Рециклинг красных шламов с получением металла и специальных добавок в цемент

УДК 669.712

РЕЦИКЛИНГ КРАСНЫХ ШЛАМОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ МЕТАЛЛА И СПЕЦИАЛЬНЫХ ДОБАВОК В ЦЕМЕНТ

1, 1, 2, 2

1 - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт металлургии

и материаловедения

им.

Российской академии наук

E-mail: [e-mail];

г. Москва

2 – ,

г. Подольск,

E-mail: nii-cement@yandeх. ru

Реферат: Представлены результаты экспериментов по жидкофазному восстановлению оксидов железа из красного шлама. Показано, что в результате пирометаллургической переработки красного шлама наряду с металлом может быть получен шлак пригодный для утилизации в строительной отрасли. Показана принципиальная возможность изготовления из данного шлака портландцемента с минеральными добавками и высокоалюминатной расширяющей добавки в цемент.

Ключевые слова: красный шлам, жидкофазное восстановление, глиноземистый цемент, шлакопортландцемент, расширяющая добавка в цемент.

Введение

В работе [1] было выбрано направление рециклинга красных шламов Уральского алюминиевого завода (УАЗ), связанное с получением чугуна и шлаков, пригодных для использования в строительной отрасли.

Для использования полученного шлака в строительной отрасли были выбраны следующие направления его утилизации:

1) Получение глиноземистого цемента;

2) Получение расширяющих алюмосодержащих добавок к цементам разного назначения;

3) Получение портландцемента с минеральными добавками

В ИМЕТ РАН им. были проведены экспериментальные восстановительные плавки обесщелоченного красного шлама УАЗ с различными шлакообразующими добавками с целью оптимизации параметров плавки для получения необходимого состава и структуры шлака. Полученный металл исследовали в аналитической лаборатории ИМЕТ РАН. Исследования физико-химических и строительно-технических свойств полученных шлаков с целью определения их пригодности для использования в строительной отрасли были изучены в .

Материалы, методика эксперимента.

Для получения шлаков по химическому и фазовому составу, пригодных для использования в строительной отрасли были проведены экспериментальные восстановительные плавки обесщелоченного красного шлама УАЗ с добавками CaO, Al2O3 и CaF2 в виде лабораторных оксидов марки чда. Химический состав обесщелоченного красного шлама приведен в таблице 1.

Экспериментальные плавки красного шлама с различными добавками проводили на лабораторной нагревательной угольной печи сопротивления (печь Таммана). Полученный в результате экспериментов металл и шлак исследовали рентгенофазовыми и химическими методами анализа.

Строительно-технические свойства полученных шлаков исследовали в в соответствии с нормативно-технической документаций на соответствующие виды строительных материалов. Исследование влияние этих шлаков на гидратационную активность цементов проводили на малых образцах-кубах 2×2×2 см с добавлением нормального песка (Ц:П=1:3) при ВЦ=0,40. В качестве контрольных цементов использовали: глиноземистый цемент марки Secar; напрягающий (цемент, изготовленный на основе белгородского портландцемента); бездобавочный (портландцемент цемент»).

Результаты исследований и их обсуждение.

В таблице 2 представлено описание технологических параметров плавки и состав шихтовых материалов, в таблицах 3 и 4 результаты химического анализа полученных металла и шлака соответственно.

Как видно из таблицы 4, по своему химическому составу пробы металла 2 и 3 отличаются между собой не значительно. В пробе 4 отмечено пониженное содержание Mn и Ti по сравнению с пробами 2 и 3. Полученный металл наиболее близок по своему химическому составу к чугуну марки ПЛ2.

Полученные шлаки отличаются между собой как по содержанию основных компонентов, так и по фазовому составу. Основываясь на данных таблицы 3 и результатах рентгенофазового анализа, были выбраны 3 пробы шлаков для исследования их строительно-технических свойств.

Для проведения физико-механических испытаний в соответствии с требованиями [2] была выбрана проба шлака восстановительной плавки, содержащая в своем составе минералы CaO*Al2O3, СaO*2Al2O3. Несмотря на высокое содержание в пробе оксидов алюминия, наличие в составе шлака минералов CaO*Al2O3 и СaO*2Al2O3, данный шлак не выдержал испытание как глиноземистый цемент. Образцы разрушились в воде.

В качестве алюминатного компонента для получения напрягающего цемента была выбрана проба шлака полученного в результате восстановительной плавки, с содержанием повышенного количества оксидов алюминия. Смешивание компонентов для получения напрягающего портландцемента осуществляли по методике «сухого» усреднения материалов, взятых в заданном соотношении.

В таблице 5 представлены результаты испытаний опытного и контрольного напрягающего портландцемента.

На основе данных, представленных в таблице 5, и в соответствии с ТУ 5734-002-00282599-2001 «Портландцемент напрягающий. Технические условия» можно предположить, что по прочностным показателям опытный цемент отвечает напрягающему портландцементу марки 400.

По действующим ГОСТам в портландцемент разрешено вводить добавки шлака до 20%. В качестве добавки в портландцемент использовали шлак восстановительной плавки, содержащий в своем составе повышенное количество оксидов кальция и низкое количество оксидов железа.

Было подготовлено 3 состава цемента с добавками 10%, 15% и 20% шлака восстановительной плавки с портландцементом цемент». Смешивание осуществляли по методике «сухого» усреднения материалов, взятых в заданных соотношениях.

В таблице 6 представлены результаты физико-механических испытаний цементов с добавками шлака восстановительной плавки красного шлама в малых образцах-кубах

Сравнивая результаты испытаний контрольного и опытных цементов с добавкой шлака восстановительной плавки можно сделать следующее заключение:

- цемент с добавкой шлака 10% можно отнести к цементу марки М400-Д10;

- опытные цементы с добавкой 15 и 20% шлака восстановительной плавки не отвечают техническим показателям [3].

Данные обстоятельства позволяют предположить, что добавка шлака должна лежать в пределах 10%, что требует подтверждения при испытании цементов в соответствии с нормативно-технической документацией.

Выводы

В результате проведенных исследований установлена возможность получения из обесщелоченного красного шлама Уральского алюминиевого завода чугуна и шлаков, пригодных для использования в цементной отрасли

Испытания в малых образцах-кубах 2×2×2 см указывают, на возможность получения из шлаков восстановительной плавки портландцемента с минеральными добавками и высокоалюминатной расширяющей добавки. Для проверки специальных свойств необходимы дальнейшие испытания на стандартных образцах в соответствии с нормативно-технической документацией. Дополнительно для напрягающего портландцемента необходима проверка на соответствие техническим показателям: линейному расширению, самонапряжению и активности; для цементов с добавкой 10% шлака восстановительной плавки красного шлама необходимо провести испытания на долговечность, влияние тепловлажностной обработки и других свойств.

Проведенные исследования показали принципиальную возможность рециклинга красного шлама с получением чугуна, портландцемента с минеральными добавками и высокоалюминатной расширяющей добавки.

Литература:

1)  Распопов оксидов железа при пирометаллургической переработке красных шламов / Распопов В. В., , // Металлы, №1, 2013, С.41-45.

2)  ГОСТ 969-91 «Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия», М.: Стандартинформ, 2007.

3)  ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия», М.: ИПК Издательство Стандартов, 2008.

Таблица 1.

Химический состав обесщелоченного красного шлама, %масс.

Компонент	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	S	P2O5	TiO2	Na2O	K2O	ППП
Содержание	8,85	11,03	37,83	22,03	1,02	0,14	0,53	3,63	0,40	0,11	14,00

Таблица 2.

Состав шихты и режим плавки

№ плавки	Компоненты шихты	Режим плавки
1	- Обесщелоченный красный шлам УАЗ - Углерод	Нагрев в печи Таммана до t=1700°С, выдержка 30 мин.,
2	- Обесщелоченный красный шлам УАЗ - Оксид алюминия - Плавиковый шпа -Углерод	Нагрев в печи Таммана до t=1600°С, выдержка 3 мин.,
3	- Обесщелоченный красный шлам УАЗ - Оксид алюминия - Углерод	Нагрев в печи Таммана до t=1550°С, выдержка 30 мин.,
4	- Обесщелоченный красный шлам УАЗ - Оксид алюминия - Углерод	Нагрев в печи Таммана до t=1600°С, выдержка 30 мин.,

Таблица 3.

Химический состав металла, полученного после восстановительных плавок красного шлама, %масс

Номер пробы Элемент	2	3	4
Mn	0,52	0,45	0,23
P	0,29	0,32	0,32
Si	0,29	0,35	0,30
Ti	0,47	0,45	0,20
V	0,072	0,049	0,048
S	0,0083	0,0074	0,022

Таблица 4.

Результаты химического анализа полученных шлаков, % масс.

№ пробы	ППП, %	Содержание оксидов, %
SiO2	Al2O3	FeO	CaO	MgO	S	P2O5	TiO2	Na2O	K2O
1	-	12,60	22,58	19,64	34,90	4,02	0,16	Не определяли	5,61	0,13	0,03
2	5,57	12,02	21,51	3,34	44,80	2,58	0,15	Не определяли	5,38	0,25	0,04
3	0,10	17,90	36,87	9,60	26,40	4,0	Не определяли	Не определяли	4,57	0,05	0,06
4	-	15,40	41,24	7,50	26,10	4,0	Не определяли	Не определяли	5,0	0,71	0,05

Таблица 5.

Результаты физико-механических испытаний опытного напрягающего портландцемента.

№ пробы	Смесь	Прочность, МПа	Активность цемента, МПа
2 сут.	28 сут.	2 сут.	28 сут.
1	Контрольная	6,3	17,1	22,6	60,8
2	Опытная	3,0	11,7	10,8	41,6

Таблица 6.

Результаты физико-механических испытаний цементов с добавкой шлака

№	Смесь (цифры обозначают содержание шлака в опытном цементе в %,масс.)	Прочность, МПа	Активность цемента, МПа
7 суток	28 суток	7 суток	28 суток
1	Контрольная	19,0	21,8	43,5	59,8
2	Опытная-10	15,5	17,5	35,5	48,0
3	Опытная-15	9,5	10,3	21,8	28,3
4	Опытная-20	8,5	9,5	19,5	26,1