Минеральное сырье. Основные виды сырья для производства строительных материалов Использование минерального сырья

1. Цементное сырье. В 2003 году учтено и зачислено в государственный резерв пока единственное в области месторождение маломагнезиальных инвестняков – Худошихинское, расположенное в Первомайском районе. Месторождение с запасами около 50 млн. тонн способно полностью удовлетворить потребности области на ближайшие 20-30 лет в сырье для производства строительной извести и цемента Разработка месторождения сдерживается необходимостью значительных объемов инвестиций, сложными горно-геологическими условиями добычи и отсутствием коммуникаций в районе расположения сырья.

2. Гипс, ангидрит. Область располагает значительными разведанными запасами высококачественного гипса и ангидрита, используемых в производстве строительного гипса, портландцемента, ангидритового цемента и облицовочных плит. Из 6 месторождений сульфатных пород с запасами гипса 588,2 млн. тонн и ангидрита 224,5 млн. тонн в настоящее время разрабатывается только одно – Бебяевское в Арзамасском районе. Действующий на его сырьевой базе Пешеланский гипсовый завод «Декор-1» ежегодно добывает подземным способом наклонной штольней 200-220 тыс. тонн гипсового камня. Сырье используется для производства алебастра и цемента. Балансовые запасы гипса Бебяевского месторождения составляют 70,6 млн. тонн. Перспективными являются Гомзовское и Павловское месторождения в Павловском районе. В государственном резерве для подземной отработки числятся 4 месторождения – Новосёлковское в Арзамасском р-не, Анненковское в Вадском р-не, Ичалковское в Перевозском р-не и Павловское в Павловском р-не.

3. Карбонатные породы для производства строительного камня и щебня. В области учтено 24 месторождений этого вида сырья с суммарными запасами 282,9 млн м³. Наиболее крупными являются Гремячевское в Кулебакском и Ардатовском р-нах, Анненковское в Перевозском р-не, Каменищинское в Бутурлинском р-не, Ичалковское в Лысковском р-не, Худошихинское в Первомайском районе.

5. Кирпично-черепичное сырьё . В настоящее время разведано 45 месторождений кирпичных суглинков и глин с запасами 85,5 млн. м³. В 2008 г. горные работы велись на 5 месторождениях, это месторождение «Муравей» в Перевозском районе, Осиновское месторождение в Дивеевском районе, Богородское месторождение, «Красный Родник» в Кулебакском районе и Салганское в Краснооктябрьском.

6. Глины керамзитовые и керамдоровые . В области для производства керамзита учтено 10 месторождений, наиболее крупным являются месторождения Песочненское и Новоотносское I в Дальнеконстантиновском р-не, а также Ужовское на границе Большеболдинского и Починковского районов. Для производства керамдора – высокопрочного керамического запонителя для бетонов и асфальтобетонов разведаны вскрышные моренные суглинки Гремячевского месторождения доломитов.

7. Пески для строительных работ и силикатных изделий в области распространены практически повсеместно. По области учтено 27, а разрабатывается 19 месторождений строительных песков с суммарными запасами 134,7 млн м³. Постоянная добыча осуществляется на 9 месторождениях, наиболее крупные: Вареховское в Володарском р-не, Дзержинское, Большое Пикинское в Борском р-не, Пятницкое в Навашинском р-не. Сырье используется для производства силикатного кирпича, стеновых блоков, панелей, в качестве наполнителя бетона.

7. Песчано-гравийный материал . Разведано одно месторождение – Волжское, расположенное на левобережной пойме Волги в Борском р-не по обе стороны железнодорожного моста. Оно состоит из двух участков с суммарными запасами 25,3 млн. м³. Месторождение не разрабатывается из-за сложных горно-технических условий. В эксплуатации находится Синявское русловое месторождение песчано-гравийно-щебеночного материал, расположенное в русле Оки в 35 км выше г. Павлово.. Разведано Фокинское месторождение песчано-гравийных материалов в Воротынском р-не и Гординское месторождение валунно-гравийного материала в Варнавинском р-не.

На территории области известны 12 месторождений и проявленийэтого сырья. Стекольные пески Разинского и Суринского месторождений в Лукояновском районе имеют низкое качество и пригодны лишь для производства стекла темного цвета для производства стеклотары. Кварцевыми песками высокого качества сложено Сухобезводненское месторождение в Краснобаковском районе с запасами 24,93 млн. тонн. Это месторождение уникально, оно одно из крупнейших в Европе. Освоение этого месторождения позволит создать 145 рабочих мест и обеспечит потребности Борского стекольного завода и металлургических заводов области в высокомарочных кварцевых концентратах для производства стекла и формовочных материалов. Перспективным является числящееся в государственном резерве Писаревское месторождение в Ардатовском районе с запасами 19,3 млн. тонн.

Разведано несколько месторождений: Неверовское м. сапропелевых лечебных грязей (озеро Неверово) в Борском районе с балансовыми запасами 1498,1 тыс. м³. В настоящее время не используется. Шатковская группа озер (Черное, Долгое, Широкое ΙI, Светлое) с балансовыми запасами 221,7 тыс. м³. Месторождение лечебных торфов «Чистое» в Городецком р-не с балансовыми запасами 180,1 тыс. м³, используется санаторием «Городецкий». Месторождение «Ключевое» (озеро Ключевое) в Павловском районе используется Павловской районной больницей. Балансовые запасы составляют 123,8 тыс. м³.

1.Питьевые и технические подземные воды. Территория области расположена в пределах трех артезианских бассейнов неминерализованных подземных вод: Волго-Сурского, Ветлужского и Московского. Разведанные эксплуатационные запасы составляют 2 719.028 тыс. м³/ сутки, в расчете на каждого жителя области это составляет 2,43 м³/ сутки. Всего на территории области имеется 68 месторождений подземных вод, наиболее значимые — Дзержинское, Ильиногорское, Борское, Городецкое, Пырское, Южно-Горьковское. Из них 14 месторождений освоено. Источником водоснабжения городов и ПГТ являются как поверхностные так и подземные воды. В сельских населенных пунктах используются, в основном, подземные воды. Большинство муниципальных районов области надежно обеспечены запасами пресных подземных вод. Недостаточно обеспечены Богородский, Большемурашкинский, Краснооктябрьский, Спасский, Перевозский районы и Н.Новгород, частично обеспечены Кстовский и Павловский районы и не обеспечен Сеченовский район. В Н.Новгороде хозяйственно-питьевое водоснабжение осуществляется в основном за счет поверхностных вод.

2. Минеральные подземные воды. Область богата минеральными водами. Естественные их выходы зафиксированы в Шатковском р-не в пойме реки Теши (родник «Кипящий ключ») и в северных районах области – в Шахунском. На территории области имеется большое количество минеральных вод как столового, так и бальнеологического назначения – в Зеленом Городе, в Городецком, Балахнинском р-нах.

3. Родники. На территории области насчитывается более 5 тыс. родников. Родник – это сосредоточенный естественный выход подземных вод на поверхность. По степени минерализации вода в родниках бывает от ультрапресной до рассолов.

Оценивая природно-ресурсный потенциал как достаточно благоприятный для заселения и хозяйственного развития области, все же необходимо отметить, что для развития базовых отраслей промышленности собственных запасов недостаточно и основные промышленные производства функционируют на привозных топливных и минеральных ресурсах.

В настоящей статье рассматриваются пути рационального использования природного минерального сырья Якутии в технологии строительных материалов на основе инновационных подходов. Обоснована возможность расширения номенклатуры вяжущих веществ разработкой и освоением технологии производства специальных видов цемента, композиционных гипсовых вяжущих и эффективных строительных материалов на их основе. Отмечена целесообразность продвижения инновационных проектов СВФУ (кирпичный завод, производство автоклавного пенобетона и гранулированного пеностекла – пеноцеолита). Для труднодоступных районов Севера особую актуальность имеет создание быстроразворачиваемых производств тяжелого и легкого бетонов, стеновых изделий на основе ячеистого бетона, арболита и грунтобетона с использованием предлагаемых композиционных вяжущих на основе портландцемента, гипса, извести и активных минеральных добавок из кварцполевошпатового песка, горелых и цеолитсодержащих пород.

природное минеральное сырье

композиционные вяжущие вещества

традиции и инновации

1. Стратегия развития промышленности строительных материалов Республики Саха (Якутия) на период до 2020 года / Минстрой РС(Я). URL: https://minstroy.sakha.gov.ru/ (дата обращения: 21.10.2017).

2. Пояснительная записка к обзорной карте месторождений строительных материалов Якутской АССР масштаба 1:2500000. Т. 1 и 2. – М.: Объединение «Союзгеолфонд», 1988. – 421 с.

3. Бердов Г.И., Ильина Л.В. Активация цементов действием минеральных добавок // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2010. – № 9. – С. 55–58.

4. Бикбау М.Я. Бетоны на наноцементах: свойства и перспективы / М.Я. Бикбау, Д.В. Высоцкий, И.В. Тихомиров // Технологии бетонов. – 2011. – № 11–12. – С. 31–34.

5. Монтянова А.Н. Специфические особенности закладочных работ на руднике «Мир» алмазодобывающей АК «АЛРОСА» / А.Н. Монтянова, Д.С. Кириллов, И.В. Штауб, Е.В. Бильдушкинов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2012. – № 4. – С. 10–14.

6. Рожин В.Н., Местников А.Е. Пенобетоны на быстротвердеющем цементе из местного сырья Якутии // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 2–1. – С. 86–89.

7. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение. Сб. материалов III Всерос. научно-практ. конф. Якутск, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова [Электронный ресурс]. – 2014. – С. 327–331. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22217845 (Дата обращения: 21.10.2017).

8. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережения: сб. статей IV Всерос. научно-практ. конф., посвященной 60-летию Инженерно-технического института СВФУ им. М.К.Аммосова. под ред. доц. А.Е. Саввиной [Электронный ресурс]. – 2016. – С. 432–437. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27590406 (дата обращения: 21.10.2017).

9. Федорова Г.Д., Матвеева О.И., Павлюкова И.Р., Васильев И.Г. Высококачественные бетоны для конструкций мостов и гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в климатических условиях Якутии // Бетон и железобетон – взгляд в будущее: научные труды III Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 12–16 мая 2014 г.) – Т. 5. – Москва: МГСУ, 2014. – С. 72–85.

10. Куба В.В., Егорова С.Ю., Егорова А.Д. Факторы, влияющие на прочность арболита на основе гипсоцементно-цеолитового вяжущего // Промышленное и гражданское строительство. – 2016. – № 8. – С. 42–45.

11. Богдокумова С.В., Егорова А.Д. Композиционные гипсовые вяжущие с применением горелых пород для пенобетонов // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. XXVI междунар. студ. науч.-практ. конф. – 2017. – № 11(25). URL: http://sibac.info/archive/technic/11(25).pdf (дата обращения: 29.10.2017).

Разработка эффективных строительных материалов с использованием местной минерально-сырьевой базы регионов является одним из основных направлений инновационного развития Российской Федерации.

Известно, что территория Якутии богата минеральным сырьем для производства строительных материалов, что в настоящее время в полной мере не используется . С наступлением рыночных отношений в республике были закрыты многие энергоемкие производства эффективных строительных материалов, использующие природное минеральное сырье: кирпичные и керамзитовые заводы. Поэтому строительство полностью перешло на использование тяжелого бетона и привозных теплоизоляционных материалов и комплектующих, что сильно повлияло на повышение себестоимости строительства в целом. Возрождение традиционных технологий и производств на основе новых инновационных подходов, позволяющих производить высококачественные стеновые и теплоизоляционные материалы из доступного минерального сырья и техногенных отходов, могло бы стать бы основой для строительства в первую очередь энергоэффективного доступного жилья.

В настоящей статье обобщены результаты исследований, выполненных в последние годы коллективом кафедры строительных материалов СВФУ, по изучению возможности рационального использования минерального сырья Республики Саха (Якутия) — известняков, гипсового камня, глинистого сырья, кварцполевошпатового песка, цеолитсодержащих пород при совершенствовании традиционных технологий производства строительных материалов.

Известняки и суглинки

Для производства основной номенклатуры строительных материалов невозможно обойтись без минеральных вяжущих веществ — цемента, гипса и извести. Основными традиционными видами природного сырья для производства цемента являются известняк, гипсовый камень и глина.

АО ПО «Якутцемент» — флагман строительной индустрии республики является единственным производителем основного вяжущего вещества — портландцемента для изготовления бетонных изделий и конструкций. В производстве местного портландцемента используются известняки и суглинки Сасаабытского месторождения, расположенного на территории Хангаласского района недалеко от поселка Мохсоголлох.

Балансовые запасы суглинков, учтенные Государственным балансом РФ, составляют 10942 тыс. т, известняков — 71320 тыс. т. У действующего завода «Якутцемент» имеются все возможности для выпуска строительной извести. Ранее проведенными исследованиями было установлено, что испытанная известь удовлетворяет требованиям ГОСТ 9179 «Известь строительная» . Следует подчеркнуть, что производство строительной извести позволило бы организовать малоэнергоемкие производства силикатного кирпича и эффективных стеновых изделий из газо-, пеносиликата, а также сухих строительных смесей для кладки и оштукатуривания стен, бетонных растворов для заполнения скважин свайных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов.

Одним из существенных недостатков портландцемента является потеря его активности при длительном хранении. Потеря активности цемента происходит в процессе его длительной доставки в отдаленные районы посредством водного и автомобильного транспорта, а чаще всего из-за значительной продолжительности зимнего периода до начала строительного сезона (9 и более месяцев). В таких условиях высококачественный композиционный портландцемент целесообразно получать совместным помолом заранее доставленного клинкера, срок хранения которого практически не ограничен, с активными минеральными добавками до 40 % по массе вяжущего из местного сырья. Производство композиционного цемента на месте строительства позволит значительно снизить себестоимость строительства за счет значительного сокращения энергоемкости производства и транспортных расходов .

Исследования, проведенные специалистами СВФУ , показали соответствие прочностных характеристик образцов на основе композиционного портландцемента (клинкер + активная минеральная добавка + гипсовый камень) прочностным показателям контрольных образцов, изготовленных на портландцементе марки ЦЕМ I 42,5Б АО ПО «Якутцемент» (таблица).

Исследована возможность использования горелых пород в создании сульфатостойких бетонов . Карьер горелых пород Кильдямского месторождения расположен в 30. 32 км к северо-западу от города Якутска. Его запасы по категории А2 составляют 87,7 тысячи м3, по категории С1 — 2,3 тысячи м3 .

Химико-минералогический состав горелых пород Кильдямского месторождения содержит, % мас.: SiO2 — 81,00; Al2O3 — 9,61; K2O — 3,37; Fe2O3 — 3,26; Na2O — 1,27; CaO — 0,54.

Для приготовления сульфатостойкого цемента портландцементный клинкер, сульфат кальция (природный или промышленный гипс) и добавку алюмосиликатной горелой породы совместно измельчали до удельной поверхности 280-320 м2/кг . Полученные образцы цементного камня подвергали к длительному воздействию сульфатов. Полученные экспериментальные зависимости показали, что предел прочности при сжатии образцов в стандартном возрасте при содержании добавки в количестве 15 % имеет максимальную прочность 29 МПа, в возрасте 56 суток прочность возрастает до 35 МПа.

Прочностные характеристики образцов из композиционного портландцемента на основе клинкера и активных минеральных добавок, МПа

Таким образом, разработанная добавка улучшает свойства бетонов при экономии портландцемента в бетоне не менее 15 % мас., а также вовлекается неиспользуемое минеральное сырье — горелые породы.

Целесообразность производства специальных видов цементов на месте применения подчеркивает тот факт, что АК «АЛРОСА» в г. Мирный в собственном помольном цехе производит сульфатостойкий цемент для закладочных растворов на основе привозного портландцементного клинкера Якутцемента, цеолитсодержащей породы Сунтарского месторождения и местного минерального сырья. Научная основа получения сульфатостойкого портландцемента разработана в ведущих институтах республики — ЯкутНИИПроалмаз и ЯкутПНИИС .

Минерально-сырьевая база для производства гипса представлена двумя месторождениями в Олекминском улусе с запасами по категориям А + В + С1 в размере 11 251 тыс. т. В промышленном освоении находится месторождение «Олёкминское» с балансовыми запасами гипса 9009 тыс. т. Ежегодная добыча составляет около 20 тыс. т. . Олекминский гипсовый завод в настоящее время не работает. Гипсовый камень добывается в малых объемах для применения в сельском хозяйстве и производстве портландцемента с доставкой водным транспортом до пос. Мохсоголлох. Поэтому предприятие «Якутцемент» имеет все возможности для освоения производства композиционного гипсового вяжущего (КГВ).

В отличие от обычных гипсовых материалов на основе КГВ появляется возможность изготовления эффективных стеновых изделий и панелей повышенной водо- и морозостойкости для малоэтажного строительства в условиях сурового климата Севера.

На кафедре строительных материалов СВФУ разработаны два вида КГВ: гипсоцементно-цеолитовое (ГЦЦВ) и гипсоизвестково-цеолитовое (ГИЦВ) вяжущее повышенной водостойкости (таблица), что может быть научной основой для расширения номенклатуры продукции АО ПО «Якутцемент» .

На основе разработанных составов КГВ возможно изготовление конструкционно-теплоизоляционного арболита плотностью 700-800 кг/м3 и прочностью на сжатие 2,5-3,5 МПа . В производстве легких бетонов на основе КГВ для сельского строительства могут быть привлечены дополнительные природные сырьевые ресурсы, как солома и мох, так и отходы переработки древесины — щепа, кора и опилки. Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования стеновых изделий на основе композиционных гипсовых вяжущих в малоэтажном строительстве.

В советское время было подготовлено к промышленному освоению 27 месторождений кирпичного сырья, суммарные балансы которых по категориям А + В + С1 составляют 49648 тыс. м3, 19 месторождений керамзитового сырья с суммарными запасами по категориям А + В + С1 в количестве 30289 тыс. м3, одно (Кангаласское) месторождение тугоплавких глин с запасами по категориям А + В 81 тыс. м3 . Однако производства кирпича и керамзита давно закрылись, хотя потребность в таких эффективных материалах существует и растет с каждым днем в связи с постоянным повышением объемов жилищного строительства.

СВФУ принял на себя ответственность инициатора и координатора проекта создания кирпичного завода при поддержке Президента и Правительства РС(Я).

На сегодня университет выполняет научно-техническое сопровождение предпроектной подготовки документов, получены предварительные результаты по оптимизации составов, структуры и свойств керамического кирпича с повышенными строительно-эксплуатационными характеристиками на основе глинистого сырья Санниковского месторождения с применением тонкомолотого цеолита и пластифицирующих добавок . Результаты НИР должны обеспечивать показатели, отвечающие требованиям ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камни керамические. Технические условия», вступившего в силу с 01.03.2008 в РФ и приближенного к европейским стандартам. В новых требованиях исключены марки кирпича по прочности М75 и морозостойкости F15, для лицевого кирпича нижним пределом является марка M150.

В сельской местности небольшие объемы глинистого сырья могут быть привлечены для производства грунтобетона и стеновых изделий на его основе для индивидуального малоэтажного строительства.

Кварцполевошпатовые (речные) пески

Насчитывается 24 месторождения речных песков строительного назначения с неограниченными запасами, из них 9 месторождений в распределенном фонде недр. Предварительно оценены ресурсы на более чем 40 месторождениях суммарной мощностью более 200 млн куб. м.

Кроме традиционного применения песков в качестве мелкого заполнителя бетонов, как показывают исследования специалистов СВФУ , их целесообразно использовать в производстве механоактивированных сухих смесей для изготовления широкой номенклатуры бетонных изделий и конструкций, в том числе ячеистых бетонов.

СВФУ имеет достаточный научный и практический опыт производства автоклавного пенобетона из кварцполевошпатового доступного речного песка. Инновационно-технологический центр запустил пилотное производство автоклавного пенобетона. На его основе построены два девятиэтажных жилых здания высокой энергоэффективности, ряд индивидуальных домов в Якутске, пос. Нижний Бестях, с. Олекминск и др.

На сегодняшний день СВФУ продвигает проект по автоклавному пенобетону с размещением производства в пос. Нижний Бестях, в последующем в гг. Ленск и Вилюйск. Проект направлен на создание в заречной группе районов опорной точки по производству эффективных стеновых строительных материалов для обеспечения строительства объектов социальной инфраструктуры и индивидуального жилья.

Общий объем инвестиций проекта составляет 112 млн рублей при годовом объеме выпуска изделий 20 тыс. м3 и окупаемости производства в 4,3 года.

В настоящее время СВФУ совместно ООО «Сунтарцеолит» и ООО «Модис» (г. Рыбинск) продвигается инновационный проект организации производства гранулированного пеностекла — пеноцеолита из цеолитсодержащих пород Сунтарского месторождения . Выбор цеолита обусловлен доступностью и огромным запасом природного сырья, низкой энергоемкостью его переработки из-за «мягкости» исходной горной породы. На сегодня разведаны и утверждены запасы в 11465 тысяч тонн .

Физико-механические характеристики пеноцеолита соответствуют требованиям ТУ 5914-001-15068529-2006 «Универсальный пористый материал термоизоляционный УПМ «Термоизол»: насыпная плотность составляет 150-350 кг/м3 в зависимости от фракции 0,5-10 мм, коэффициент теплопроводности — 0,06-0,10 Вт/(м.К). На основе пеноцеолита изготовлены и испытаны образцы легких бетонов со следующими характеристиками: при средней плотности 400 кг/м3 класс бетона составляет В1,5, 500 кг/м3 — В2,5 и 600 кг/м3 — В3,5 .

Общая сумма необходимого финансирования проекта составляет 65 800 тыс. рублей. Финансовые средства будут направлены на оплату капитальных вложений в сумме 59 650 тыс. рублей и формирование первоначальных оборотных средств в размере 6 150 тыс. рублей.

Для рационального использования природного минерального сырья в производстве строительных материалов Якутии целесообразно развивать и использовать как традиционные, так и инновационные строительные технологии, в том числе следует отметить:

Возможность расширения номенклатуры продукции АО ПО «Якутцемент» освоением специальных видов цемента (сульфатостойкого, расширяющегося и др.), а также сопутствующего производства извести, гипса и композиционных гипсовых вяжущих;

Целесообразность продвижения инновационных проектов СВФУ (кирпичный завод на основе глинистого сырья Санниковского месторождения, производство автоклавного пенобетона с использованием кварцполевошпатового речного песка, выпуск гранулированного пеностекла — пеноцеолита на основе цеолитсодержащих пород Сунтарского месторождения) с учетом наличия и пригодности минерального сырья;

Технико-экономическую эффективность создания быстроразворачиваемых производств тяжелого и легкого бетонов, стеновых изделий на основе ячеистого бетона, арболита и грунтобетона с использованием предлагаемых композиционных вяжущих веществ и местных заполнителей для малоэтажного строительства в сельской местности.

Библиографическая ссылка

Это направление является самым важным в решении проблемы безотходного горного производства, так как почти все месторождения полезных ископаемых являются комплексными, т. е. содержат не один, а несколько полезных компонентов. Например, для горно-химической отрасли, комплексное использование минеральных ресурсов сопровождается с одной стороны максимальным извлечением полезных компонентов, содержащихся в рудах, утилизацией вмещающих пород и отходов производства для удовлетворения потребностей других отраслей народного хозяйства и улучшением технико-экономических показателей отрасли, а с другой — пополнением минерально-сырьевой базы отрасли за счет попутного извлечения фосфатов, серы и др. полезных компонентов при комплексной переработке руд черных и цветных металлов, природного газа и т. д.

В отечественной горнодобывающей промышленности накоплен большой опыт комплексного использования минеральных ресурсов. Предприятия цветной металлургии обладают значительным опытом комплексного использования сырья. Из 70 химических элементов, получаемых на предприятиях цветной металлургии, почти половину извлекают попутно: серебро, висмут, платину, золото, серу, цинк, свинец, медь и т. п., что составляет почти треть общей стоимости получаемой продукции. Общий экономический эффект комплексной переработки минерального сырья оценивается в несколько десятков миллиардов рублей. По расчетам специалистов, мобилизация имеющихся резервов при сравнительно небольших трудовых и капитальных затратах позволит более чем на 25 % увеличить потенциал добывающих отраслей.

Проблема комплексного использования сырья имеет большое значение как с экологической, так и с экономической точек зрения. Во многих отраслях промышленности до 60-70 % себестоимости продукции приходится на долю сырья. Рациональное использование сырья и вовлечение в производство вторичных ресурсов является важнейшей народнохозяйственной задачей и возведено в ранг государственной политики.

При разработке месторождений полезных ископаемых большие объемы вскрышных пород направляют в отвалы, которые занимают значительные площади. Вместе с тем, отвалы горных производств представляют собой дешевое и ценное сырье, которое может найти применение в строительстве, землепользовании и других отраслях промышленности.

Актуальной проблемой является комплексное использование сырья с переводом всех компонентов в промышленные продукты.

В схеме рационального комплексного использования минерального сырья выделяют следующие самостоятельные направления: геолого-минералогическое, горнодобывающее, обогатительное, химико-металлургическое, экономическое и экологическое.

Геолого-минералогическое направление включает следующие разделы: комплексное изучение горнорудных районов и месторождений; закономерности размещения оруденения, минералов и углей; вещественный состав руд и углей; выделение технологических типов руд, технологическое картирование месторождений; бедные и забалансовые руды; геолого-минералогическое изучение техногенного сырья; изучение вскрышных и вмещающих пород; технологическая геохимия и минералогия.

Горнодобывающее направление включает следующие разделы: разработка и внедрение оптимальных систем добычи полезных ископаемых; вторичная отработка месторождений; рациональное использование минерального сырья с организацией селективной добычи; подземное выщелачивание металлов; создание службы управления качеством добываемого сырья.

Правильный выбор системы разработки обеспечивает производительную, экономически выгодную и безопасную эксплуатацию месторождения при рациональном использовании запасов полезных ископаемых.

Основными составляющими обогатительного направления являются: внедрение технологических схем обогащения руд, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и повышение извлечения металлов; обогащение труднообогатимых и забалансовых руд; разработка схем доизвлечения металлов из техногенных продуктов.

Основными разделами химико-металлургического направления являются: внедрение оптимальных схем химико-металлургического передела; извлечение элементов-примесей; применение гидрометаллургии для необогатимых руд; использование технологических пылей и газов; кучное выщелачивание металлов.

Важнейшим вопросом, связанным с проблемой рационального использования минерального сырья, является вовлечение вторичного сырья в цикл металлургического производства. Это позволяет экономнее расходовать природные рудные ресурсы, получать металлы более простыми и дешевыми металлургическими приемами, дополнительно увеличить выпуск металлической продукции. В перспективе вторичное сырье должно стать основным источником получения некоторых металлов.

Организация производства и экономика. Это направление включает следующие разделы: разработка методики определения социально-экономической эффективности минерального сырья; организация малоотходной добычи и переработки руд; разработка хозяйственного механизма эффективного использования полезных ископаемых.

Экономика минерального сырья и его оценка являются важнейшими комплексными вопросами, охватывающими масштабы запасов и промышленно-геологические условия месторождений полезных ископаемых, анализ их освоения, добычи и переработки.

Геолого-экономическая оценка проводится на всех стадиях изучения месторождений. На стадии поисков она позволяет отбраковать непромышленные рудопроявления и месторождения, а из остальных выбрать наиболее перспективные для предварительной разведки.

Геолого-экономическая оценка включает следующие операции: обоснование кондиций, оконтуривание в соответствии с ними месторождения.

Экономическая оценка месторождений полезных ископаемых определяет народнохозяйственный эффект от использования их запасов с учетом фактора времени. Основной ее показатель определяется в виде разности между ценностью конечной продукции и затратами на ее получение.

Важнейшими показателями экономической оценки месторождений при их разработке являются потери и разубоживание руды; комплексное использование рудного сырья; обоснование кондиций на минеральное сырье; организация службы управлением качеством добываемого сырья.

Проблема рационального комплексного использования минерального сырья, наряду с его направлениями, должна рассматриваться с учетом экологических условий. Поэтому вопросы охраны окружающей среды, разработка месторождений, технологическая переработка полезных ископаемых должны рассматриваться в едином комплексе.

Научно-технический прогресс предусматривает разработку важнейших проблем по основным направлениям обогащения полезных ископаемых, ведущим к совершенству технологических процессов, улучшению качественных показателей и снижению себестоимости получаемой продукции. Рациональное использование полезных ископаемых на стадиях их добычи и обогащения представляет собой единую неделимую проблему, главной задачей которой является наиболее полное использование основных и редких рассеянных металлов. Решение этой задачи к пересмотру и снижению минимального промышленного содержания полезных компонентов в руде и, следовательно, вовлечению в добычу и переработку более бедных руд.

Для подготовки руды к обогащению предусматривается разработка и внедрение эффективных способов управления ее качеством на основе ядерно-геофизических методов. Они, в частности, включают геолого-технологическое картирование оруденения месторождения путем геофизического каротажа скважин, радиометрическую сортировку руд с целью удаления разубоживающих безрудных пород.

Процессы рудоподготовки могут быть наиболее эффективны, если они комплексируются в геологической, горной и обогатительной части на основе изучения геофизических и геохимических полей руд и вмещающих пород и их технологических свойств. Новые подходы к решению вопроса управления качеством руды позволяют повысить комплексное использование сырья и извлечение металлов на 5-10%, а производительность труда — на 15 %.

В зависимости от промышленно-генетического типа месторождения, петрографического состава рудовмещающих пород, принятого способа его разработки определяется состав перемещенных в горные отвалы вскрышных и вмещающих пород в соответствии с принятой классификацией.

Попутно извлекаемые вмещающие породы при разработке месторождений полезных ископаемых находят широкое применение в народном хозяйстве. Они используются в стройиндустрии, металлургии, легкой и пищевой промышленности, как химическое, керамическое и агрономическое сырье, а также как возможный источник для извлечения металлов, минералов и других полезных компонентов. Особенно разнообразное применение они находят в производстве различных строительных материалов.

Вскрышные и вмещающие горные породы по своим геологическим особенностям и использованию в народном хозяйстве делятся на следующие пять групп: скальные, обломочные, глинистые, карбонатные и полевошпатовые.

Песчано-гравийные породы с включением галечного и валунного широко распространены и занимают наибольшие объемы в отвалах вскрышных пород, образованных при разработке рудных, неметаллических, угольных и особенно россыпных месторождений. В основу их классификации положен гранулометрический состав, в соответствии с ко торым по мере увеличения размера фракций от 0,05 до 700 мм и более, выделяются следующие типы пород: пески, гравий, галька, валуны. Они состоят из обломков различных горных пород или минералов и заполняющего более тонкозернистого вещества (разнозернистые, равномернозернистые), минеральным составом, а также прочностью и степенью окатанности. Среди них распространены породы переходного типа: песчано-гравийные, песчано-гравийно-гравелистые, гравийно-гравелистые.

Гравий используется как в естественном виде, так и после дробления фракций и применяется в виде крупного заполнителя бетона и при строительстве железных и автомобильных дорог.

Пески применяются при строительстве железных и автомобильных дорог, в качестве мелкого заполнителя при производстве бетона, для изготовления строительных растворов, в производстве силикатных строительных материалов, отощения глин при изготовлении грубой керамики, получения кровельных рулонных материалов, закладки подземных горных выработок, рекультивации земель при открытой разработке полезных ископаемых. Также пески используются как стекольное сырье, формовочный материал в литейном производстве, абразивный материал, для производства огнеупорного кирпича (динаса), получения тонкой керамики, фильтрации воды, в металлургической промышленности.

Карбонатные породы, представленные известняками, мелом, доломитами, магнезитами, сидеритами, родохрозитами и некоторыми другими, имеют в природе довольно широкое распространение и составляют от объема всех осадочных пород земной коры около 20 %. Главнейшими их разновидностями являются известняки, мл доломиты и магнезиты

В зависимости от физико-механических свойств карбонатные породы используются в строительстве в качестве стеновых, бутовых и облицовочных камней, брусчатки, шашки, щебня. Они применяются в металлургической, цементной, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной, стекольной, электротехнической, парфюмерной промышленности, а также в сельском хозяйстве для известкования кислых почв и добавки к корму скота и птиц.

Для производства цемента используются известняки и мел, состоящие из кальцита — главного компонента сырьевой шихты. Карбонатное сырье, применяемое для стекольного производства — известняки, мел и доломиты. Наиболее чистым видом кальциевого сырья является мел, который используется при варке лучших сортов стекла. Известняки и доломитовые известняки используются для получения извести, являющейся основной составной частью строительных растворов, а также в химической промышленности в производстве соды, карбида кальция, хлорной извести, едкого калия и натрия, кальцинированной соды.

В металлургической промышленности карбонатные породы широко применяются для получения огнеупоров и используются в качестве флюсов. Известняк используют при переработке нефелиновых пород на глинозем, причем для получения 1 т глинозема необходимо 5-7 т известняка. Известняк служит в качестве флюсов в цветной металлургии: для выплавки меди, сурьмы и олова, а также при переработке оксидно-силикатных никелевых руд.

К настоящему времени накоплены огромные объемы техногенных отходов при добыче и переработке полезных ископаемых, использование которых в народном хозяйстве может дать большой экономический эффект и имеет важное значение для решения экологических вопросов. Среди них выделяются вскрышные и вмещающие породы; отвальные хвосты и шламы обогатительных фабрик; шлаки, пыли и газы металлургических заводов; золо-шлаковые отходы от сжигания углей.

Классифицируя отходы горно-технологической промышленности по эффективности и направлениям их использования, степени изученности и другим признакам (рисунок 2).

Рисунок 2. Классификация горно-технологических отходов и техногенных месторождений

Можно сделать вывод о том, что только определенная их часть представляет собой ценное сырье, которое может быть вовлечено во вторичную переработку при существующем уровне развития техники и технологии. Поэтому вполне целесообразно среди горно-технологических отходов выделить первоочередные объекты, которые по аналогии с природными месторождениями могут быть названы техногенными месторождениями. Они представляют собой скопления отходов добычи и переработки минерального сырья с запасами от первых десятков тысяч до сотен миллионов тонн, при использовании которых можно получать дополнительные объемы товарной продукции с большим экономическим эффектом.

Некоторые авторы предлагают горно-технологические отходы разделить на две группы: балансовые — это отходы производства и потребления, использование которых экономически целесообразно при существующем уровне развития техники и технологии их переработки; забалансовые — отходы производства и потребления, использование которых экономически нецелесообразно, но в будущем они могут быть вовлечены в производственный процесс.

Утилизация минерального сырья техногенных месторождений эффективна. Однако при этом требуется глубокое изучение качества отходов, его соответствия государственным отраслевым стандартам и техническим условиям. Необходимы новые технологии дообогащения отходов и производства изделий из них. При реализации проектов использования отходов затраты обычно скупаются за 1,5-2 года.

Определение степени пригодности промышленных отходов предприятий и производств в качестве вторичных минеральных ресурсов, возможно, установить в результате их изучения геологическими методами, в том числе геохимическими, минералогическими, петрографическими, структурными, литологическими и другими. Эти методы должны комплексироваться с гидрогеологическим, инженерно-геологическим, физико-механическим изучением отходов. Промышленные отходы необходимо изучать с широким привлечением современного комплекса технологических испытаний по обогащению, пирометаллургическому и гидрометаллургическому переделам.

В целях полной характеристики отходов необходимо знать не только качественные параметры, но и иметь количественную оценку, что может быть достигнуто путем проведения на отвалах и хвостохранилищах комплекса геологоразведочных работ.

Итогом всех проведенных геолого0технологических исследований с экономической оценки полученного материала является определение эффективности использования отходов в промышленных масштабах.

Технико-экономические вопросы. Эти вопросы являются самыми главными при планировании освоения техногенных месторождениях. Они могут успешно решаться при таких минимальных промышленных содержаниях, которые обеспечивают рентабельную переработку техногенных отходов. Экономическая выгода от разработки их может быть обеспечена в двух случаях: резкий рост стоимости извлекаемых компонентов и применение принципиально новой высокоэффективной технологии переработки техногенного сырья.

Важнейшим фактором повышения рентабельности при освоении техногенных месторождений является комплексное использование минерального сырья с извлечением основных и попутных металлов, а также получение важнейших материалов для использования в промышленности и строительстве.

Техногенные отходы часто представляют собой сильно перемешанные породы глинисто-песчано-крупнообломочного состава, которые невозможно непосредственно применять для изготовления важных материалов для промышленности. Учитывая огромные запасы не фракционированного материала, слабую проработку вопросов их технологической проработки, необходима постановка специальных исследований для поисков заменителей традиционных материалов и получения, новых их видов, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве.

Отходы обогатительных фабрик, представляющие мелкозернистый однородный материал, из которого возможно доизвлечь разные металлы, а также получить кварцевые, кварц-полевощпатовые, полевошпатовые, слюдяные, глиноземистые и другие концентраты. Еще более ценны для использования в промышленности отходы химико-металлургического производства и тепловых электростанций.

Минеральное сырье — это полезные ископаемые, которые используются в производственной сфере, оно играет важную роль в народном хозяйстве, особенно в промышленности. Полезные ископаемые дают почти 75% сырья для производства. Практически все виды транспорта работают на сырье, полученном в процессе переработки полезных ископаемых.

Классификация: виды и классы сырья минерального происхождения

Полезные ископаемые, которые добывают из недр земли, относят к минеральному сырью, которое включает в себя более 200 минералов отличающихся друг от друга по физической форме, составу, применению и другим признакам.

Единой системы классификации минеральных ресурсов не существует, их классифицируют по видам использования и по агрегатному состоянию.

Минеральные ресурсы по видам использования:

• горючие (нефть, газ, уголь);
• рудные (алюминий, медь, олово);
• нерудные (асбест, графит, мрамор).

Минеральные ресурсы могут различаться по состоянию и подразделяться на:

• жидкие (нефть, минеральная вода);
• твердые (соль, уголь, мрамор);
• газообразные (метан, гелий, горючие газы).

Природное минеральное сырье

К природному минеральному сырью относят горные породы и минералы, из которых производят строительные материалы и сырье на основе вяжущих веществ (цемент, гипс, асбест). После термической обработки минеральное сырье используется в стекольной, керамической промышленности, а также применяется в производстве удобрений и минеральных красок.

Техногенное минеральное сырье

Отходы, образующиеся во время получения и обработки металла и отходы горно — металлургических, химических производств, содержащие цветные и благородные металлы, — являются техногенным минеральным сырьем.

Техногенное минеральное сырье разделяется на группы, в зависимости от принадлежности к определенным производственным отраслям.

Различают сырье:

• горнодобывающих предприятий;
• обогатительных фабрик;
• металлургических заводов;
• химической промышленности;
• топливной энергетики.

Техногенное минеральное сырье широко используется в строительстве (производство цемента, бетона), при дорожных работах (засыпка карьеров, отсыпка дамб), в производстве минеральных удобрений.

Горючее минеральное сырье

Горючие (топливные) полезные ископаемые по своему состоянию делятся на жидкие (нефть), твердые (уголь, торф) и газообразные (природный и попутный газ).

Нефть и газ служат источником энергии и тепла: благодаря им работают двигатели машин, отапливаются помещения.

Уголь является основным источником энергии, который используется на производстве.

Торф применяют как горючее и в качестве теплоизоляции.

Горючее минеральное сырье является самым важным видом полезных ископаемых. Благодаря ему было создано множество отраслей промышленности.

Стратегическое минеральное сырье

Стратегическое минеральное сырье составляет основу материального производства, которая обеспечивает экономическую и оборонную стабильность страны. Перечень стратегических минеральных ресурсов изменяется в зависимости от геополитической обстановки, внешнеэкономических связей и других обстоятельств.

Среди стратегического минерального сырья России находятся топливно — энергетические ресурсы, руда цветных и редких металлов, драгоценные камни и металлы. К стратегическим ресурсам так же относят водные ресурсы, как основу жизнеобеспечения населения страны.

Что относится к подакцизному минеральному сырью?

Акциз — это косвенный налог, который взымается с налогоплательщиков, производящих или продающих подакцизное сырье. К подакцизным видам минерального сырья относятся природный газ и нефть. Но в случае реализации нефти или газа на экспорт, акциз не взымается. Такое освобождение от уплаты акциза возможно, если вывоз осуществляет производитель продукции.

Химический анализ характеристик и качества минерального сырья

Изучение состава руды и минералов проводилось с древнейших времен. Это требовалось для получения бронзы, железа, драгоценных металлов. Такой анализ минеральных ресурсов был очень важен, он способствовал развитию горно-обогатительных работ, металлургической промышленности.

В начале ХХ века минеральное сырье представляло особый интерес для химиков — аналитиков. Необходимость изучения минеральных ресурсов, развивала новые методы анализа, что способствовало развитию химии.

На сегодняшний день применяются новейшие методы для химического анализа минерального сырья, которые позволяют узнать состав образца и увидеть его структуру.

Методы проведения химического анализа:

• Газовая хроматография с месс-спектрометрическим детектированием позволяет определить широкий спектр веществ, находящихся в образце, дает возможность анализировать газовые смеси.
• Жидкостная хроматография с масс-спектрометрическим детектированием такой метод обладает широким спектром определяемых веществ, дает возможность проводить анализ без испарения.
• ИК-спректрометрия позволяет установить молекулу вещества, дает возможность анализировать твердые металлы без растворения.
• Атомно-эмиссионная спектроскопия позволяет обнаружить очень низкие содержания элементов и их количество.
• Электронная микроскопия. Уникальный метод, который дает возможность получить данные об элементном составе образца и увидеть его структуру.

Добыча, производство, обработка и переработка минерального сырья

Россия очень богата различными видами минерального сырья (уголь, руда, калийные соли, алмазы), а так же занимает ведущее место по добыче и экспорту нефти и природного газа.

Добыча минеральных ресурсов может происходить разными методами:

• подземная разработка месторождений;
• открытая разработка месторождений;
• бурение скважин;
• разработка морского дна.

После добычи полезные ископаемые подвергаются переработке. На этом этапе происходит отделение ценного минерального сырья от отходов.

Переработка минерального сырья — включает в себя много различных процессов и является самой важной частью во всей работе по добыче минеральных ресурсов.

Переработка минерального сырья применяется в различных отраслях: добыча угля, никеля, нефтеносного песка, калиевых солей, железной руды и других.

В зависимости от вида минерального сырья применяют комплексную переработку (для твердых ископаемых) или комбинированную (для твердых и жидких ископаемых).

Сырье для производства минеральных удобрений

Азотная промышленность занимает ведущее место в производстве минеральных удобрений (около 50% всех производимых азотных удобрений в России).

Исходным сырьем для производства удобрений служит природный газ и коксующий уголь.

Существует несколько методов производства минеральных удобрений:

1. Аммиачный способ основывается на использовании коксового газа, который образуется при коксовании угля (во время производства кокса на коксохимическом производстве) в черной металлургии. При использовании данного метода, азотно — туковые предприятия располагаются в угольных бассейнах или рядом с металлургическим производством.
2. Способ конверсии природного газа. Предприятия, которые используют данный метод для производства удобрений, располагаются в районах газовых ресурсов или вдоль трасс магистральных газопроводов.
3. Способ электролиза воды. Такие предприятия располагаются рядом с источником дешевой энергии.
4. Способ с применением отходов нефтепереработки. В таких случаях предприятия располагаются рядом с нефтеперерабатывающими заводами.
5. Фосфорные удобрения, получают путем измельчения фосфатов. Такие производства не привязаны к сырьевой базе и могут располагаться в любом месте.

Технология обогащения минерального сырья

Обогащение минерального сырья (переработка) включает в себя несколько процессов обработки сырья для отделения от пустых пород, а также разделения ценных минералов. При обогащении можно получить как конечный продукт (асбест, графит), так и концентраты, которые можно переработать химическим или металлургическим путем.

Минеральное сырье подвергают трем операциям: подготовительной, основной и вспомогательной.

Подготовительные процессы включают в себя — дробление и измельчение, грохочение и классификацию.

Основные процессы заключаются в отделении одного или нескольких полезных компонентов.

Заключительные (вспомогательные) процессы — сгущение пульпы, обезвоживание (зависит от характеристик материала).

Обогащение минерального сырья подразделяется на виды, в зависимости от того в какой среде происходил процесс:

• сухое;
• мокрое;
• в электрическом, гравитационном или магнитном поле.

Использование минерального сырья

Все виды минерального сырья содержат ценные компоненты. От того, насколько качественно их переработали, зависит количество содержания ценных компонентов в отходах производства.

Комплексное использование минерального сырья позволяет повысить эффективность производства, увеличить ассортимент продукции, снизить расходы на содержание сырьевых баз и предотвратит загрязнение окружающей среды отходами производства.

Минеральное сырье для химической промышленности

Особенностью химической промышленности является — материалоемкость. Для изготовления определенного количества продукции сырья требуется во много раз больше. Поэтому качественное минеральное сырье для химической продукции — залог успешного развития отрасли.

Основным сырьем для химической промышленности являются нефть и природный газ. Именно на этом минеральном сырье производится синтетический каучук, пластмасса, искусственная кожа, минеральные удобрения и моющие средства.

В химической промышленности применяют все известные виды и формы минерального сырья — рудное, нерудное, горючее.

Запасы минерального сырья в химической промышленности делят на две группы:

1. Балансовые — с большим содержанием полезных компонентов.
2. Забалансовые — с низким содержанием полезных компонентов. Такая группа, при изменении каких либо условий, может перейти в балансовую группу.

Минеральное сырье для строительных материалов

Горные породы — являются основным минеральным сырьем в производстве строительных материалов. Эти породы широко используются в производстве стекла, керамики, металла, бетона, растворов.

Кварц и его разновидности, алюмосиликаты — являются главными породообразующими минералами. Этим минералам характерна высокая прочность и ударная вязкость, а также повышенная плотность.

Глубинные горные породы обладают высокой прочностью, большой плотностью и малой пористостью. Благодаря этим свойствам широко используются в строительстве.

Сульфатные породы — гипс и ангидрид используются для получения вяжущих веществ, иногда применяются как облицовочный материал.

Пористые излившиеся породы (пемза, вулканические туфы, пепел) используют как наполнитель легкого бетона, добавки к цементу, для кладки стен.

Вторичные ресурсы (техногенные) с успехом используются в производстве цемента, бетона, при дорожных работах. Песок, гравий и щебень, так же используется для приготовления строительных смесей.

Минеральная вата

Минеральная вата — самый известный материал для теплоизоляции. Изготавливают этот материал из расплавленного стекла горных пород и пропитывают водоотталкивающим маслом. Как правило, такой утеплитель производится в виде плит или матов.

Существует несколько разновидностей минеральной ваты, в зависимости от сырья, из которого она изготовлена:

• стекловата. Стекловату изготавливают из стекловолокна, которое получается в результате смешивания битого стекла и минерального сырья (песок, доломит, известняк). Стекловата отличается высокой химической стойкостью и выдерживает температурный диапазон от -60 до +500 градусов;
• шлаковата. Шлаковату изготавливают из расплавленного доменного шлака. Температурный диапазон составляет от -50 до +300 градусов;
• каменная вата. Изготавливается из расплавленных габбро — базальтовых горных пород. Температурный диапазон составляет от -45 до +600 градусов;
• базальтовая вата. Для изготовления ваты используют габбро и диабаз. Базальтовая вата не содержит доменные шлаки и добавочные вещества. Температурный диапазон составляет от -190 до +1000 градусов.

Минеральные воды

Природные минеральные воды — это подземные воды, в которых повышенное содержание биологически активных компонентов и которые обладают особыми физико-химическими свойствами. Благодаря уникальному составу, минеральная вода может применяться как внутрь, так и в качестве наружного лечебного средства.

Природная минеральная вода — это дождевая вода, которая тысячелетиями скапливалась в разных слоях земных пород. На протяжении этого времени в ней растворялись минеральные вещества и чем глубже находится вода, тем больше она очистилась и больше получила углекислоты и полезных веществ.

Природная минеральная вода состоит из шести основных компонентов:

1. Кальций;
2. Магний;
3. Хлор;
4. Натрий;
5. Сульфат;
6. Гидрокарбонат.

Свое название вода получает благодаря преобладанию, какого либо из шести элементов (хлоридная, сульфатная, гидрокарбонатная).

В минеральной воде в микродозах содержится почти вся таблица Менделеева.

Спрос рынка на минеральное сырье

Минеральное сырье относится к истощаемым природным ресурсам. Отработанное месторождение не сможет восстановиться, а разработка нового влечет за собой определенные трудности. Недостаточность минеральных ресурсов влияет на экономику минерального сырья, формируя прирост цен на то сырье, ресурсы которого ограничены. Но многие виды минеральных природных ресурсов, являются взаимозаменяемыми. В таком случае произойдет развитие рынка дешевых продуктов.

Многие промышленные предприятия стали заменять дорогие продукты на дешевые:

• природный газ вытесняет уголь и мазут;
• платину заменяют палладием и рением;
• природный пьезокварц заменил синтетический.

Не всегда замена природных минеральных ресурсов происходит из-за цены. К примеру, в местности, где нет месторождения щебня, его заменяют керамзитовыми окатышами.

Большинство видов минерального сырья являются товарами постоянного спроса. Но для самоцветов, поделочных, декоративных и отделочных камней спрос определяется изменением тенденций. На снижение добычи минерального сырья обладающего токсичными свойствами повлияло ужесточение требований к экологической безопасности. Из-за повышения цен на минеральное сырье и увеличения платежей за размещение отходов, все чаще стали использовать вторичные ресурсы.

Все эти факторы способствуют уменьшению потребления минеральных ресурсов.

Страны-экспортеры богатые минеральным сырьем

Экспорт минерального сырья происходит, когда страна имеет большие запасы полезных ископаемых. Для экспортера сырье является средством пополнения своего финансового положения.

Передовые места по добыче и экспорту минерального сырья занимают:

• Россия, которая находится на первом месте в мире по количеству запасов природного газа и древесины, на втором месте по величине месторождений угля и на третьем месте по месторождениям золота;
• США на первом месте по запасам угля и входит в первую пятерку по запасам меди, золота и природного газа;
• Саудовская Аравия находится на первом месте по добыче нефти и на пятом месте по величине запасов природного газа.;
• Канада находится на втором месте по запасам урана и третье по величине запасов древесины;
• Иран находится на третьем месте по добыче нефти;
• Китай имеет значительный запас угля и редкоземельных минералов;
• Бразилия имеет большие запасы золота и урана, но наиболее ценным ресурсом является древесина.

Страны бедные минеральным сырьем

Страны, которые не имеют запасов полезных ископаемых, получают сырье из внешних источников.

К таким государствам относятся:

• Япония. В Японии есть лишь небольшое количество шахт по добыче свинцовых и цинковых руд, известняка и каменного угля. В стране имеются небольшие запасы нефти, и ведется ее добыча. Япония является крупнейшим импортером сырья;
• Литва и Латвия. Эти государства обладают такими полезными ископаемыми как сланцы, торф, фосфориты, а энергетическое хозяйство держится на привозном топливе.

В Монако, Дании и Ватикане добычи полезных ископаемых не ведется.

Оборудование для добычи и переработки минерального сырья

В зависимости от состояния добываемого минерального сырья (жидкое, твердое, газообразное) — отличаются способы добычи (открытый, шахтный, скважинный). Для каждого способа добычи предусмотрено специализированное оборудование. Существует оборудование для добычи подземным и открытым способом. Сложные системы управления, автоматизации комплексы и приборы для механической обработки.

Производители и перерабатывающие компании минерального сырья

Среди российских предприятий есть серьезные производители и перерабатывающие компании минерального сырья.

АО «Минерально-химическая компания «Евро Хим». Компания «Евро Хим» — крупнейший в России производитель минеральных удобрений. Компания входит в тройку Европейских и десятку мировых производителей химических удобрений и является лидером по производству фосфатных и азотных удобрений. Продукций предприятия пользуется спросом и в России, и за рубежом. В составе компании находится большая сбытовая сеть в России и за рубежом.

«Уральская горно-металлургическая компания». Холдинг берет свое начало в далеком 1702 году с Гумешевского месторождения медистых глин. У предприятия есть собственная научная база, а также строительный комплекс и телекоммуникационный центр.

АО «Фос Агро- Череповец» — крупнейший в Европе производитель фосфорной и серной кислоты, аммиака и фосфорсодержащих удобрений. Компания является крупнейшим экспортером удобрений в страны Западной Европы, Америки, Азии. Компания обеспечивает себя электроэнергией собственной генерации.

Министерство науки и образования Украины

Киевский национальный университет строительства и архитектуры

Кафедра строительного материаловеденья

Реферат на тему: «Использование вторичных продуктов в изготовлении строительных материалов»

ПЛАН:

1. Проблема промышленных отходов и основные направления ее решения

в) Плавленые и искусственные каменные материалы на основе шлаков и зол

в) Материалы из отходов лесохимии и переработки древесины

4. Список литературы

1. Проблема промышленных отходов и основные направления ее решения.

а) Развитие промышленности и накопление отходов

Характерной особенностью научно-технического процесса является увеличение объема общественного производства. Бурное развитие производительных сил вызывает стремительное вовлечение в хозяйственный оборот все большего количества природных ресурсов. Степень их рационального использования остается, однако, в целом весьма низкой. Ежегодно человечество использует приблизительно 10 млрд. т. минеральных и почти столько же органических сырьевых продуктов. Разработка большинства важнейших полезных ископаемых в мире идет быстрее, чем наращиваются их разведанные запасы. Около 70% затрат в промышленности приходится на сырье, материалы, топливо и энергию. В то же время 10…99% исходного сырья превращаются в отходы, сбрасываемые в атмосферу и водоемы, загрязняющие землю. В угольной промышленности, например, ежегодно образуется примерно 1,3 млрд. т. Вскрышных и шахтных пород и около 80 млн. т. Отходов углеобогащения. Ежегодно выход шлаков черной металлургии составляет около 80 млн. т., цветной 2,5, зол и шлаков ТЭС 60…70 млн. т., древесных отходов около 40 млн. м³.

Промышленные отходы активно влияют на экологические факторы, т.е. оказывают существенное влияние на живые организмы. В первую очередь это относится к составу атмосферного воздуха. В атмосферу поступают газообразные и твердые отходы в результате сгорания топлива и разнообразных технологических процессов. Промышленные отходы активно воздействуют не только на атмосферу, но и на гидросферу, т.е. водную среду. Под влиянием промышленных отходов, сосредоточенных в отвалах, шлаконакопителях, хвостохранилищах и т.д., загрязняется поверхностный сток в районе размещения промышленных предприятий. Сброс промышленных отходов приводит, в конечном счете, к загрязнению вод Мирового океана, которое приводит к резкому снижению его биологической продуктивности и отрицательно влияет на климат планеты. Образование отходов в результате деятельности промышленных предприятий негативно сказывается на качестве почвы. В почве накапливаются избыточные количества губительно действующих на живые организмы соединений, в том числе канцерогенные вещества. В загрязненной «больной» почве идут процессы деградации, нарушается жизнедеятельность почвенных организмов.

Рациональное решение проблемы промышленных отходов зависит от ряда факторов: вещественного состава отходов, их агрегатного состояния, количества, технологических особенностей и т.д. Наиболее эффективным решением проблемы промышленных отходов является внедрение безотходной технологии. Создание безотходных производств осуществляется за счет принципиального изменения технологических процессов, разработке систем с замкнутым циклом, обеспечивающих многократное использование сырья. При комплексном использовании сырьевых материалов промышленные отходы одних производств являются исходными сырьевыми материалами других. Важность комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, освободить ценные земельные угодья, занимаемые под отвалы и шламохранилища, устранить вредные выбросы в окружающую среду. Во- вторых, отходы в значительной степени покрывают потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье. В-третьих, при комплексном использовании сырья снижаются удельные капитальные затраты на единицу продукции и уменьшается срок их окупаемости.

Из отраслей-потребителей промышленных отходов наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10…30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, экономия капитальных вложений достигает 35..50%.

б) Классификация промышленных отходов

К настоящему времени отсутствует всесторонняя классификация промышленных отходов. Это обусловлено чрезвычайной пестротой их химического состава, свойств, технологических особенностей, условий образования.

Все отходы промышленности можно разделить на две большие группы: минеральные (неорганические) и органические. Наибольшее значение для производства строительных материалов имеют минеральные отходы. На их долю падает преобладающая доля всех отходов, производимых добывающими и перерабатывающими отраслями промышленности. Эти отходы и в большей мере изучены, чем органические.

Баженовым П.И. предложено классифицировать промышленные отходы в момент выделения их из основного технологического процесса на три класса: А; Б; В.

Продукты класса А (карьерные остатки и остатки после обогащения на полезное ископаемое) имеют химико-минералогический состав и свойства соответствующих горных пород. Область их применения обусловлена агрегатным состоянием, фракционным и химическим составом, физико-механическими свойствами.

Продукты класса Б – искусственные вещества. Они получены как побочные продукты в результате физико-химических процессов, протекающих при обычных или чаще высоких температурах. Диапазон возможного применения этих промышленных отходов шире, чем продуктов класса А.

Продукты класса В образуются в результате физико-химических процессов, протекающих в отвалах. Такими процессами могут быть самовозгорание, распад шлаков и образование порошка. Типичными представителями отходов этого класса являются горелые породы.

2. Опыт применения отходов металлургии, топливной промышленности и энергетики

а) Вяжущие материалы на основе шлаков и зол

Основная масса отходов при получении металлов и сжигании твердого топлива образуется в виде шлаков и зол. Кроме шлаков и зол при производстве металла в больших количествах образуются отходы в виде водных суспензий дисперсных частиц-шламы.

Ценным и весьма распространенным минеральным сырьем для производства строительных материалов являются горелые породы и отходы углеобогащения, а также вскрышные породы и отходы обогащения руд.

Производство вяжущих материалов относится к наиболее эффективным областям применения шлаков. Шлаковые вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: шлакопортландцементы, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлако-щелочные вяжущие.

Шлаки и золы можно рассматривать как в значительной мере подготовленное сырье. В их составе окись кальция (CaO) связана в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката — одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении шлаков и зол обеспечивает повышение производительности печей и экономии топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом производстве клинкера удельный расход сырья и топлива на 10…15%, а также повысить производительность печей на 15%.

Применением маложелезистых шлаков – доменных и феррохромовых – и созданием восстановительных условий плавки получают в электропечах белые цементы. На основе феррохромовых шлаков окислением металлического хрома в расплаве можно получить клинкеры, при использовании которых цементы с ровной и стойкой окраской.

Сульфатно-шлаковые цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных гранулированных шлаков и сульфатного возбудителя твердения – гипса или ангидрида с небольшой добавкой щелочного активизатора: извести, портландцемента или обожженного доломита. Наиболее широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75…85% шлака, 10…15% двуводного гипса или ангидрида, до2% окиси кальция или 5% портландцементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700º С, и высокоглиноземистых основных шлаков. Активность сульфатно-шлакового цемента существенно зависит от тонкости измельчения. Высокая удельная поверхность (4000…5000 см²/г) вяжущего достигается с помощью мокрого помола. При достаточно высокой тонкости измельчения в рациональном составе прочность сульфатно–шлакового цемента не уступает прочности портландцемента. Как и другие шлаковые вяжущие, сульфатно-шлаковый цемент имеет не большую теплоту гидратации – к 7 сут., что позволяет применять его при возведении массивных гидротехнических сооружений. Этому способствует также его высокая стойкость к воздействию мягких сульфатных вод. Химическая стойкость сульфатно-шлакового цемента выше, чем шлакопортландцемента, что делает его применение особенно целесообразным в различных агрессивных условиях.

Известково-шлаковые и известково-зольные цементы – это гидравлическиевяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака или золы уноса ТЭС и извести. Их применяют для приготовления строительных растворов марок не более М 200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих, вяжущих при изготовлении их вводится до 5% гипсового камня. Содержание извести составляет 10%. 30%.

Известково-шлаковые и зольные цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: 50, 100, 150 и 200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин., а конец – не позднее чем через 24 ч. после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10º С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь при после достаточного продолжительного твердения (15…30 сут.) во влажных условиях. Для этих цементов характерна низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

Шлакощелочные вяжущие состоятиз тонкоизмельченногогранулированного шлака (удельная поверхность≥3000 см²/г) и щелочного компонента – соединений щелочных металлов натрия или калия.

Для получения шлакощелочного вяжущего приемлемы гранулированные шлаки с различным минералогическим составом. Решающим условием их активности является содержание стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами.

Свойства шлакощелочного вяжущего зависят от вида, минералогического состава шлака, тонкости его помола, вида и концентрации его раствора щелочного компонента. При удельной поверхности шлака 3000…3500 см²/г количество воды для образования теста нормальной густоты составляет 20…30% массы вяжущего. Прочность шлакощелочного вяжущего при испытании образцов из теста нормальной густоты составляет 30…150 МПа. Для них характерен интенсивный рост прочности как в течении первого месяца, так и в последующие сроки твердения. Так, если прочность портландцемента через 3 мес. твердения в оптимальных условиях превышает марочную примерно в 1,2 раза, то шлакощелочного вяжущего в 1,5 раза. При тепловлажностной обработке процесс твердения ускоряется также интенсивнее, чем при твердении портландцемента. При обычных режимах пропаривания, принятых в технологии сборного железобетона, в течение 28 сут. достигается 90…120% марочной прочности.

Щелочные компоненты, входящие в состав вяжущего, выполняют роль противоморозной добавки, поэтому шлакощелочные вяжущие достаточно интенсивно твердеют при отрицательных температурах.

б) Заполнители из шлакозольных отходов

Шлаковые и зольные отходы представляют богатейшую сырьевую базу для производства как тяжелых, так и легких пористых заполнителей бетона. Основными видами заполнителей на основе металлургических шлаков являются шлаковый щебень и шлаковая пемза.

Из топливных шлаков и зол изготавливают пористые заполнители, в том числе аглопорит, Зольный гравий, глинозольный керамзит.

К эффективным видам тяжелых заполнителей бетона, не уступающим по физико-механическим свойствам продукта дробления плотных природных каменных материалов, относится литой шлаковый щебень. При производстве этого материала литой огненно-жидкий шлак из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 200…500 мм на специальные литейные площадки или в тарпециевидные ямы-траншеи. При выдерживании в течение 2…3 ч. на открытом воздухе температура расплава в слое снижается до 800° С, и шлак кристаллизуется. Затем он охлаждается водой, что приводит к развитию в слое шлака многочисленных трещин. Шлаковые массивы на литейных площадках или в траншеях разрабатываются эскаваторами с последующим дроблением.

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозо и жаростойкостью, а также сопротивлением истиранию. Стоимость его в 3…4 раза ниже, чем щебня из природного камня.

Шлаковая пемза (тормозит) – одно из наиболее эффективных видов искусственных пористых заполнителей. Ее получаю поризацией шлаковых расплавов в результате их быстрого охлаждения водой, воздухом или паром, а также воздействием минеральных газообразователей. Из технологических способов получения шлаковой пемзы наиболее часто применяются бассейновый, струйный и гидроэкранный способы.

Топливные шлаки и золы являются лучшим сырьем для производства искусственного пористого заполнителя – аглопорита. Это обусловлено, во-первых, способностью золошлакового сырья так же, как глинистых пород и других алюмосиликатных материалов, спекаться на решетках агломерационных машин, во-вторых, содержанием в нем остатка топлива, достаточных для процесса агломерации. При использовании обычной технологии аглопорит получают в виде щебня из песка. Из зол ТЭС можно получать и аглопоритовый гравий, имеющий высокие технико-экономические показатели.

Главная особенность технологии аглопоритового гравия в том, что в результате агломерации сырья образуется не спекшийся корж, а обожженные гранулы. Сущность технологии производства аглопоритового гравия заключается в получении сырцовых зольных гранул крупностью 10…20 мм, укладке их на колосники ленточной агломерационной машины слоем толщиной 200…300 мм и термической обработке.

Производство аглопритового по сравнению с обычным производством аглопорита характеризуется снижением на 20…30% расхода технологического топлива, более низким разрежением воздуха в вакуум-камерах и увеличением удельной производительности в 1,5…3 раза. Аглопоритовый гравий имеет плотную поверхностную оболочку и поэтому при практически равной объемной массе со щебнем отличается от него более высокой прочностью и меньшим водопглощением. Расчеты что замена 1 млн. м³ привозного природного щебня агдопортовым гравием из золы ТЭС лишь за счет сокращения транспортных расходов при перевозках на расстояние 500…1000 км дает экономии 2 млн. рублей. Применение аглопорита на основе зол и шлаков ТЭС позволяет получать легкие бетоны марок 50…4000 с объемной массой от 900 до 1800 кг/м³ при расходе цемента от 200 до 400 кг/м³.

Зольный гравий получают гранулированием подготовленной золошлаковой смеси или золы-уноса ТЭС с последующим спеканием и вспучиванием во вращающейся печи при температуре 1150…1250° С. На зольном гравии получают легкие бетоны с такими же примерно показателями, как и при использовании аглопоритного гравия. При производстве зольного гравия эффективны лишь вспучивающие золы ТЭС с содержанием топливных остатков не более 10%.

Глинозольный керамзит – продукт вспучивания и спекания во вращающейся печи гранул, сформированных из смеси глин и золошлаковых отходов ТЭС. Зола может составлять от 30 до 80% всей массы сырья. Введение глинистого компонента улучшает формовочные свойства шихты, способствует выгоранию остатков угля в золе, что позволяет использовать золы с повышенным содержанием несгоревшего топлива.

Объемная масса глинозольного керамзита составляет 400..6000 кг/м³, а прочность при сдавливании в стальном цилиндре 3,4…5 МПа. Главные преимущества производства глинозольного керамзита по сравнению с аглопоритом и зольным гравием – возможность использования золы ТЭС из отвалов во влажном состоянии без использования сушильных и помольных агрегатов и более простой способ формирования гранул.

в) Плавленые и искусственные каменные материалы на основе шлаков и зол

К основным направлениям переработки металлургических и топливных шлаков, а также зол наряду с производством вяжущих, заполнителей и бетонов на их основе относится получение шлаковой ваты, литых материалов и шлакоситталов, зольной керамики и силикатного кирпича.

Шлаковая вата – разновидность минеральной ваты, занимающей ведущее место среди теплоизоляционных материалов, как по объему выпуска, так и по строительно-техическим свойствам. В производстве минеральной ваты доменные шлаки нашли наибольшее применение. Использование здесь шлака вместо природного сырья дает экономию до 150 грн. на 1 т. Для получения минеральной ваты наряду с доменными применяются также ваграночные, мартеновские шлаки и шлаки цветной металлургии.

Требуемое соотношение кислотных и основных оксидов в шихте обеспечивается применением кислых шлаков. Кроме того, кислые шлаки более устойчивы против распада, недопустимого в минеральной вате. Повышение содержания кремнезема расширяет температурный интервал вязкости, т.е. разность температур, в пределах которых возможно волокнообразование. Модуль кислотности шлаков корректируется введением в шихту кислых или основных добавок.

Из расплава металлургических и топливных шлаков отливают разнообразные изделия: камни для мощения дорог и полов промышленных зданий, тюбинги, бордюрный камень, противокоррозионные плитки, трубы. Изготовление шлакового литья началось одновременно с внедрением в металлургию доменного процесса. Литые изделия из шлакового расплава экономически более выгодны по сравнению с каменным литьем, приближаясь к нему по механическим свойствам. Объемная масса плотных литых изделий из шлака достигает 3000 кг/м³, предел прочности на сжатие 500 МПа.

Шлакоситаллы – разновидность стеклокристаллических материалов, получаемых направленной кристаллизацией стекол. В отличие от других ситаллов сырьевыми материалами для них служат шлаки черной и цветной металлургии, а также золы сжигания каменного угля. Шлакоситаллы разработаны впервые в СССР. Они широко применяются в строительстве как конструкционные и отделочные материалы, обладающие высокой прочностью. Производство шлакоситаллов заключается в варке шлаковых стекол, формировании из них изделий и последующей их кристаллизации. Шихта для получения стекол состоит из шлака, песка, щелочесодержащих и других добавок. Наиболее эффективно использование огненно-жидких металлургических шлаков, что экономит до 30…40% всего тепла, затрачиваемого на варку.

Шлакоситаллы все шире применяются в строительстве. Плитами листового шлакосситалла облицовывают цоколи и фасады зданий, отделывают внутренние стены и перегородки, выполняют из них ограждения балконов и кровли. Шлакостиалл – эффективный материал для ступеней, подоконников и других конструктивных элементов зданий. Высокая износостойкость и химическая стойкость позволяют успешно применять Шлакоситаллы для защиты строительных конструкций и аппаратуры в химической, горнорудной и других отраслях промышленности.

Золошлаковые отходы ТЭС могут служить отощающими топливосодержащими добавками в производстве керамических изделий на основе глинистых пород, а также основным сырьем для изготовления зольной керамики. Наиболее широко применяют топливные золы и шлаки как добавки при производстве стеновых керамических изделий. Для изготовления полнотелого и пустотелого кирпича и керамических камней в первую очередь рекомендуется использовать легкоплавкие золы с температурой размягчения до 1200° С. Золы и шлаки, содержащие до 10% топлива, применяют как отощающие, а 10% и более – как топливосодержащие добавки. В последнем случае можно существенно сократить или исключить введение в шихту технологического топлива.

Разработан ряд технологических способов получения зольной керамики, где Золошлаковые отходы ТЭС являются уже не добавочным материалом, а основным сырьевым компонентом. Так, при обычном оборудовании кирпичных заводов может быть изготовлен зольный кирпич из массы, включающей золу, шлак и натриевое жидкое стекло в количестве 3% по объему. Последнее выполняет роль пластификатора, обеспечивая получение изделий с минимальной влажностью, что исключает необходимость сушки сырца.

Зольную керамику выпускают в виде прессованных изделий из массы, включающей 60…80% золы-уноса, 10…20% глины и друге добавки. Изделия поступают на сушку и обжиг. Зольная керамика может служить не только стеновым материалом, обладающим стабильной прочностью и высокой морозостойкостью. Она характеризуется высокой кислотостойкостью и низкой истераемостью, что позволяет изготавливать из нее тротуарные и дорожные плиты и изделия, обладающие высокой долговечностью.

В производстве силикатного кирпича зола ТЭС используется как компонент вяжущего или заполнителя. В первом случае расход ее достигает 500 кг., во втором – 1,5…3,5 т. на 1 тыс. шт. кирпича. При введении угольной золы расход извести снижается на 10…50%, а сланцевые золы с содержанием CaO+MgO до 40…50% могут полностью заменить известь в силикатной массе. Зола в известково-зольном вяжущем является не только активной кремнеземистой добавкой, но и способствует пластификации смеси и повышению в 1,3…1,5 раза прочности сырца, что особенно важно для обеспечения нормальной работы автоматов-укладчиков.

г) Золы и шлаки в дорожно-строительных и изоляционных материалах

Крупнотоннажным потребителем топливных зол и шлаков является дорожное строительство, где золы и золошлаковые смеси используют для устройства подстилающих и нижних слоев оснований, частичной замены вяжущих при стабилизации грунтов цементом и известью, как минеральный порошок в асфальтовых бетонах и растворах, как добавки в дорожных цементных бетонах.

Золы, полученные при сжигании углей и горючих сланцев, применяются в качестве наполнителей кровельных и гидроизоляционных мастик. Золошлаковые смеси в дорожном строительстве применяют неукрепленными и укрепленными. Неукрепленные золошлаковые смеси используют в основном в качестве материала для устройства подстилающих и нижних слоев оснований дорог областного и местного значения. При содержании не более 16% пылевидной золы их применяют для улучшения грунтовых покрытий, подвергаемых поверхностной обработке битумной или дегтевой эмульсией. Конструктивные слои дорог можно выполнить из золошлаковых смесей с содержанием золы не более 25…30%. В гравийно-щебеночных основаниях в качестве уплотняющей добавки целесообразно применять золошлаковую смесь с содержанием пылевидной золы до 50%, Содержание несгоревшего угля в топливных отходах ТЭС, применяемых для возведения дорог, не должно превышать 10%.

Также как и природные каменные материалы относительно высокой прочности, золошлаковые отходы ТЭС служат для изготовления битумоминеральных смесей, применяемых для создания конструктивных слоев дорог 3-5 категорий. Из топливных шлаков, обработанных битумом или дегтем (до 2% по массе), получают черный щебень. Смешивая подогретую до 170…200° С золу с 0,3…2% раствора битума в зеленом масле, получают гидрофобный порошок с объемной массой 450…6000 кг/м³. Гидрофобный порошок одновременно может выполнять функции гидро- и теплоизоляционного материала. Распространено применение зол в качестве наполнителя мастик.

д) Материалы на основе шламов металлургических производств

Для производства строительных материалов промышленное значение имеют нефелиновые, бокситовые, сульфатные, белые и многокальциевые шламы. Объем одних лишь нефелиновых шламов, пригодных для использования, составляет ежегодно свыше 7 млн.т.

Основным направлением применения шламовых отходов металлургической промышленности являются изготовление бесклинкерных вяжущих, материалов на их основе, получение портландцемента и смешенных цементов. В промышленности особенно широко используется нефелиновый (белитовый) шлам, получаемый при извлечении глинозема из нефелиновых пород.

Под руководством П.И. Баженова разработана технология изготовления нефелинового цемента и материалов на его основе. Нефелиновый цемент является продуктом совместного помола или тщательного перемешивания предварительного измельченных нефелинового шлама (80…85%), извести или другого активизатора, например портландцемента (15…20%) и гипса (4…7%). Начало схватывания нефелинового цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин., конец – не позднее чем через 6ч. после его затворения, Его марки 100, 150, 200 и 250.

Нефелиновый цемент является эффективным для кладочных и штукатурных растворов, а также для бетонов нормального и особенно автоклавного твердения. ПО пластичности и времени схватывания растворы на нефелиновом цементе близки к известково-гипсовым растворам. В бетонах нормального твердения нефелиновый цемент обеспечивает получение марок 100…200, в автоклавных – марок 300…500 при расходе 250…300 кг/м³. Особенностями бетонов на нефелиновом цементе является низкая экзометрия, что важно учитывать при строительстве массивных гидротехнических сооружений, высокое сцепление со стальной арматурой после автоклавной обработки, повышенная стойкость в минерализованных водах.

Близким по составу к нефелиновому цементу являются вяжущие на основе бокситового, сульфатного и других шламов металлургических производств. Если значительная часть этих минералов гидратирована, для проявления вяжущих свойств шламов необходима их сушка в интервале 300…700° С. для активизации этих вяжущих целесообразно введение добавок извести и гипса.

Шламовые вяжущие относятся к категории местных материалов. Наиболее рационально применять их для изготовления изделий автоклавного твердения. Однако они могут, применятся и в строительных растворах, при отделочных работах, изготовлении материалов с органическими заполнителями, например фибролита. Химический состав ряда металлургических шламов позволяет применять их в качестве основного сырьевого компонента портландцементного клинкера, а также активной добавки в производстве портландцемента и смешанных цементов.

е) Применение горелых пород, отходов углеобогащения, добычи и обогащения руд

Основная масса горелых пород является продуктом обжига пустых пород, сопутствующих месторождениям каменных углей. Разновидностями горелых пород являются глиежи – гилинстые и глинисто-песчанные породы, обожженные в недрах земли при подземных пожарах в угольных пластах, и отвальные, перегоревши шахтные породы.

Возможности применения горелых пород и отходов углеобогащения в производстве строительных материалов весьма разнообразны. Горелые породы, как и другие обожженные глинистые материалы, обладают активностью по отношению к извести и используются в роли гидравлических добавок в вяжущих известково-пуццоланового типа, портландцементе, пуццолановом портландцементе и автоклавных материалах, Высокая адсорбционная активность и сцепление с органическими вяжущими позволяют применять их в асфальтовых и полимерных композициях. Естественно, обжигаемые в недрах земли или в терриконах угольных шахт горелые породы – аргиллиты, алевролиты и песчаники – имеют керамическую природу и могут, применятся в производстве жаростойких бетонов и пористых заполнителей. Некоторые горелые породы являются легкими нерудными материалами, что обусловливает их использование как заполнителей для легких растворов и бетонов.

Отходы углеобогащения – ценный вид минералогического сырья, в основном используемый в производстве стеновых керамических материалов и пористых заполнителей. По химическому составу отходы углеобогащения близки к традиционному глинистому сырью. В роли вредной примеси в них выступает сера, содержащаяся в сульфатных Ии сульфидных соединениях. Теплотворная способность их колеблется в широких пределах – от 3360 до 12600 кДжкг и более.

в производстве стеновых керамических изделий отходы углеобогащения применяют как отощающую или выгорающую топливосодержащую добавку. До введения в керамическую шихту кусковые отходы дробят. Предварительное дробление не требуется для шлама размером частиц менее 1мм. Шлам предварительно подсушивается до влажности 5…6%. Добавка отходов при получении кирпича пластическим способом должна составлять 10…30%. Введение оптимального количества топливо содержащей добавки в результате более равномерного обжига значительно улучшает прочностные показатели изделий (до 30…40%), экономит топливо (до30%), исключает необходимость введения в шихту каменного угля, повышает производительность печей.

Возможно применение шлама углеобогащения сравнительно высокой теплотворной способности (18900…21000кДж/кг) в качестве технологического топлива. Он не требует дополнительного дробления, хорошо распределяется по садке при засыпке через топливные отверстия, что способствует равномерному обжигу изделий, а главное намного дешевле угля.

Из некоторых разновидностей отходов обогащения каменного угля можно производить не только аглопорит, но и керамзит. Ценным источником нерудных материалов являются попутно добываемые породы горнодобывающих отраслей промышленности. Основным направлением утилизации этой группы отходов является производство прежде всего заполнителей бетонов и растворов, дорожно-строительных материалов, бутового камня.

Строительный щебень получают из попутных пород при добыче железной и других руд. Высококачественным сырьем для производства щебня являются безрудные железистые кварциты: роговики, кварцитовые и кристаллические сланцы. Щебень из попутных пород при добычи железной руды получают на дробильно-сортировочных установках, а также сухой магнитной сепарацией.

3. Опыт применения отходов химико-технологических производств и переработки древесины

а) Применение шлаков электротермического производства фосфора

Важным источником строительного сырья являются также сельскохозяйственные отходы растительного происхождения. Ежегодный выход, например, отходов стеблей хлопчатника составляет около 5 млн. т. в год, а льняной костры более 1 млн. т.

Отходы древесины образуются на всех стадиях ее заготовки и переработки. К ним относятся ветви, сучья, вершины, откомплевки, козырьки, опилки, пни, корни, кора и хворост, в сумме составляющие около 21% всей массы древесины. При переработке древесины на пиломатериалы выход продукции достигает 65%, остальная часть образует отходы в виде горбыля (14%), опилок (12%), срезок и мелочи (9%). При изготовлении из пиломатериалов строительных деталей, мебели и других изделий возникают отходы в виде стружки, опилок и отдельных кусков древесины – срезок, составляющих до 40% массы переработанных пиломатериалов.

Наибольшее значение для производства строительных материалов и изделий имеют опилки, стружка и кусковые отходы. Последние используют как непосредственно для изготовления клееных строительных изделий, так и переработки на технологическую щепу, а затем стружку, дробленку, волокнистую массу. Разработана технология получения строительных материалов из коры и одубины – отхода производства дубильных экстрактов.

Фосфорные шлаки — это побочный продукт производства фосфора термическим способом в электропечах. При температуре 1300…1500° С фосфат кальция взаимодействует с углеродом кокса и кремнеземом, в результате чего образуется фосфор и шлаковый расплав. Шлак сливается из печей в огненно-жидком состоянии и гранулируется мокрым способом. На 1 т. фосфора приходится 10…12т шлака. На крупных химических предприятиях получают до двух млн. т. шлака в год. Химический состав фосфорных шлаков близок к составу доменных.

Из фосфорно-шлаковых расплавов можно получать шлаковую пемзу, вату и литые изделия. Шлаковую пемзу получают по обычной технологии без изменения состава фосфорных шлаков. Она имеет объемную насыпную массу 600…800 кг/м³ и стекловидную мелкопористую структуру. Фосфорно-шлаковая вата характеризуется длинными тонкими волокнами и объемной массой 80…200 кг/м³. Фосфорно-шлаковые расплавы могут перерабатывается в литой щебень по траншейной технологии, применяемой на металлургических предприятиях.

б) Материалы на основе гипссодержащих и железистых отходов

Потребность промышленности строительных материалов в гипсовом камне в настоящее время превышает 40 млн.т. В то же время потребность в гипсовом сырье может быть в основном удовлетворенна за счет гипссодержащих отходов химической, пищевой, лесохимической промышленности. В 1980 г. в нашей стране выход отходов и побочных продуктов, содержащих сульфаты кальция, достиг примерно 20 млн. т в год, в том числе фосфогипса – 15,6 млн. т.

Фосфогипс — отходсернокислотной обработки апатитов или фосфоритов в фосфорную кислоту или концентрированные фосфорные удобрения. Он содержит 92…95% двуводного гипса с механической примесью 1…1,5% пятиокиси фосфора и некоторого количества других примесей. Фосфогипс имеет вид шлама влажностью 20…30% с высоким содержанием растворимых примесей. Твердая фаза шлама тонкодисперсная и более чем на 50% состоит из частиц размером менее 10мкм. Стоимость транспортирования и хранения фосфогипса в отвалах составляет до 30% общей стоимости сооружений и эксплуатации основного производства.

При производстве фосфорной кислоты способом экстракции по полугидратной схеме отходом является фосфополугидрат сульфата кальция, содержащий 92…95% — основного компонента высокопрочного гипса. Однако наличие на поверхности кристаллов полугидрата пассивирующих пленок заметно сдерживает проявление вяжущих свойств у этого продукта без специальной его технологической обработке.

При обычной технологии гипсовые вяжущие на основе фосфогипса низкокачественны, что объясняется высокой водопотребностью фосфогипса, обусловленной большой пористостью полугидрата в результате наличия крупных кристаллов в исходном сырье. Если водопотребность обычного строительного гипса 50…70%, то для получения теста нормальной густоты из фосфогипсового вяжущего без дополнительной обработки требуется воды 120…130%. Отрицательно влияют на строительные свойства фосфогипса и содержащиеся в нем примеси. Это влияние несколько снижается при домоле фосфогипса и формирования изделий методом виброукладки. В этом случае качество фосфогипсового вяжущего повышается, хотя и остается ниже, чем строительного гипса из природного сырья.

В МИСИ на основе фосфогипса получено композиционное вяжущее повышенной водостойкости, содержащее 70…90% α-полугидрата, 5…20% портландцемента и 3…10% пуццолановых добавок. При удельной поверхности 3000…4500 см²/г водопотребность вяжущего составляет 35…45%, схватывание начинается через 20…30 мин, кончается через 30…60 мин., предел прочности на сжатие равен 30…35 МПа, коэффициент размягчения 0,6…0,7. водостойкое вяжущее получают при гидротермальной обработке в автоклаве смеси фосфогипса, портландцемента и добавок, содержащих активный кремнезем.

В цементной промышленности Фосфогипс применяют как минерализатор при обжиге клинкера и вместо природного гипса как добавку для регулирования схватывания цемента. Добавка 3…4% в шлам позволяет увеличить коэффициент насыщения клинкера с 0.89…0,9 до 0,94…0,96 без снижения производительности печей, повысить стойкость футеровки в зоне спекания вследствие равномерного образования устойчивой обмазки и получить легко размалываемый клинкер. Установлена пригодность фосфогипса для замены гипса при помоле цементного клинкера.

Широкое применение фосфогипса как добавки в производстве цемента возможно лишь при его подсушке и гранулировании. Влажность гранулированного фосфогипса не должна превышать 10…12%. Сущность основной схемы гранулирования фосфогипса заключается в обезвоживании части исходного фосфогипсового шлама при температуре 220…250° С до состояния растворимого ангидрида с последующим смешиванием его с остальной частью фосфогипса. При смешении фосфоангидрида с фосфогипсом во вращающемся барабане обезвоженный продукт гидратируется за счет свободной влаги исходного материала, и в результате образуются твердые гранулы двуводногофосфогипса. Возможен и другой метод гранулирования фосфогипса – с упрочняющей добавкой пиритных огарков.

Кроме производства вяжущих и изделий на их основе известны и другие пути утилизации гипссодержащих отходов. Опыты показали, что добавкадо 5% фосфогипса в шихту при производстве кирпича интенсифицирует процесс сушки и способствует повышению качества изделий. Объясняется это улучшением керамико-технологических свойств глиняного сырья за счет присутствия основного компонента фосфогипса – двуводного сульфата кальция.

Из железистых отходов наиболее широко применяются пиритные огарки . В частности в производстве портландцементного клинкера их используют как корректирующую добавку. Однако огарки, расходуемые в цементной промышленности, составляют лишь небольшую часть их общего выхода на предприятиях по производству серной кислоты, потребляющих в качестве основного исходного сырья серный колчедан.

Разработана технология изготовления высокожелезистых цементов. Исходными компонентами для получения таких цементов служат мел (60%) и пиритные огарки (40%). Сырьевую смесь обжигают при температуре 1220…1250º С. Высокожелезистые цементы характеризуются нормальными сроками схватывания при введении в сырьевую смесь до 3% гипса. Прочность их на сжатие в условиях водного и воздушно-влажного твердения в течении 28 сут. соответствует маркам 150 и 200, а при пропаривании в автоклавной обработке увеличивается в 2 …2,5 раза. Высокожелезистые цементы являются безусадочными.

Пиритные огарки в производстве искусственных заполнителей бетонов могут служить как добавкой, так и основным сырьем. Добавку пиритных огарков в количестве 2…4% общей массы вводят для увеличения газотворной способности глин при получении керамзита. Этому способствует распад в огарках при 700…800º С остатков пирита с образованием сернистого газа и восстановлением оксидов железа под влиянием органических примесей, присутствующих в глинистом сырье, с выделением газов. Железистые соединения, особенно в закисной форме, действуют как плавни, вызывая разжижение расплава и уменьшение температурного интервала изменения его вязкости.

Железосодержащие добавки применяют в производстве стеновых керамических материалов для снижения температуры обжига, повышения качества и улучшения цветовых характеристик. Положительные результаты дает предварительное прокаливание огарков для разложения примесей сульфидов и сульфатов, образующих при обжиге газообразные продукты, присутствие которых снижает механическую прочность изделий. Эффективно введение в шихту 5…10% огарков, особенно в сырье с низким количеством плавней и недостаточной спекаемостью.

В производстве фасадных плиток полусухим и шлинкерным способами прокаленные огарки могут добавляться в шихты в количестве от 5 до 50% по массе. Использование огарков позволяет выпускать цветные керамические фасадные плитки без дополнительного введения в глину шамота. При этом температура обжига плиток из тугоплавких и огнеупорных глин снижается на 50…100° С.

в) Материалы из отходов лесохимии и переработки древесины

Для производства строительных материалов наиболее ценным сырьем из отходов химической промышленности являются шлаки электротермического производства фосфора, гипссодержащие и известковые отходы.

К отходам зимико-технологических производств можно отнести изношенную резину и вторичное полимерное сырье, а также ряд побочных продуктов предприятий строительных материалов: цементную пыль, осадки в водоочистительных аппаратах асбестоцементных предприятий., бой стекла и керамики. Отходы составляют до 50% всей массы перерабатываемой древесины, большая часть из них в настоящее время сжигается или вывозится в отвал.

Предприятия строительных материалов, расположенные вблизи гидролизных заводов, могут успешно утилизировать лигнин – один из наиболее емких отходов лесохимии. Опыт работы ряда кирпичных заводов позволяет считать лигнин эффективной выгорающей добавкой. Он хорошо смешивается с другими компонентами шихты, не ухудшает ее формировочных свойств и не затрудняет резку бруса. Наибольший эффект его применения имеет место при сравнительно небольшой карьерной влажности глины. Запрессованный в сырец лигнин при сушке не горит. Горючая часть лигнина полностью улетучивается при температуре 350…400º С, зольность его составляет 4…7%. Для обеспечения кондиционной механической прочности обыкновенного глиняного кирпича лигнин следует вводить в формировочную шихту в количестве до 20…25% ее объема.

В производстве цемента лигнин можно использовать как пластификатор сырьевого шлама и интенсификатор измельчения сырьевой смеси и цемента. Дозировка лигнина в этом случае составляет 0,2…0,3%. Разжижающееся действие гидролизного лигнина объясняется присутствием в нем веществ фенольного характера, хорошо снижающих вязкость известняково-глинистых суспензий. Действие лигнина при помоле заключается главным образом в уменьшении слипания мелких фракций материала и их налипании на мелющие тела.

Древесные отходы без предварительной переработки (опилки, стружка) или после измельчения (щепа, дробленка, древесная шерсть) могут служить заполнителями в строительных материалах на основе минеральных и органических вяжущих, эти материалы характеризуются невысокой объемной массой и теплопроводностью, а также хорошей обрабатываемостью. Пропиткой древесных заполнителей минерализаторами и последующим смешиванием с минеральными вяжущими обеспечивается биостойкость и трудносгораемость материалов на их основе. Общие недостатки материалов на древесных заполнителях – высокое водопоглащение и сравнительно низкая водостойкость. По назначению эти материалы делятся на теплоизоляционные и конструктивно-теплоизоляционные.

Главными представителями группы материалов на древесных заполнителях и минеральных вяжущих являются арболит, фибролит и опилкобетоны.

Арболит — легкий бетон на заполнителях растительного происхождения, предварительно обработанных раствором минерализатора. Он применяется в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в виде панелей и блоков для возведения стен и перегородок, плит перекрытий и покрытий зданий, теплоизоляционных и звукоизоляционных плит. Стоимость зданий из арболита на 20…30% ниже чем из кирпича. Арболитовые конструкции могут эксплуатироваться при относительной влажности воздуха помещений не более 75%. При большой влажности требуется устройство пароизоляционного слоя.

Фибролит в отличие от арболита в качестве заполнителя и одновременно армирующего компонента включает древесную шерсть – стружку длинной от 200 до 500 мм., шириной 4…7 мм. и толщиной 0,25…0,5 мм. Древесную шерсть получают из неделовой древесины хвойных, реже лиственных пород. Фибролит отличается высокой звукопоглащаемостью, легкой обрабатываемостью, гвоздимостью, хорошим сцеплением со штукатурным слоем и бетоном. Технология производства фибролита включает приготовление древесной шерсти, обработки ее минерализатором, смешиванием с цементом, прессование плит и их термическую обработку.

Опилкобетоны – это материал на основе минеральных вяжущих и древесных опилок. К ним относятся ксилолит, ксилобетон и некоторые другие материалы, близкие к ним по составу и технологии.

Ксилолитом называется искусственный строительный материал, полученный в результате твердения смеси магнезиального вяжущего и древесных опилок, затворенной раствором хлорида или сульфата магния. В основном ксилолит применяется для устройства монолитных или сборных покрытий пола. Преимущества ксилолитовых полов – относительно небольшой коэффициент теплоусвоения, гигиеничность, достаточная твердость, низкая истираемость, возможность разнообразной цветной окраски.

Ксилобетоны — разновидность легкого бетона, заполнителем которого служат опилки, а вяжущим – цемент или известь и гипс, ксилобетон при объемной массе 300…700 кг/м³ и прочности на сжатии 0,4…3 МПа применяют как теплоизоляционный, а при объемной массе 700…1200 кг/м³ и прочности на сжатие до 10 МПА – как конструктивно-теплоизоляционный материал.

Клееная древесина относится к наиболее эффективным строительным материалам. Она может быть слоистой или полученной из шпона (фанера, древеснослоистые пластики); массивной из кусковых отходов лесопиления и деревообработке (панели, шиты, брусья, доски) и комбинированной (столярные плиты). Преимущества клееной древесины – низкая объемная масса, водостойкость, возможность получения из маломерного материала изделий сложной формы, крупных конструктивных элементов. В клееных конструкциях ослабляется влияние анизотропности древесины и его пороков, они характеризируется повышенной глиностойкостью и низкой возгораемостью, не подвержены усушке и короблении. Клееные деревянные конструкции по срокам и трудозатратам при возведении зданий, стойкости при возведении агрессивной воздушной среды часто успешно конкурируют со стальными и железобетонными конструкциями. Их применение эффективно при возведении сельскохозяйственных и промышленных предприятий, выставочных и торговых павильонов, спортивных комплексов, зданий и сооружений сборно-разборного типа.

Древесно-стружечные плиты – это материал, полученный горячим прессованием измельченной древесины, смешанной со связующими веществами – синтетическими полимерами. Преимуществами этого материала являются однородность физико-механических свойств в различных направлениях, сравнительно небольшие линейные изменения при переменной влажности, возможность высокой механизации и автоматизации производства.

Строительные материалы на основе некоторых отходов древесины могут изготавливаться без применения специальных вяжущих. Частицы древесины в таких материалах связываются в результате сближения и переплетения волокон, их когезионной способности и физико-химических связей, возникающих в процессе обработки пресс-массы при высоких давлении и температуры.

Без применения специальных связующих получают древесно-волокнистые плиты.

Древесно-волокнистые плиты – материал, формируемый из волокнистой массы с последующей тепловой обработкой. Примерно 90% всех древесно-волокнистых плит изготовляют из древесины. Исходным сырьем служат неделовая древесина и отходы лесопильного и деревообрабатывающего производств. Плиты можно получать из волокон лубяных растений и из другого волокнистого сырья, обладающего достаточной прочностью и гибкостью.

В группу древесных пластиков входят: Древесно-слоистые пластики – материал из листов шпона, пропитанных синтетическим полимером резольного типа и склеенных в результате термической обработки давлением, лигноуглеводные и пьезотермопластики, производимые из древесных опилок высокотемпературной обработкой пресс-массы без ввода специальных вяжущих. Технология лигноуглеводных пластиков состоит из подготовки, сушки и дозировки древесных частиц, формования ковра, холодной его подпрессовке, горячего прессования и охлаждения без снятия давления. Область применения лигноуглеводных пластиков такая же, как древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит.

Пьезотермопластики могут изготавливаются из опилок двумя способами – без предварительной обработки и с гидротермальной обработкой исходного сырья. По второму способу кондиционные опилки обрабатываются в автоклавах паром при температуре 170…180º С и давлении 0,8…1 МПа в течении 2 ч. Гидролизованная пресс-масса частично высушивается и при определенной влажности последовательно подвергается холодному и горячему прессованию.

Из пьезотермопластиков выпускают плитки для пола толщиной 12мм. Исходным сырьем могут служить опилки или измельченная древесина хвойных и лиственных пород, льняная или конопляная костра, камыш, гидролизный лигнин, одубина.

г) Утилизация собственных отходов в производстве строительных материалов

Опыт предприятий Крымской автономной республики, разрабатывающих известняк-ракушечник для получения стенового штучного камня, показывает эффективность изготовления из отходов камнепиления ракушечно-бетонных блоков. Блоки формируются в горизонтальных металлических формах с откидными бортами. Дно формы покрывается раствором из ракушечника толщиной 12..15 мм для создания внутреннего фактурного слоя. Форма заполняется крупнопористым или мелкозернистым бетоном из ракушечника. Фактура внешней поверхности блоков может создаваться специальным раствором. Ракушечно-бетонные блоки применяют для кладки фундаментов и стен при строительстве производственных и жилых зданий.

В производстве цемента в результате переработки тонкодисперсных минеральных материалов образуется значительное количество пыли, Общее количество улавливаемой пыли на цементных заводах может составлять до 30% всего объема выпускаемой продукции. До 80% всего количества пыли выбрасывается с газами клинкерообжигательных печей. Пыль, выносимая из печей, является полидесперсным порошком, содержащим при мокром способе производства 40…70, а при сухом – до 80% фракций размером менее 20мкм. Минералогическими исследованиями установлено, что в составе пыли содержится до 20% клинкерных минералов, 2…14% свободной окиси кальция и от 1 до 8% щелочей. Основная масса пыли состоит из смеси обожженной глины и неразложившегося известняка. Состав пыли существенно зависит от типа печей, вида и свойств применяемого сырья, способа улавливания.

Основным направлением утилизации пыли на цементных заводах является использование ее в самом процессе производства цемента. Пыль из пылеосадительных камер возвращается во вращающуюся печь вместе со шламом. Основное же количество свободной окиси кальция, щелочей и серного ангидрида. Добавка 5…15% такой пыли к сырьевому шламу вызывает его коагуляцию и уменьшение текучести. При повышенном содержании в пыли щелочных окислов также снижается качество клинкера.

Асбестоцементные отходы содержат большое количество гидратированных цементных минералов и асбеста. При обжиге в результате обезвоживании гидратных составляющих цемента и асбеста они приобретают вяжущие свойства. Оптимальная температура обжига находится в интервале 600…700º С. В этом температурном диапазоне завершается дегидратация гидросиликатов, разлагается асбест и образуется ряд минералов, способных к гидравлическому твердению. Вяжущие с выраженной активностью можно получить смешиванием термически обработанных асбестоцементных отходов с металлургическим шлаком и гипсом. Из асбестоцементных отходов изготавливают облицовочные плитки и плитки для пола.

Эффективным видом вяжущего в композициях из асбестоцементных отходов является жидкое стекло. Облицовочные плиты из смеси высушенных и измельченных в порошок асбестоцементных отходов и раствора жидкого стекла плотностью 1,1…1,15 кг/см³ получают при удельном давлении прессования 40…50 МПа. В сухом состоянии эти плиты имеют объемную массу 1380…1410 кг/м³, предел прочности на изгиб 6,5…7 МПа, на сжатие 12…16 МПа.

Из отходов асбестоцементного можно изготавливать теплоизоляционные материалы. Изделия в виде плит, сегментов и скорлуп получают из обожженных и измельченных отходов с добавкой извести, песка и газообразователей. Газобетон на основе вяжущих из асбестоцементных отходов имеют прочность на сжатие 1,9…2,4 МПа и объемную массу 370…420 кг/м³. Отходы асбестоцементной промышленности могут служить наполнителями теплых штукатурок, асфальтовых мастик и асфальтовых бетонов, а также заполнителями бетонов с высокой ударной вязкостью.

Стекольные отходы образуются как при производстве стекла, так и при использовании стеклоизделий на строительных объектах и в быту. Возврат стеклобоя в основной технологический процесс производства стекла является основным направлением его утилизации.

Из порошка стекольного боя с газообразователями спеканием при 800…900° получают один из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов – пеностекло. Плиты и блоки из пеностекла имеют объемную массу 100…300 кг/м³, теплопроводность 0,09…0,1 Вт и предел прочности на сжатие 0,5…3 МПа.

В смеси с пластичными глинами стекольный бой может служить основным компонентом керамических масс. Изделия из таких масс изготавливают по полусухой технологии, их отличает высокая механическая прочность. Введение стекольного боя в керамическую массу снижает температуру обжига и повышает производительность печей. Выпускают стеклокерамические плитки из шихты, включающей от 10 до 70% боя стекла, измельченного в шаровой мельнице. Массу увлажняют до 5…7%. Плитки прессуют, сушат и обжигают при 750…1000º С. Водопоглащение плиток – не более 6%. морозостойкость более 50 циклов.

Битое стекло также применяют как декоративный материал в цветных штукатурках, молотые стекольные отходы можно использовать как присыпку по масляной краске, абразив – для изготовления наждачной бумаги и как компонент глазури.

В керамическом производстве отходы возникают на различных стадиях технологического процесса, Сушильный брак после необходимого измельчения служит добавкой для снижения влажности исходной шихты. Бой глиняного кирпича используется после дробления как щебень в общестроительных работах и при изготовлении бетона. Кирпичный щебень имеет объемную насыпную массу 800…900 кг/м³ , на нем можно получать бетоны с объемной массой 1800…2000 кг/м³, т.е. на 20% легче, чем на обычных тяжелых заполнителях. Применение кирпичного щебня эффективно для изготовления крупно пористых бетонных блоков с объемной массой до 1400 кг/м³. Количество кирпичного боя резко сократилось благодаря контейнеризации и комплексной механизации работ по погрузке и разгрузке кирпича.

4. Список литературы:

Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья для производства строительных материалов. – Л.-М.: Стройиздат, 1963.

Гладких К.В. Шлаки – не отходы, а ценное сырье. – М.: Стройиздат, 1966.

Попов Л.Н. Строительные материалы из отходов промышленности. – М.: Знание, 1978.

Баженов Ю.М., Шубенкин П.Ф., Дворкин Л.И. Применение промышленных отходов в производстве строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1986.

Дворкин Л.И., Пашков И.А. Строительные материалы из отходов промышленности. – К.: Выща школа, 1989.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

• Комбинации шара с многогранниками
• Митоз и мейоз: что это, чем отличаются процессы?
• Типы ткани и их особенности строения и месторасположение в организме
• Векторы в компьютерных играх

Особенности производства стали

Сталь – это прочный материал и основной конструкционный материал для машиностроения. Он представляет сплав железа с углеродом, содержание которого в структуре составляет 0,01–2,14%. В состав также входят в незначительных количествах кремний, марганец и сера. Этот материал обладает исключительными механическими свойствами: твердостью и ковкостью, благодаря им он считается основным конструкционным материалом в машиностроении. Трудно представить, что могло бы заменить материал. Но активное развитие производство стали и других металлов. Из стали изготавливаются самые разнообразные изделия – от канцелярских скрепок до станин многотонных прессов и обшивки корпусов морских судов.

Процесс производства

Производится сталь плавкой. Исходным сырьем служат чугун, лом самой стали или чугуна, окатыши, флюсы и ферросплавы.

Сам чугун по природе – недостаточно твердый и хрупкий материал, поэтому имеет ограниченное применение.

Однако, он незаменим в качестве сырья для получения стали. Суть плавки состоит, в случае применения передельного чугуна, в снижении процентного содержания углерода в нем до требуемого уровня.

Выводятся не предусмотренные в конечной рецептуре примеси. Традиционный состав шихты представляет 55% чугуна и 45% стального лома (скрапа). Существует также рудный процесс, когда к компонентам добавляется рудный материал или скрап-процесс для переработки отходов машиностроительного производства.

Чтобы в процессе плавки примеси и углерод легче выводился из состава компонентов, они переводятся в газы и шлак. В первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом железо окисляется, образуя закись железа FeO.

Одновременно окисляются C, Si, Mn и P, при этом происходит отдача кислорода оксидом железа химически активным примесям. К массе шихты добавляют флюс для лучшего растворения металла: известняк или известь, боксит. В качестве топлива используют каменноугольную пыль, жидкий мазут, природный или коксовый газ.

Особенности процесса

Процесс производства стали происходит последовательно в три этапа.

Первый этап – расплавление породы. На этапе его проведения формируется расплав в ванне и окисляется металл, отдавая одновременно кислород кремнию, фосфору и марганцу.

Одна и главных задач этого этапа – удаление фосфора. Для ее осуществления требуется сравнительно невысокая температура и присутствие в достаточном количестве FeO. При взаимодействии ингредиентов фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 + P2O5.

Присутствие в шлаке более стойкого основания СаО вызывает замещение FeO. В результате оно связывает фосфорный ангидрит в другое соединение (CaO)4 х P2O5 + 4 Fe, чего и требовалось добиться.

Чистый Fe высвободился в расплаве, а фосфор образовал шлак, который удаляется с зеркала металла и утилизируется за ненадобностью. Поскольку фосфорный ангидрид преобразует состав шлака, процесс должен идти непрерывно.

Поэтому FeO должен непрерывно пополняться за счет загрузки новых партий железной руды и окалины, наводящих в расплаве железистый шлак.

Особенности второго этапа

Технология производства стали на втором этапе называется кипением стали. Основное назначение заключается в процентном снижении содержания углерода за счет окисления. FeO + C = CO + Fe.

Реакция окисления происходит более интенсивно при кипении и сопровождается поглощением тепла. Поэтому необходимо создавать постоянный приток тепла в ванну, а также для выравнивания температуры в расплаве.

При такой реакции окисления интенсивно выделяется газ оксида углерода CO, что вызывает бурное кипение в жидком агрегатном состоянии, по этой причине процесс называют кипением. Чтобы излишки углерода интенсивнее преобразовывались в окись, производство качественной стали предусматривает вдувание чистого кислорода и добавление в расплавленную структуру окалины. Поэтому таким важным является качество сырья для производства стали. Все исходные материалы проходят щепетильную проверку.

Немаловажным на этом этапе является вывод серы, благодаря чему повышается качество конечной стали. Используемая в компонентах сера, присутствует не в прямом виде, а в форме сульфида железа FeS.

При высоких температурах компонент также взаимодействует с оксидом СаО, образуя сульфид кальция CaS, который растворяется в шлаке, не соединяясь с железом. Это позволяет беспрепятственно выводить сульфид за пределы ванны.

Конвертерное производство стали

Раскисление

Третий этап – раскисление металла. После добавления кислорода (на предыдущем этапе) требуется снизить его содержание в чистой стали. Использованием О2 удалось добиться окисления примесей, но его остаточное присутствие в конечном продукте снижает качественные характеристики металла. Требуется удалить или преобразовать окислы FeO, связав кислород с другими металлами.

Для этого существуют два метода раскисления:

• диффузионное;
• осаждающее.

При диффузионном методе в расплавленный состав вводят добавки: алюминий, ферромарганец и ферросилиций. Они восстанавливают оксид железа и переводит в шлак. В шлаке оксид распадается и высвобождает чистое железо, которое поступает в расплав. Второй высвободившийся элемент – кислород улетучивается в окружающую среду.

Осаждающий метод предусматривает введение добавок, имеющих большее сродство с кислородом, чем Fe. Происходит замещение этими веществами железа в окисле. Они, как менее плотные, всплывают и выводятся вместе со шлаком.

Процесс раскисления продолжается при затвердевании слитка, в кристаллической структуре которого оксид железа и углерод взаимодействуют. В результате чего вместе с пузырьками азота, водорода он выводится.

Чем больше при раскислении выводится включений различных металлов, тем выше ковкость получаемой стали. Для проверки раскаленный кусок металла подвергают ковке, на нем не должны образовываться трещины. Такая проверка пробы говорит о правильном проведении процесса раскисления.

В зависимости от степени раскисления специалисты могут получить:

• спокойную сталь полного раскисления;
• кипящую раскисленную не полностью сталь, когда процесс выведения пузырьков угарного газа СО продолжается в ковше и изложнице.

Для получения легированных сталей с добавками некоторых металлов в расплавленный металл добавляются ферросплавы или чистые металлы. Если они не окисляются (Ni, Co, Mo), то такие добавки могут вводиться на любом этапе плавки. Более чувствительные к окислению металлы Si, Mn, Cr, Ti добавляют в ковш или, что обычно и происходит, в форму для отливки металла.

Существуют основные способы получения стали в сталеплавлении.

Мартеновский способ

Этот способ применяется для производства сталей высокого качества, применяемых в особо ответственных деталях машинах и точных механизмах.

В свое время он заменил трудоемкие и малопроизводительные тигельную и пулдинговую плавки, применявшиеся ранее.

Емкость загрузки одной отражательной печи, используемой при этом методе, достигает 500 тонн. Особенностью мартеновского способа является возможность переплавки не только передельного чугуна, но и металлургических отходов, металлического лома.

Температура нагрева жидкой стали достигает 2 тыс. градусов. Этот результат достигается специальной конструкцией мартеновской печи:

• применением дополнительного тепла регенераторов, получаемого сжиганием коксовального или доменного газа в струе горячего воздуха;
• отражения от свода закачиваемого газа в результате сгорание топлива в нем происходит над ванной с металлом, что способствует быстрому нагреву содержимого;
• применением реверсирования нагревающего потока.

Мартеновская печь состоит из следующих элементов:

• рабочего пространства с огнеупорной футеровкой стенок и завалочными окнами;
• подины (основания) из магнезитового кирпича;
• свода печи;
• головки печи;
• шлаковика для выведения пыли;
• регенератора с перекидными клапанами.

Процесс плавки занимает от 4 до 12 часов. С целью ускорения процесса плавки объем закачиваемого кислорода превышает потребности, что повышает производительность плавки на 20–30%.

Конвертерный метод

В конверторах выплавляют сорта стали для производства автомобильного листа, инструментальной стали сварных конструкций и других стальных заготовок. По качеству они уступают мартеновскими применяются для изготовления менее ответственных изделий.

В них содержится больше примесей, чем при мартеновском изготовлении. Благодаря высокому объему загрузки одной печи до 900 тонн, способ считается самым производительным, поэтому получил широкое распространение.

Производство стали и другого вида металла этим методом основано на продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом под давлением 0,3–0,35 МПа, при этом металл разогревается до 1600 градусов. Плавка скоротечна и длится до 20 минут. За это время происходит окисление углерода, кремния и марганца, содержащихся в сырье, которые извлекаются из ванны с расплавом шлака.

Конвертер представляет сосуд ретортообразной (грушевидной) формы, состоящий из стальных листов с футеровкой изнутри. Для заливки чугуна и выпуска готовой стали используется одно отверстие, в него также загружается чугун и скрап.

Рождение стали

Особенности процесса

Вместе с ними загружаются шлакообразующие вещества: известь и бокситы. Корпус охвачен опорным кольцом, прикрепленным к поворотным цапфам. С их помощью сосуд наклоняется и через это отверстие – летку выливается готовая сталь. Нижняя продувка осуществляется через сквозные отверстия (фурмы), сделанные в днище печи.

Исторически повелось, что используемый везде способ называется томасовским, бессемеровским. В прошлом веке преобладающим стал мартеновский процесс. Нагрев регенератора осуществляется продувкой печных газов, после чего он нагревается холодный воздух, поступающий на расплав.

В современных конструкциях чаще применяют верхний способ, при котором продувка на огромной скорости осуществляется через опускаемые к поверхности металла сопла. В России преимущественно используется именно верхняя продувка печей.

Находясь под струей воздуха, чугун интенсивно окисляется в зоне контакта. Поскольку его концентрация значительно больше других примесей, преимущественно образуется оксид железа. Но он растворяется в шлаке. Поэтому металл обогащается выделяемым кислородом.

Окисляются C, Cr и Mn, снижая процентное содержание в структуре металла. Окисление сопровождается выделением тепла. Благодаря присутствию шлаков СаО и FeO до разогрева происходит выведение фосфора в самом начале продувки.

Шлак с ним сливается и наводится новый. Производство стали сопровождается экспресс-анализами и контролем текущих изменений приборами контроля, вмонтированных в печь. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,075%.

Кислородно-конвертерный способ получения стали

Производство стали сегодня осуществляется в основном этим способом. На долю кислородно-конверторного производства совсем недавно приходилось до 60% мирового производства стали.

Однако, этот процент снижается в связи с появлением электродуговых печей (ЭДП). Продувка печей осуществляется чистым кислородом (99,5%) под высоким давлением.

Продукт кислородно-конвертерной печи представляет сталь с заданными химическими свойствами. Она поступает в машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), где материал застывает в форме блюма или плиты. Для получения определенных жестких параметров металл подвергается вторичной переработке.

Электросталеплавильный способ

Производство стали электрической плавкой обладает рядом неоспоримых преимуществ. Этот способ считается основным при выплавке высококачественных легированных сталей.

Достигаемая при этом высокая температура позволяет выплавлять стали, содержащие тугоплавкие металлы:

• молибден;
• вольфрам;
• ванадий.

Высокое качество достигается практическим отсутствием в сталях фосфора, серы и кислорода. Этот способ также применяется для производства широкой номенклатуры строительных сталей.

Выделение тепла не связано с потреблением окислителя, а происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Она выделяется при прохождении электрической дуги или наведения вихревых токов. В зависимости от принципа работы печи подразделяются на электродуговые и индукционные.

Электродуговая печь способна принять одновременно от 3,5 до 270 тонн сырья:

• жидкой стали из конвертеров;
• скрапа;
• железной руды.

Она имеет несколько электродов из графитосодержащего материала, к которым подводится электрическое напряжение. Время плавки составляет до 1,5 часа, при этом температура дуги достигает 6 тыс. градусов.

Особенности электроиндукционных печей

В электроиндукционных печах сталь выплавляют в небольших по объему (4,5–60 тонн) емкостях, именуемых огнеупорными тиглями. Вокруг тигля располагается индуктор, состоящий из большого количества витков провода.

При прохождении переменного тока внутри индуцируются вихревые токи большой силы, вызывающее плавление содержимого тигля. Электромагнитные силы одновременно перемешивают расплав стали. Продолжительность плавки в таких печах не превышает 45 мин.

Электросталеплавильный способ производит мало дыма, пыли и меньше излучает световой энергии. Однако, высокая стоимость электрооборудования при малой вместительности ограничивает применение этого способа.

Помимо рассмотренных вариантов, существуют не только основные способы производства стали. В современном сталеплавлении используется плавка в вакуумных индукционных печах и обогащение процентного содержания железа в окатышах плазменно-дуговым переплавом.

Виды получаемых сталей по химическому составу

Производимая этими методами сталь делится, в зависимости от химического состава, на две большие группы:

• углеродистую;
• легированную.

Процентное содержание элементов в углеродистой стали:

Наименование	Fe	С	Si	Mn	S	P
Содержание в процентах	до 99,0	0,05–2,0	0,15–0,35	0,3–0,8	до 0,06	до 0,07

В углеродистых сталях прочность недостаточно сочетается с пластичностью. Недостаток устраняется введением добавок других металлов, такая сталь называется легированной.

Согласно ГОСТ 5200 выделяют три группы легированных сталей с допустимым содержанием примесей:

• низколегированная не более 2,5%;
• среднелегированная в диапазоне 2,5–10%;
• высоколегированная свыше 10%.

С каждым годом способы плавки усовершенствуются благодаря вводу в строй нового высокотехнологичного оборудования. Это позволяет получать в сталелитейной промышленности высококачественные стали с оптимальным содержанием добавок и металлов.

Производство чугуна. Исходное сырье для производства чугуна

Основным способом получения чугуна является доменный процесс, осуществляемый в специальных (доменных) печах. Доменная печь работает непрерывно до капитального ремонта в течение многих лет.

Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным комплексом трудоемких подготовительных производственных процессов. Соответствующая технологическая схема представлена на рис.6.1.

Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного

Рис.6.1 — Схема металлургического производства

агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых мате­риалов — дробления, сортировки, обогащения, окускования — зависит в конечном счете качество выплавленного чугуна.

^ 6.2. Исходное сырье для производства чугуна

Железные руды . Железными рудами называют породы, содержащие металл. Обычно в руде содержится металл в таком количестве, которое позволяет экономично и выгодно извлекать металл.

Железные руды представляют собой главным образом соединения железа с кислородом (окись железа) и пустой породой (землис­той примесью в виде песка, глины и известняка). Рудным минералом называют природные химические соединения железа. В доменных печах железо практически полностью (98 — 99%) переходит в состав чугуна.

^ Пустая порода (балластные соединения, не содержащие железа) может иметь различный химический состав. Обычно она состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ кремнезем и реже — из известняка или доломита. В доменной печи пустая порода плавится и переходит в состав шлака.

В зависимости от количества пустой породы железные руды разде­ляют на богатые, содержащие 45 — 70% железа, и бедные. ^ Богатые ру­ды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные под­вергают обогащению, в результате которого увеличивается относи­тельное количество окислов железа.

В железных рудах всегда содержится некоторое количество вред­ных примесей — серы, мышьяка и фосфора. В первую очередь разрабатывают месторождения, железная руда которых содержит незначительное количество вредных примесей и незначительное количество пустой породы.

Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.

^ Красный железняк (гематит) содержит 55-70% железа в виде безводной окиси железа Fe 2 O 3 . Примесей серы и фосфора в нем мало. Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его в доменных печах хорошая. Наиболее крупные залежи красного желез­няка находятся в районе Кривого Рога. Встречаются эти руды также на Урале и в Сибири.

^ Бурый железняк содержит 35-55% железа в виде водных окислов и чаще всего в виде лимонита. В некоторых видах бурого железняка содержится много фосфора. Пустая порода имеет песчано-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке гидратная влага при высоких температурах удаляется и руда становится пористой и хорошо восстановимой.

^ Магнитный железняк (магнезит)- минерал черного цвета, содержащий железа 45 — 70%. Это наиболее богатая руда, с небольшим содержанием вредных примесей — серы и фосфора, обла­дает магнитными свойствами, плотна. Железо восстанавливается с трудом.

^ Комплексные железные руды , кроме железа, содержат и другие металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его, т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным же­лезным рудам относятся следующие:

Хромоникелевая железная руда, представляющая собой бурый железняк (35 — 40% Fe) с примесью хрома (0,8-1,6%) и никеля (0,4-0,7%);

Ванадистые титаномагнетиты руды состоят из смеси магнетита, ильменита и трехокиси ванадия и содержат 38-47% Fe, 5-15% ТiO 2 , 0,3 — 0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путем.

^ Марганцевые руды . Железные руды обычно содержат незначительное количество марганца, поэтому при выплавке чугуна в шихту приходится добавлять марганцевую руду.

В доменном производстве применяют марганцевые руды с содержанием 25 — 40% Мn. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок. Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образуется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды промывают водой для обогащения.

Наиболее крупные запасы марганцевых руд сосредоточены в Чиатурском (Грузия), Никопольском (Украина) и Мазульском (вблизи г.Ачинска) месторождениях.

^ Отходы металлургического производства . В доменную печь загружают также некоторое количество металлургических отходов: колошниковую пыль (30 — 45% Fe и 3 — 12% С), которую предварительно подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца (10 — 18% Fe, 6 — 10% Мn); окалину прокатного и кузнечного производств и сварочные шлаки.

Флюсы — это различные минеральные вещества, добавляемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустых пород, удаления золы и серы, а также остатков сгоревшего топлива. Флюсы образуют с пустой породой и золой топлива легкоплавкие сплавы, которые отделяются от металла в виде шлака. Способствуя образова­нию шлаков, флюсы тем самым дают возможность отделить от металла пустую породу.

При наличии в руде песчано-глинистых примесей в качестве флюса применяют известняк, а при известковистом составе пустой породы флюсом служат вещества, содержащие кремнезем, кварц и песчаник.

Топливо. Значение топлива в металлургии исключительно велико, так как процессы получения металлов из руд. производства стали и цветных металлов связаны с их расплавлением. Кроме того. обработка металлов давлением (прокатка, ковка, штамповка), терми­ческая обработка и др. также требуют нагрева.

Топливо является не только источником тепла для расплавления руды, но также участвует в химических реакциях протекающих в доменной печи при выплавке чугуна.

При производстве чугуна применяется твердое топливо — кокс или древесный уголь.

Кокс получают путем нагрева особых спекающихся (коксующихся) каменных углей Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского и Пе­чорского бассейнов в специальных печах при температуре 1000- 1100°С без доступа воздуха. Теплотворная способность кокса 7000 — 8000 ккал/кг.

Кокс обладает значительным сопротивлением раздавливанию и истиранию. Недостаток кокса — высокое содержание серы (до 2%) и золы (9-12%).

^ Древесный уголь — продукт нагрева древесины при 400 — 500°С без доступа воздуха. Это наиболее совершенный вид топлива. Содержание золы в древесном угле около 0,8 — 1,0%, а сера и фосфор практически отсутствуют. Недостаток древесного угля — малая проч­ность, что ограничивает высоту доменных печей. Необходимость бе­режного отношения к лесным богатствам позволяет применять дре­весный уголь только для выплавки высокосортных чугунов.

Одним из наиболее эффективных заменителей кокса для доменного процесса является природный газ, применение которого снижает себестоимость чугуна, так как стоимость газа в десятки раз ниже стоимости кокса.

^ 6.3. Подготовка шихты к плавке

Кокс перед загрузкой в доменную печь просеивают на роликовых (дисковых) грохотах. Флюсы дробят в щековых или валковых дро­билках, а затем просеивают на колосниковых (встряхивающих) или барабанных (вращающихся) грохотах.

Подготовка железных руд к плавке зависит от содержания в них железа и их физических свойств. Богатые железные руды направляют на специальные фабрики для дробления и сортировки. Крупные фрак­ции железных руд (более 60-100 мм) поступают на дробление до кус­ков средних размеров с последующей сортировкой. Средние фракции (30-80 мм) направляют железнодорожным или водным транспортом без предварительной обработки на склад металлургического завода.

При складировании железных руд на металлургическом заводе принята определенная система, позволяющая усреднять их состав.

Руду выгружают из вагонов или судов в высокие штабеля и затем пересыпают грейферным краном с одного места на другое. Этим дости­гается перемешивание руды и выравнивание ее химического состава.

Бедные железные руды перед доставкой на металлургический завод обогащают. Известно несколько способов обогащения железной руды. Так, бурый железняк с песчано-глинистой пустой породой промывают сильной струей воды. Пустая порода отделяется от рудного вещества и уносится водой. Эту операцию осуществляют в корытных мойках, вра­щающихся в цилиндрических или конических барабанах, а также в от­садочных машинах с неподвижным или подвижным решетом и пульси­рующей восходящей струей воды. Промытую руду после естественной или искусственной сушки направляют в плавку.

Бедные железные руды, содержащие вкрапления магнетита Fe 3 O 4 , обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабан­ного или ленточного типа. Руду с крупными и средними вкраплениями магнетита дробят до кусков размерами 25 — 30 мм и подвергают сухой магнитной сепарации. Руду с мелкими и тонкими вкраплениями магне­тита сначала измельчают до частиц размерами 3 мм, а затем подвергают мокрой магнитной сепарации.

Мелкие фракции железных руд и концентрат, оставшиеся после отсева и мокрой магнитной сепарации, а также пылеватые железные руды можно использовать для плавки только в окускованном виде.

Доля концентрата в общем производстве руды достигла 62%, а доля железа в ряде случаев достигает 69%.

Известно несколько способов окускования рудной мелочи и пылеватых руд. Так, при брикетировании мелкий материал прессуют в специальных формах с добавкой связующих материалов (глины, жидкого стек­ла, смолы, цемента) или без них. После воздушной сушки или высоко­температурного обжига полученные брикеты приобретают необходи­мую прочность. Они представляют хороший материал для выплавки чугуна, однако процесс их получения сложен и недостаточно произво­дителен.

Очень перспективна и все шире применяется подготовка к плавке пылеватых руд и тонкоизмельченного рудного концентрата путем изготовления комков или окатышей. Для получения окатышей пылеватую рудную массу смешивают с незначительным количеством связ­ки (тонкоизмельченой глиной, известью и др.), затем увлажняют до 8 — 10% и загружают в смесительное устройство — вращающуюся неглубокую наклонную чашу или в барабан. При вращении смесителя увлажненная рудная шихта перемешивается. Сначала образуются слипшиеся комочки, а затем шаровидные комки (окатыши) размерами 25-30 мм. После механизированной выгрузки из смесителя окатыши подвергают сушке и обжигу.

Широко распространен способ окускования мелких и пылеватых железных руд агломерацией (спеканием) на колосниковой решетке аг­ломерационных машин. Производительность этих машин достигает 2-2,5тыс.т агломерата в сутки. Для агломерации приготовляют спе­циальную шихту, состоящую из рудной мелочи размером 5-8 мм, колошниковой пыли, рудного концентрата и измельченных до 3 мм отходов коксика. Масса коксика составляет 6 — 10% массы шихты; соотношение между массами рудной мелочи, колошниковой пылью и концентратом определяется местными условиями. Эту шихту перед спеканием увлажняют до 5 — 6% и тщательно перемешивают в смеси­тельных устройствах. При перемешивании образуются комочки, в результате чего шихта приобретает зернистый характер. В таком сос­тоянии ее загружают на колосниковую решетку агломерационной ма­шины слоем толщиной 200 — 300мм и поджигают газовой горелкой сна­ружи. Под колосниковой решеткой находятся вакуумные камеры; мощный эксгаустер создает в них разрежение. Оно обеспечивает про­хождение воздуха через слой шихты и, следовательно, перемещение зоны горения коксика по толщине шихты (горение заканчивается у колосниковой решетки агломерационной машины). При горении кок­сика развивается высокая температура (до 1450°С) и образуется по­ристый продукт (агломерат).

Образование агломерата обусловлено появлением в горячем слое шихты файялита, имеющего температуру плавления около 1210°С. С другими окислами шихты файялит образует более легкоплавкие соединения, переходящие в жидкое состояние при 1130-1200°С. Эти соединения размягчаются и плавятся раньше дру­гих компонентов шихты. При этом они связывают более тугоплавкие и крупные частицы руды. Количество этой связки зависит от содержания кокса в шихте. Чем оно больше, тем прочнее агломерат после остыва­ния.

Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой пористостью, хорошей восстановимостью. Применение его увеличивает производи­тельность доменной печи и несколько сокращает расход топлива на 1 т чугуна.

В последнее время на металлургических заводах стали широко при­менять офлюсованный агломерат, получаемый путем спекания желез­ной руды с добавкой известняка. Оптимальное количество известняка в агломерате определяется отношением, т.е. его основностью. Основность агломерата и доменного шлака в среднем равна 1 — 1,4.

Офлюсованный агломерат восстанавливается легче обычного, но он прочен. Такой агломерат облегчает образование шлака в доменной пе­чи, уменьшает расход известняка и кокса. При использовании офлюсованного агломерата флюсы в доменную печь не загружают.

^ 6.4.Устройство доменной печи

Технический прогресс в доменном производстве характеризуется прежде всего увеличением объемов доменных печей.

На рис.6.2. дана современная схема доменного производства.

Доменную печь относят к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков; она состоит из нижней цилиндрической час­ти — распара, средней конической части и верхней цилиндричес­кой части — колошника.

Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание про­плавляемых материалов и распре­деление газов по поперечному се­чению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объ­ема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).

В верхней части горна располо­жены воздушные фурмы. Из коль­цевого воздухопровода воздух пос­тупает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рука­ву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собст­венной фурмы, бронзового коничес­кого холодильника и чугунной ам­бразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150-200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр вы­ходного отверстия фурмы состав­ляет около 150 — 160 мм.

Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из несколь­ких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпуска­емые через соответствующие летки в ковши.

Чугунная летка находится на 600 — 1700 мм выше уровня лещади.Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего: через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах — свыше 3200м 2 — ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.

Шлаковые летки располагают на 1,4-1,9м выше уровня чугунной летки. Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждаемую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь пе­чи, а более широкое наружное — в сторону желоба для выпуска шлака. В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим стопором.

Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По на­ружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, под­держивающие опорное кольцо шахты печи.

Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки гор­на и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми холодильниками.

Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из узкой приемной вращающейся воронки.

^ 6.5. Порядок работы доменной печи

Задувка доменной печи . Новую доменную печь после проверки работы оборудования ставят под задувку, т.е. ее подготавливают для непрерывной работы в течение 5-10 лет. Задувку печи начинают с медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5 — б суток. Для этого в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник.

После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно за­гружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают дутье. Задувочная шихта состоит только из одного кокса (холостые колоши), а затем — из кокса с небольшим количеством флюса и руды. С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают со­держание руды и флюсов до расчетных значений.

Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15-20ч после задувки, а чугуна — через сутки. Образующийся при задувке печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газоочистку и далее потребителю.

Схема работы доменного цеха приведена на рис.6.4. Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах к скиповой яме. Скип загружают шихтой из загрузочной воронки. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку с малым конусом, затем в загрузочную воронку с большим конусом и далее в рабочее пространство печи.

После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с ма­лым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распре­делить шихту на поверхности большого конуса перед опусканием ее в печь. Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном ап­парате доменной печи производится независимо друг от друга.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления.

^ 6.6. Сущность процессов, происходящих в доменной печи

Реальное исходное сырье металлургического производства загруженное в доменную печь претерпевает сложные процессы. Так при горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образу­ющихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскален­ных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физических и химических изменений. На колошнике печи температура га­зов равна 300 — 550°С, а вблизи фурм она достигает 1900°С. Здесь про­исходит горение углерода кокса по реакции

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция ). При контакте с раскаленным коксом образо­вавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции

Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свой­ства.

При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые ма­териалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически свя­занную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрес­киваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102- 105°С и в некоторых случаях заканчивается при 450 — 500°С.

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н 2 , СН 4 и др.).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекис­лых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900 — 1000°С по реакции

Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400 — 550°С) по реакции

Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО 3 и дру­гих углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних гори­зонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции С); твердый углерод находится в раскаленном коксе. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой являет­ся металлическое железо. Она называется реакцией косвенного вос­становления железа и протекает при умеренных температурах (500 — 900°С) с выделением тепла.

В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температу­рах (выше 1000-1100°С) в печи происходит не только восстановление железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регене­рация окиси углерода.

Одновременное течение реакций позволяет суммировать их и получить

Реакцию (6.5) называют реакцией прямого восстановления железа . Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и чем выше температура находящихся здесь материалов тем лучше, так как реакция эндотермическая идет с поглощением тепла.

Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую темпе­ратуру плавления (1539°С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается.

Температура плавления этого железа понижается до 1150-1200°С. Науглероженное железо (1,8-2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3,5-4%, т. е. до обычного содержания угле­рода в жидком чугуне.

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа про­исходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, ко­торые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме . Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеро­дом по реакции

Реакция (6.6) сопровождается поглощением тепла и протекает при температурах выше 1100 — 1200°С. Это определяет режим работы печи при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагребе дутья (до 1200°С и выше; в перспективе даже до 1400°С).

Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом.

Для достижения высоких температур и форсирования плавки ших­ты в печь подают горячий воздух ^ 6 (дутье). Холодный воздух из возду­ходувки пропускают через нагретую до 1000-1200°С насадку воздухо­нагревателя 12 . В результате воздух нагревается до 780-950°С. Пока один воздухонагреватель 12 отдает тепло кладки холодному воздуху (и в результате остывает), второй воздухонагреватель 13 нагревается до температуры 1200°С, т.е. регенерирует тепло, выделяющееся при сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в га­зоочистителе 14 ; продукты горения удаляются в дымовую трубу 15 .

После остывания насадки воздухонагревателя 12 и достаточного нагрева насадки воздухонагревателя ^ 13 производят перекидку клапанов; холодный воздух направляется в воздухонагреватель 13, а воздухонагреватель 12 нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на на­грев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч. Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три воздухонагревателя. Через шлаковую летку 10 удаляется шлак, а через летку 11 — чугун.

Таким образом, доменный цех со вспомогательными производствами представляет сложную систему, призванную бесперебойно и непрерывно работать много лет без остановки.

Рис.6.4 — Схема работы доменного цеха

Эта реакция в чистом виде развивается при 1450°С, но в присутствии восстановленного металлического железа начинается при более низкой температуре (1050-1100°С). Таким образом, при выплавке чугуна крем­нистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и более высоком нагреве дутья.

Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей. В присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается твердым углеродом. Реакция происходит в печи очень легко и фосфор полностью переходит в чугун.

При достаточно большом насыщении шлака известью (45 — 50%) в горне печи наблюдается реакция, в результате которой часть серы переходит в шлак в виде нерастворимо­го в металле сернистого кальция. Для более полного протекания реак­ции необходимо регулировать образование шлака в печи. В част­ности, в шихту следует подавать определенное количество известняка и поддерживать в горне высокую температуру. Последняя зависит от расхода кокса, температуры дутья и правильного режима шлакооб­разования в верхних частях печи.

Образование шлака в печи происходит в две стадии. Примерно на уровне распара или нижней части шахты сначала образуется первич­ный шлак на основе легкоплавкой смеси нескольких окислов — извести, кремнезема, глинозема и закиси железа. При некотором соот­ношении указанных компонентов первые порции жидкого железистого шлака образуются при 1160 — 1200°С. Первичный шлак, стекая в горн, нагревается до более высоких температур и изменяет химический состав в связи с растворением в нем золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. В конечном шлаке остается очень мало закиси железа, но он обогащается известью, окисью магния, иногда глиноземом. В связи с этим обессеривающая способность шлака в горне резко возрастает.

^ 6.7. Продукция доменного производства

Современная доменная печь поглощает большое количество шихто­вых материалов и воздуха. Так, для производства каждых 100т пере­дельного чугуна необходимо в среднем подать в печь 190т железной руды (включая агломерат), 95т кокса, 50т известняка и около 350т воздуха. В результате кроме 100т чугуна получается около 80т шлака и 500т доменного газа. Чугун — это сплав железа с углеродом и другими примесями, в котором содержание углерода колеблется в пределах от 4,14% до 6,7%.

Углерод в чугуне может содержаться в виде механиче­ской примеси (свободного графита) и химического соединения с желе­зом, называемого карбидом железа или цементитом (Fe 3 C). Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют формы и легко поддаются обработке режущими инструментами. Они называются серыми или литейными чугунами. Характерным для них является повышенное содержание кремния и пониженное содержа­ние серы.

Кроме литейных и передельных чугунов, в доменных печах полу­чают специальные чугуны, или ферросплавы. Ферро­сплавы имеют повышенное (более 10%) содержание одного или не­скольких элементов, например, кремния, марганца и др.; применяются в качестве специальных присадок при выплавке стали.

В табл.6.1. приведено примерное содержание элементов в передель­ных, литейных чугунах и ферросплавах. Передельные чугуны разделяются по способу их дальнейшей переработки на сталь на мартеновские (М), бессемеровские (Б) и томасовские (Т). Кроме передель­ных чугунов, указанных в табл.6.1, выплавляются высококачественные чугуны трех марок (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ) с пониженным содержанием фосфора и серы. В нашей стране 75-80% выплавляемого чугуна составляет передельный чугун, 15-20% — литейный чугун и остальное — ферросплавы.

^ Таблица 6.1 — Химический состав чугуна различных сортов (в %)

Зеркальный (ГОСТ 5164-49) ферромарганец (ГОСТ5165-49)

Чугун — один из основных продуктов черной металлургии, не будет преувеличением заявление, что от количества выплавленного чугуна зависит стабильность и экономическая эффективность различных отраслей промышленности, начиная от машиностроения, заканчивая сельским хозяйством.

Основное сырье для чугуна — это железная руда, которая состоит из соединений железа и, так называемой пустой породы. Кроме этого, технология получения чугуна требует применения дополнительных компонентов. Обо всех, требующихся при выплавке материалах, и поговорим.

Компоненты, необходимые для получения чугуна.

Итак, чугун является химически сложным веществом, поэтому при его выплавке используют различные компоненты, каждый из которых выполняет свою определенную функцию.

В среднем, для производства 1 тонны металла необходимо около 3 тонн (в зависимости от содержания железа) руды, 1,1 тонны кокса, 20 тонн воды, плюс различное количество флюса.

• Основа чугуна — металлическая руда, состоит из различных соединений железа, а также пустых пород. Процентное содержание Fe в руде отличается в зависимости от типа материала, и варьируется от 30 до 70%.
• Флюсы, другое название плавни. Разнообразные породы, добавляемые в руду при плавке. Основной задачей является снижение температурного параметра плавления руды, которое обеспечивает более эффективный вывод шлака. В зависимости от типа пустых пород, применяются разные виды флюсов.

• Процесс выплавки чугуна требует большого количества тепловой энергии, причем температура горения топлива должна соответствовать условиям плавки. В качестве топлива в металлургии в основном применяют коксующиеся угли, термоантрацит, природный газ.

Свойства этих компонентов, для более полного понимания процесса плавки, рассмотрим подробней.

Железная руда — разновидности и свойства.

В природе существует большое разнообразие железных руд, но во многих из них содержание металла очень низкое, что делает нерентабельной ее переплавку. Кроме основных компонентов в состав руды входят и другие примеси, которые могут быть как полезными, так и вредными, ухудшающими свойства получаемого металла. К нежелательным примесям можно отнести примеси серы, которая имеется в руде в виде сульфида. Сера придает выплавленному металлу так называемую красноломкость, хрупкость при прокатке или ковке. Содержание серы в руде не должно превышать 0,15%. Негативное действие оказывает и фосфор, встречающийся в виде фосфатов, его превышенное содержание вызывает хладноломкость (хрупкость в нормальных условиях). Другие примеси оказывают в основном положительное влияние на получаемый металл, но при плавке стоит учитывать их содержание в руде, для того, чтобы получить требуемые качества чугуна. К таким примесям относят ванадий, титан, медь, марганец, хром. В металлургии применяют следующие виды железных руд:

• Магнитный железняк — основное сырье для чугуна, содержание железа достигает 60%, наличие нежелательных примесей минимально. Обладает значительными магнитными свойствами.

• Красный железняк (гематит), содержит безводную окись железа, которой имеется в руде до 66%, фосфор и сера присутствуют в небольших количествах.
• Бурый железняк, руда, содержащая до 55% железа, отличается большим количеством нежелательных примесей.

• Шпатовый железняк, содержит всего около 40% солей железа, что делает его применение ограниченным.
• Также применяются в производстве ферромарганца и зеркального чугуна марганцевые руды.

Флюсы, применяемые при плавке чугуна.

Выбор флюса зависит от особенностей состава пустых пород руды, различают основные и кислые флюсы.

• В качестве основного флюса выступают породы содержащие кальциты и магнезиты. Применяются при плавке руды, пустые породы которой в основном составляют глиноземы и кремнеземы.
• Для руд, пустая порода в которых состоит из известняка, применяют кислый флюс, состоящий из кремнеземистой породы.

Флюс, который вводится в шихту, связывает пустую породу, образуя с ней сплав, и выводится в качестве шлаков. Количество шлака достигает 80% от объема полученного чугуна.

Топливо, применяемое при производстве чугуна.

В роли основных видов топлива применяются природный газ и коксующийся уголь. Уголь при этом подвергается предварительной переработки для получения кокса. Это достигается путем его нагрева в безвоздушной среде до температуры, достигающей в среднем 1000 градусов, это обеспечивает испарение всех летучих соединений, и делает получившийся кокс одним из лучших топливных материалов для плавки чугуна. Удельная теплота сгорания, как кокса, так и природного газа создает оптимальные для металлургии условия производства металла. Правда значительное удорожание газа негативно сказывается на металлургическом комплексе.

Для производства высококачественного чугуна необходимо применение достаточно большого количества природных ресурсов. Поэтому и с экономической, и с экологической точки зрения, выгодным вариантом получения металла является вторичная переплавка металлолома.

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы в виде специально подготовленной смеси (шихты). При доменной плавке могут использоваться также отходы производства, содержащие Fe, Mn, CaO, MgO. К ним относят колошниковую пыль, окалину, сварочный и мартеновский шлаки.

Железные руды

Железные руды представляют собой горные породы, из которых при данном уровне развития техники, экономически целесообразно извлекать железо. Верхняя зона земной коры мощностью около 16 км содержит в среднем 4,9% Fe, входящего в состав более 350 минералов горных пород. Такие широко распространенные горные породы как гранит, базальт содержат 3 – 9% Fe. Однако, в настоящее время столь бедные железом породы, пока не используются. Железо в земной коре в чистом виде не встречается, а находится обычно в соединениях с кислородом, так как обладает сравнительно большим сродством к кислороду.

В природе в большинстве случаев, железо встречается в виде:

• магнитной окиси железа Fe3 О4 (магнитный железняк или магнетит);
• безводной окиси железа Fe2 O3 (красный железняк или гематит);
• водной окиси железа Fe2 O3 ⋅ nH2 O (бурый железняк или гетит);
• соединения железа с двуокисью углерода FeСO3 .

Магнитная окись железа

Магнитная окись железа в рудах представлена минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком. Магнетит можно рассматривать как закись-окись железа FeO ⋅ Fe2 О3. Под действием влаги и кислорода атмосферы закись железа в молекуле FeO ⋅ Fe2 О3 реагирует с кислородом воздуха, переходя в безводную окись железа Fe2 О3.

Образовавшийся минерал по составу является гематитом, но отличается кристаллической решеткой и называется мартитом. Поэтому магнетит в природных условиях всегда окислен. Для характеристики окисленности магнетита принято пользоваться отношением Feобщ / FeFeO . В чистом магнетите это отношение равно 3,0. Обычно к магнитным железнякам относят руды, в которых это отношение меньше 3,5. При отношении равном 3,5 – 7,0, руды относят к полумартитам, а при отношении, большим 7 – к мартитам.

Магнитный железняк встречается обычно в виде крепких кусковых руд. Он содержит: 55 – 60 % Fe, 0,02 – 2,5 % S, 0,02 – 0,7 % Р и обычно кислую пустую породу (SiO2 , Al2 О3). Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки можно обогащать электро-магнитным способом.

Безводная окись железа

Безводная окись железа в рудах представлена минералом гематитом. Руду, содержащую в основном гематит называют красным железняком, являющимся продуктом выветривания магнитных железняков или в значительной степени окисленным магнетитом. Руды бывают кусковатые, иногда пылевидные. В плотных породах цвет гематита меняется от стального до стально-черного. Для пылевидных руд характерен красный цвет. Красный железняк содержит 50 – 60% Fe, и обычно в таких рудах содержится мало серы и фосфора. Пустая порода таких руд обычно состоит из SiO2 и Al2 O3.

Водная окись железа

Водная окись железа представлена в рудах обычно минералами лимонитом или гетитом. Руды, содержащие эти минералы называются бурыми железняками (общая формула Fe2 O3 ⋅ nH2 O). Бурый железняк образуется при окислении железных руд других типов. Он наиболее распространен в земной коре, но используется сравнительно в небольшом количестве, так как трудно поддается обогащению. В добываемых рудах обычно содержится 25 – 50% Fe и повышенное количество фосфора (0,5 – 1,5% Р). Состав руды бывает разнообразен не только в различных, но и в пределах одного месторождения.

Бурые железняки, наиболее легко восстанавливаемые руды, благодаря малой плотности и большой пористости. В большинстве случаев руды загрязнены вредными примесями – фосфором, серой, мышьяком. Пустая порода глинистая, иногда кремнисто-глинистая.

Карбонат железа

Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом или углекислым железом FeCO3 , и руды, содержащие в основном сидерит, называются шпатовыми железняками. В рудах содержится 30 – 40% Fe. Часто сидериты содержат серу.

Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные соединения пустой породы и примеси, которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.

Полезные примеси

Полезными примесями являются марганец, никель, хром, ванадий.

Марганец улучшает механические свойства чугуна и стали, способствует удалению серы при десульфурации жидкого металла. Никель и хром повышают коррозионную стойкость стали. Благоприятное воздействие на качество стали оказывают ванадий и титан.

Вредные примеси

Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец, медь. Сера придает металлу красноломкость, снижая его механические свойства. Фосфор вызывает в металле хладноломкость, ухудшая свойства металла при низких температурах. Мышьяк понижает свариваемость металла, ухудшает механические свойства. Кроме того, является сильным ядом и присутствие его недопустимо в металлоизделиях, применяемых в пищевой промышленности (емкости для варки пищи, консервные банки). Цинк и свинец не растворяются в чугуне, поэтому они не могут влиять на его качество. Однако, цинк при плавке возгоняется и пары его, проникая в швы кладки, приводят к увеличению ее объема и разрушению кожуха печи. Свинец также способствует разрушению футеровки печи. Медь понижает свариваемость металла и придает ему красноломкость.

Однако, в некоторых случаях, фосфор и медь могут являться полезными примесями. Например, при выплавке некоторых марок стали.

Пустая порода руд преимущественно состоит из SiO2 , Al2O3, СаО и MgО, которые находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgО) / (SiO2 + Al2O3) ≈ 1. В этом случае снижается или отпадает совсем потребность во флюсе, увеличивается подвижность доменных шлаков. В природе такие руды встречаются очень редко и называются самоплавкими.

4.2.1 Сырьевые материалы и их подготовка к плавке. В качестве сырья для получения железа используют руды, которые делят на четыре типа: 1. Красные железняки – гематит – Fe2O3; 2. Магнитные железняки – магнетит – Fe3O4; 3. Бурые железняки – гидроксиды железа – Fe2O3 nH2O; 4. Сидериты – FeCO3. Пустая порода большинства руд состоит в основном из SiO2, и в меньшем количестве присутствуют Al2O3, CaO, MgO. В железных рудах есть в небольших концентрациях полезные (Mn, V, Cr, Ni) и вредные (S, P, As, Zn) примеси. Качество руды или ее металлургическая ценность, определяющая затраты доменного цеха на проплавку рудного материала зависит от содержания (количество пустой породы), состава пустой породы, содержания вредных и полезных примесей. Современное доменное производство предъявляет к железорудным материалам повышенные требования по гранулометрическому и химическому составу, по содержанию примесей, по прочности и пр. В состав шихты доменной плавки входит руда (большей частью в форме агломерата или окатышей) и отходы других производств, содержащие повышенное количество железа: колошниковая пыль, скрап, окалину, пиритные огарки (отходы сернокислотного производства) и др. От тщательности подготовки сырьевых материалов зависит производительность печи, расход кокса и качество получаемого чугуна. Основной целью подготовки сырья к доменной плавке является доведение содержания железа в рудной части шихты до 64-67 %. Поэтому практически все добываемые железные руды подвергаются полному комплексу подготовки: дробление, измельчение, грохочение, классификация, обогащение, усреднение, окускование. Подготовка основной массы руды начинается с ее обогащения, перед которым руда проходит стадии дробления и измельчения. Размер кусков измельченной руды определяется способом ее дальнейшей переработки. Для доменной плавки руда должна иметь крупность 40-100 мм, для агломерации – 6-10 мм, для обогащения до 0,1 мм. Размеры кусков руды, поступающей с рудников, достигает 1 м и более.

Для дробления руд используют различного рода дробилки, а для измельчения – шаровые мельницы. Для сортировки материалов по крупности применяют грохоты различных конструкций, а для разделения по крупности материалов мельче 1 мм используют методы гидравлической классификации. Обогащение железных руд проводят для повышения содержания в сырье железа за счет удаления части пустой породы и для этого используют промывку, гравитацию, магнитную сепарацию и редко флотацию. Промывкой обогащают руды, пустая порода которых состоит из песчаных и глинистых включений и ее использование может повысить содержание железа в сырье на 2-9 %. Гравитационное обогащение представляет собой разделение руды в тяжелых жидких суспензиях, плотность которых больше плотности пустой породы и меньше плотности рудных минералов. Магнитное обогащение – самый распространенный способ обогащения железных руд в отечественной металлургии: с его помощью получают до 90 % железорудного концентрата. Для этого используются барабанные или ленточные сепараторы, в которых частицы с высокой магнитной восприимчивостью отделяются от пустой породы. Окускование железных руд и концентратов проводят перед доменной плавкой, так как в этих печах допускается переработка материала крупностью 10-100 мм. Для этого используют два метода – агломерацию и сухую грануляцию (окатывание). Агломерация является основным способом окомкования железных руд и концентратов, и сейчас доля агломерата в шихте достигает 75 %. Агломерация процесс окускования мелких материалов путем их спекания. Спекание происходит за счет частичного расплавления наиболее легкоплавких компонентов шихты, расплав которых смачивает и при последующем охлаждении сваривает частицы тугоплавкой породы в прочный кусковой и пористый материал – агломерат. Окатыванием или холодной (сухой) грануляцией называют операцию укрупнения пылевидных материалов, при которой материал за счет его непрерывного окатывания и слипания превращается в шаровидные гранулы (окатыши), сохраняющие свою форму и размеры при дальнейшей переработке. Перед окатыванием материал увлажняют, а иногда добавляют связующие добавки: известь, сульфит целлюлоз

ный щелок сульфат натрия, и пр. В табл. 4.1. приведены составы руды Оленегорского месторождения и полученного из нее концентрата.

Таблица 4.1 — Химические составы руды и полученного концентрата

Мат Fe FeO Fe2O3 SiO2 CaO MgO Al2O3 P S ППП Руда Конц. 33,2 65,1 13,5 24,9 34,2 65,3 44,2 8,2 2,4 0,5 1,5 0,6 0,9 0,2 0,04 0,01 0,04 0,01 3,8 0,7

Из этой таблицы видно, что содержание железа в результате обогащения увеличилось в 2 раза, а количество пустой породы сократилось в 5,5 раз, благодаря чему во столько же раз сократится количество доменного шлака и расход топлива (кокса) на его плавление. 4.2.2 Доменное производство. Основным агрегатом для извлечения железа из руд является доменная печь (рисунок 4.1).

1 – скип; 2 – засыпной аппарат; 3 – кладка печи; 4 – система охлаждения; 5 – воздухопровод; 6 – отверстие для выпуска шлака; 7 – отверстие для выпуска чугуна; 8 – чугуновозный ковш; 9 – шлаковозный ковш

Рисунок 4.1 – Доменная печь

Верхняя часть печи называется колошником (К). Основной ча

стью печи по объему является шахта (Ш), представляющая собой усеченный конус. Самая широкая часть – распар (Р) переходит в заплечики (З), а самой нижней частью печи является горн (Г). В верхней части горна равномерно расположено 30-40 фурменных отверстий (Ф), через которые из кольцевого воздуховода подается в печь нагретый воздух. В нижней части горна расположены 2-4 отверстия для выпуска чугуна и шлака. Общая высота печи достигает 40-45 м, а диаметр распара – до 17 м. Загрузка доменной печи шихтой проводится скипами с помощью засыпного аппарата, который обеспечивает герметизацию печи от атмосферы. Шихта доменной печи состоит из трех компонентов в строго определенном соотношении: — железорудный материал – агломерат или окатыши; — кокс – главный источник тепла и реагент-восстановитель железа; — флюс – материал, снижающий температуру плавления пустой породы и золы кокса, в качестве которого чаще всего используют известняк СаСО3. Сущность доменного процесса заключается в том, что в верхней половине печи при умеренных температурах – 400-1100 С восстанавливаются оксиды железа из твердых кусков рудного материала. В расположенной ниже зоне с температурой 1100-1300 С – в так называемой зоне шлакообразования – происходит расплавление чугуна и пустой породы, которые стекают вниз и скапливаются в горне, разделяясь на две несмешивающиеся жидкие фазы. Доменный процесс противоточный: сверху вниз непрерывно опускаются материалы, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и участвует в восстановлении железа. Получение малоуглеродистого сплава железа (стали) в доменной печи невозможно, так как на всем пути движения железа до горна оно имеет непрерывный контакт с углеродом кокса и оксидом углерода доменного газа. Процесс плавки не прерывается, и доменная печь работает несколько лет. Современные доменные печи – высокопроизводительные агрегаты с высокой степенью механизации и автоматизации. Доменная печь объемом 5000 м3 имеет суточную производительность около 12000 т. чугуна (более 4 млн. т в год). 4.2.3 Химизм и механизм плавки. Доменная плавка является типичным восстановительным процессом. Условно все превращения

в доменной печи можно разделить на несколько стадий, основными из которых являются: горение углерода, и, по мере опускания шихты – термическое разложение компонентов, восстановление оксидов, образование чугуна и шлакообразование. Все эти стадии протекают одновременно на разных уровнях печи. Горение топлива (кокса, углеводородов природного и коксового газов, мазута) происходит за счет кислорода, вдуваемого в печь через фурмы. Основное количество теплоты выделяется при горении кокса, в результате чего в районе фурм создается температура около 2000 С:

С + О2 = СО2 + 393780 кДж.

Оксиды железа начинают восстанавливаться после нагревания до 250-400 С. Восстановление Fe2O3 до металлического железа происходит в диапазоне температур 570-900 С последовательно через промежуточные оксиды:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 111 кДж/кг Fe Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – 125 кДж/кг Fe FeO + CO = Fe + CO2 + 244 кДж/кг Fe По мере удаления от фурм начинает развиваться эндотермическая реакция

СО2 + С = 2СО – 2970 кДж/кг Fe.

Если восстанавливался FeO, то конечным результатом идущих последовательно вышеуказанных реакций будет их алгебраическая сумма

FeO + C = Fe + CO – 2726 кДж/кг Fe.

Эту последнюю реакцию, в результате которой образуется оксид углерода и железо, называют реакцией прямого восстановления. Реакции, конечным газообразным продуктом которых является диоксид углерода, называют реакциями косвенного восстановления железа. Следовательно, домну можно разбить на две зоны: — верхнюю, до горизонта с температурой около 1000 С, в которой идет косвенное восстановление железа, и

Нижнюю, где идет прямое восстановление железа. К моменту достижения шихтой горизонта с температурой 11001200 ºС значительное количество железа уже восстановлено, и в дальнейшем идет процесс науглероживания железа

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2.

Благодаря этому процессу в доменной печи невозможно получение малоуглеродистого сплава (стали), но образовавшийся высокоуглеродистый сплав железа с углеродом – чугун – имеет температуру плавления 1300 С, что на 230 С ниже, чем у железа. На различных горизонтах печи в железо переходит в небольших количествах кремний, марганец, фосфор, сера, а также ванадий, хром, никель и др. элементы. Готовый чугун в жидком виде собирается в металлоприемнике горна под слоем шлакового расплава. Шлакообразование начинает активно протекать после окончания процессов восстановления железа в области распара. Шлак образуется из оксидов пустой породы, золы кокса и добавляемых флюсов, которые при температуре 1400-1450 С обеспечивают жидкотекучесть шлаков. Шлак располагается над слоем чугуна и на 90 % состоит из CaO, SiO2 и Al2O3, а также небольших количеств FeO, MnO, MgO, CaS и других шлакообразующих компонентов.

Источник http://kamnedelmiass.ru/mineralnoe-syre-osnovnye-vidy-syrya-dlya-proizvodstva-stroitelnyh-materialov-ispolzovanie-minera/

Источник http://promzn.ru/metallurgiya/proizvodstvo-stali.html

Источник http://nikanovgorod.ru/sypuchie-materialy/production-of-cast-iron-raw-materials-for-pig-iron-production/