3 + nH2O

4FeO +O2 >2Fe2O3

Глина меняет окраску, и кирпич приобретает красный цвет. При нагреве до 500 — 600 0С начинается разрушение каолинита Al4[Si4O10](OH)8. Процесс дегидратации протекает с образованием метакаолинита

Al4[Si4O10](OH)8 > Al2O3· 2SiO2+2H2O

В результате разложения каолинита и удаления из сырца химически связанной воды происходит полная потеря пластичности.

В интервале температур 300 — 10 000С происходит разложение карбонатов, содержащихся в глине.

При температуре ?4500С происходит разложение карбонатов железа:

FeCO3 > FeO + CO2^

4 FeO +O2 >2 Fe2O3

При температуре 450 — 6000С разлагается карбонат магния:

MgCO3 > MgO + CO2^

При температуре 9000С разлагается карбонат кальция:

CaCO3 > CaO+CO2^

Также происходит процесс полиморфного перехода кварца, сопровождающийся изменением объема на 2%. Этот период является практически безопасным. Происходит процесс спекания.

Четвертая стадия обжига — характеризуется достижением максимально допустимой температуры обжига изделий, созреванием черепка и выдержкой. Эта стадия применяется для выравнивания температуры по всей толщине изделия, обеспечивающего равномерное распределение жидкой фазы. Эта выдержка необходима также для выравнивания температуры сечения обжигательной печи, так и от садки и метода сжигания топлива [3, 215с].

Так, при нагревании, например, каолинита последний распадается на свободные окислы с образованием г-глинозема и кремнезема, далее образуется силлиманит А12О32SiO2 и SiO2 и соединение метастабильной структуры типа метакаолинита А12О32SiO2, имеющего скрыто-кристаллическое, почти аморфное строение, а затем муллит ЗА12О32SiO2 и другие соединения. Процессы образования новых соединений сложны, протекание их связано с образованием промежуточных соединений, наличием расплава, условиями нагрева и др.

Начиная с 7000С и выше, щелочи, находящиеся в глине, вступают во взаимодействие с другими компонентами глины, образуют расплав, количество которого также возрастает с повышением температуры.

При спекании керамики протекают разнообразные физические и химические процессы — уменьшение объема и пористости тела; разложение исходных сырьевых материалов; полиморфные превращения; химические реакции взаимодействия с образованием новых кристаллических, стекловидных и газовых фаз; растворения кристаллов в расплаве или кристаллизация их из расплава.

Данный способ производства имеет ряд особенностей. Благодаря вводу угля в начале производства непосредственно в сырье намного проще добиться высоких температур. При нагреве печи до 600 0С начинается самовозгорание угля в заготовках кирпича. После чего в автоматическом режиме с использованием компьютерной техники начинается процесс обжига и спекания при 1100 0С, то есть уголь в смеси кирпичных заготовок, возгораясь, сам создает требуемую температуру в печи, благодаря этому происходит экономия до 30% электроэнергии.

Еще один плюс — расположение завода. Завод расположен по соседству с разрезом «Экибастузский», его отвалами и залежами глинистой массы. Уже это значительно снижает расходы на транспортные перевозки.

Использование вскрышных пород угледобычи Экибастузского бассейна позволит расширить номенклатуру выпускаемых в области строительных материалов, которые в настоящее время импортируются, снизить их стоимость, восполнить недостаток кондиционного глинистого сырья и улучшить экологическую обстановку в регионе.

1. Сепанович В. Т., Хасенов А. Б., Лихоршерстова С. А., Егинбаева Г. Н., Ибргимов К. А., Темирбаев Д. Т. Рекомендации по производству керамического кирпича из вскрышных пород угледобычи Экибастузского уголного бассейна. ПГУ им С. Торайгырова.- Павлодар: 2005 г. — 44 с., ил.

2. Бобкова Н. М., Дятлова Е. М., Куницкая Т. С. Общая технология силикатов — М.: Высшая школа, 1987, — 288 с.

3. Мороз Н. И. Технология строительной крамики. — К.: Вища школа 1972, — 414 с.