Производство Шунгизита

ВВЕДЕНИЕ 

 

 

      Шунгизит – материал, который используется в качестве заполнителя для легких бетонов. Производят шунгизит при помощи обжига шунгитсодержащей породы (шунгита), в которой содержится большое количество метаморфизованного органического вещества. В СНГ запасы шунгитсодержащих пород обнаружены в России и Казахстане. При этом пока разведано 5 месторождений − Зажогинское, Нигозерское, Шунгское, Мягрозерское и Коксу.

Все месторождения России расположены  в Республике Карелия, в Медвежьегорском и Кондопожском районах. Общий объем запасов шунгитовых пород месторождений России превышает 80 млн т по категории. Суммарные прогнозные ресурсы шунгитовых пород Карелии оцениваются на уровне 2 млрд т. Благоприятным фактором обеспечивающим целесообразность перевозки на значительные расстояния фракционных шунгитовых сланцев, является их большой коэффициент вспучивания, высокая механическая прочность, а также подготовленность к обжигу на шунгизитовый гравий буквально «с колес». Использование шунгитовых сланцев в качестве сырья при производстве шунгизитового гравия  как заполнителя для легких бетонов позволяет решить проблему крупнопанельного строительства для ряда районов северо-запада.      

Шунгизит обладает (за счет своей  пористости) высокими теплоизоляционными качествами. Шунгизитовый гравий применяется в строительстве в качестве заполнителя легких бетонов В3,5...В7,5 различного назначения: теплоизоляционных, конструкционно-изоляционных и конструкционных. Бетоны, выполненные с применением шунгизита, отличаются высокой химической стойкостью и достаточно высоким сопротивлением истиранию, а также могу использоваться в специфических агрессивных средах.       

Шунгитовые сланцы как исходное сырье для получения этого  заполнителя характеризуются присутствием в своем составе тонкодиспергированного шунгита - черного, блестящего, аморфного углерода, отличающегося от сходного с ним антрацита большей плотностью, твердостью, тепло и электропроводностью.     

Производство  шунгизита в России началось с 1972 г. введением в эксплуатацию Кондопожского шунгитового дробильно-сортировочного завода на Нигозерском месторождении. По данным на 1997 год объем производства шунгизита составлял 15000 м3/год.   На данный момент объем  производства снизился до 3000 м3 в год.     

На  шунгизитовых предприятиях изготовляют наружные самонесущие однослойные шунгизитобетонные офактуренные панели для возведения промышленных зданий. Также шунгзит может использоваться в качестве  теплоизоляционной засыпки. Промышленными предприятиями Карелии изготовлено много тысяч кубических метров конструкций и изделий из легких шунгизитобетонов. С использованием таких конструкций и изделий в городах, районах и за пределами республики построены крупнопанельные жилые дома, промышленные здания и объекты.      

Шунгизит  является экологически чистым, сухим теплоизоляционным материалом. Не горит, не тонет, не гниет, долговечен. Использование шунгизита в качестве искусственного пористого заполнителя позволяет решить ряд проблем:     

- обеспечить сырьем производство  легких бетонов в областях, не имеющих местных сырьевых источников для получения керамзитового гравия;     

- обеспечить бесперебойное транспортирование  шунгитового щебня в зимних  условиях, поскольку из-за малого  водопоглощения зимой, он не  смерзается.       

Целью данной курсовой работы является выявление  экологических проблем при производстве шунгизита. Данная цель достигается путем решения следующих задач:     

- выбор экономичных и экологически  чистых  сырьевых материалов;     

- выбор эффективных видов продукции;      

- выбор и обоснование   технологии производства;     

- изучение основных структурных  процессов;     

- описание выбранной технологической  схемы;     

- разработка мероприятий по  защите окружающей среды.  
  
  

 

 

      1 ХАРАКТЕРИСТИКА  СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ      

 

 

     Сырьем для  производства шунгизита служат шунгитовые породы. Шунгитовые породы с силикатной минеральной основой подразделяются на малоуглеродистые шунгитсодержащие (до 5% С), среднеуглеродистые               (5-25% С) и высокоуглеродистые (25-80% С). Шунгиты − специфичные углеродосодержащие породы, уникальные по составу и структуре образования. Они представляют собой необычный по структуре природный композит, содержащий равномерное распределение высокодисперсных кристаллических силикатных частиц в аморфной углеродной матрице. Средний размер силикатных частиц − от 1 до 10 мкм. [2] Шунгит образовался из органических донных отложений — сапропеля примерно 600 млн лет назад, а по некоторым источникам 2 млрд лет назад. Эти органические осадки, прикрываемые сверху все новыми наслоениями, постепенно уплотнялись, обезвоживались и погружались в глубины земли. Под влиянием сжатия и высокой температуры шел процесс метаморфизации. Они содержат шунгитовое вещество – особую форму углерода, отличающуюся инертностью по отношению к агрессивным средам, электропроводностью, теплопроводностью, и что особенно важно, способностью вспучиваться при t 1100±300C. Это ценное свойство проявляется у шунгитовых пород содержащих  1,2-5 % шугнитового вещества, представленного в виде частичек размером около 0,2 мкм, равномерно распределенных среди силикатной массы, состоящей из частиц размеров до 10 мкм. Шунгитовую структуру определяют как некристаллическую метастабильную неграфитируемую, глобулярную, фуллереноподобную. Главным элементом этой структуры является глобула с размерами 10-30 нанометров. Глобула имеет луковичную структуру и способность в небольших пределах изменять упорядоченность внутри фуллереноподобных слоев и расстояние между слоями. Это находит отражение в определении – «метастабильность структуры» шунгитового углерода. Структура самих глобул устойчива против фазовых переходов шунгитового углерода в другие типы кристаллического углерода – графит и алмаз. Цвет шунгита черный с сильным полуметаллическим блеском, излом раковистый; твердость по минералогической шкале 3-3,5, относятся к группе экструзивных сапробиту-молитовых пород. По огнеупорности (1280°С) породы относятся к легкоплавким. Оптимальная температура вспучивания — в среднем 1250°С. Коэффициент вспучивания — от 2,5 до 10. Особенностями сланцев являются малый интервал вспучивания — около 30°С [9,10,13,14]. Физико-механические свойства представлены в таблице 1.     

 

Таблица 1 – Физико-механические характеристики шунгитового сланца

Метод испытания	Среднее значение
Снижение  прочности при сжатии породы в водонасыщенном состоянии, МПа	250
Снижение  прочности при сжатии породы в водонасыщенном состоянии, %	18
Морозостойкость	50
Средняя плотность, кг/м3	2830
Водопоглощение, %	0,15
Радиоактивность, Бк/кг	94,0
Плотность, г/см3	2,25-2,84
Пористость, %	0,5-5
Прочность на сжатие, МПа	100—276
Модуль упругости (Е), МПа	0,31*105
Теплопроводность, вт/м·к	3,8
Теплотворная способность, кал	7500

 

       В золе шунгита  содержится ванадий, никель, молибден, медь и др. Основными породообразующими минералами являются: железистый хлорит 27-40%), плагиоклаз (10-33%), кварц (10-20%), гидрослюды (5-10%) [4]. Средний химический и минералогический состав шунгита  приведен в таблице 2.  

 Таблица 2 –Химический и минералогический состав шунгита

Минералогический  состав. Компоненты осадка (расчёт на минеральную составляющую), %
Кварц		Глинистые минералы		Мориллонит	Полевые шпаты		Карбонаты
45,0		31,0		27,1	12,0		3,3
Химический состав. Содержание: %
SiO2	ТiO2,	Al2O3	Fe2O3	FeO	МgО	CaO	Na2O	K2O
47,04	0,25	4,16	1,13	0,42	0,57	0,08	0

 

  

Для предотвращения образования спеков в процессе обжига используют опудривающий порошок. Опудривающий материал должен быть сухим в такой степени, чтобы он не мог слеживаться в комки при хранении. Ориентировочный paсход опудривающего материала - 3-5 % массы сырцовых гранул. Опудривающий порошок должен полностью проходить через сито с отверстиями размером 0,3 мм. В качестве опудривающего материала примем кварцевый песок. Физико-механические характеристики кварцевого песка приведены в таблице 3.   
  
  
  
      

 Таблица 3 –Физико-механические  свойства фракционированного кварцевого  песка

Модуль  крупности, Мк	до 0,7
Содержание  в песке пылевидных и глинистых  частиц, а также глины в комках не должно превышать,%	до 7
Содержание  влаги, %, не более	5
Потери  массы при прокаливании, %, не более	1
Содержание  суммы окиси железа и двуокиси титана (Fе2O3 + ТiO2), %, не более	0,2
Предел  прочности на сжатие, МПа не менее	40

 

  
  

 

 

 

2 НОМЕНКЛАТУРА ВЫПУСКАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ  

 

 

     Шунгитовые  сланцы вспучиваются при температуре обжига 1100 ± 30оС, превращаясь в легкий пористый заполнитель - шунгизитовый гравий. Вспученный материал независимо от формы кусков исходной породы обладает округлой формой и оплавленной шероховатой поверхностью [7]. Он должен соответсовавать требованиям ГОСТ 9757-90 [15]. В таблице 4 представлена номенклатура шунгизита, планируемого к производству.      

Таблица 4- Номенклатура выпускаемой  продукции 

Характеристики	Фракция   5-40 мм   (смесь)	Фракция   20-40 мм	Фракция   10-20 мм	Фракция   0,7-2,5 мм
Насыпная  плотность,кг/м3	500-600-700	300-400	450-500-600	700-800
Теплопроводность, вт/м°С	0,11	0,12	0,11	0,13
Морозостойкость, циклов	15	15	15
Водопоглощение, %	10	10	10
Марка по прочности		П50-П75	П50-П75
Потеря  массы при кипячении, %		3,3	3,3
Межзерновая пористость, %				60-62
Кажущаяся плотность, г/см3				1,9-2,1
Пустотность, %				42

 

  
     

Удельный  вес стекломассы шунгизита 2,3-2,7г/см3. Внутризерновая пористость гранул объемной массой 500-550 кг/м3 составляет 60,1-60,9 %. Объем межзерновых пустот – 41,3-45,2 %. Цвет шунгизитового гравия при обжиге его из любых модификаций, как правило, темно-коричневый, в изломе – темно-серый, недожог- светло-серого оттенка, пережог близко к черному.      

Объемная насыпная масса шунгизита зависит от ряда факторов: степени вспучиваемости сланцев, метода и режима обжига, и как  правило не превышает 550 кг/м3, минимальная объемная масса – 200 кг/м3.     

Атмосфероустойчивость шунгизита обеспечивается практическим отсутствием в нем известковых и сернистых компонентов, способных вызвать его деструктивность при попеременном увлажнении высушивании.      

 Коэффициент теплопроводности шунгизитового  гравия  объемной массы  400 кг/м3 с естественной влажностью составляет 0,09-0,1 ккал∙м∙ч∙град.      

Шунгизитовый  гравий  должен быть морозостойким  и обеспечивать требуемую марку  легкого бетона по морозостойкости. Потеря массы после 15 циклов попеременного  замораживания и оттаивания не должна превышать 8%. Потеря массы при кипячении должна быть не более 4 % для шунгизитового гравия. Повышенная морозостойкость шунгизита является специфической особенностью его структуры, не подверженной деструктивным процессам [22].   
  
  
  
  
  
  
 

3 ВЫБОР И  ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ      

Шунгизитовый  гравий получают 2 способами: сухим и порошково-пластическим. В сущности шунгизит это вид керамзита, отличающийся видом сырья.     

При организации производства шунгизита сухим способом в связи  неоднородностью поставляемого сырья  рекомендуется его обогащать по избирательного дробления исходного породы (чем прочнее порода, тем больше коэффициент ее вспучивания).      

Крошка со склада сырья, рассчитанного  на работу линий в течение 15  
суток, подается скиповыми подъемниками в расходные бункера,  
установленные над печами термоподготовки. В этих печах  
материал нагревается до 400°С примерно за 20 мин, а затем через  
перегрузочные камеры поступает в печи обжига, где находится  
в течение 12... 15 мин.     

Вращение печей термоподготовки и обжига с различной скоростью  
позволяет осуществлять ступенчатый режим термообработки шунгитовой  
крошки, вспучивающейся обычно при температуре 1120... 1150С. Узкий  
температурный интервал вспучивания (до 30°С, что значительно меньше  
требуемого при производстве керамзита) усложняет обжиг сырья. Во  
избежание образования спеков в печь перед зоной обжига вводят  
опудривающий порошок. Охлаждение шунгизита производят в две стадии:  
сначала с 900 до 550°С в барабанном холодильнике в течение  
20 мин, а затем до 60... 80°С в аэрожелобе длиной 10 м в течение 2  
мин. «Мягкий» режим охлаждения способствует снятию термических  
напряжений в материале и повышению прочности шунгизита. Охлажденный шунгизит конвейером с погруженными скребками направляется на склад готовой продукции, где после сортировки хранится по фракциям в силосах.        

Порошково-пластический  способ отличается только тем, что перед подачей сырья в расходные бункера осуществляется помол сырья, что является выгодным, поскольку при производстве шунгитовой крошки до 40% добытой породы в виде мелких отходов не используется. Такая переработка сырья ведет к повышению качества шугнизита, но с усложнением технологии в дополнение  к большим расходам на перевозку сырья возрастут издержки производства.