Спосіб виготовлення радіаційно безпечних шлаколужних в’яжучих на основі відвальних доменних шлаків і метасилікату натрію

Реферат: Спосіб виготовлення радіаційно безпечних шлаколужних в'яжучих на основі відвальних доменних шлаків і метасилікату натрію шляхом розсіювання на фракції доменного шлаку, подрібнення і перемішування певної фракції шлаку і водного лужного компоненту, причому виготовлення шлаколужних в'яжучих проводять з використанням у технологічному процесі подрібнених фракцій відвальних доменних шлаків зі значним вмістом гідравлічно-активних мінералів і низьким рівнем радіоактивності, замішуванням і перемішуванням шлакового компоненту 42,4 % розчином метасилікату натрію Na2O·nSiO2. UA 92992 U (12) UA 92992 U UA 92992 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до складів шлаколужних в'яжучих (ШЛВ) і може бути використана в промисловому і цивільному будівництві для приготування радіаційно безпечних будівельних розчинів і бетонів. Відомий спосіб отримання ШЛВ [RU 2247697 С1. Шлаколужне в'яжуче / Косенко Н.Ф., Багірова Е.Г. - Заявка 2003119779/03, 30.06.2003, опубл. 10.03.2005], що містить, мас. %: шлак гранульований - 54,55-94,45, натрієве рідке скло - 4,09-40,9, двозаміщенний ортосилікат натрію Na2H2SiO4·8H2O-0,46-4,55. Недоліками аналогу є: обмеження у використанні тільки одного різновиду доменного шлаку - гранульованого у вигляді темних гранул неправильної форми різного складу, а не відвального, складність схеми перемішування компонентів, складний і дорогий склад лужного активатора: натрієве рідке скло + двозамещінний ортосилікат натрію. Відомий аналог [RU 2412124 С1. В'яжуче / Шляхова Е.А., Акопян А.П., Хачатрян С.С., Сагателян С.С., Некрасова І.А., Шляхова Ю.А. - Заявка: 2009144422/03, 30.11.2009, опубл. 20.02.2011] отримання ШЛВ з використанням гранульованого шлаку, метасилікату натрію, золивинесення і додатковим диспергуванням спільно з гранульованим шлаком і золою-винесення і добавкою сахарози, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: метасилікат натрію в перерахунку на Na2O-5-7, зола-винесення - 6-8, сахароза - 0,05-0,5, гранульований шлак решта. Недоліками способу є прив'язка параметрів технологічного процесу отримання ШЛВ до виду відходів конкретних підприємств: шлаків Маріупольського металургійного заводу і золивинесення Новочеркаської ГРЕС, ускладнення складу шлакового компоненту в результаті присутності золи-винесення сухого відбору електрофільтрів і сахарози, відсутність радіаційного контролю фракцій шлаків і золи-винесення, висока вартість ШЛВ за рахунок введення добавки сахарози. В якості прототипу обраний спосіб [RU 95100453 А1. Спосіб отримання шлаколужної бетонної суміші / Борбат П.Т., Лисиця B.C., Надисев Ю.Ф. - Заявка: 95100453/33, 16.01.95, опубл. 27.06.1996], виходячи з якого шлаколужна бетонна суміш виходить при перемішуванні певної фракції меленого гранульованого шлаку, заповнювача (пісок, щебінь, деревні відходи, великі фракції того ж шлаку та інші місцеві матеріали) і водного лужного розчину (метасилікату або дисилікату натрію). Недоліками прототипу є: використання тільки гранульованого доменного шлаку; витрати енергії на додаткову стадію пропускання через магнітно-вихрове поле з метою збільшення гідравлічної активності шлаку, що в підсумку підвищує вартість ШЛВ; відсутність радіаційного контролю окремих гранулометричних фракцій шлаку; багатоступінчатість процесу диспергування шлаку і його прив'язка до моменту перемішування всіх компонентів бетонної суміші; короткочасність підтримки високої гідравлічної активності в період 5-30 хв перед перемішуванням за рахунок присутності свіжорозмолотих мінералів силікатів кальцію. В основу корисної моделі поставлено завдання забезпечення високої гідравлічної активності та одночасного зменшення питомої активності природних радіонуклідів утилізованого шлакового компоненту, вирішення екологічної проблеми за рахунок ліквідації шлакових відвалів при використанні фракцій відвальних доменних шлаків і метасилікату натрію, підтримки в часі високої активності в'яжучого, отримання ШЛВ низької вартості з високими характеристиками міцності та спеціальними властивостями: високою щільністю і жаростійкістю. Завдання вирішується за рахунок попереднього розсіювання відвальних доменних шлаків на гранулометричні фракції, використання в технологічному процесі фракцій з високим вмістом гідравлічно-активних мінералів і низьким рівнем радіоактивності, замішуванням і перемішуванням шлакового компоненту з 42,4 % розчином метасилікату натрію Na2O·nSiO2 3 (густина ρ = 1,32 г/см ). Схема способу виготовлення радіаційно безпечних ШЛВ представлена на кресленні. Відвальний доменний шлак з шлакового відвалу 1 надходить до блока розсіювання 2, в якому за допомогою набору сит здійснюють поділ шлаку на гранулометричні фракції. Фракції шлаку послідовно аналізуються на радіаційну безпеку в блоці 3 і на гідравлічну активність - в блоці 4. Відібрана фракція, що володіє високими гідравлічними властивостями і низькою питомою 2 радіоактивністю, подрібнюється в кульовому млині 5 до питомої поверхні 270-495 м /кг. З кульового млина 5 шлакове борошно через дозатор 6 надходить на змішування шлаку і лужного компонента в ємність 7, яка оснащена лопатними мішалками. У ємність 7 через дозатор 8 і насос 9 подають лужної компонент (42,4 %-ий розчин метасилікату натрію), який попередньо готують і зберігають у резервуарі 10. Ретельно перемішане готове до застосування ШЩВ надходить і резервуар 11, далі - на споживання. Спосіб відносно простий і може бути здійснений за допомогою стандартного устаткування. Розглянутий спосіб має наступні переваги: збільшення гідравлічної активності утилізованого шлакового компоненту, забезпечення радіаційної безпеки одержуваного продукту, підвищення 1 UA 92992 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 економічної та екологічної ефективності способу за рахунок використання відходу виробництва (відвального доменного шлаку), підтримання у часі високої активності в'яжучого, отримання дешевих ШЛВ з високими характеристиками міцності. Вибір фракцій відвальних доменних шлаків підприємств: ВАТ "Дніпровський металургійний комбінат ім. Ф.Е. Дзержинського" (ДМК); ВАТ "Запоріжсталь"; ПАТ "Маріупольський металургійний комбінат імені Ілліча" (ММК); ПАТ "Алчевський металургійний комбінат" (АМК); ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг" ("АрселорМіттал"), які можна вважати перспективними для отримання ШЛВ та характеристики отриманих ШЛВ ілюструється такими прикладами. Приклад 1 стосується визначення гранулометричного складу відвальних доменних шлаків. Представницькі проби відвальних доменних шлаків відбиралися методом квартування відповідно до правил, викладених у посібнику (Радіаційно-гігієнічна оцінка будівельних матеріалів, що використовуються в цивільному будівництві УРСР. - Київ, 1987. - С. 21). Розсіювання на гранулометричні фракції проводили за допомогою набору сит на віброплощадці. Були виділені наступні фракції: >20 мм, 10-20 мм, 5-10 мм, 2,5-5 мм, 1,25-2,5 мм, 0,63-1,25 мм і 20 мм шлаку ВАТ "Запоріжсталь"; 1. У цьому випадку може використовуватися лужний компонент будь-якої групи. Метасилікат натрію відноситься до III групи лужних компонентів. Всі вибрані шлаки і фракції відповідають цьому критерію. Згідно модулю активності Ма всі вибрані зразки шлаків відносяться до активних (таблиця 3). За співвідношенням оксидів 50 CaO практично в усіх шлаках завищений рекомендований SiO 2 інтервал 0,5-2,0, за винятком середньої проби шлаку ДМК і фракції >20 мм "Запоріжсталь". Однак, при використанні середніх проб шлаків ММК і "Запоріжсталь", величина відносини CaO дещо зменшується. При цьому Ма і Мо не виходять за межі рекомендованих оптимумів. SiO 2 Таким чином, можна використовувати відвальні доменні шлаки ММК і "Запоріжсталь" без розсіювання на фракції. 2 UA 92992 U Відношення оксидів глинозему шлаку до оксиду натрію лужного компоненту для зазначених фракцій шлаків 5 10 15 20 25 30 35 40 достатню кількість лугу для повної гідратації та взаємодію з амфотерними оксидами: Аl 2О3 і Fe2О3. Всі шлаки відрізняються досить високим вмістом гідравлічно-активних мінералів: бредігіта, окерманіта і псевдоволластоніта (таблиця 3). Співставлення з рівнем радіоактивності фракцій шлаків призвело до вибору перспективних для утилізації у виробництві ШЛВ фракцій шлаків: відвальні доменні шлаки ДМК і "АрселорМіттал" без розсіювання на фракції, гранулометричні фракції шлаків: >20 мм "Запоріжсталь", 2,5-5,0 мм ММК і >5 мм АМК. Приклад 5 стосується обґрунтування вибору лужного компонента і визначення кількісних характеристик замішування фракцій шлаків лужним компонентом. Фракції відвальних доменних 2 шлаків подрібнювали на кульовому млині до питомої поверхні Sуд. = 270-495 м /кг. Для змішування використовували 42,4 %-ий розчин метасилікату натрію. Кількісні показники процесу замішування наведені в таблиці 4. 3 Густина розчину рідкого скла ρ = 1,32 г/см оптимальна (Шлаколужні в'яжучі та дрібнозернисті бетони на їх основі / під заг. ред. В.Д. Глуховського. - Ташкент: Узбекистан, 1980.-482 с.). Варіювання розчино-шлакового відношення (Р/Ш) для різних лужних компонентів в інтервалі 0,28-0,31 (таблиця 4) забезпечує споживання великих об'ємів відвальних шлаків і вирішення екологічної проблеми ліквідації шлакових відвалів. Приклад 6 стосується визначення характеристик міцності ШЛВ. З в'яжучого тіста формовали 3 кубики 2×2×2 см і ущільнювали на лабораторному вібростолі з частотою 3000 кол./хв. Міцність зразків ШЛВ визначали на пресі марки Р-5 з трюма шкалами чутливості, кН: 0-10; 0-25; 0-50. Швидкість пресування 3 мм/хв. Згідно [Будівельні матеріали. В'яжуче шлаколужне. Технічні умови: ДСТУ Б В. 2.7-24-95. [Чинний від 1996-01-01]. - К.: Держкоммітобудування України, 1995. - 19 с.] межа міцності на стиск ШЛВ, виготовлених на гранульованому доменному шлаку, на 28 добу - 30 МПа. Із досліджених ШЛВ найбільш наближене до даної вимоги в'яжуче, виготовлене на основі метасилікату натрію і відвальних доменних шлаків і фракцій: 2,5-5,0 мм шлаку MMK (74 % на 90 діб.) і середньої проби шлаку ДМК (95 %) (таблиця 3). Випробування зразків ШЛВ на міцність при стиску (Rст.) у різні терміни твердіння виявили збільшення Rст. в часі. Досягнення величини Rст. > 30 МПа у віддалені терміни тверднення (240 діб) свідчить про підтримку в часі високої активності в'яжучого і повне утворення мінералів ШЛВ при частковому переході сполук з аморфного стану в кристалічний. Приклад 7 стосується забезпечення спеціальних властивостей ШЛB: високої щільності і жаростійкості. 3 Щільність ШЛВ на 240 добу твердіння не менш ніж 2,0 г/см (таблиця 3). Жаростійкість. Рентгенофазовим аналізом в складі ШЛВ виявлені безводні алюмосилікати Са, Na і К, які утворюються з гідроалюмосилікатів в фазових перетвореннях, що протікають у часі. Наявність безводних мінералів обумовлює спеціальні властивості цементів, зокрема, жаростійкість ШЛВ. Вогнетривкість (°С) ШЛВ, розрахована за формулою (Кужварт М. Неметаллические полезные ископаемые. - М.: Мир, 1986. - 472 с)  45 Al 3 O 3  1, що забезпечує максимальну активність цементу і свідчить про Na 2 O C 360  Al 2 O 3  RO , 0,228 дорівнює для ШЛВ, виготовлених на розчині метасилікату натрію і відвальних шлаків підприємств "АрселорМіттал" і ММК, відповідно, °C: 1463 і 1441, що відповідає вимогам, що пред'являються до жаротривких матеріалів (до 1580 °C). Наведені приклади підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого способу. 50 Таблиця 1 Результати гамма-спектрометричного аналізу фракцій відвальних доменних шлаків Гранулометрична фракція, мм Сеф., Бк/кг 3 40 К Сі, Бк/кг 226 Ra 232 Th UA 92992 U Продовження таблиці 1 Шлак "Запоріжсталь" Середня проба >20 10-20 5-10 2,5-5 1,25-2,5 0,63-1,25 10 5-10 2,5-5 1,25-2,5 0,63-1,25 10 5-10 2,5-5 1,25-2,5 0,63-1,25 10 мм 5-10 мм 2,5-5 мм 1,25-2,5 мм 0,63-1,25 мм 10, колір 20 мм/середня проба ММК, 2,5-5,0 мм/середня проба АМК, > 5 мм/середня проба ШЛВ 3 Масова Rсж. (МПа) / ρ (г/см ) при повітряночастка сухому твердінні з 42,4 %-им розчином гідравлічн метасилікату натрію через інтервал Mo очасу, діб. активних мінералів, 7 28 90 240 % 1,79 0,12 1,69 28,5 9,75/2,15 20,3/2,19 28/2,12 41,88/2,1 3,14 0,12 1,33 43,6 12,06/2,44 19,5/2,15 17,6/ 2,36 26,8/2,4 2,17 0,11 1,99 42,0 7,46/2,04 11,28/1,98 15,4/1,96 27,9/2,0 3,19 0,19 2,75 33,7 10,5/2,23 17,8/2,20 22,3/2,08 42,6/2,2 3,09 0,15 3,93 43,1 2,88/2,11 10,65/2,09 12,9/2,04 29,5/2,0 Таблиця 4 Кількісні показники процесу замішування відвальних доменних шлаків розчином метасилікату натрію Відвальні доменні шлаки металургійних комбінатів "АрселорМіттал" ДМК "Запоріж-сталь" ММК АМК гран. відв. 3 Лужний компонент замішування 42,4 % розчин метасилікату натрию (Na2O nSiO2) (ρ = 1,32 г/см ) Розчино-шлакове відношення 0,28 0,31 0,28 0,31 0,31 0,28 (Р/Ш) Кількісні показники процесу ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб виготовлення радіаційно безпечних шлаколужних в'яжучих на основі відвальних доменних шлаків і метасилікату натрію шляхом розсіювання на фракції доменного шлаку, подрібнення і перемішування певної фракції шлаку і водного лужного компоненту, який відрізняється тим, що виготовлення шлаколужних в'яжучих проводять з використанням у технологічному процесі подрібнених фракцій відвальних доменних шлаків зі значним вмістом гідравлічно-активних мінералів і низьким рівнем радіоактивності, замішуванням і перемішуванням шлакового компоненту 42,4 % розчином метасилікату натрію Na2O·nSiO2. 5 UA 92992 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6