2.2 Исследование техногенных продуктов как заполнителя

Для использования в качестве заполнителя кусковых техногенных продуктов особенно тех, которые образовались в процессе термообработки, необходимо проверить их на стойкость к распаду.

Силикатный распад. Известно, что с повышением в составе сырья содержания оксида кальция (СаО), оно склонно к силикатному распаду 5. Происходит это потому, что находящийся в сырье минерал – двухкальциевый силикат из неустойчивой формы ( ) при 675°С переходит в стабильное состояние ( ), что сопровождается увеличением его объема на 10%. В результате заполнитель растрескивается и рассыпается.

Известно пять полиморфных модификаций двухкальциевого силиката: высокотемпературная –  форма, две промежуточные стабильные _н,_L, промежуточная метостабильная  и низкотемпературная . На рисунке 2.2 представлена схема полиморфных превращений двухкальциевого силиката, которые предложили Низель и Торман.

На рисунке 2.2 видно, что переходы  и  являются монотропными, а остальные фазовые превращения энаниатропными. Температуры полиморфных превращений: в процессе охлаждения переход  происходит при 1425С, _н_L при 1160С; _L при 65С. Температура перехода  не установлена из-за больших объемных изменений и рассыпания материала в порошок, что делает невозможным точное измерение теплового эффекта. В связи с этим в литературе называются различные температуры перехода  525, 450, 375 и 300С. Кроме того, сам переход почти никогда не протекает полностью. Обычно получают смесь  – и -форм.

Рисунок 2.2 – Полиморфные превращения двухкальциевого силиката

В процессе повышения температуры в интервале 780-860С из  - фазы медленно образуется _L. Затем при 1160С начинается переход _L_н, а при 1420С _н. В случае нагревания -формы переход её в _L- форму наступает при 675С. Таким образом, гистерезис перехода составляет 25С. Дальнейшие полиморфные превращения протекают также, как при нагревании исходной -формы.

Для оценки устойчивости породы на распад существуют расчетные формулы:

, , (2.2, 2.3)

где RO-сумма всех оксидов шлака, за исключением CaO и SiO₂, %.

Сырье считается распадающимся, если содержание SiO₂ меньше, а CaO больше, чем их количество, определённое расчётом по формулам (2.2, 2.3), в противном случае – порода стойка к распаду и может применяться как заполнитель.

Для применения металлургических шлаков в качестве заполнителя обязательна проверка их на распад. Установлено, что особенно не стойки к распаду сталеплавильные шлаки, с повышением содержания СаО (>40 %) шлаки склонны к силикатному распаду. Влияние на это явление оказывает температура охлаждения расплава (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Влияние температуры охлаждения расплава и

содержания в нем СаО на структурно-объемную деформацию шлака

При использовании таких саморассыпающихся шлаков в производстве литых шлаковых изделий, или как заполнителя, необходимо шлаковые расплавы стабилизировать, т.е. изменить их химический, а значит и минералогический состав для получения устойчивой кристаллической структуры. Например, в течение месяца шлаки периодически поливают водой.

Лабораторный метод определения стойкости к силикатному распаду пород осуществляется методом попеременного пропаривания и насыщения водой определенной фракции заполнителя. Берут навеску одной фракции породы, предварительно взвешивают и подвергают пропариванию и насыщенном водой состоянии. Затем эту навеску сушат, просеивают, взвешивают и определяют потерю по массе. Масса навески должна уменьшиться не более чем на 1%, что свидетельствует о стойкости заполнителя против силикатного распада.

Известковый, металлический распад. Разрушение породы может происходить и вследствие известкового, железистого, марганцевого распадов, которые также сопровождаются значительным увеличением первоначального объема. Нарушение целостности кристаллической структуры техногенной породы приводит к резким изменениям его механических свойств.

Известковый распад характерен для отходов, содержащих повышенное количество свободного оксида кальция (СаО), при гидратации которого увеличение объема может доходить до 2,5 раз.

Металлический распад происходит вследствие гидратации сульфи­дов железа FеS, а также MnS, MeS (сернистые соединения металлов) под влиянием атмосферной влаги. В результате этой реакции объем увеличи­вается на 38%.

FеS +Н₂О = Fе(ОН)₂+Н₂S.

Исследование на железистый (металлический) распад: определенную навеску одной фракции породы заливают дистиллированной водой и на­стаивают 30 суток, после просушивания и просеивания через тоже сито количество рассыпавшихся фракций должно быть не более 1%, что свиде­тельствует о стойкости и возможности применения в качестве заполни­теля.