Обоснование выбора сырья, материалов и их технологическая характеристика - Цех по производству высокопрочного гипса

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служит природный гипс (CaSO4-2H2O), реже природный ангидрит (CaSO4), а также гипсосодержащие отходы химической промышленности (фосфогипс, борогипс и др.).

Природный гипс. Гипс кристаллизуется в форме призм, вытянутых вдоль оси [001] и пластинок с совершенной спайностью по (010) и спайностью по (100) и (011), а также двойников в форме ласточкина хвоста (рис. 1, а). Пространственная решетка гипса относится к моноклинной сингонии.

Кристаллическая структура двуводного гипса слоистого типа и состоит из двойных слоев тетраэдрических групп SO2-4, прочно соединенных ионами кальция (рис. 2, а); слои параллельны плоскости (010). Молекулы воды размещаются между этими двойными слоями. Каждый ион кальция окружен шестью атомами кислорода, принадлежащими сульфатным группам, и двумя атомами кислорода, относящимися к двум молекулам воды. Таким образом, каждая молекула воды связывает ион кальция как с кислородом и" этого же двойного слоя, так и с кислородом соседнего слоя (рис. 2, а). Тот факт, что кристаллизационная вода сконцентрирована в слои, параллельные (010), является интересной особенностью" структуры гипса. Связи, идущие от молекул воды, являются наиболее слабыми, поэтому гипс характеризуется совершенной спайностью в этом направлении и вода сравнительно легко удаляется при нагревании. При выделении воды кристаллы расщепляются на тонкие пластинки. Светопреломление кристаллов: Ng= 1,5305, Np= 1,5207.

Природный гипс (гипсовый камень) имеет осадочное происхождение. Состав химически чистого двуводного гипса: 32,56% СаО, 46,51% SО3 и 20,93% Н2О. Это минерал белого цвета, обычно содержащий некоторое количество примесей глины, кремнезема, известняка, органических веществ и др. Двуводный гипс является мягким минералом -- твердость его по шкале Мооса равна 2. Плотность двуводного гипса составляет 2200--2400 кг/м3. Одна из чистых разновидностей гипса в виде мелкозернистой плотной массы белого цвета называется в минералогии алебастром; этот материал напоминает по внешнему виду мрамор и применяется для скульптурных работ.

Для производства гипсовых вяжущих веществ важное значение имеет характер кристаллизации двуводного гипса -- мелко - или крупнокристаллический. Мелкокристаллический гипс дегидратируется быстрее и при более низкой температуре.

Примеси известняка являются балластом в производстве строительного гипса, так как последний обжигается при температуре ниже температуры диссоциации углекислого кальция. При производстве высокообжигового гипса известняк разлагается при обжиге, что повышает содержание свободной окиси кальция в ротовом продукте. При оценке качества сырья необходимо знать не только его химический состав, но и физическую структуру, количество и вид примесей, характер их распределения среди всей массы материала. Содержание примесей по ГОСТ 4013--74 в гипсовом камне для производства вяжущих веществ должно быть не более 5, 10, 20 и 30% соответственно для гипса 1, 2, 3 и 4-го сортов.

Известны месторождения глиногипса, представляющего собой смесь двуводного гипса, глины, лесса и небольшого количества кремнезема и известняка. Эти породы носят местные названия: гажа, ганч и арзык.

По запасам природного гипса СССР занимает одно из первых мест в мире. Крупные его месторождения есть на Урале (Ергачинское), В Восточной Сибири (Заларинское, Дубиновское), в Средней Азии (Джамбульское, Исфаринское), в центре европейской части страны (Новомосковское, Камско-Устьинское), на севере (Зворское), на Украине (Артемовское, Деконское) и др.

Природный ангидрит. Ангидрит встречается в виде сплошных зернистых агрегатов и значительно реже -- хорошо образованных призматических кристаллов (см. рис. 1, б). Для ангидрита характерно развитие полисинтетических двойников по (101). Кристаллизуется он в ромбической сингонии. Кристаллическая структура ангидрита типично островная, в ней выделяются тетраэдрические группы SO2-4. Каждый ион кальция окружен восемью соседними ионами кислорода, причем каждый ион кислорода в свою очередь связан с одним ионом серы и двумя ионами кальция (рис. 2, б). Кристаллическая решетка ангидрита обладает плотной упаковкой и является наиболее устойчивой по сравнению с кристаллическими решетками других сульфатов. В отличие от гипса ангидрит обладает совершенной спайностью по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Твердость ангидрита 3--3,5, плотность 2900-- 3100 кг/м3. Показатели светопреломления кристаллов: Ng = 1,614, Nр = 1,570.

Ангидрит -- порода осадочного происхождения, состоящая в основном из безводного СаSО4. Состав химически чистого ангидрита (по массе): 41,19% СаО и 55,81% SО3. В природе ангидрит встречается реже гипса, но, как правило, вместе с ним, являясь как бы подстилающим слоем этой породы. Под действием подземных вод ангидрит медленно гидратируется и переходит в двуводный гипс, поэтому в природном ангидрите содержится до 10% и более двуводного гипса. Чистый ангидрит белого цвета, но примеси придают ему различные оттенки. В СССР месторождения ангидрита встречаются в Башкирии, Средней Азии, на Украине.

Отходы химической промышленности. Дополнительным сырьем для производства гипсовых вяжущих материалов могут служить такие гипсосодержащие отходы химической промышленности, как фосфогипс, борогипс, фторогипс, титаногипс и др.

Фосфогипс в значительных количествах получают при сернокислотной переработке фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения. В качестве отхода производства экстракционной фосфорной кислоты на 1 т P2 O5 получается около 4 т фосфогипса. Схематически процесс образования фосфогипса можно представить реакцией

Са5 (РО4)3F + 5Н2SО4>5СаSО4v + НF + ЗН3РО4

В зависимости от условий производства различают три режима экстракции фосфорной кислоты: дигидратный, полугидратный и ангидритовый и, как следствие этого, в осадке образуется двуводный, полуводный гипс или ангидрит.

Получают фосфогипс в виде шлама, содержащего значительное количество воды (до 55%). Твердая фаза шлама тонкодисперсна и имеет более 50% частиц размером менее 0,1 мкм. Фосфогипс (таблица 15) состоит в основном (до 96%) из двуводного гипса с примесью фосфатов Н3РО4, Са5(РО4) 3F, фторидов кремнезема Nа2SiF6 и некоторых других соединений (Na2SO4,СаF2). Водорастворимая Р2О5 замедляет схватывание и снижает прочность готового продукта, поэтому фосфогипс целесообразно предварительно отмывать от водорастворимой фосфорной кислоты или в процессе производства гипсового вяжущего связывать ее в труднорастворимые соединения.

Фторогипс является отходом производства фтористоводородной кислоты из плавикового шпата; состоит он в основном из сульфата кальция (80--85%) и содержит некоторое количество фтористого кальция (2,0--2,5%). Схематически процесс получения фторогипса можно представить следующим образом:

СаF2+Н2SО4>СаSО4v+2НF

Фторогипс представляет собой плотную, способную слеживаться массу влажностью 15--20%.

Борогипс -- отход при производстве бора сернокислотным методом; состоит он в основном из двуводного гипса (до 76%) и кремнезема (до 21%). Это пастообразная масса влажностью, 43--45%.

Титаногипс -- отход, получаемый из нерастворимого ангидрита и двуводного гипса с примесью ТiO2 и редких элементов.

В настоящее время отходы химической промышленности еще не нашли достаточно широкого применения в производстве строительных материалов. Однако, в связи с тем что их количество возрастает из года в год как в России, так и за рубежом, ведутся научные работы по дальнейшему совершенствованию технологии переработки этих отходов в гипсовые вяжущие вещества.

Таблица 15

Средний химический состав сульфатосодержащих отходов химических производств (% по массе)

Наименование отхода

СаO

SO3

H2O

SiO3

Al2O3+Fe2O3

Na2O+K2O

P2O5

Редкоземельные элементы

СаSO4 расчетное

Общий

Растворимый

Фосфогипс

31,7

45,1

20,0

0,9

0,8+0,08

0,1+0,08

1,27

0,6

0,73

95,6

Фторогипс

38,6

52,5

3,7

2,0

0,3+0,2

0,2

0,02

-

-

97,4

Борогипс

25,4

35,2

16,0

20,8

0,4+1,3

1,1

-

-

-

76,7

Похожие статьи




Обоснование выбора сырья, материалов и их технологическая характеристика - Цех по производству высокопрочного гипса

Предыдущая | Следующая