книги / Металлургия, технология угля и неметаллических полезных ископаемых

также могут быть взяты из отвалов отходов, накопленных после переработки различных руд полезных ископаемых (серных, фос­ фатных и др.).

Известняки имеют плотную или мелкозернистую структуру и окрашены в светло-серый, желтый, красный, бурый (до черного) цвета. Окраска известняков зависит от всегда присутствующих в них в том или ином количестве органических и минеральных при­ месей. Известняк, содержащий окись магния в количестве более 2%, называется доломитизированным. Известняк с содержанием глины от 2 до 10% носит название мергелистого. Такие извест­ няки часто пригодны для непосредственного изготовления гид­ равлических вяжущих материалов. Известняки, пропитанные природным битумом, называются битуминозными. Порода, со­ держащая 75—40% СаСОз и 25—60% глины, называется мерге­ лем. Это основное сырье для производства портландцемента.

М а г н е з и т часто встречается совместно с известняками в со­ провождающих их породах и представляет собой природный углекислый магний (чистый магнезит состоит из 47,82% MgO и 52,18% С02). Однако в чистом виде магнезит встречается очень редко и обычно содержит небольшие примеси кремнезема, гли­ нозема, карбонатов железа и кальция. Строение магнезита плот­ ное, твердость по шкале Мооса 4—4,5; плотность 2,9—3,0 г/сиЛ Цвет белый желтоватый или сероватый.

Основные месторождения магнезита находятся в СССР на Урале, в Красноярском крае и в Биробиджане. Не исключается возможность отбора его из отвалов промышленных предприятий.

Д о л о м и т [MgCa(C03)2], представляет собой двойную уг­ лекислую соль кальция и магния. Доломит часто находится в ме­ ханической смеси с известняком (так называемые доломитизированные известняки), где содержание в нем углекислого каль­ ция доходит до 75%. Примесями в доломите бывают кремнезем, глинозем, закись железа и окись марганца.

Доломит применяется также в керамической промышленности, в строитель­ стве как бутовый камень и облицовочный материал, а также в производстве совелнта и минеральной ваты. Кроме того, как и магнезит, в металлургической промышленности в качестве флюса,, а также в керамической и других отраслях

промышленности.

Гипс CaS04 • 2Н20 и а н г и д р и т CaS04, будучи довольно широко распространены в природе, также могут быть не только объектом специальной добычи, но и могут часто встречаться в различных отходах.

Гипс светлого цвета и обычно содержит мало примесей. Встре­ чающаяся в природе мелкозернистая плотная разновидность гипса носит название алебастра. Такое же название носит строитель­ ный штукатурный гипс, получаемый при специальной обработке природного гипса. Примесь к гипсу глины снижает его качество, но не исключает возможности изготовления из него вяжущих строительных материалов.

Гипс находит широкое применение в изготовлении собственно

гипсовяжущих материалов как добавка к портландцементу (за­ медлитель схватывания), в производстве гипсошлакового цемента, а также и в ряде химических производств. Имеются специальные заводы, получающие из гипса одновременно портландцемент и серную кислоту или серу.

При нагревании гипса происходит его дегидратация, причем получается ряд различных по своему характеру продуктов. При

гипс (или растворимый ангидрит), обладающий способностью жадно поглощать влагу с выделением тепла при переходе в по­ лугидрат.

Заполнители цементных растворов

Основными природными материалами/ применяемыми в каче­ стве заполнителей цементных растворов, являются песчаные по­ роды — песчаники, песок, гравий, щебень.

П е с ч а н и к и представляют собой породу, состоящую из зе­ рен кварца, связанных между собой каким-нибудь естественным цементом, с некоторыми включениями полевого шпата, листочков слюды и т. д. Цементирующий материал в них различный — гли­ нистый, мергелистый, известковистый, железистый, глауконитовый. Цвет песчаников зависит от содержащихся в них примесей. Техни­ ческие качества песчаников различны и в первую очередь зависят от характера цементирующего вещества.

Пе с о к и г р а в и й . Чистый песок часто называют кварцевым, ибо кварц основной минерал, составляющий пески. Кварц диоксид, или двуокись кремния, или кремниевый ангидрит, или кремнезем (Si02)— наиболее устойчивое кислородное соединение кремния. Он тугоплавок, тверд, растворим только в плавиковой кислоте. Плотность кристаллического кварца 2,65 г/сж3.

В природном кварце бывают различные включения — твердые, жидкие и газообразные. Кварц склонен к образованию твердых растворов, а также тонких механических смесей с другими мине­ ралами, с которыми иногда образует слоистые структуры (кре­ мень, агат).

Из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды образованы распространенные горные породы — гранит и гнейсы. Продукты их разрушения — пески.

Песок и гравий — рыхлые несцементированные обломки горных пород и минералов. Основными компонентами песка являются продукты разрушения кварца, компонентами гравия — минералы различного состава, форм и размеров, образующиеся в результате выветривания горных пород.

Обычно к гравию относят классы крупностью 3—40 мм, а класс 40—100 мм представляет гальку. Разности обломистого материала крупностью менее 3 мм относят к пескам (0,1—3 мм). Указанные

границы крупности часто нарушаются. Так, размерность гравия для приготовления бетонов принята от 5 до 150 мм, а для песка от 0,15 до 5 мм. Для железнодорожного транспорта размерность зерен гравия принята от 3 до 60 мм и от 5 до 40 мм. Содержание гравия в песках обычно составляет 20—25% по весу.

Песок и гравий добываются открытым способом в карьерах. Ще б е н ь в отличие от гравия не имеет окатанной гладкой поверхности и является материалом, преимущественно получае­ мым при дроблении и грохочении скальных горных .пород. В ряде случаев щебень схватывается с цементом лучше, чем гравий. По­ мимо бетона, щебень идет на дорожные работы, устройство тро­ туаров, бетонных полов и др. Щебень кремнистых пород менее пригоден для бетона, чем щебень других крепких пород. После дробления щебень сортируют по классам в соответствии с наме­

ченным потреблением.

При всем многообразии ископаемого минерального сырья, иду­ щего для производства цементных вяжущих и наполнителей, тех­ нология его первичной переработки примитивна — грохочение, отмучивайие. Одной из важнейших технологических задач яв­ ляется разработка и совершенствование методов обогащения подобных минералов, что позволит улучшить специально получае­ мую из них продукцию, а также даст возможность извлекать эти минералы из отвалов (отходов), создающихся при добыче других полезных ископаемых.

Обжиг цементной шихты

Наибольшее применение для обжига цементной шихты, из ко­ торой получают цементный клинкер, получили вращающиеся ци­ линдрические печи (рис. 108).

Печь представляет собой вращающийся барабан, диаметром 2,2—5 м и длиной 60—185 м, установленный с наклоном к гори­ зонту 3—4° Барабан изнутри футерован огнеупорным материалом (температура обжига примерно 1450°С).

Цементная шихта поступает в приподнятую часть барабана и при его вращении (0,5—1,3 об/мин) продвигается в выгрузочной части — головке барабана, около которой располагается форсун­ ка, подающая горящее топливо, т. е. топочные газы движутся противотоком к обжигаемому материалу. Из печи обожженный материал — клинкер поступает в располагаемый под нею холо­ дильный барабан, а затем — на клинкерный склад.

Далее клинкер измельчается совместно с различными добав­ ками и направляется в цементные силосы — железобетонные баш­ ни, из которых выпускается как готовая цементная продукция (навалом или фасуется в мешках).

Производительность цементных печей составляет от 10 до 75 т/ч. В последнее время применяются печи производительностью до 300 т/ч.

При составлении шихты, исходя из данных химического со­ става, вычисляют основной гидравлический модуль, который дол­ жен показать соотношение компонентов, необходимое для связы­ вания кальция в силикаты и алюмоферриты. Для этих вычислений имеется ряд формул, учитывающих стехиометрические отношения, необходимые для образования указанных соединений. Такие рас­ четы, проведенные для сырья указанного состава, дают шихту, в которой 87,6% будет занимать известняк и 12,4% — глина.

В случае применения для обжига шихты в качестве топлива зольного угля или другого подобного горючего состав золы и ее количество учитываются при составлении сырьевой смеси н вы­ числении соответствующих модулей.

В готовом цементном клинкере данного состава содержание окислов будет следующим: СаО 66,98%; Si02 23,08%; А120 3 5,45%; Fe20 3 2,99%; MgOS03 и прочие 1,57.

Обжиг цементной шихты приводит к химическому взаимодей­ ствию основных (СаО) и кислотных (Si02, А120 3, Fe20 3) окислов и образованию силикатов и алюмоферритов. При температурах обжига, достигающих 1400—1500° С, материал спекается, т. е. он доводится до частичного плавления. В этих условиях образование необходимых химических соединений происходит частично в жид­ кой фазе, однако большее значение имеют реакции, протекающие в твердом состоянии. При высоких температурах колебание атомов и молекул в кристаллических решетках достигает таких размеров, которые позволяют им отрываться и вступать во взаимодействие с атомами и молекулами других соединений.

Воздушные вяжущие материалы

Некоторые виды минерального сырья, используемые для про­ изводства цемента, применяются также для производства воз­ душных вяжущих материалов, растворы которых способны твер­ деть только на воздухе.

К числу воздушных вяжущих материалов относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества.

Для производства в о з д у ш н о й и з в е с т и применяют из­ вестняки, содержащие 92—95% карбоната кальция, которые обжи­ гают в известковообжигательных печах при температуре 1000— 1200° С с получением окиси кальция. В зависимости от содержания доломита в извести температура обжига может быть несколько снижена.

Воздушная известь в последующем подвергается гашению во­ дой и используется в виде раствора. При гашении извести, кроме гидратации окиси кальция, происходит и превращение ее в по­ рошок.

Последующее твердение известковых растворов складывается из двух одновременно протекающих процессов — испарения воды

и поглощения1углекислоты из воздуха с образованием карбоната кальция по уравнению:

Са (ОН)2 + СО2 + п Н20 = СаС03 + {п + 1) Н20.

Так как оба эти процесса сопровождаются выделением воды, известь как вяжущее средство не может применяться в сооруже­ ниях, подвергающихся действию воды.

Г и п с о в ые в я ж у щ и е м а т е р и а л ы могут изготовляться из природных минералов гипса CaS04-2H20 и ангидрита CaS04, содержащих лишь небольшие количества примесей в виде песка, известняка, органических веществ и др.

Производство строительного гипса из исходных материалов включает операции дробления, обжига и помола. При обжиге двуводного гипса происходит отщепление 1,5 молекул воды и пре­ вращение его в полуволной продукт CaSO4-0,5H2O. При твердении гипсовых растворов происходит обратная гидратация полуводного гипса в двуводный. Строительный гипс применяется для изготов­ ления строительных изделий и для штукатурных работ.

При нагревании ангидрита до температуры 500—700° С полу­ чается его нерастворимая разновидность, которая сама по себе не является вяжущим материалом, но при тонком помоле сов­ местно с катализаторами (бисульфитом натрия, сульфатом же­ леза, доменным шлаком и другими) приобретает вяжущие свойства.

При температуре обжига свыше 800° С получается так назы­ ваемый эстрихгипс, раствор которого в воде способен медленно схватываться и твердеть без добавок.

Ввиду того, что при получении строительного гипса и двугидрата затрачивается тепло на обжиг и выделяется вода, а при гаше­ нии извести выделяется тепло и связывается вода, можно совме­ стить процессы дегидратации гипса и гашения извести. При этом

магнезита или доломита. Эти материалы имеют соответственные названия каустического магнезита и каустического доломита. Маг­ незит содержит до 45%, а доломит до 20% окиси магния. После обжига исходного сырья его затворяют растворами некоторых минеральных солей, так как в воде этот материал не дает проч­ ных изделий. Магнезиальные вяжущие применяются при изготов­ лении искусственного мрамора, лестничных ступеней, фибролита

ит. п.

§3. Производство изоляционных строительных материал<}в

изаполнителей

Встроительстве применяют тепло- и звукоизолирующие мате­ риалы. Наиболее ценными из них являются материалы, сочетаю­ щие оба эти свойства.

В качестве изоляционных материалов могут быть использованы

М и н е р а л ь н а я в а т а представляет собой волокнистый ма­ териал, получаемый путем измельчения расплавов силикатных по­ род и обработкой их паром или сжатым воздухом. Сырьем могут служить различные шлаки металлургических производств или котельных установок, горные породы и промышленные отходы, содержащие в своем составе более половины суммы окислов крем­ ния и алюминия.

При включении в них в небольшом количестве соединений желе­

При значительном содержании в сырье окислов Fe, Мп и R20 формула для подбора шихты принимает такой вид:

Si02 “Ь А120 3

Fe20 3 -|- FeO + MnO -Ь СаО + MgO + R20

Для выведения числового отношения в формулы вводятся дан­ ные по содержанию указанных компонентов в процентах.

Процесс получения минеральной ваты состоит из плавления шихты в печах типа вагранок при температуре около 1300°С или в ванных печах с последующим диспергированием плава.

Для печей типа вагранок, в которых расплавляется такая ших­ та, необходим кусковой материал, а для ванных и циклонных печей пригоден измельченный материал любого гранулометриче­ ского состава, в том числе и пыль.

Для получения минеральной ваты со значительно повышенными жаростойкими и теплоизолирующими свойствами в качестве сырья применяют чистые окись алюминия и кварцевый песок. Такая вата выдерживает температуру в 1200° С.

На основе минеральной ваты вырабатываются различные плиты •со связкой из синтетических смол, битумов, а также и минераль­ ных вяжущих — глины, цемента и т. п.

Д л я п о л у ч е н и я и з о л я ц и о н н ы х м а т е р и а л о в из

вспучивание вермикулита с увеличением объема материала при­ мерно в 50 раз. Обожженный вермикулит измельчают до круп­ ности 15 мм. В готовые изделия из вермикулита вводят добавки бетона, битума, асбеста, глины.

переходить в стеклообразную структуру при уменьшающемся водопоглощении, применяют в качестве изоляционных материалов (звуко- и теплоизоляционная штукатурка) и заполнителей для теплоизоляционных бетонов.

Из перлита при его обжиге (температура около 1000° С) полу­ чают легкий песок, а при обжиге во взвешенном состоянии —за­ полнитель в зернах 0,15—5 мм с коэффициентом теплопроводности 0,042—0,075 ккал/м • ч• град.

Месторождения вермикулита и других подобных минералов распространены в Закавказье, в западной части Украины, Средней

промышленностью в виде гранул или в виде строительных из­ делий.

Применяют в качестве заполнителей и другие материалы, в частности, переработанные отвалы от сжигания углей и т. д.

§ 4. Производство керамических изделий

женные до камневидного состояния, не размокающие в воде. Процесс изготовления керамических изделий состоит из обра­

ботки сырья и приготовления керамической массы, формования, сушки и обжига изделия. В отдельных производствах производится также внешняя отделка керамических изделий.

В зависимости от состава сырья и температуры обжига кера­

(водопоглощение > 5% ). По структуре черепка различают: грубую керамику, изделия которой имеют в изломе крупнозернистый (до 0,5—7 мм) черепок (строительная керамика, огнеупоры); тонкую керамику — изделия имеют в изломе мелкозернистый (до 0,05— 0,1 мм), равномерно окрашенный черепок (фарфор, фаянс); литые изделия (тонкокаменный товар).

Общая классификация керамических изделий приведена в табл. 31.

Состав и свойства глин

Глины, используемые для производства керамических изделий, имеют повсеместное распространение. Вследствие различных усло­ вий их происхождения состав глин весьма разнообразен.

В своей основе глины содержат каолинит, являющийся про­ дуктом каолинизации полевошпатовых пород (разрушения под

Примерная классификация керамических изделий

влиянием действия воды, углекислоты, резких колебаний темпе­ ратуры и пр.).

K2OAI2 • 6S i02+ 2H20 С 02= А 1 2 0 з • 2Si02• 2Н20-ЬK2CO34-4S1O2

Наряду с каолинитом глины содержат в разных количествен­ ных соотношениях и различной степени крупности другие мине­ ралы, обусловливающие ряд технических свойств глины.

В зависимости от вида и характера примесей глина может иметь самые разнообразные оттенки цветов — от^светло-серого до черного и от желтого до красно-бурого цвета. Чистый каолин имеет обычно белый цвет.

В качестве примесей в глинах могут быть остатки материнской породы (кварц, полевой шпат, слюда), известняк, магнезит, пирит, окислы железа, рутил, щелочи, а также и органические вещества (уголь, торф, битум, остатки растений и пр.).

Вредными примесями в глинах, применяемых для изготовления керамических изделий, являются окислы железа и все минералы, включающие щелочные и щелочноземельные металлы (биотит, роговая обманка и т. д.). Особо вреден известняк, присутствующий в глине в виде крупных зерен.

В процессе обжига керамического изделия известняк превра­ щается в СаО, а при последующем увлажнении обожженного из­ делия содержащиеся в нем кусочки СаО гасятся и, увеличиваясь в объеме, разрушают изделие.

Различают глины кирпичные, каолины первичные и вторичные, лёсс, глинистые сланцы.

К и р п и ч н ы е г л ины содержат в виде примесей песок в количестве, обеспечивающем изготовление из таких глин керами­ ческих изделий.

П е р в и ч н ы е к а о л и н ы образовались на месте разложения своей материнской полевошпатовой породы. Эти каолины пред­ ставляют собой механическую смесь каолинита с кварцевым песком и обломками материнской полевошпатовой породы и идут для производства керамических изделий только после обогащения их на специальных каолиновых заводах по методу отмучиванпя.

Каолиновая суспензия, после выделения из нее крупных при­ месей и песка, поступает на фильтрпрессы для удаления из нее влаги. Масса, выходящая из фильтрпрессов в виде коржей, содер­ жит остаточную влагу в количестве 26—30%. Коржи подверга­ ются сушке до остаточной влажности 4—8%.

Обогащенный каолин содержит до 98—99% каолинита и на­

ками от места их образования на более или менее значительное расстояние, где они отложились в низменностях из воды вслед­ ствие потери скорости ее течения. Эти каолины отличаются боль* шой дисперсностью и пластичностью, однако они всегда загряз­ нены тонкодисперсными примесями минералов, находившихся как в самом каолине, так и посторонних минералов, размытых водным

бой синевато-серую породу, распадающуюся на тонкие куски не­ определенной формы параллельно плоскости напластования.

Главнейшими свойствами глин, определяющими выбор того или иного способа изготовления из них керамических изделий, явля­ ются— пластичность, связующая способность, усадка, спекаемость.

П л а с т и ч н о с т ь ю глин называют способность глиняного теста изменять форму под давлением без образования трещин и сохранять ее после прекращения давления.

Здесь глиняное тесто следует рассматривать как дисперсную систему, в которой дисперсной фазой является глина, а диспер­ сионной средой — вода.

Пластичность дисперсных систем зависит не только от свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды, но и от физико-химиче­ ских реакций, происходящих между ними.