Производство Шунгизита

В связи с вышеизложенным приходим к выводу, что наиболее оптимальным и рациональным является сухой способ производства [22,11].  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

4 СТРУКТУРНЫЕ  ПРОЦЕССЫ      

Успешное  вспучивание сланцев на шунгизит зависит не только от свойств исходного  сырья, но и в значительной мере предопределяется факторами производства температурой и скоростью нагревания в различные периоды тепловой обработки, размером и формой сырья, а также величиной загрузки печи.     

Процесс обжига является наиболее ответственным  технологическим процессом. От правильности ведения обжига зависит качество получаемого шунгизита, его объемная масса, механическая прочность, морозостойкость и другие физико-механические свойства.      

Изменение режима обжига существенно влияет на характер и скорость  механических  и химических процессов, определяющих эффективность вспучивания.   Процесс обжига шунгизита проходит две основные стадии. Первая стадия характеризуется постепенным нагревом шунгитового сланца до температуры 400-500С, вторая последующим быстрым нагревом до температуры вспучивания сланцев. Первая ступень идет с выделением газов и паров при окислительно-восстановительных процессах и реакциях разложения за счет содержащихся в материале органических примесях. Удаление свободной воды и физически связанной воды заканчивается при 100-180С. Выделение различных газов и паров при окислительно-восстановительных процессах начинается при температуре 400-500С и заканчивается при температуре 1000-1200С. В зоне нагрева и химических реакций, выделяется химически связанная вода, входящая в состав шунгитовых сланцев. Часть химически связанной воды сохраняется в сырье до температуры 900-1000С и в дальнейшем принимает участие в дальнейшем порообразовании шунгизита. Размягчение и интенсивное образование жидкой фазы происходит при температуре 1000-1200С. В этот период материал, состоящий из трех фаз: жидкой,  твердой и газообразной приобретает пиропластическое состояние. Выделяемые в результате реакций газы и пары вспучивают его, образуя много мелких, преимущественно закрытых пор, заполненных продуктами газообразования. Оптимальная температура вспучивания шунгизита 1100С. При охлаждении материал застывает образуя шунгизит. 

Медленный нагрев не приводит к интенсивному вспучиванию материала в печи, так как при этом значительное количество газов и паров будет  удалено из материала еще до перехода его в пиропластическое состояние.         

В шунгитовых сланцах имеется несколько  источников газообразования, приводящие к вспучиванию, формированию и упрочению замкнуто-пористой структуры шунгизитового гравия:     

- свободная физически связанная  вода, испаряемая в начальной  фазе обжига;     

- химически связанная вода минералов  составляющих шунгитовых сланец;     

-сульфаты  и сульфиты, которые, диссоциируясь,  выделяют газы SO2  и SO3, участвующие в порообразовании;      

- окись железа Fe2O3, взаимодействуя с углеродом и переходя в закись железа, которая вступает во взаимодействие с другими компонентами сланца, с образование CO2, CO или H2O.     

При выходе из вращающейся печи шунгизит имеет температуру 900-950 0С. Для дальнейших технологических операций его охлаждают до температуры 50-100 0С. Режим охлаждения шунгизита оказывает существенное влияние на его качество: прочность, терщиноустойчивость, водопоглощение и др. Температура, при которой материал начинает терять эластичность вследствие затвердевания стекловидной фазы является критической температурой охлаждения. При этой температуре материал приобретает жесткость, и если в этот момент подвергнуть его быстрому охлаждению, в нем развиваются внутренние напряжения, которые могут привести к образованию видимых и волосных трещин или  к разрушению. Внутренние напряжения резко увеличиваются при его неравномерном охлаждении. Чтобы предотвратить трещиноватость и возможное раннее или позднее разрушение шунгизита, режим его охлаждения должен предусматривать снижение температуры до 700 0С со скоростью, зависящей от требуемой степень образования стекловидной структуры материала и замедленное охлаждение в период температур 700-5500С с последующим быстрым остыванием. Многократные производственные обжиги подтверждают что постепенное, но резкое охлаждение является необходимым технологическим процессом, который улучшает качество поверхности гранул, повышает механическую прочность и сокращает объем пылевидных образований.      

Прочность шунгизита и его гранулометрический состав по пробам взятым непосредственно  из печи и из бункера различны. В  результате подачи материала пневмотранспортом, гранулометрический состав резко меняется в сторону увеличения мелких раздробленных гранул. В результате медленного остывания материла в течение 40-50 мин. без контакта его с окружающей средой прочность повышается на 10-30% [24].   
   

5 ОПИСАНИЕ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА       

Шунгитовые  сланцы, поступающие с карьера  по железной дороге разгружают в приемные бункера и системой ленточных  конвейеров подают в закрытый склад  заполнителей, а затем системой транспортеров  и элеваторов в двухсекционный бункер над печью.      

Равномерная подача шунгитовых сланцев  в печь осуществляется тарельчатым  питателем. Такой питатель представляет собой круглую плоскую тарель, устанавливаемую под бункером и вращаемую приводом. Между бункером и тарелью устанавливаются неподвижная и подвижная манжеты и нож. По периметру тарели устраиваются направляющие борта с проемом в месте установки ножа, исключающие неорганизованное осыпание материала. Каждая фракция обжигается отдельно, что обеспечивает лучшее качество сырья. Вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы перемещаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, наконец, попав  в  зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Условно печь делят на 3-4 технологические  зоны: подготовки (подогрев материала), интенсивного нагрева, вспучивания и охлажения. В производственных условиях необходимо поддерживать в печи стабильную температуру вспучивания материала 11000С. Вследствие узкого интервала вспучивания колебания температуры газов в печи свыше ±150С приводят к   образованию «козлов», сплавлению материала или к его утяжелению (недожег) и значительному ухудшению качества шунгизита. Исходя из этого отработан режим обжига шунгизита в 12 м вращающихся печах. Щебень из шунгитовых сланцев в момент загрузки вносится в зону высоких температур (600-800 0С), нагревается в ней и поступает в зону вспучивания, расположенную примерно в 4 м от участка загрузки материала в печь. Длинна зоны вспучивания составляет, примерно 6 м. В последующей двух метровой зоне охлаждения осуществляется процесс затвердевания вспученной массы материала, температура которого в этой зоне понижается до 900 0С.  В качестве топлива используется мазут. Для сжигания топлива применяют форсунки низкого давления с воздушным распылением, с регулируемой формой и направлением пламени. В печи и в системе поддерживается постоянный гидродинамический режим:      

-температура  обжига 1100 -1200 0С;     

-температура  отходящих газов в пылеосадочной  камере -490-510 0С;     

-разрежение  в головке печи -0,4-0,6 мм.вод.ст;     

-давление  воздуха для распыления топлива  - 190-200 мм.вод.ст.     

Во  избежание образования спеков предусматривают  введение опудривающего порошка в зону обжига печи. Опудривающий порошок (огнеупорная глина, кварцевый песок, пиритные огарки и др. подобные материалы) с промежуточного склада автопогрузчиком подаются в приемный бункер[21,22].     

Из  бункера конвейером с погруженными скребками опудривающий порошок  транспортируется к установкам его  подачи в печи.     

Место введение порошка по опыту работы ряда заводов — в 2-х м от зоны вспучивания. Опудривающий порошок подают в печь специальным ковшом, соединенным с питательной трубой, проходящей через обечайку и футеровку внутрь печи. Ковш зачерпывает опудривающий порошок из кожуха, охватывающего корпус печи по наружному диаметру. В кожух опудривающий порошок подается ленточным питателем из расходного бункера, который заполняется элеватором. Ленточный питатель регулирует расход опудривающего порошка в пределах 150...750 кг/ч. Качество опудривания сырцовых гранул контролируют визуально: гранулы должны быть равномерно покрыты опудривателем. Покрытие гранул опудривателем должно быть достаточно устойчивым и сохраняться при продвижении гранул до зоны спекания. Опудренные гранулы хранят в бункере. Можно накапливать в бункерах двухсменный запас гранул, не допуская их слипания.       

Обоженный шунгизит с температурой 900...850°С через откатную головку печи, по желобу поступает в барабанный холодильник.     

Барабанный  холодильник представляет собой  вращающийся стальной барабан длиной 15—30 м и диаметром 2,5—5 м, установленный с наклоном на роликовые опоры. Со стороны поднятого конца в барабан непосредственно из печи ссыпается обожженный шунгизит и в результате вращения барабана перемещается к его опущенному концу. Навстречу шунгизиту движется холодный воздух и охлаждает его. Для лучшего теплообмена между ним и воздухом улучшают условия пересыпания, устанавливая в барабане пересыпающие лопасти. Внутренняя часть барабана на половину длины футеруется шамотным кирпичом. Барабаны крепятся к корпусу печи. С внутренней частью ее они сообщаются люками, через которые шунгизит ссыпается из печи в барабаны. Охлаждение шунгизита в барабанном холодильнике до температуры 580...570°С в течение 20 мин необходимо для создания «мягкого» режима охлаждения, обеспечивающего снятие термических напряжений и повышение прочности шунгизита. 

Дальнейшее  охлаждение до 60...80°С происходит в аэрожелобе примерно за 2 мин.Аэрожелоб представляет собой закрытый короб прямоугольного сечения, собираемый из отдельных секций.  
  По высоте короб разделен на 2 канала пористой перегородкой. Нижний канал служит воздуховодом, в него нагнетается воздух из вентилятора. Верхний канал является транспортным лотком. Через окно загрузочной секции в верхний канал подается шунгизит. Для прочности, а также во избежание провисания,  снизу воздухопроницаемой перегородки проложен металлический лист (перфорированный). Воздух в нижний канал подается от вентилятора высокого давления [5].      

Охлажденный шунгизит конвейером с погруженными скребками транспортируется на склад готовой продукции, затем ленточным элеватором — в гравиесортировку. Фракционированный шунгизит распределяют по силосным банкам конвейеры с погруженными скребками [24]. Технологическая схема производства шунгизита представлена на рисунке 1.  

Рисунок 1- Технология производства шунгизита      

Продукция, выпускаемая  по запроектированной технологии должна соответствовать  требованиям действующих  стандартов и технических условий. В связи с этим в курсовой работе представлена карта технологического контроля, приведенная  в таблице 5. 

      6 СПЕЦЧАСТЬ ПРОЕКТА     

     Свое  название камень шунгит получил от заонежского селения Шуньга, вблизи которого были обнаружены крупные залежи этого чисто карельского полезного ископаемого, известного ранее под другими наименованиями. Честь открытия, этого удивительного камня принадлежит академику Российской Академии Н.Я. Озерецковскому, который первым, обратил внимание на необычайно черную почву острова Кижи и назвал ее «углистым сланцем». Ее описание составляет, чуть ли не единственную тему заметок о Кижах и в трудах более поздних исследователей-геологов — Г.П. Гельмерсена и Б.3. Коленко. «Кижский чернозем», «северный антрацит» — все это названия одной и той же породы, из которой местные крестьяне издавна получали стойкую черную краску — «олонецкую чернедь», использовавшуюся в 1812 г. на Александровском заводе в Петровской слободе для окраски стволов артиллерийских орудий. Другое название минерала шунгита — "аспидный камень". Чистый шунгит встречается в природе довольно редко, да и то в основном в виде тонких, до 30 см шириной, прожилок. Чаще он присутствует в качестве примеси в шунгитовых сланцах и доломитах, распространенных по всему Заонежью — от Гирваса на западе до Толвуи и Шуньги на востоке [2,4,6].     

Шунгиты как новый промышленный продукт  вошли в XXI век в качестве многоцелевого  сырья для различных отраслей и сфер жизнедеятельности (металлургия, строительство, химия, коммунальное хозяйство, экология, медицина, сельское хозяйство  и др.).     

В 2005 году были проведены исследования по высокоуглеродистым шунгитовым порошкам участка «Полежаевский» с оценкой их свойств, как наполнителя в стандартных резиновых смесях. По результатам исследований разработаны технические условия ТУ 2169-001-73698942-2005 «ЭКОФИЛ порошок шунгитовый для резинотехнической и шинной промышленности». Проведены полупромышленные испытания шунгитового порошка на Нижнекамском шинном заводе, получено положительное заключение об использовании его, как полуактивного наполнителя при производстве шин. Также были проведены испытания  при разработке токопроводящей эмали, которые показали целесообразность его использования в лакокрасочной промышленности.      

В 2005 году были проведены маркетинговые исследования по использованию шунгитовых пород, как комплексного сорбента и фильтрующего материала для очистки питьевых, сточных, ливневых и вод оборотного водоснабжения и водоподготовки (кондиционирования) питьевых вод и вод специального назначения.      

В 2006 г. в Российском государственном  аграрном университете - МСХА им. К.А. Тимирязева г.Москва были проведены исследования по оценке влияния шунгитовых пород на плодородие почв и развитие растений. Работа проводилась с шунгитовыми породами (содержание углерода Сорг.>20%).По результатам проведенных работ сделано заключение о положительном влиянии шунгита на плодородие почв и урожай сельскохозяйственных культур, а также о возможности использования его для конструирования и детоксикации городских почв [29].     

В 2007-2008 году проведены лабораторно-технологические испытания щебня различных фракций из всех природных разновидностей шунгитсодержащих и шунгитовых пород участка «Полежаевский». Испытания проводились в ФГУП ЦНИИгеолнеруд г.Казань и в Петрозаводском Государственном университете, которые показали, что по своим физико-механическим свойствам щебень из всех разновидностей пород участка может использоваться для любых видов строительных работ, устройства земляного полотна автодорог, балластного слоя железнодорожного пути, отсыпки промышленных площадок. В Российском Государственном открытом техническом университете путей сообщений ( РГОТУПС ) г.Москва и в его филиале г.Казань проводятся исследования по использованию шунгитовых и шунгитсодержащих пород участка «Полежаевский» для очистки от загрязнений в системе железных дорог России.      

В 2007 году в  Российском государственном аграрном университете - МСХА им. К.А. Тимирязева г.Москва были проведены исследовательские  работы по теме: «Использование шунгитов залежи «Полежаевская» Зажогинского месторождения  Республики Карелия для очистки почв от загрязнения их нефтепродуктами».      

В 2008 году проведены научно-исследовательские  работы по теме: « Выполнение лабораторно-технологических  испытаний и оценка эффективности  использования шунгитовых и шунгитсодержащих пород участка «Полежаевский» Зажогинского месторождения Республики Карелия для технологии питьевого и технического водоснабжения». Впервые в рамках данной НИР оценены сорбционные, ионообменные каталитические свойства и физико-механические параметры всех разновидностей шунгитсодержащих и шунгитовых пород, позволяющие определить эффективность их использования. Испытания по эффективности адсорбции нефтепродуктов и ПАВ (истинно растворенных в воде) по всем разновидностям пород показали, что эффект очистки достигает 85%. Экспериментально подтверждена возможность использования мелких фракций шунгитовых пород (<0,5 мм) для быстрого удаления разлитой нефти с водной поверхности при ликвидации последствий экологических катастроф. Эффект очистки воды от разлитой нефти достигает 99%.