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: *****@***ru;

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 .

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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 2Ч2Ч2 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 2Ч2Ч2 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:


Восстановление оксидов железа при пирометаллургической переработке красных шламов / , , // Металлы, №1, 2013, С.41-45. ГОСТ 969-91 «Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые. Технические условия», М.: Стандартинформ, 2007. 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