Влияние прессования на структурные превращения фосфогипса и разработка технологии получения вяжущих материалов и строительных изделий на его основе

Фосфогипс является крупнотоннажным техногенным отходом, образующимся при переработке апатитовых и фосфоритовых руд в фосфорную кислоту. В настоящее время практически весь образующийся фосфогипс вывозится в отвал, создавая нагрузку на окружающую среду. Наиболее перспективным направлением сокращения выбросов фосфогипса в окружающее пространство и переработки существующих отвалов является переработка фосфогипса в продукты, потребляемые строительной индустрией, в частности, гипсовый камень и минеральные вяжущие вещества.

Работы в направлениях прямой переработки фосфогипса в минеральные вяжущие вещества и гипсовый камень проводились многочисленными исследователями, но, как правило, эти два направления были выделены в самостоятельные области исследований и решались по отдельности. При этом, предложенные способы прямой переработки фосфогипса в гипсовые вяжущие не позволяли получить гипс с высокими физико-механическими свойствами и низкими энергозатратами, а окускование фосфогипса с использованием в основном методов грануляции с введением различных вяжущих веществ не позволяло мгновенно получить прочный камень, пригодный для дальнейшей транспортировки.

Нами предложено решение данной задачи в комплексе, то есть производство на первом этапе искусственного гипсового камня методом прессования, обеспечивающего мгновенное получение камня с высокой прочностью, который можно использовать как в качестве регулятора скорости схватывания и минерализатора портландцемента, так и для производства гипсовых вяжущих веществ. Такой подход на стадии производства искусственного гипсового камня позволяет придать ему комплекс физико-механических свойств, необходимых для решения конкретной технологической задачи.

Для достижения поставленной цели изучалось влияние давления прессования на структурные изменения природного гипса и фосфогипсов, полученных по полугидратной и дигидратной технологиям. Было установлено, что при прессовании гипсов при усилиях, превышающих прочность кристаллогидратов, в зависимости от давления прессования, в гипсах наблюдаются смещения пиков эндоэффектов и изменение площади эндоэффектов по данным дифференциально-термогравиметрического анализа (ДТГА), изменение интенсивностей инфракрасного (ИК) и рентгеновского спектров порошкограмм и величины pH их водной вытяжки.

На рис. 1 приведены сравнительные данные относительных интенсивностей пика рентгенов-

Рис. 1. Влияние давления прессования на интенсивность пика рентгеновского спектра прессованных гипсов с d = 7,48 А

ского спектра прессованных гипсов с межплоскостным расстоянием 7,48 А, соответствующем кристаллографическому направлению зоны спайности гипса 010, в котором располагается кристаллогидратная вода.

Объяснить изменение интенсивностей пиков рентгеновского спектра измельчением кристаллогидратов невозможно, так как уменьшение размеров кристаллогидратов происходит монотонно, и наиболее яркие рентгеновские пики должен иметь исходный гипс, но, как видно из приведенных данных, это не так. Аналогичный характер циклических изменений показали и данные рентгеноструктурного анализа, ДТГА, ИК-спектроскопии и рН-анализа.

Анализ большого количества экспериментальных данных позволил выявить закономерности и описать поведение гипсов при прессовании. По нашему мнению, наблюдаемые эффекты связаны с накоплением дефектов в кристаллической структуре гипса и снятии дефективности при достижении нагрузки, соответствующей прочности кристаллогидратов гипса. Возникновение дефектов при увеличении давления прессования связывается нами с рекомбинацией межмолекулярных связей кристаллогидратной воды (в основном водородных), располагающейся в зоне спайности по кристаллографическому направлению 010. При такой рекомбинации становятся возможны замещения молекул кристаллогидратной воды кислыми ионами и анионами находящихся в фосфогипсе кислот с образованием солей кальция, в частности гидратов фосфата кальция. Дополнительные исследования рентгеновскими и термическими способами подтвердили данную гипотезу.

Использование обнаруженного эффекта позволило разработать технологии производства искусственного гипсового камня, обладающего комплексом технологических параметров, необходимых для производства портландцемента [1, 2], обычного гипса [3] и гипса с повышенной водостойкостью [4]. В настоящее время завершаются исследования по разработке композиционного гидравлического гипсового вяжущего и строительных изделий на его основе.

Участок производства искусственного гипсового камня, реализующий данную технологию, пущен в эксплуатацию на отвале фосфогипса одного из химических заводов. Принципиальная схема участка приведена на рис. 2.

Технологический процесс состоит из следующих операций. Фосфогипс из отвала автотранспортом доставляется к приемному бункеру 1. Приемный бункер снабжен дробильными барабанами и питателем, которые осуществляют домол кусков фосфогипса и подачу молотого продукта на ленточный конвейер 2. На этот же конвейер из силосов 3 и 4 подаются технологические добавки, которые вместе с молотым фосфогипсом загружается в приемную воронку 2-вального шнекового смесителя 5. Из смесителя ленточным питателем б и элеватором 7 смесь поступает в бункер томления 8, где выдерживается в течение 2 часов. Из бункера томления ленточным питателем 9 смесь подается в приемный бункер-дозатор 10 инфракрасной туннельной проходной печи 11. Равномерно уложенный по ширине конвейера слой толщиной 30-50 мм проходит несколько зон нагрева и отвода водяного пара, после каждой зоны материал переворачивается специальными плужками. В ходе сушки фосфогипс теряет 10-25 % свободной воды, удаляемой принудительной вентиляцией, при этом кристаллизационная вода сохраняется. Высушенный фосфогипс ленточным питателем 12 и элеватором 13 загружается в промежуточный бункер-охладитель 14. Из этого бункера ленточным питателем 15 продукт подается в воронку брикетировочного пресса 16. После прессования искусственный гипсовый камень наклонным конвейером 17 передается в соседний пролет и там штабелируется (скла-

Михеенков М.А.

Влияние прессования на структурные превращения фосфогипса и разработка технологии получения вяжущих материалов...

Рис. 2. Принципиальная схема участка производства искусственного гипсового камня:

1 - приемный бункер; 2 - ленточный конвейер; 3, 4 - силоса для технологических добавок; 5 - шнековый смеситель; 6 - ленточный питатель; 7 - элеватор; 8 - бункер томления; 9 - ленточный питатель; 10 - приемный бункер -дозатор ИК-сушила; 11 - ИК-сушило; 12 - ленточный питатель; 13 - элеватор; 14 - бункер охладитель; 15 - ленточный питатель; 16 - брикетировочный пресс; 17 - наклонный ленточный конвейер; 18 - диспетчерский пункт; 19 - резервная площадь для второй очереди

дируется) по типу «шеврон» на складе готовой продукции.

Разработанная технология производства искусственного гипсового камня и минеральных вяжущих веществ на его основе, позволяет с высокой производительностью перерабатывать крупнотоннажные текущие выбросы фосфогипса и фосфогипс, накопленный в отвалах.