2016

Лавовый продуктивный комплекс

Для производства пористых заполнителей используются главным образом весьма специфичные горные породы, состоящие целиком или преимущественно из водосодержащего вулканического стекла. МестоF рождения вулканических стекол пространственно и генетически связаны с эффузивными, субинтрузивными и экструзивными телами кислого состава.

Все многообразие разновидностей кислых водосодержащих стекол целесообразно разделить на три группы: пемзы, перлиты и обсидиан, которые связаны между собой постепенными переходами.

Пемзы представляют собой крупнопузыристое или длинноволокF нистое волосоподобное, очень пористое вулканическое стекло, в знаF чительном количестве содержащее воду, большей частью гигроскопиF ческую. Природные пемзовые пески и пеплы, не подвергшиеся переF отложению, с размером частиц от сотых долей миллиметра до 5 мм и называют пумицитом.

Многие разновидности пемзы используются для производства природных пористых заполнителей после соответствующей механиF ческой обработки.

В группу перлита в настоящее время включают стекла, содержащие от 1 до 6 % воды, с характерной перлитовой отдельностью или без нее. По структурным признакам различают пемзовидные, пористые и масF сивные перлиты. Кроме того, к перлитам относятся также целитизиF рованные и монтмориллонитизированные стекла, сваренные туфы и витрокластические пеплы.

Все охарактеризованные разновидности перлитов делятся на первичные и вторичные.

Первичные перлиты, в свою очередь, могут быть разделены на собственно вулканические и дайковые или субинтрузивные.

Вулканические перлиты, как правило, залегают в верхних частях вулканических телFпотоков и экструзивных куполов. Они могут быть связаны постепенными переходами с обсидианами. В большинстве случаев первичные перлиты имеют кусковатую и глыбовую отдельноF сти, однако встречаются и рыхлые перлиты, а также перлиты смешанного состава: кусковой перлит, неравномерно распределенный в рыхлом.

Собственно вулканические перлиты образуют наиболее крупные тела. Мощность перлитовой зоны в потоке достигает 40F60 м, в экструF зивных куполах – до 100F200 м.

Субинтрузивные перлиты образуют дайки, реже краевые части штоков и куполовидных тел. Мощность даек варьирует от 5 до 50 м. Они протягиваются на 100F1000 м.

51

Вторичные перлиты обычно связаны с зонами гидротермального изменения вулканических пород и образуются при гидратации стекла, залегающего в краевых частях потоков, куполов, пластообразных залеF жей пирокластов, а также субинтрузивных тел. Вторичные перлиты, как правило, не образуют крупных толщ.

Все разновидности перлита вспучиваются при температуре 1100F 1200 С, увеличиваясь в объеме от 2 до 20 раз. Процесс вспучавания протекает в течение нескольких секунд. Пемзовидные и пористые перлиты могут использоваться в качестве природных пористых заполF нителей. Однако более целесообразно получать из них вспученный ультра легкий перлит.

К обсидианам относят неизмененное стекло, количество воды в котором не превышает 1 %. Целесообразно выделить собственно обсиF диан (содержание воды менее 0,5 %) и гидратированный обсидиан (содержание воды 0,5F1 %). Гидратированный обсидиан по свойствам располагается между собственно обсидианом и перлитом и обладает способностью к вспучиванию.

В первичных перлитах могут встречаться включения обсидиана и гидратированного обсидиана. Эти разновидности смешанного состава называют иногда мареказитом.

Для получения вспученного перлита могут быть использованы порF фировые эффузивные породы, имеющие состав липарита, кварцевого порфира со стекловидной основной массой и незначительным количеством фенокристаллов – витрофиры.

Вулканокластический продуктивный комплекс

В качестве сырья для производства пористых природных заполF нителей из этого комплекса применяют вулканические туфы, шлаки, пески и пеплы.

Вулканические туфы представляют собой горные породы, обраF зовавшиеся из твердых продуктов вулканического извержения, впоF следствии уплотненных и сцементированных. По характеру обломков различают туфы литокластические – из обломков горных пород, крисF таллокластические – из обломков кристаллов, витрокластические – из обломков вулканических стекол и смешанные. По размеру обломков вулканические туфы подразделяют на агломератовые, псефитовые, псаммитовые, алевритовые и пелитовые. Цементом туфов является вулканический пепел – глинистое или кремнистое вещество, иногда с примесью продуктов разложения пепла. У спекшихся туфов отдельные обломки могут быть соединены между собой и без цемента. ХимиF

52

ческий состав туфов может соответствовать любым породам от основных до кислых.

Туфы, содержащие значительные количества глинистых веществ, применяются для изготовления керамзита. Вулканические шлаки, песF ки и пеплы являются природными легкими заполнителями, которые подчас не нужно обрабатывать механически. Эти породы представляют собой застывшие в полете частицы вспученных лав, выброшенные взрывом из кратеров вулканов и скопившиеся, как правило, поблиF зости от центров извержений.

2.1.5. Метаморфический генетический тип

Месторождения этого типа имеют заметное практическое значение для ряда районов страны и, хотя встречаются довольно редко, могут характеризоваться значительным объемом полезной толщи и высоким качеством сырья.

Сланцевый продуктивный комплекс

Способностью вспучиваться при обжиге обладают сланцы, явF ляющиеся продуктами регионального метаморфизма низких и средних ступеней развития, в составе которых в значительном количестве присутствуют минералы, содержащие гидратную и конституционную воду (гидрослюды, хлорид, серицит, цоизит, реликты монтмориллоF нита и др.).

Наиболее широко распространены глинистые сланцы, нередко содержащие значительное количество рассеянного углистого вещества.

Вэтом случае их называют углистоFглинистыми сланцами.

Впределах Карелии, Мурманской области и в некоторых других районах России распространены шунгитсодержащие сланцы плагиоF глазFхлоритового состава. Минерал шунгит занимает промежуточное положение между аморфным углеродом и графитом, представляет собой продукт метаморфизма битумов и содержит от 93 до 98 % углерода.

Являясь природными органическими добавками, углистое веF щество, шунгит и др. оказывают благоприятное влияние на вспучиF ваемость сланцев. Особенно широко сланцевые породы для получения пористых заполнителей применяют в США.

53

2.2. Техногенное сырье

Наиболее важную роль для производства пористых заполнителей играют огненноFжидкие доменные, сталеплавильные, ваграночные и электротермофосфорные шлаки, а также топливные отходы углеобоF гащения и энергетики. В настоящее время для получения заполнителей используют только доменные шлаковые расплавы, золы и шлаки тепловых электростанций.

Из шлаковых расплавов получают заполнитель, называемый шлаковой пемзой, из зол и шлаков ТЭС – пористые заполнители, по свойствам близкие керамзитовому гравию и аглопориту. Существует несколько разновидностей заполнителей, изготавливаемых из золоF шлаковых отходов: зольный гравий, зольный аглопоритовый гравий, шлакозит, глинозольный керамзит.

2.2.1. Шлаковые расплавы

Состав шлаковых расплавов. Различают несколько видов шлаковых расплавов: доменные, сталеплавильные (мартеновские и конверторные) и ваграночные. Для изготовления шлаковой пемзы используют пока только доменные шлаковые расплавы.

Основными компонентами доменных шлаковых расплавов являются окислы СаО, МgО, SiO2, Al2О3 и сульфиды металлов. В небольших количествах содержатся закиси железа и марганца и фосфорный ангидрид. Примерное содержание отдельных компонентов в шлаковых расплавах составляет ( %): СаО 35F50; SiO2 30F38; Al2О3 11F 18; МgО 2F8; МnО 1F5; FеО меньше 1; сульфидов до 2,5 % и больше.

Основной химической характеристикой шлаковых расплавов является модуль основности:

M0 = (CaО + MgO) / (SiO2 + Al2O3).

При M0 больше 1,25 шлаки считают основными; при M0 =1F1.25 – нейтральными и при M0 меньше 1 – кислыми. Для производства шлаF

ковой пемзы используют преимущественно нейтральные и кислые шлаки, так как основные склонны к силикатному распаду.

Состав окислов группы RО оказывает большое влияние на вспучиваемость расплавов. При содержании FеО > 1 % шлаки вообще не вспучиваются, а при FeО = 0,6F1 % вспучиваются плохо. СодержаF ние СаО также не должно превышать определенного предела. Хорошей вспучиваемостью обладают расплавы, содержащие не более 43 % СаО, если одновременно содержание Al2О3 находится в пределах 12F13 % и МnО – 0,8F1,5 %.

54

Сульфиды улучшают вспучиваемость расплавов. Вспучивающиеся расплавы содержат более 1,5 % серы. Соединения фосфора стабилиF зируют шлаки, предотвращая силикатный распад. Их содержание в расплаве должно быть не менее 0,1 %.

Газотворная способность шлаковых расплавов. Различают три понятия, связанные с наличием газов в шлаковых расплавах.

Газонасыщенность – общее количество газов, находящихся в расплаве при данных давлении и температуре. В доменных шлаках газонасыщенность коррелирует с температурой расплава: чем выше температура расплава, тем больше его газонасыщенность.

Газорастворимость – количество газов, которое может удерживаться в расплаве в растворенном состоянии при определенных температуре и давлении. Растворимость газов в расплаве зависит от его температуры. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер и описывается уравнением

Коэффициент A представляет собой газорастворимость шлакового расплава при бесконечно большой его температуре, коэффициент B отражает энергию связи молекул растворенного (данного) газа с расF плавом.

Газотворность (имеющая наиболее важное значение для процесса вспучивания расплава) – это количество газов, принимающее участие во вспучивании расплава. Она равна разнице между растворимостью газа в расплаве в момент его слива из шлаковозного ковша в поризующий аппарат и кристаллизацией шлака.

Величина газотворности некоторых шлаковых расплавов составF ляет (см3/кг): Челябинского завода при выплавке литейных чугунов – 131F250; Магнитогорского завода при плавке передельного чугуна – 111F332, а при плавке литейного чугуна – 318F390; ОрскоFХалиловского комбиF ната – 57F163.

Вязкость шлаковых расплавов. При выпуске шлаковых расплавов из летки доменной печи их температура достигает 1400F1500 С, а вязкость составляет всего лишь 0,3F0,5 Па с. Они являются перегреF тыми и на диаграмме фазового состояния располагаются выше линии ликвидуса.

55

По мере охлаждения расплава вязкость его возрастает и в «точке перегиба», находящейся в интервале температур 1280F1300 С (иногда 1180F1220 С), достигает 4F7 Па с. Температурная зависимость вязкоF сти шлаковых расплавов имеет экспоненциальный характер и описыF вается уравнением

Bexp ERT ,

где E – энергия активации.

Точка перегиба вискозиметрической кривой в координатах T характеризует начало кристаллизации расплава. C понижением темпеF ратуры расплава вязкость сначала возрастает сравнительно медленно, а после начала кристаллизации – увеличивается очень быстро.

Интенсивность нарастания вязкости расплава зависит от его соF става. СаО понижает температуру начала кристаллизации, а МgО поF вышает ее. В то же время МnО, а также оксиды серы и фосфора понижают вязкость шлаковых расплавов и облегчают процесс их поризации.

Шлаковые расплавы являются микрогетерогенными структурироF ванными жидкостями, и единицами их течения могут быть ионы отдельных химических элементов или их комплексы. ПоFвидимому, в расплавах, содержащих меньше 50 % SiO2, единицами течения являютF ся одноатомные ионы. Добавка SiO2, и в особенности Al2O3, укрупняет комплексные анионы, становящиеся единицами течения, что повышает вязкость расплава.

Характер интенсивности изменения вязкости расплава определяет еще одно важное его свойство – температурный интервал плавкости, под которым понимают разность между температурами начала затверF девания (начала кристаллизации) и потерей расплавом пиропластиF ческого состояния. Шлаковые расплавы с узким интервалом плавкости называют «короткими», а с широким – «длинными». Кислые шлаки являются длинными, а основные – короткими. Короткие шлаковые расплавы быстро переходят из жидкого в пиропластическое состояние и затем быстро твердеют. В длинных шлаковых расплавах происходит плавный и постепенный переход из вязкотекучего в пиропластическое состояние, допускающее деформацию затвердевающего расплава без разрушения его структуры. Это и обусловливает лучшую вспучиF таемость длинных шлаковых расплавов.

Интенсивность нарастания вязкости расплавов зависит от их склонности к кристаллизации, которая характеризуется в свою очередь двумя показателями – скоростью образования центров кристаллизаF ции (СОЦК) и линейной скоростью кристаллизации (ЛСК). ЗависиF

56

мость ЛСК от температуры носит экстремальный характер. При охлаждении расплава ЛСК сначала начинает очень быстро расти, и, достигнув своего максимума, начинает столь же быстро падать, так как резкое снижение подвижности ионов и других единиц течения расплава при значительном повышении его вязкости затрудняет их группировку в системы, соответствующие структурам кристалличеF ских решеток возникающих минералов.

Расположение температуры максимума ЛСК относительно темпеF ратурного интервала вспучивания оказывает большое влияние на процесс поризацпи расплава. Если температурный интервал вспучиF вания при охлаждении расплава предшествует максимуму ЛСК, то расплав будет хорошо вспучиваться, так как кристаллический каркас будет закреплять уже образовавшуюся высокопористую структуру пемзы. Если же максимум ЛСК будет накладываться или опережать температурный интервал вспучивания, то преждевременное возникноF вение жесткого кристаллического каркаса будет препятствовать наиболее полному развитию процессов вспучивания.

Опытами установлено, что кислые шлаки, содержащие более 44 % SiO2, имеют ЛСК порядка несколько десятков мкм/мин и могут вспучиваться даже безводными способами. У более основных шлаков ЛСК возрастает до нескольких сотен мкм/мин, и для их поризации нужны водные способы.

Поверхностное натяжение шлаковых расплавов влияет на их вспуF чиваемость, главным образом, в первой стадии этого процесса – в момент образования газовых пузырьков и собственно определяет возF можность их возникновения. Для того чтобы растворенные в расплаве газы образовали газовые пузырьки, им необходимо преодолеть силу поверхностного натяжения, образующую энергетический барьер, который препятствует созданию новой поверхности раздела газ – расплав.

Вероятность возникновения газового пузырька в расплаве тем больше, чем меньше поверхностное натяжение на границе раздела жидкостьFгаз и чем больше падение давления и температуры в системе. С другой стороны, высокое поверхностное натяжение препятствует прорыву перегородок и слиянию образовавшихся мельчайших пузырьF ков в крупные газовые раковины.

С повышением температуры поверхностное натяжение линейно убывает. SiO2, ТiО2, Fе2О3 и RS уменьшают поверхностное натяжение. СаО, МgО, Al2O3 FеО и МnО увеличивают поверхностное натяжение. FеО имеет наиболее высокое поверхностное натяжение 58,5 H/м при 1420 С. Некоторые растворимые добавки повышают поверхностное

57

натяжение за счет увеличения прочности оболочки, окаймляющей газовый пузырек, а нерастворимые – за счет ее бронирования.

По мнению М.П. Элинзона, пригодность расплава для производF ства шлаковой пемзы определяется следующими критериями: темпеF ратура перед сливом не ниже 1250 С, температура кристаллизации не ниже 1100 С, вязкость при температуре 1250 С выше 5 Па с.

2.2.2. Золы и шлаки тепловых электростанций

По данным института ВНИИТеплопроект, от сжигания твердого топлива на электростанциях России ежегодно образуется более 50 млн т золошлаковых отходов. В отвалах их накоплено около 1200 млн т. Общий выход золошлаковых материалов зависит от зольности топлива и количества недожога.

Доля шлаков в золошлаковых отходах составляет 10F40 % и зависит от способа сжигания угля и от вида сжигаемого топлива (табл. 2.2).

Т а б л и ц а 2 . 2 Доля шлака от общего выхода золошлаковых материалов

Зола из топки котла уносится дымовыми газами и улавливается циклонами, электрофильтрами или мокрыми золоуловителями разной конструкции. Шлак из топочной камеры удаляют через зольную воронку. Для удаления и охлаждения шлака применяют шлакоудаF ляющие устройства со шнековой или скребковой подачей материала, а также смывные устройства с периодическим или непрерывным смывом

спомощью высоконапорных насадок. В отдельных случаях (при жидком шлакоудалении) применяются дробилки разной конструкции

сцелью создания благоприятных условий для гидравлического транF спорта золошлаковой смеси.

Впределах котельного помещения до багерной насосной станции золу и шлак перемещают раздельно. Смешение материалов происходит

58

в зумпфе багерной станции. Багерные насосы по напорным пульпопроF водам перекачивают золошлаковую пульпу на золошлаковый отвал.

Современные золошлаковые отвалы представляют собой ответF ственные гидротехнические сооружения, в состав которых входят дамбы, намываемые из золошлаковых материалов; надводные откосы, создаваемые сливаемым твердым компонентом пульпы; отстойный пруд для осветления воды; водосборные колодцы; насосная станция для оборотного водоснабжения и водовод очищенной воды. Размер золошлаковых отвалов устанавливают из расчета 40 гектаров земли на каждые сто тысяч тонн выхода золошлаковых отходов в год.

Химический и фазовоFминералогический состав золы и шлака определяются минеральным составом твердого топлива и теми измеF нениями, которые претерпевают частицы топлива при высокотемпеF ратурной обработке в котлах ТЭС. Минеральная часть золошлаковых материалов практически всех видов топлива на 98F99 % состоит из свободных и связанных в химические соединений оксидов кремния, алюминия, титана, железа, кальция, магния, натрия, калия и серы. Помимо указанных, в ней могут находиться почти все элементы периодической системы Д.И. Менделеева. Химический и фазовоF минералогический составы зол и шлаков, получаемых на одной и той же ТЭС при сжигании угля одного и того же бассейна, могут измеF няться в определенных пределах, которыми обычно пренебрегают, и считают эти свойства стабильными при практическом применении.

Необходимо отметить, что шлаки отличаются более стабильными свойствами, чем золы. Химический состав и температура плавкости минеральной части углей основных угольных бассейнов России, по данным Всероссийского теплотехнического института (ВТИ), привеF дены в табл. 2.3.

Многообразие энергетических топлив приводит к образованию зол и шлаков самого разнообразного химического состава. В зависимости от соотношения между основными и кислыми оксидами золы и шлаки относят:

– к кислым, если

[SiO2+TiO2+Al2O3] / [FeO+CaO+MgO+Na2O+K2O+Fe2O3] > 1;

– к основным, если

[FeO+CaO+MgO+K2O+Na2O] / [SiO2+Al2O3+TiO2+Fe2O3] < 1;

– к нейтральным, если первый и второй модули равны единице. Помимо химического состава при оценке качества золошлаковых

материалов учитывают их фазовоFминералогический состав. Обычно выделяют три группы веществ: стекловидные, кристаллические и органические.

59

Т а б л и ц а 2 . 3 Средние значения и пределы колебаний химического состава и температур плавкости минеральной части

углей, сжигаемых на электростанциях России, по данным ВТИ

60