Максимальная эффективность технологии производства и экологическая безопасность достигается применением рациональной рецептуры анодной массы, оптимальными техническими приемами и возможностью применения проточного способа ее приготовления и использования в электролизере. В существующей технологии приготовления анодной массы со сниженным содержанием связующего было разработано проточное многоступенчатое гидроударно-кавитационное активирующее устройство для модификации свойств вяжущего и интенсификации измельчения и перемешивания пыле-пековой композиции (ППК) в технологической линии на основе воздействия удара и кавитации.

Гомогенность и однородность гранулосодержания кокса в производимой анодной массе обеспечивается многократным количеством проходов композиции через одноступенчатое гидроударно-кавитационное устройство. Требуемый эффект разрушения частиц кокса до размера менее 0,045 мм за определенное время достигается созданием поля знакопеременных ускорений и гидродинамических импульсов с частотой около 6000 имп./сек. Эти условия обеспечиваются или увеличением числа оборотов двигателя устройства или увеличением кратности рециркуляции композиции в фиксируемом объёме.

Во внедрённой в производство установке гидроударно-кавитационного устройства реализуются названные возможности, т.е. регулировка оборотов двигателя и кратность рециркуляции. Это дает возможность контроля качества композиции и коррекции состава и свойств во время её приготовления. Такая схема достаточно громоздка и энергоемка. Для создания более компактной схемы предлагается использовать конструкцию многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства (рисунок 1), которое будет обеспечивать подготовку ППК со сниженным содержанием связующего в непрерывном режиме.

1 – входной патрубок; 2,4 – рабочая камера; 3 – выходной патрубок; 5 – торцевая крышка; 6 – статор первой ступени; 7 – торцевое уплотнение; 8 – ротор с отверстиями; 9 – диафрагма; 10 – вал; 11 – корпус; 12 – статор второй ступени; 13 – направляющий аппарат; 14 – статор третьей ступени; 15 – приводной двигатель

Рисунок 1 – Многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство

Известно, что тонкая коксовая пыль плохо смачивается пеком, и в традиционных смесителях трудно достичь равномерной смачиваемости и перемешивания композиции. При этом плохая смачиваемость может обусловить высокое электросопротивление, плохие механические свойства и высокую реакционную способность в СО₂. Обработка ППК в многоступенчатом устройстве позволяет получать гомогенные высокосмачиваемые композиции.

Конструкции рабочих пар «статор-ротор» устройства согласованы между собой таким образом, что при переходе дисперсионной среды от одной рабочей пары к другой происходит увеличение давления и частоты воздействия. Это позволяет получить последовательное измельчение частиц за один проход от исходной крупности 1000 мкм до фракции -50 мкм с содержанием ее в смеси до 60 %. Наиболее важными узлами устройства являются роторы, статоры и рабочие камеры. Конструкции роторов различны и направлены на создание звуковых волн различной частоты, вызываемых возмущениями давлений при периодическом перекрывании отверстий ротора и статора. Ротор представляет собой полый цилиндр с рядом радиальных, равномерно расположенных по поверхности отверстий и четырехлопостной крыльчаткой, служащей для разгона жидкой среды композиции в расплаве пека. Статор выполнен в виде цилиндрического стакана, имеет ряд отверстий.

Параметры многоступенчатого устройства рассчитываются исходя из условий создания резонанса в каждой из рабочих камер для одного размера частиц, обрабатываемой композиции с исходной фракцией менее1,0 мм. Интенсификация акустического поля ведет к повышению качества активации и гомогенизации расплава пеко-коксовой композиции.

При переходе дисперсной среды из одной ступени в другую кратно повышается давление, которое способствует увеличению частоты гидро-кавитационных импульсов. Изменение частоты определяется конструкцией устройства, кратностью увеличения давления и частотой вращения ротора. Увеличение частоты способствует рассеянию и дроблению частиц в потоке. Дисперсность частиц увеличивается от ступени к ступени в соответствии с увеличением резонансной частоты измельчения. В зависимости от требуемого гранулометрического состояния композиции подбирается количество ступеней устройства и частотные характеристики каждой из них.

Для создания эффективного процесса перемешивания композиции в многоступенчатом диспергаторе предлагается такая последовательность конструктивно различных колесных пар, которая обеспечивает при смешении достижение частот близких к ультразвуку. Ультразвуковое перемешивание позволяет получать высокодисперсные, практически однородные системы. Для протекания ультразвукового смешивания необходима кавитация, условия возникновения и протекания которой определяют основные зависимости активации от интенсивности и частоты ультразвука, температуры, давления, наличия растворенных газов и т.п. Кроме кавитации, смешивающие действия, здесь оказывают турбулентные пульсации скорости и давления в струе [2].

Для многоступенчатого устройства определена и разработана компоновка аппарата, в составе которого ряд рабочих пар статор-ротор осуществляют интенсивное воздействие на смесь, используя энергию ее потока, создаваемого ротором, часть энергии струи переходит в энергию акустических волн, вызывающих кавитацию, акустические течения, повышенные поля скоростей и давлений в обрабатываемой среде анодной массы.

Гидроударно-кавитационное устройство конструктивно компонуется из рабочих пар статор-ротор, входящих в ряд ступеней, количество которых определяется экспериментально. Конструкции активных рабочих пар и установка статора колес представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конструкция рабочих пар многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства

Разработанная конструкция многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства позволяет увеличить кратность рециркуляции и частоту генерации импульсной обработки от ступени к ступени в проточном цикле производства анодной массы со сниженным содержанием связующего.

Измельчение частиц материала при гидроизмельчении происходит в результате воздействия на частицу последовательности гидроударных импульсов с частотой, близкой к собственной частоте разрушения частиц. Частицы кокса, разрушенные вследствие гидроудара непосредственно в пеке, обладают повышенной смачиваемостью. Это происходит в виду того, что поверхность получаемой пыли не успевает реагировать с воздухом, а интенсивное перемешивание гомогенизирует смесь, предотвращая агломерацию тонких частиц. Полученный эффект позволяет значительно снизить содержание связующего коллоидной анодной массы по отношению к его содержанию в традиционной технологии «сухого» анода на 18 – 23 %, за счет проточности и интенсификации гомогенизации пыле-пековой композиции.

Проточное производство анодной массы со сниженным содержанием пека на основе активированной смеси, и ее использование обеспечивается внедрением технических возможностей многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства, способа получения пека-связующего для электродных материалов в процессе производства и применения анодной массы в алюминиевом электролизере [3].

Таким образом, производство коллоидной анодной массы в установке с применением многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства позволяет:

-   достичь удельных выбросов вредных веществ до уровня требований Российского законодательства и рекомендаций международных экологических организаций, благодаря возможности уменьшения содержания связующего, по отношению к его содержанию в традиционной технологии «сухого» анода на 18 – 23 %, за счет проточности и интенсификации гомогенизации пыле-пековой композиции и вывода этой операции в отдельный процесс;

-   исключить источник выбросов ПАУ с поверхности анода;

-   уменьшить удельный расход анодной массы и пека, съема угольной пены и трудозатраты;

-   обеспечить подготовку анодной массы со сниженным содержанием связующего в более экономичном непрерывном режиме.

 Список использованных источников

 1 Анушенков А.Н., Ростовцев В.И., Фризоргер В.К. Модификация пека в гидроударно-кавитационном поле. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. CО РАН: 2009. № 5. С.110-118.

2 Баранов Д.А. Процессы и аппараты химической технологии: Явления переноса, макрокинетики, подобие, моделирование, проектирование. Т. 1: Основы теории процессов химической технологии. – М. : Логос, 2000. – 480 с.

3 Гидроударно-кавитационный диспергатор для приготовления углерод-углеродных композиций: пат. 2317849 РФ / Фризоргер В.К., Анушенков А.Н., Храменко С.А.. Опубл. 2008, Бюл. № 6.

В настоящее время в качестве вяжущих материалов стали применяться нестандартные отходные материалы, такие как активные золы уноса тепловых электростанций, металлургические шлаки и отходы других производств. Одним из таких материалов является нефелиновый шлам глиноземного комбината, выпускающего глинозем, соду и портландцемент. Из общего количества шлама производства глинозёма лишь небольшая часть используется глинозёмным комбинатом для выпуска портландцемента, остальной шлам поступает в отвал, который можно использовать при строительстве оснований дорожных одежд, как в исходном виде, так и в виде специально приготовленного вяжущего для укрепления местных грунтов.

В дорожном строительстве существует возможность укрепления грунтов следующими материалами: вяжущими, приготовленными из нефелинового шлама и молотым и немолотым нефелиновым шламом в сочетании с портландцементом. Рядовой отвальный нефелиновый шлам можно применять как в чистом виде, так и в смеси с минеральным заполнителем для устройства монолитных оснований [1].

Нефелиновый шлам является отходом комплексной переработки нефелиновой руды на глиноземном комбинате. Он представляет собой пескообразный продукт с модулем крупности около 2 и влажностью 25 %, содержащий более 80 % b-двухкальциевого силиката в пересчете на сухое вещество. Плотность шлама в состоянии естественной влажности составляет около 1000 кг/м³. При уплотнении во влажном состоянии нефелиновый шлам проявляет способность к конденсации в монолитный водостойкий материал и дальнейшему набору прочности во времени.

Нефелиновый шлам относится к 3 классу радиоактивности может быть использован для дорожного строительства вне населенных пунктах. Использование нефелинового шлама в дорожном строительстве актуально, так как запасы его огромны, является вяжущим материалом, а также позволяет продлить дорожно-строительный сезон при низких температурах. Рядовой нефелиновый шлам, используемый как материал дорожного основания, обладает способностью омоноличиваться в момент уплотнения, приобретая начальную прочность на сжатие 1,0-1,2 МПа; и увеличивать ее со временем до 25 МПа и более в результате продолжающегося процесса гидратации двухкальциевого силиката. Уплотненный и затвердевший нефелиновый шлам морозостоек, обладает теплоизолирующим свойством, повышенной деформативностью и трещиностойкостью по сравнению с цементобетоном [1].

Благодаря содержанию большого количества b-двухкальциевого силиката в нефелиновом шламе обеспечивается возможность приготовления на его основе вяжущего материала, который используется для укрепления местных грунтов в дорожных основаниях, а также возможность использования рядового шлама в качестве материала для устройства из него монолитных оснований. Такой шлам может быть эффективно использован не только в дорожном строительстве, но и для получения цемента, щелочестойких строительных растворов и бетонов, для изготовления автоклавных строительных изделий, огнеупорных материалов, формовочных смесей, для известкования кислых почв и для некоторых других целей.

Вяжущие материалы из нефелинового шлама получают путем совместного помола высушенного нефелинового шлама и активатора твердения. Нефелиновое вяжущее состоит из 80 % нефелинового шлама, 15 % извести и 5 % гипса. Температура высушивания составляет не более 150 °С. В качестве активаторов твердения так же используется гипсовый камень при расходе 7 %, портландцемент или портландцементный клинкер при расходе 15 % массы вяжущего.

Грунты, укрепленные нефелиновыми вяжущими, нефелиновым шламом в сочетании с портландцементом, и рядовой отвальный нефелиновый шлам рекомендуется применять для устройства верхнего и нижнего слоев оснований под асфальтобетонное и цементобетонные покрытия, а также морозозащитного слоя в районах, не имеющих требуемых дренирующих материалов. Для устройства дорожных оснований из грунтов, укрепленных нефелиновыми вяжущими, разрешается применять все виды и разновидности крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов, за исключением глин с числом пластичности более 20. Нефелиновые вяжущие, предназначенные для укрепления грунтов, должны иметь марку не ниже 100 и прочность при изгибе после 28 суток твердения не менее 3 МПа, при сжатии – не менее 10 МПа.

В качестве верхних слоев оснований под усовершенствованные дорожные покрытия рекомендуется использовать следующие компоненты: цементобетон пониженных марок, каменные материалы, различные грунты, отходы промышленности, укрепляемые минеральными и органическими вяжущими материалами или отходами промышленности, обладающими вяжущими свойствами, например, молотый нефелиновый шлам, щебень [2].

Основные направления использования нефелиновых шламов в дорожном строительстве представлены на рисунке 1.

Рисунок 1– Схема применения нефелиновых шламов в дорожном строительстве

При укреплении грунтов нефелиновыми вяжущими смесь приготавливают двумя способами: в стационарной смесительной установке с последующей вывозкой смеси к месту укладки; грунтосмесительными машинами непосредственно на автомобильной дороге. При устройстве дорожных оснований из укрепленных грунтов смесь приготавливают в карьерной смесительной установке или на бетонном заводе. Смесь после профилирования уплотняют катками на пневматических шинах до требуемой плотности не менее 0,98 стандартной. Если разрыв во времени между устройством дорожного основания и укладкой покрытия составляет не более суток, то уход за свежеуложенным слоем укрепленного грунта не осуществляют.

Для укрепления нефелиновым шламом в сочетании с портландцементом рекомендуется использовать в зависимости от дисперсности нефелинового шлама следующие разновидности грунтов: несцементированные типа крупнозернистых песков, гравийно-песчаные смеси, различные крупнообломочные каменные материалы, в том числе и малопрочные – при использовании немолотого нефелинового шлама; несцементированные грунты, а также различные средне- и мелкозернистые, в том числе одномерные, пески, супеси легкие, крупные и пылеватые с числом пластичности не более 5 – при использовании только молотого нефелинового шлама. Немолотый нефелиновый шлам для укрепления грунтов применяют как в сухом виде, так и в состоянии естественной влажности. Наиболее эффективно использовать молотый нефелиновый шлам с дисперсностью, близкой к дисперсности портландцемента. Для укрепления грунтов, используют не только портландцемент, а также добавки каустической соды (NаОН), хлористого кальция (СаСl₂).

При укреплении крупнозернистых песков, гравийно-песчаных смесей, различных каменных материалов, в том числе и малопрочных, применяют добавку портландцемента в количестве 7 % в сочетании с 15 % немолотого шлама или 5 % цемента с тем же количеством молотого шлама. При укреплении грунтов с использованием немолотого шлама для повышения морозостойкости предусматривают применение добавок легкорастворимых химических веществ типа NaOH или СаСl₂ в количестве 1% массы шлама. При этом дозировка шлама в смеси может быть снижена ориентировочно на 5% массы шлама. При использовании молотого шлама влияние добавок NaOH и СаСl₂ выражено менее ярко. Однако и в этом случае введение их в количестве 1% массы шлама также обеспечивает повышение морозостойкости укрепленного материала. При использовании молотого шлама в сочетании с портландцементом отношение указанных компонентов при условии их совместного смешения составляет ориентировочно 5 к 1 [3].

Для устройства монолитных дорожных оснований рекомендуется использовать рядовой отвальный нефелиновый шлам в сочетании с минеральным заполнителем или без него [4]. Нефелиновый шлам, используемый для устройства слоев дорожных одежд, должен удовлетворять следующим требованиям. Содержание в шламе комков размером 120 мм не должно быть более 15 %. Влажность шлама, укладываемого в дорожную одежду, не должна превышать 30 %. В качестве минерального заполнителя в смесях с нефелиновым шламом рекомендуется использовать крупнообломочные грунты (гравийные, дресвяные, щебенистые), а также гравийно- и щебеночно-песчаные смеси и крупные и средние пески. При проектировании и подборе составов смесей в случае использования нефелинового шлама без минерального заполнителя для устройства слоев дорожных одежд определяют его гранулометрический состав, оптимальную влажность и максимальную плотность. Оптимальная влажность шлама должна составлять 25 %. Ориентировочно соотношение в смеси шлама и заполнителя составляет 1 к 3 по массе. При устройстве слоя основания из нефелинового шлама в смеси с минеральным заполнителем или без него, необходимо проводить систематический контроль за влажностью материалов, толщиной слоя распределяемого материала и проектными уклонами, степенью уплотнения, ровностью основания и соответствием показателей физико-механических свойств уплотненного материала предъявляемым требованиям.

Хранение шлама осуществляется раздельно по видам. Немолотый шлам хранят под навесами в местах, защищенных от влаги, ветра, не допуская загрязнения его посторонними примесями. Молотый шлам хранят так же, как и цементы или другие минеральные вяжущие вещества [3].

По результатам патентного поиска на территории РФ был найден действующий патент на изобретение от 28.05.2007 RU 2352599. В данном патенте предложена композиция для ремонта асфальтобетонных покрытый. Изобретение относится к дорожному строительству и может использоваться при выполнении ремонтных работ асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Изобретение касается композиции для ремонта асфальтобетонного покрытия, включающей вяжущее, наполнитель, добавки и растворитель, в качестве вяжущего предложено использовать минеральные компоненты: высококальциевая зола-унос ТЭЦ и портландцемент, в качестве наполнителя предлагается использовать кварцевый песок, в качестве добавок использовать полимерные добавки и нефелиновый шлам алюминиевого производства. Для затворения предлагается использовать воду при следующем соотношении компонентов: высококальциевая зола-унос ТЭЦ 35 %; портландцемент 4 %; кварцевый песок 35 %; нефелиновый шлам алюминиевого производства 4 %; полимерные добавки 4 %; остальное вода. Применение такой композиции на основе минерального вяжущего позволит расширить сезон дорожно-ремонтных работ, улучшить сцепление ремонтного материала с асфальтобетонным покрытием, повысить срок службы и качество ремонтируемого покрытия [5].

Таким образом, целесообразно применять нефелиновый шлам при строительстве дорожных оснований как в виде специально приготовленного вяжущего для укрепления местных грунтов, так и в исходном рядовом виде в качестве материала монолитного основания. Необходимо так же отметить положительное влияние на прочность и морозостойкость грунтов, укрепленных нефелиновыми вяжущими. Применение таких вяжущих позволяет производить работы по исправлению ровности основания в определенный срок после окончания уплотнения. Использование нефелиновых вяжущих в технологии производства работ позволяет повысить темпы и улучшить качество дорожного строительства. Благодаря достаточной начальной прочности уплотненного нефелинового шлама и наличию у него тиксотропных свойств, движение транспорта по шламовому основанию можно открывать практически сразу после окончания его уплотнения, эксплуатировать основание под движением продолжительное время и, в случае необходимости, исправлять его ровность путем рыхления, повторного профилирования и уплотнения.

Применение нефелиновых шламов позволит сократить дефицит дорожно-строительных материалов, повысить темпы и качество дорожного строительства, увеличить долговечность автомобильных дорог и снизить их конечную стоимости. В виду того, что накопленный в отвалах нефелиновый шлам занимает огромную полезную площадь и создает постоянную опасность загрязнения почвы, атмосферы и окружающих водоемов, использование его в дорожном строительстве помимо достижения технико-экономического эффекта способствует решению задачи охраны окружающей среды.

Список использованной литературы

1 Бескровный В. М. Применение нефелинового шлама для строительства оснований автомобильных дорог в условиях Сибири. Диссертация. Омск, 1983.

2 СНиП 2.05.07-91. Утв. Постановлением Минстроя РФ от 05.03.1996 N 18-15.

3 Методические рекомендации по применению нефелинового шлама Ачинского глинозёмного комбината при устройстве оснований автомобильных дорог в районах Западной и Восточной Сибири. Минтрансстрой. Москва, 1981.

4 Государственный дорожный научно-исследовательский институт. Руководство по строительству оснований и покрытий автомобильных дорог из щебеночных и гравийных материалов. Москва, 1999.

5 Композиция для ремонта асфальтобетонных покрытий: пат. 2352599 РФ / Шевченко В. А., Иванова Л. А., Ширай Л. А., Богданов И. Я. СФУ. Опубл. 20.04.2009.