Спосіб термічної активації в’яжучих властивостей мінеральних техногенних продуктів

Реферат: Спосіб термічної активації в'яжучих властивостей мінеральних техногенних продуктів у вигляді золи-виносу, шлаків, що містять оксиди кальцію, кремнезем і глинозем, що включає нагрів продукту, витримку при заданій температурі, подальше охолодження, причому нагрів золи або шлаку проходить при температурі 600-1200 °C протягом 10-30 хв., з використанням НВЧопромінювання, витримку здійснюють 3-5 хв., а охолодження проводять у природних умовах. UA 110732 U (12) UA 110732 U UA 110732 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до промисловості будівельних матеріалів, а саме до способу термічної активації в'яжучих властивостей техногенних мінеральних продуктів у вигляді зол або шлаків, що містять оксид кальцію, кремнезем і глинозем. Ефективність введення сухих пилоподібних зол при виготовленні цементних бетонних і розчинних сумішей проявляється в тому, що вони виконують функцію активних мінеральних добавок і мікронаповнювачів в цементних бетонах. Відомий спосіб підвищення в'яжучих властивостей мінеральної техногенної продукції, що містить оксид кальцію, кремнезем і глинозем у вигляді доменного гранульованого шлаку шляхом його нагрівання до 400-800 °C і витримки при зазначених температурах протягом 20 хв. і подальшого природного охолодження (Каушанський В.Є., Боженова О.Ю., Трубіцин А.С. Вплив термообробки шлакової складової портландцементу на його активність. // Цемент і його застосування. 2001 № 3, с. 25-26). Недоліком вказаного способу слід вважати відносно низький рівень підвищення в'яжучих властивостей суміші, що включає шлак, активований нагрівом. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб термічної активації в'яжучих властивостей мінеральних техногенних продуктів у вигляді зол або шлаків, що містять оксиди кальцію, кремнезем і глинозем, який включає нагрів продукту, витримку при заданій температурі, подальше охолодження та тонке його подрібнення, золу або шлак нагрівають до температури 1200-1350 °C за 3-5 хвилин, витримують при зазначених температурах протягом 510 хвилин, а потім охолоджують до 800-1000 °C за 1-2 хвилини (Патент РФ № 2456251, М. кл. С04В 8/14, опубл. 20.042012). Недоліком вказаного способу слід вважати високу складність та високу енергоємність термічної обробки та додаткового охолодження, відносно недостатній рівень підвищення в'яжучих властивостей золи-виносу або шлаку, активованих таким способом нагріву. Крім того, даний спосіб має технологічні труднощі реалізації через дисперсність матеріалів, тобто у вигляді порошків зол ТЕС і саме шлаків, які розпадаються при нагріві, мають високу міжзернову порожнистість порошків, самі процеси форсованого нагрівання та охолодження технологічно складно реалізувати в промисловому масштабі через технологічну складність та високу енергозатратність. Технічною задачею корисної моделі є підвищення в'яжучих властивостей мінеральної техногенної продукції металургії та енергетики, у вигляді шлаків або золи-виносу, що містять оксиди кальцію, кремнезему, глинозему і зниження енергоємності процесу додаткового нагрівання та підвищення технологічності процесу активації. Поставлена задача вирішується тим, що термічна активація мінеральної техногенної продукції металургії та енергетики у вигляді шлаків або зол, що містять оксид кальцію, кремнезем і глинозем включає нагрів продукту до температури 600-1200 °C за 10-30 хв. з використанням СВЧ-випромінювання, витримку при зазначених температурах протягом 3-5 хвилин і подальше природне охолодження. Серед особливостей мікрохвильового нагріву можна назвати нагрівання зразків у всьому об'ємі речовини і відповідно рівномірне його нагрівання, високу швидкість та низьку інерційність нагріву, можливість здійснення виборчого нагрівання окремих оксидів, що містяться в золі або шлакові. До речовин, які активно поглинаючих мікрохвилі, швидко і ефективно нагріваються в надвисокочастотному НВЧ-полі, можна віднести оксиди заліза і залишки незгорілого вуглецю, води, хоча оксиди алюмінію, магнію кремнію прогріваються значно гірше. Хімічний склад золи коливається залежно від родовищ вугілля. Зазвичай зола складається з оксидів кремнію, алюмінію, титану, калію, натрію, заліза, кальцію, магнію. Більш детальні аналізи мінеральної частини твердих палив показують, що в золі в невеликих кількостях можуть бути й інші елементи, наприклад, германій, бор, миш'як, ванадій, марганець, цинк, уран, срібло, ртуть, фтор, хлор. Приблизний вміст основних оксидів у золах різних ТЕС (%): SiO2-37-63; Аl2О3-9-37; Fe2O3-417; CaO-1-32; MgO-0,1-5; SO3-0,05-2,5; Na2O+K2O-0,5-5. Втрати при нагріванні, що характеризують вміст у золі незгорілих вуглецевих частинок, можуть коливатись в широкому діапазоні 0,5-30 %. При проведені експериментів була використана зола-винос Ладижинської ТЕС (табл. 1). 55 1 UA 110732 U Таблиця 1 Хімічний склад золи винесення Ладижинської ТЕС № проб 1 2 3 4 5 10 15 в.п.п 1,0 1,7 0,73 0,9 SiO2 55,9 54,6 56,6 56,2 Аl2О3 23,83 22,72 23,08 22,88 Fe2O3 10,19 11,01 11,48 11,28 Вміст оксидів, у %. ТіО2 СаО MgO 1,14 2,89 1,19 1,05 3,9 0,15 0,87 3,26 0,76 0,9 2,82 0,98 SO3 0,29 0,62 0,4 0,54 К2О 2,5 2,55 2,01 2,51 Na2O 0,76 0,75 0,74 0,76 сума 99,96 99,05 99,93 99,77 Термоактивація золи-виносу проводилась з використанням лабораторної муфельної печі PLF 130/6 з об'ємом камери 6,3 літра, температурою макс./роб. 1300/1250 °C, потужністю 2,5 кВт з тривалістю виходу на робочу температуру 65 хвилин та лабораторної установки у вигляді печі надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання з генерацією коливань на частоті 2450 МГц потужністю 800 Вт. Основу лабораторної установки НВЧ склали: силовий трансформатор з двома вторинними обмотками (напруження і анодного живлення); високовольтний конденсатор і високовольтний діод. Первинна обмотка трансформатора підключається до мережі через фільтр електромагнітної сумісності і комутаційний пристрій, який управляється блоком управління. Лабораторна установка отримувала живлення від звичайної електромережі з напругою 220 вольт. Функціональна схема комплектуючих лабораторної установки є ідентичною сучасним печам НВЧ випромінення. Оцінка термоактивації зол-виносів оцінювалась порівнянням гідравлічної міцності на стиск зольно-пісчаних зразків при співвідношенні 1 частина золи-виносу та 3 частини стандартного піску та при постійному водотвердому відношенні (В/Т=0,66) за аналогією випробувань цементу (ДСТУ Б В.2.7-187:2009). При проведенні оцінки термоактивації використовувалась традиційна зола-винос, зола-винос активована з використанням НВЧ випромінення та термоактивована зола-винос у високотемпературній електропечі (прототип). 20 Таблиця 2 Результати випробовування золи-виносу Температура активації, °C неактивована 600 800 1200 600 1200 прототип ((RU) № 2456251 25 30 35 Густина золи-виносу Початок тужавіння, 3 Щільність, кг/м 3 після активації г/см год. хв. 1205 5 год. 45 хв. 1,76 1190 5 год.05 хв. 1,63 1164 4 год. 20 хв. 1,52 1170 4 год. 00 хв. 1,56 1200 5 год. 45 хв. 1,73 1200 5 год. 30 хв. 1,70 Міцність при стиску, МПа 0,32 0,41 0,47 0,49 0,32 0,37 Поглинання НВЧ - випромінювання обумовлено тим, що рух диполів (полярних молекул чи інших відокремлених груп атомів) набуває певну орієнтацію, пов'язану з характером накладеного поля. Хаотичність обертального (і коливального) руху молекул приводить до виділення теплової енергії. При частоті 2,45 ГГц орієнтація диполів молекул і їх розупорядкування може відбуватися кілька мільярдів раз в 1 секунду, що і призводить до внутрішнього тертя молекул та швидкого розігріву золи. Ефект зростання дисперсності та гідравлічної активності золи-виносу після її термоактивації пов'язаний саме з тим, що поглинання НВЧ- випромінювання забезпечує молекулам певну свободу їх обертального (коливального) руху. Якщо диполь пов'язаний з матрицею жорстко і такі коливання слабкі, то і помітного поглинання енергії не відбувається. Електромагнітні хвилі НВЧ діапазону впливають на фізико-хімічні процеси, що відбуваються в різних діелектричних матеріалах при їх нагріві. Зростання гідравлічної активності техногенної продукту зумовлено збільшенням дисперсності золи після опромінення та фазовими змінами в її складі. Крім того, при нагріванні золи можливе утворення додаткових гідравлічних фаз у вигляді силікатів і алюмоферитів кальцію за рахунок алюмосилікатного скла золи, що взаємодіє 2 UA 110732 U 5 10 15 з вільною вапном, що входить до її складу. Під дією НВЧ опромінення і високої температури можлива активація аморфного SiO2 (оксиду кремнію) і руйнація мікросфер золи, що сприяє зростанню гідравлічної активності золи і проявляється в зростанні швидкості тужавіння золопісчаної суміші та її механічної міцності. Застосування термоактивації золи-виносу запропонованим способом дозволить збільшувати активність мінеральних в'яжучих при введенні до його складу активованої техногенної добавки золи-виносу. Найбільший ефект слід очікувати при використанні термоактивованої золи-виносу, її спільний помел з клінкером в порівнянні зі шлаком є менш енерговитратний. Ефективність перетворення енергії електричного поля в тепло зростає прямо пропорційно частоті коливань і квадрату напруженості електричного поля. Практично до будь-якої ділянки матеріалу передається НВЧ енергія і НВЧ нагрів забезпечує можливість практично миттєвого вимикання теплового впливу на матеріал. НВЧ нагрів має високий ККД перетворення НВЧ енергії в теплову енергію, теоретичне значення ККД близький до 100 %, а теплові втрати у підвідних трактах зазвичай мінімізовані, стінки хвилеводів і робочих камер залишаються практично холодними. Очікувана економія використання може становити - в якості активної добавки в клінкерних цементах замість неактивованої звичайної золи-виносу до 30 % і як безклінкерне в'яжуче в сумішах для кладки і сухих будівельних сумішах до 40 %. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Спосіб термічної активації в'яжучих властивостей мінеральних техногенних продуктів у вигляді золи-виносу, шлаків, що містять оксиди кальцію, кремнезем і глинозем, що включає нагрів продукту, витримку при заданій температурі, подальше охолодження, який відрізняється тим, що нагрів золи або шлаку проходить при температурі 600-1200 °C протягом 10-30 хв., з використанням НВЧ-опромінювання, витримку здійснюють 3-5 хв., а охолодження проводять у природних умовах. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3