Изготовление кирпичей из железных отходов

Железные шламы представляют собой смешанное минеральное сырье, которое представляет собой минеральные отходы, выделяющиеся в виде шлама после переработки и магнитной сепарации железной руды. В их состав входят как химические, так и минеральные компоненты. Основным компонентом является кварц, содержащий в основном SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO и т. д., а также небольшие количества K₂O, Na₂O, S, P и других элементов. В большинстве железных хвостов основным компонентом является SiO₂. Для хвостов, используемых в качестве сырья для строительных материалов, ключевым свойством является их химическая реактивность в растворе Ca(OH)₂. Хотя сами железорудные хвосты практически не обладают гидравлическими цементными свойствами, при взаимодействии порошка железорудных хвостов, смешанного с водой, с Ca(OH)₂ при нормальной температуре или в условиях гидротермального отверждения могут образовываться соединения с хорошими гидравлическими цементными свойствами. Кроме того, согласно теории иерархической структуры композиционных материалов, армированных частицами, основная роль минеральных добавок заключается в том, чтобы вступать в реакцию с цементным материалом с образованием гелей или микрокристаллических минералов, тем самым увеличивая количество цементной фазы. Принцип аналогичен принципу действия строительных материалов из хвостов, полученных гидросинтетическим способом.

5.1.1.1 Производство необжигаемого кирпича и автоклавного кирпича

Непареные и необожженные кирпичи представляют собой один из видов строительных материалов из цементированных хвостов. Под ними понимаются строительные материалы или изделия, получаемые путем связывания частиц хвостов в единое целое с помощью цементирующего материала при комнатной температуре или при температуре ниже 100 °C, в результате чего образуются изделия правильной формы, отвечающие эксплуатационным требованиям. В таких материалах хвосты в основном выступают в качестве заполнителя и, как правило, не участвуют в химических реакциях, формирующих материал; однако их собственная морфология, гранулометрический состав, состояние поверхности, механическая прочность и химическая стабильность оказывают значительное влияние на технические характеристики материала. Основной принцип заключается в том, что сырье при смешивании вступает в реакцию с водой с образованием таких веществ, как гидрат силиката кальция (CSH) и гидрат алюмината кальция (CAH) (где C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃). Эти два продукта гидратации связывают частицы железорудных отходов между собой и являются основным источником прочности кирпичей из железорудных отходов.

Мааншанский институт горных исследований успешно изготовил необжигаемый кирпич с использованием хвостов с железных рудников Цидашань и Вайтоушань. В качестве основного сырья для этого типа необжигаемого строительного кирпича используется мелкий песок из хвостов (SiO₂ > 70%), смешанный с небольшим количеством заполнителя, известковым вяжущим и добавками. Добавляется необходимое количество воды, и после равномерного перемешивания смесь формуется на 60-тонном прессе при давлении 19,6–114,7 МПа. После извлечения из формы кирпичи выдерживаются в стандартных условиях (естественная выдержка) в течение 28 дней, после чего становятся готовой продукцией. Технологический процесс показан на рисунке 5-1. Были проведены испытания кирпичей из хвостов рудников Цидашань и Вайтоушань, и все показатели соответствовали требованиям к стандартному кирпичу 100-го сорта, указанным в “Технических условиях на неспеченный глиняный кирпич”, изданных бывшим Национальным бюро строительных материалов.

Даляньский технологический университет в сотрудничестве с горнодобывающим предприятием «Аньган Дагушань» разработал кирпич из хвостов обогатительной фабрики, прошедший обработку паром, в качестве основного сырья для которого использовались железные хвосты и известь с добавлением соответствующих количеств модифицирующих материалов и добавок. Данный кирпич продемонстрировал хорошие физико-механические свойства, соответствующие требованиям к стандартному кирпичу класса 100 и выше.

Фэн Сюэюань и др. использовали хвосты с высоким содержанием кремния, характерные для района Лунгуань уезда Чичэн города Чжанцзякоу, для производства кирпичей без паровой обработки и обжига. Кирпичи соответствовали требованиям национального стандарта MU10 по прочности на сжатие и изгиб. При оптимальном составе смеси коэффициент использования отходов достиг почти 50%. Чжан Цзиньруй, Цзя Цинмей и др. использовали отходы из Таншаньской железорудной шахты Ширенгоу, добавив в экспериментальном исследовании некоторое количество крупного заполнителя и цемента, и изготовили кирпичи из отходов с классами прочности MU10 и MU15. Содержание отходов в сырой смеси достигало 70% по массе.

Технология изготовления автоклавных кирпичей из железных отходов в основном аналогична технологии производства непареных и необожженных кирпичей, при этом основное отличие заключается в режиме отверждения. Цзя Цинмэй, Чжан Цзиньруй и др. также провели исследования по производству автоклавированного кирпича из высококремниевых железных отходов горнодобывающего предприятия «Таншань Ширэнгоу», достигнув хороших результатов. После добавления корректирующих материалов, дозирования, подготовки партии и вибрационного формования железорудные отходы подвергались автоклавированию в течение 11 часов. Полученные автоклавированные кирпичи из отходов соответствовали соответствующим стандартам по прочности на сжатие и изгиб, при этом коэффициент использования железорудных отходов был особенно высоким и составлял в среднем 50% в составе сырьевой смеси.

Рис. 5-1 Технологическая схема производства кирпичей из необжигаемых хвостов

Изготовление декоративного кирпича для стен и пола

Производство декоративного облицовочного кирпича из железных отходов отличается простотой технологического процесса, низкой стоимостью сырья, хорошими физическими свойствами, гладкой и привлекательной поверхностью, а также декоративным эффектом, сопоставимым с другими видами декоративного облицовочного кирпича (например, цементным напольным кирпичом, керамической глазурованной плиткой). Чэнь Цзичунь и др. успешно изготовили прессованный цветной тротуарный кирпич с использованием железорудных отходов с низким содержанием кремния (отходы крупнозернистого фракции из рудника Чэнчао, Уханьская горно-металлургическая компания). Оптимальное соотношение смеси было определено как цемент : летучая зола : песок из отходов = 25 : 10 : 65, с водоцементным соотношением 8%. Впоследствии они изучили влияние различных добавок на эксплуатационные характеристики продукта. Используя низкокремниевые отходы добычи железа (которые трудно утилизировать) вместе с влажной летучей золой, обычным портландцементом 425# и добавками TN, TH, TB, FN и TNC (коммерчески доступные химически чистые реагенты), они изготовили тротуарную плитку. Был определен порядок усиливающего воздействия добавок на прочность кирпича и другие свойства: FN > TNC > TN > TB > TH. Чжан И и др. использовали железорудные отвалы из Хуанмэйшаня (провинция Аньхой) в качестве основного сырья для производства цветного тротуарного кирпича методом формования с обратной вибрацией и прессования. Прочность кирпичей на сжатие превысила национальный стандарт, что соответствует требованиям дорожного строительства. Пропорции смеси и связанные с ней данные приведены в таблице 5-1. Цветной тротуарный кирпич, изготовленный методом обратной вибрации, является привлекательным, высокопрочным, противоскользящим и износостойким. Этот процесс требует небольших инвестиций, обеспечивает быструю окупаемость, позволяет производить высококачественную продукцию в широком ассортименте и обеспечивает высокую добавленную стоимость. Однако спрос и транспортные расходы высоки. Процесс прессования характеризуется высокой степенью автоматизации, большой производительностью, простотой технологического процесса и высокой эффективностью производства. Он предлагает множество преимуществ, таких как противоскользящие свойства, износостойкость, морозостойкость, водоотвод, простота укладки, простота демонтажа, простота заделки трещин и простота ремонта. Такая плитка широко используется в парках, на дорогах и площадях, имеет огромный спрос и большие перспективы развития.

Мааншанский институт горных исследований использовал мелкий хвост с железных рудников Цидашань и Вайтоушань, добавил небольшое количество неорганического вяжущего материала, обычного портландцемента, белого портландцемента и необходимое количество воды, а после равномерного смешивания и перемешивания изготовил декоративную облицовочную кирпичную плитку с двухслойной конструкцией (основа и поверхностный слой). Процесс производства показан на рисунке 5-2. Испытания продукции показали, что ее прочность на сжатие…

Таблица 5-1. Пропорции смеси и результаты испытаний на прочность при сжатии

Рис. 5-2. Технологическая схема производства декоративного облицовочного кирпича

Средняя прочность на сжатие составляет 19,6 МПа; прочность на изгиб — 5,0 МПа, а щелочестойкость и коррозионная стойкость находятся на достаточно высоком уровне. Производство декоративной облицовочной кирпичной плитки из железных отходов отличается простотой процесса, низкой стоимостью сырья, хорошими физическими свойствами, гладкой и привлекательной поверхностью, а также декоративным эффектом, сопоставимым с другими типами декоративной облицовочной кирпичной плитки (например, цементной напольной плиткой, керамической глазурованной плиткой).

Университет Тунцзи в сотрудничестве с Гушаньским железорудным рудником компании «Мааньшань Ирон энд Стил» использовал в качестве основного сырья порошок хвостов с размером частиц менее 0,15 мм, смешанный с порошком негашеной извести 10%–15%, и спрессовал в строительный кирпич для стен и пола различных размеров и форм. Полученный кирпич имеет коричневый цвет без добавления пигментов, с однородным цветом, который не выцветает, что делает его пригодным для открытой кладки. Использование портландцемента в качестве вяжущего дает еще лучшие результаты и еще больше упрощает процесс. Производимые декоративные облицовочные кирпичи особенно подходят для облицовки наружных стен. В качестве альтернативы поверхность готовых кирпичей можно обработать ненасыщенной полиэфирной смолой, смешанной с пигментами разных цветов, для получения одноцветных или глянцевых облицовочных кирпичей с рисунком натурального мрамора. Кирпичи также можно изготавливать без каких-либо пигментов, используя только смолу или другие покрытия для получения темно-коричневых глянцевых кирпичей, которые могут заменить обычную керамическую плитку и искусственный мрамор для внутренней отделки. Кирпичи из хвостов, обработанные атмосферным паровым отверждением, имеют прочность на сжатие 12,4 МПа и прочность на изгиб 3,0 МПа. Если в смесь добавить соответствующее количество летучей золы и небольшое количество гипса, прочность можно увеличить до более 20,0 МПа. Кроме того, испытания показали, что кирпич из хвостов данного типа также является материалом, устойчивым к воздействию атмосферных факторов.

 Производство машинно-прессованного песчано-известкового кирпича

На обогатительной фабрике железорудного рудника Цзиньлин, с учетом особенностей рудника, хвосты используются для производства прессованных кимберлитово-песчаных кирпичей. Эти кирпичи изготавливаются в основном из железных хвостов, смешанных с соответствующим количеством цемента, равномерно перемешиваются в сухом виде, затем смешиваются с небольшим количеством вяжущего материала и измельчаются для повышения поверхностной активности. После прессования на прессе кирпичи выдерживаются естественным образом. Процесс прост: не требуется обжига или обработки паром, что позволяет экономить энергию (экономия составляет около 0,16 т условного топлива на 10 000 кирпичей по сравнению с глиняными кирпичами) и не вызывает загрязнения окружающей среды. Производимые известьно-песчаные кирпичи имеют точные размеры, острые края, аккуратный внешний вид и ровную форму, что позволяет сократить количество необходимого штукатурного раствора, повысить эффективность работы и снизить затраты на строительство. В октябре 1989 года на шахте была построена производственная линия. Испытания показали, что все физико-технические показатели известино-песчаного кирпича соответствуют техническим требованиям стандарта на машинно-прессованный известино-песчаный кирпич класса 100.

5.1.1.4 Производство кирпичей из углекислых хвостов

В 1986 году на железорудном руднике Юцюаньлин начались исследования по использованию хвостов для производства карбонизированных кирпичей, которые увенчались успехом. Кирпичи из карбонизированных отходов — это строительные материалы, изготовленные из песка отходов и извести. После подготовки заготовки и прессования они подвергаются карбонизации с использованием углекислого газа (CO₂) из выхлопных газов известковой печи.

A. Принцип

В полуфабрикатах газированного известково-песчаного кирпича сначала образуются кристаллы гидроксида кальция в результате гидратации и затвердевания негашеной извести. Затем с помощью CO₂, полученного из отработанных газов печи для обжига извести, в процессе карбонизации образуются кристаллы карбоната кальция (CaCO₃). Химически связанная вода испаряется из гидратов, и продукт приобретает свою окончательную прочность при карбонизации. Химические реакции протекают следующим образом:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Ca(OH)₂ + nH₂O + CO₂ → CaCO₃ + (n+1)H₂O

B. Процесс

Песок из хвостов 80%–85% и известковый порошок 15%–20% дозируются, смешиваются с примерно 9% воды, перемешиваются, а затем формуются на кирпичном прессе с восемью формами. Перед загрузкой в печь кирпичи сушат либо в сушильной камере, либо естественным образом до тех пор, пока содержание влаги не станет ниже 4%. Затем их подвергают карбонизации в туннельной печи с содержанием CO₂ 20%–40% и глубиной карбонизации более 60%. После выхода из печи получается готовый продукт.

Процесс производства этого вида кирпича прост, может осуществляться как с использованием современного, так и базового оборудования и не сопряжён со сложными техническими проблемами. Его можно наладить в промышленных масштабах везде, где имеются песок из хвостохранилищ и известняк.

5.1.1.5 Производство глазурованной черепицы и кирпича

Отходы, выбрасываемые с железного рудника Вэйхай, представляют собой в основном серпентиновый шлак, годовой объем которого составляет 100 000–150 000 тонн. С целью комплексного использования серпентинового шлака с мая по июль 1987 года были проведены испытания на технологическую осуществимость процесса производства глазурованной черепицы из серпентинового шлака. Основными минеральными компонентами серпентинового шлака являются силикатные минералы, такие как серпентин, оливин, диопсид, тремолит и роговая обманка. Размер частиц после измельчения мелкий и однородный: как правило, 85% < 0,256 мм. Исходя из своих физико-химических характеристик (минеральный состав, химический состав, размер частиц и т. д.), шлак можно напрямую использовать в качестве основного сырья для производства обычных облицовочных материалов для гражданского строительства, таких как кирпич и плитка.

A. Принцип изготовления глазурованной черепицы и кирпича с серпантиновым шлаком

Этот принцип основывается главным образом на характеристиках плавления и кристаллизации минералов. В ходе процесса высокотемпературного плавления из твердой фазы в фазу «твердое-жидкое» силы отталкивания между молекулами в материале усиливаются, а силы связи между молекулярными узами ослабевают. В процессе кристаллизации из твердо-жидкой фазы в твердую фазу силы притяжения между молекулами увеличиваются, а силы связи между молекулярными узами усиливаются. Заготовка из серпентинового шлака для плитки/кирпича, химический состав которой характеризуется высоким содержанием SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO и Fe₃O₄, подвергается высокотемпературному плавлению и кристаллизации, завершая процесс физико-химической реакции «твердая фаза → твердо-жидкая фаза → твердая фаза». Это усиливает силы связи между молекулами, что приводит к изменениям твердости, прочности, коррозионной стойкости, водопоглощения и других свойств обожженных кирпичей/плиток, тем самым улучшая различные исходные физические свойства.

Б. Производственный процесс

Основной технологический процесс производства кирпича и черепицы с глазурью из серпентинного шлака включает в себя: подготовку сырья, формовку заготовок, нанесение глазури, сушку горячим воздухом и плавление-кристаллизацию.

(1) Подготовка сырья. С учетом химического состава и физических характеристик шлака необходимо подготовить исходный материал, обладающий более высокой огнеупорностью и мелкозернистостью по сравнению с обычными кирпичами/плитками. Заготовка в целом должна соответствовать следующим требованиям: химический состав – SiO₂ 60–70, Al₂O₃ 10–25, CaO+MgO 0–25, Fe₂O₃ 31–15; размер частиц – >0,25 мм: 21, 0,25–0,05 мм: 40, 0,05–0,005 мм: 45%, <0,005 мм: 12%; индекс пластичности <7 (по пределу жидкости и пределу пластичности); усадка при сушке <12%; линейная усадка при обжиге <8%.

(2) Штамповка заготовок. Подготовленное сырье перемешивается в смесителе до пластичного состояния, из него вырезаются заготовки, которые поступают в пресс-форму и прессоваются на прессе в черновые заготовки, после чего сушатся в сушильной камере.

(3) Остекление. Почти сухие необработанные заготовки подвергаются обработке поверхности, а затем, в зависимости от необходимости, покрываются глазурью (основной, цветной и т. д.). После сушки горячим воздухом в сушильной камере до влажности ниже 11 % они отправляются в печь.

(4) Плавление-кристаллизация. Высушенные заготовки помещаются в печь (как правило, это специально изготовленная пористая печь или туннельная печь из огнеупорных материалов). В течение первых 0–14 часов температура повышается в среднем на 50 °C в час; в течение 14–20 часов — в среднем на 30 °C в час. Затем температуру поддерживают на постоянном уровне в течение 25–28 часов, при этом температура в печи достигает 1000–1050 °C. Когда материал находится в состоянии твердого раствора, обжиг останавливают на 4–6 часов и понижают температуру для кристаллизации.

Процесс производства этой глазурованной плитки отличается простотой, использует широко доступное сырье и отличается низкой стоимостью, что открывает широкие перспективы для его применения.

5.1.1.6 Производство кирпичей из хвостов по принципу “три нет”

Компания “Анганг” (Аньшаньская металлургическая группа) начала производство кирпичей из железорудного шлама по технологии «три без» (без прессования, без обработки паром, без обжига), в качестве основного сырья для которых используется порошок железорудного шлама. Испытания показали, что эти кирпичи полностью соответствуют требованиям стандарта JC153-75 MU10, и продукт прошел техническую экспертизу на провинциальном уровне.

A. Основное сырье и требования к качеству

В качестве основного сырья для этих кирпичей используется порошок железного шлама, в качестве отвердителя — известь, а в качестве вяжущего — цемент.

(1) Порошок железных отходов: железорудные отвалы обогатительной фабрики Саншао в районе Аньшаня. Их химический состав, физические свойства и гранулометрический состав приведены в таблицах 5-2 и 5-3. Плотность: 2,85 г/см³; насыпная плотность: 1480 кг/м³; содержание глины ≤3%; содержание воды ≤2%.

Таблица 5-2. Химический состав порошка железных хвостов

Таблица 5-3 Распределение частиц по размерам в порошке железных хвостов

(2) Лайм: негашеная известь в качестве отвердителя. Содержание CaO ≥65% по массе; насыпная плотность 1100 кг/м³. Распределение частиц по размерам приведено в таблице 5‑4. Рекомендуемое количество добавки составляет 10%–20%.

Таблица 5-4 Распределение частиц порошка негашеной извести по размерам

(3) Добавка — летучая зола: Летучая зола — широко распространенный вид промышленных отходов. Плотность: 2,2 г/см³; насыпная плотность: 1000 кг/м³; степень измельчения: остаток на сите с ячейками 0,08 мм ≤8%; потеря при прокаливании ≤7%; содержание SO₃ ≤3%. Химический состав приведен в таблице 5‑5. Оптимальное количество добавки составляет около 15%.

Таблица 5-5. Химический состав летучей золы

(4) Активатор и композитная добавка: В качестве активатора используется гемигидрат гипса (CaSO₄·0,5H₂O); в качестве композитной добавки — самосмешанный агент K. Рекомендуемая доза добавки составляет 0,51–1,01 % от веса цемента.

(5) Цемент: Обычный портландцемент марки 325 или 425 либо портландцемент с добавлением доменного шлака. Количество определяется исходя из стоимости и, как правило, не превышает 151 т.

B. Механизм

Для достижения принципа “трех отсутствий” (без прессования, без обработки паром, без обжига) при производстве кирпичей из порошка хвостов необходимо, чтобы сырьевые материалы образовывали силикаты, алюминаты и гидратированные сульфоалюминаты при комнатной температуре. Анализ рентгеновской дифракции показывает, что сырые кирпичи содержат значительное количество геля или кристаллов тоберморита C-S-H, а также небольшое количество игольчатых кристаллов гидратированного сульфоалюмината кальция. Композитная добавка, вводимая в кирпичи, представляет собой высокоэффективное поверхностно-активное вещество. Ее диспергирующие и адсорбирующие эффекты повышают температуру гидратации цемента, улучшают условия на границе раздела фаз между частицами цемента, извести, порошка хвостов и летучей золы, ускоряют реакцию гидратации и обеспечивают значительную прочность при комнатной температуре.

К основным реакциям гидратации при изготовлении кирпича “три-нет” относятся (в формулах реакций C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃):

2C₃S + 6H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + 3Ca(OH)₂
2C₂S + 4H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂
C₃A + 6H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O
C₄AF + 7H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + CaO·Fe₂O₃·H₂O
3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄·2H₂O + 20H₂O = C₃A·3CaSO₄·3H₂O
xCa(OH)₂ + Al₂O₃ + mH₂O = xCaO·Al₂O₃·mH₂O
yCa(OH)₂ + SiO₂ + nH₂O = yCaO·SiO₂·nH₂O

Ca(OH)₂, образующийся в результате гидратации цемента, вступает в дальнейшую реакцию с активными компонентами Al₂O₃ и SiO₂ в порошке хвостов и летучей золе, образуя гидраты силикатов и алюминатов с низкой щелочностью, что придает кирпичной структуре плотность, повышает прочность и обеспечивает хорошую морозостойкость, водостойкость и другие превосходные характеристики.

C. Процесс

Процесс в основном включает дозирование, смешивание, выдержку, формование и отверждение. Соотношение компонентов сырья составляет: порошок хвостов : цемент : летучая зола : известь = 6:1,5:1,5:1 или 7:1:1:1; в смесь добавляется активатор (гипс), после чего все ингредиенты равномерно перемешиваются в сухом виде. Добавляют воду и K-агент и равномерно перемешивают вручную. Количество добавляемой воды обычно составляет 20–30 % от массы порошка хвостов. После перемешивания смесь оставляют отстаиваться на 20–30 минут, затем выдерживают, помещают в формы и разглаживают поверхность. Формы снимают через 24 часа, а кирпичи выдерживают на воздухе или в воде в течение одного месяца. Прочность в воде примерно на 20–30 % выше, чем на воздухе.

В этом процессе производства кирпича можно использовать большие объемы промышленных отходов, что способствует рациональному использованию сырьевых ресурсов, экономии энергии и снижению производственных затрат.

5.1.1.7 Производство остеконенного кирпича

Для производства стеклокерамического кирпича сырая руда должна иметь высокую массовую долю SiO₂ и Al₂O₃, а также содержать определенное количество низкоплавких веществ, таких как K₂O, Na₂O, CaO и MgO. Сравнение химического состава отечественных и зарубежных керамических стекловидных кирпичей с составом нескольких типичных китайских отходов железорудной переработки показывает, что отходы железорудной переработки типа Аншань в основном соответствуют требованиям к составу, а некоторые отходы железорудной переработки могут соответствовать требованиям при добавлении кварцевого песка. Примечательно, что железорудные отходы содержат определенное количество Fe₂O₃, которое после различных видов обработки может придать спеченному телу различные цвета, такие как коричневый, желтый, красный и черный. Это делает их естественным красителем для производства цветных керамических стеклокерамических кирпичей.

Еще в конце XX века в Китае начали изучать возможность использования отходов добычи железа для производства керамических стеклообразных кирпичей. В 1997 году Ни Вэнь и др. из Пекинского университета науки и технологий (USTB) впервые изготовили керамические стекловидные кирпичи с использованием отходов железной рудника Дамяо или с добавлением определенного количества глины. Кирпичи имели прочность на сжатие 162 МПа, прочность на изгиб 62 МПа и водопоглощение менее 0,11%. В последние годы, по мере того как внимание к утилизации отходов увеличивалось, а рыночный спрос на строительные материалы непрерывно рос, исследования по производству витрифицированных кирпичей из отходов добычи железа активизировались. В 2007 году Хунаньский научно-исследовательский институт цветных металлов использовал отходы металлургического комбината Бэньси в качестве сырья для производства витрифицированных кирпичей. Продукт имел серый цвет, водопоглощение 0,681% и прочность на сжатие 65,3 МПа, что соответствовало стандарту строительной отрасли. В 2012 году Ши Ци из Циндэчжэньского института керамики использовал отходы компании «Панчжихуа Айрон энд Стил» для производства черного стеклокерамического кирпича с водопоглощением 0,11–0,41 %–0,41%, прочностью на сжатие 46,2–48,7 МПа и износостойкостью 146–155 мм. В 2013 году Цзяо Цзюань и др. из Китайского университета технологий и технологий (USTB) провели эксперименты по производству однородной плитки и керамического витрифицированного кирпича из отходов производства железа Чэнчао, показав, что отходы производства железа Чэнчао можно использовать для производства черного керамического витрифицированного кирпича.

Экспериментальное исследование Университета науки и технологий Шанхая (USTB) по производству стеклокерамического кирпича с использованием ванадио-титановых магнетитовых отходов рудника Дамяо с добавлением глины

A. Сырье

Основными минералами в хвостохранилище железорудного рудника Дамяо являются пустые породы, такие как плагиоклаз, пироксен, хлорит и эпидот. Хвосты были тщательно измельчены и подвергнуты химическому анализу; результаты представлены в таблице 5–6.

Таблица 5–6 Результаты химического анализа хвостов (%)

Основным минералом в глине является монтмориллонит со следующим химическим составом: SiO₂ 68,041%, Al₂O₃ 16,461%, K₂O 0,221%, Na₂O 2,311%, CaO 0,29%, MgO 6,20%, Fe₂O₃ следы, потеря при прокаливании 5,92%. Добавка глины составляет 10%.

B. Процесс

Хвосты смешивают с глиной в определённой пропорции, после чего смесь измельчают до размера частиц менее 0,043 мм. Высушенный материал гранулируют с добавлением 51 % воды, а гранулы прессовали в сырые кирпичи под давлением 38 МПа. Затем кирпичи обжигаются при температуре 1145–1150 °C. После полировки обожженные образцы превращаются в стекловидные кирпичи кофейного цвета. Испытания показывают, что все эксплуатационные показатели соответствуют требованиям, предъявляемым к промышленным стекловидным кирпичам. При обжиге в восстановительной атмосфере (т. е. помещение заготовок кирпичей в саггер с угольным порошком, герметично закрытый, без прямого контакта между кирпичами и углем — прямой контакт привел бы к восстановлению магнетита до оксида железа и металлического железа, вызывая плавление) получается черное тело, которое после полировки становится глянцево-черным.

Оригинальные отвалы с железного рудника Дамяо можно использовать для производства кофейного и черного остеклованного кирпича, отвечающего промышленным стандартам качества. С точки зрения прочности в свежем состоянии и диапазона температур обжига, возможно проведение масштабных и промышленных испытаний.

Несмотря на то что исследования по производству керамического стекловидного кирпича из железных отходов начались в Китае довольно давно, крупномасштабное промышленное производство этого материала пока не налажено. Для организации производства в промышленных масштабах необходимо решить ряд технических вопросов, а также заняться продвижением продукции и развитием рынка.

5.1.1.8 Производство обожженного кирпича

Обожженный кирпич — это строительный материал с богатой историей и очень большим объемом потребления. Для производства обожженного кирпича Китай ежегодно потребляет огромные количества глины, а добыча глины приводит к уничтожению значительных площадей сельскохозяйственных угодий. Поэтому правительство Китая ввело прямой запрет на производство цельноглиняного обожженного кирпича. Для производства обожженного кирпича не требуется высококачественное сырье, но требуются большие объемы. Железные отвалы, являющиеся отходами с высоким объемом производства и низким уровнем использования, имеют хорошие перспективы для этого применения. Заменив часть глины железными отвалами и добавив соответствующее количество пластификатора, можно успешно обжигать обычный глиняный кирпич. Кроме того, регулируя количество добавляемых железных отходов, можно производить кирпичи из отходов различной степени прочности. Использование железных отходов для производства обожженного кирпича позволяет использовать имеющиеся заводские мощности, не требуя больших инвестиций и обеспечивая быструю окупаемость. Это также открывает новый путь для комплексного использования железных отходов, экономя энергию, утилизируя отходы и защищая окружающую среду.

Ван Цзиньчжун успешно разработал обжигаемый кирпич с использованием отходов железорудного карьера Вайтоушань в Бэньси. Поскольку железорудные отходы имеют сложный состав и не обладают связующими свойствами, использование их в избыточном количестве при производстве обжигаемого кирпича снижает его пластичность; использование в недостаточном количестве не позволяет достичь цели широкомасштабного комплексного использования. Поэтому в ходе экспериментов отходы переработки железа добавлялись в соотношениях 30:1, 40:1, 50:1 и 60:1 вместе с глиной и соответствующим количеством пластификатора собственного изготовления. Результаты показали, что обычные глиняные кирпичи можно успешно обжигать, а путем регулирования количества железных отходов можно производить кирпичи из отходов различной степени прочности. Технологическая схема представлена на рисунке 5-3.

Рисунок 5-3. Технологическая схема производства спеченных кирпичей из железных отходов

В сфере производства спеченных кирпичей из железных отходов Мейшаньский железорудный рудник является одним из ярких примеров. Железный рудник Мэйшань в сотрудничестве с Сианьским университетом архитектуры и технологий, Шаньдунским научно-исследовательским институтом промышленной керамики и другими учреждениями провел систематические исследования, включая лабораторные испытания, испытания в промышленных масштабах и промышленные испытания с использованием отходов железного рудника Мэйшань. Коэффициент использования отходов достиг 801–1001 т/г. В ходе технологических исследований был определен диапазон температур обжига для кирпичей из отходов: 1050–1150 °C. Во время обжига сплошные кирпичи можно укладывать вертикально, а перфорированные кирпичи и кирпичи с крупными отверстиями следует укладывать горизонтально. В окислительной атмосфере можно обжигать красные изделия с однородным цветом. Произведенные сплошные и перфорированные кирпичи достигли прочности на сжатие, соответствующей стандарту MU10 для строительных спеченных кирпичей. Были проведены испытания на морозостойкость, выцветание и сопротивление разрыву из-за воздействия извести. Морозостойкость и водопоглощение соответствовали стандартам для строительных спеченных кирпичей. В апреле 2005 года хвосты были официально использованы в качестве сырья для производства кирпича, а изготовленный спеченный кирпич был применен в высотных жилых зданиях коммерческого назначения.