Порошок литиевого шлака и оборудование для его помола для применения в цементном и бетонном производстве

Введение

Литиевый шлак – побочный продукт производства карбоната лития из сподуменового рудника – в последние годы стал ценным дополнительным заполнителем для цементных смесей. Благодаря быстрому развитию индустрии литиево-ионных аккумуляторов производится значительное количество литиевого шлака, что создает одновременно проблемы с его утилизацией и возможности для его использования. При правильной обработке с помощью современных технологий шлифования порошок литиевого шлака обладает отличными постозолановыми свойствами, значительно улучшающими характеристики цемента и бетона. В данной статье рассматриваются свойства порошка литиевого шлака, его влияние на цементные системы, а также специализированное оборудование, необходимое для его оптимальной переработки.

Характеристики литиевого шлака

Литиевый шлак обычно содержит аморфные алюминосиликатные фазы, которые способствуют его порозоланному (возгораниям) действию. Химический состав шлака варьируется в зависимости от исходного сырья и процесса извлечения, но в общем случае включает SiO₂ (40–60%), Al₂O₃ (15–30%), CaO (5–15%) и остаточные соединения лития (1–3%). Было установлено, что наличие ионов лития влияет на скорость водного растворения цемента, что потенциально ускоряет развитие его прочности на ранних стадиях схватывания, одновременно снижая долгосрочное сокращение объема материала при высыхании.

Физические характеристики сырой литиевой шлаковой массы включают нерегулярную морфологию частиц, широкий диапазон размеров и относительно высокую пористость. Для достижения оптимального распределения размеров частиц и максимальной поzzолanicной (помощной) активности требуются специализированные методы измельчения. Исследования показывают, что наибольшая реакционная способность наблюдается в случае, когда не менее 80% частиц имеют размер менее 20 микрометров, а коэффициент тонкости по шкале Блейна превышает 400 м²/кг.

Преимущества использования литиевого шлака в цементе и бетоне

Улучшение механических свойств

Введение мелкоизмельчённого порошка литиевой шлаковой пыли в цементосодержащие системы приводит к значительному улучшению механических свойств материалов. Исследования показали, что при замене 15–25% портлендского цемента на соответствующим образом обработанный порошок литиевой шлаковой пыли прочность на сжатие увеличивается на 10–20% уже через 28 дней. Усиление прочности обусловлено одновременно действием наполнителя (мелкие частицы улучшают плотность заполнения между структурными элементами материала) и процессом порозольной реакции (реакционная диоксид кремния и алюминия вступают в соединение с гидроксидом кальция, образуя дополнительные фазы гидрата кальциевого силиката).

Показатели прочности на изгиб и модуля упругости также значительно улучшились: по данным исследований, они выросли на 15–25% по сравнению с обычным цементным бетоном. Уникальный химический состав литиевого шлака, особенно наличие соединений лития, влияет на процесс кристаллизации водных продуктов, в результате чего микроструктура бетона становится более однородной и плотной, при этом снижается пористость.

Улучшение долговечности

Бетонные смеси, содержащие порошок избавленного от лития шлака, обладают превосходными характеристиками долговечности: улучшенной стойкостью к воздействию сульфатов, сниженным проникновением ионов хлорида и уменьшенным объемом увеличения матрицы бетона в результате реакции с щелочами и кремнеземом. Более густая пористая структура, образующаяся в процессе позоланической реакции, делает матрицу менее проницаемой для агрессивных ионов. Лабораторные испытания показали, что при замене 20% обычного шлака на шлак с содержанием лития скорость проникновения ионов хлорида может снизиться на 40–60%.

Кроме того, было установлено, что литиевые соединения, содержащиеся в шлаке, ингибируют реакцию между щелочью и кремнеземом за счет изменения состава геля и снижения его расширяющегося потенциала. Это делает литиевый шлак особенно ценным веществом для применений, требующих использования активных агрегатов. Также улучшается устойчивость к замерзанию и оттаиванию за счет снижения связности капиллярных пор; коэффициенты долговечности обычно превышают 90% даже после 300 циклов использования.

Преимущества устойчивости

Использование литиевого шлака в цементе и бетоне вносит значительный вклад в достижение целей устойчивого развития по нескольким направлениям. Во-первых, оно снижает углеродный след производства бетона за счет уменьшения количества необходимого для его изготовления клинкера: каждый тонн портлендского цемента, замененный на литиевый шлак, позволяет избежать выбросов около 0,8 тонн CO₂. Во-вторых, оно предоставляет полезное применение промышленному побочному продукту, который в противном случае пришлось бы утилизовать путем захоронения, тем самым способствуя сохранению природных ресурсов и сокращению нагрузки на системы управления отходами.

Исследования, посвященные оценке жизненного цикла, показывают, что бетонные смеси со 25%-ным содержанием литиевой шлаковой добавки могут снизить потенциал глобального потепления на 15–20% по сравнению с обычным бетоном. Кроме того, процесс измельчения литиевой шлаковой добавки обычно потребляет меньше энергии, чем производство клинкера, что дополнительно способствует улучшению экологических показателей. С увеличением регулирующего давления в области управления промышленными отходами и сокращения выбросов углерода использование литиевой шлаковой добавки представляет собой экономически и экологически выгодный подход для индустрии строительных материалов.

Технологические требования к обработке литиевого шлака

Преобразование сырой литиевой шлаковой массы в высокопроизводительный дополнительный цементообразующий материал требует точного контроля над распределением размеров частиц, морфологией частиц и сохранением их аморфной структуры. В отличие от традиционной мельничной обработки цемента, переработка литиевой шлаковой массы сталкивается с рядом уникальных трудностей, связанных с переменной твёрдостью материала, умеренной абразивностью и склонностью к агломерации при тонком измельчении.

Оптимальные системы измельчения литиевых шлаков должны достигать нескольких ключевых целей: обеспечивать резкое распределение размеров частиц с минимальным содержанием ультратонких частиц (менее 1 мкм) для предотвращения увеличения потребности в воде; сохранять аморфную структуру алюминозиликатных фаз для поддержания их реакционной способности; и работать с высокой энергоэффективностью для обеспечения экономической жизнеспособности процесса. Кроме того, оборудование должно учитывать слегка коррозионные свойства литиевых соединений и обеспечивать стабильное качество продукта независимо от изменений характеристик сырья.

Рекомендуемое оборудование для шлифовки при обработке литиевого шлака

Серия ультратонких мельниц SCM для получения порошка литиевого шлака высокого качества

Для приложений, требующих литиевой шлаковой пудры с наивысшими характеристиками производительности, контролируемым распределением размеров частиц и сохраненной реакциоспособностью, рекомендуется использовать следующий продукт…Мельница ультратонкого помола серии SCMЭто идеальное решение. Данная передовая система измельчения функционирует на принципе дробления материала: частицы измельчаются между вращающимися измельчающими элементами и неподвижной внутренней оболочкой барабана. Особенности конструкции мельницы SCM позволяют преодолевать уникальные трудности, связанные с обработкой литиевого шлака, благодаря ряду инновационных технологий.

Шредер SCM Ultrafine Mill обеспечивает получение продукции с размером частиц в диапазоне от 325 до 2500 меш (D97 ≤ 5 мкм), что делает его особенно подходящим для производства ультратонких порошков литиевых шлаков, обладающих наивысшей поzzолanicной (по-русски: портленочной) активностью. Устройство может обрабатывать материалы размером частиц не более 20 мм и имеет производственную мощность от 0,5 до 25 тонн в час (в зависимости от модели), что позволяет подбирать его в соответствии с различными производственными требованиями. Интегрированный вертикальный турбинный сортировочный аппарат обеспечивает точный контроль размера частиц, гарантирует стабильное качество продукции и исключает возможность загрязнения кошмовыми частицами.

Основные преимущества обработки литиевого шлака включают высокую эффективность системы, которая позволяет достигать в два раза большей производственной мощности по сравнению сJet mills при 30% меньшем энергопотреблении. Интеллектуальная система управления с автоматической обратной связью, обеспечивающая контроль тонкости продукта, гарантирует стабильную работу независимо от особенностей сырья. Специально разработанные шлифовальные валики и кольца, изготовленные из материалов, устойчивых к износу, позволяют увеличить срок службы при обработке умеренно абразивного литиевого шлака. Экологические показатели системы улучшены благодаря пульсному сбору пыли, превышающему международные стандарты, а уровень шума не превышает 75 дБ благодаря интегрированным звукоизоляционным устройствам.

Принцип работы основан на вращении нескольких точильных кольцов, приводимых в движение главным двигателем; материал распределяется по пути измельчения под действием центробежной силы. Процесс измельчения происходит постепенно вследствие сжатия материала роликами в нескольких слоях, а окончательный порошок собирается с помощью циклонного сепаратора и системы пульсового сбора пыли. Доступные модели варьируются по производительности от SCM800 (мощность 0,5–4,5 тонны в час, главный двигатель мощностью 75 кВт) до SCM1680 (мощность 5,0–25 тонн в час, главный двигатель мощностью 315 кВт), что обеспечивает возможность адаптации устройства под различные производственные требования.

Вертикальная роликовая мельница серии LM для крупномасштабного производства

Для производственных сооружений с большим объемом выпуска, требующих интегрированных возможностей сушки и измельчения,Вертикальный роликовый мельниц серии LMПредлагается эффективное и компактное решение. Это оборудование особенно полезно при обработке литиевых шлаков с высоким содержанием влаги, поскольку оно объединяет в одном устройстве операции помола и сушки. Конструкция вертикального валкового мельница обеспечивает ряд преимуществ, особенно важных для обработки литиевых шлаков: более низкое энергопотребление, уменьшенные требования к пространству и упрощенную обработку материалов.

Вертикальный роликовый мельниц серии LM может обрабатывать сырье размером до 50 мм и обеспечивать получение продукта с толщиной помола от 30 до 325 мешей; специальные модели позволяют достичь толщины помола 600 мешей. Производительность варьируется от 3 до 250 тонн в час в зависимости от конкретной модели и требований к применению. Компактная конструкция объединяет функции дробления, измельчения и сортировки, что позволяет сократить площадь занимаемой территории примерно на 50% по сравнению с системами с шаровыми мельницами. Для использования в производстве литиевого шлака конструкция, не предполагающая контакта между измельчающими роликами и столом, увеличивает срок службы износоопасных деталей в три раза, значительно снижая таким образом эксплуатационные затраты.

Основные технологические преимущества включают в себя систему интеллектуального управления с функциями экспертной автоматизации, поддержку удаленного и локального режимов работы с возможностью реального времени отслеживания критически важных параметров. Экологические характеристики устройства соответствуют строгим стандартам: оно работает в условиях полностью герметичного контура под отрицательным давлением, что обеспечивает уровень выбросов пыли ниже 20 мг/м³, а уровень шума при эксплуатации не превышает 80 дБ(А). Принцип работы основан на вращении стола для мельчения с помощью главного двигателя, передаваемого через редуктор; материал централизованно подается через центральный вход и равномерно распределяется под действием центробежной силы. Ролики для мельчения оказывают сжимающее давление, что способствует измельчению материала. Полученная мелкая пыль транспортируется горячим воздухом в сепаратор, а крупные частицы возвращаются на стол для дальнейшей обработки.

Для применения литиевых шлаков особенно подходят конкретные модели из серии вертикальных шлаковых мельниц, включая LM130N с производственной мощностью 4–6 тонн в час и LM370N с производственной мощностью 90–110 тонн в час. Эти специализированные модели разработаны с учетом особенностей гранулированных шлаков; требования к ним включают индекс вязкости материала ≤23 кВт·ч/т и содержание железа ≤1%. Интегрированная конструкция позволяет напрямую обрабатывать влажные материалы без необходимости использования отдельного оборудования для сушки, что упрощает общий технологический процесс.

Рассмотрение аспектов обработки данных и наилучшие практики

Успешное использование литиевого шлака в цементе и бетоне требует учета нескольких технологических параметров, помимо снижения размера частиц. Контроль влажности крайне важен, поскольку литиевый шлак обычно содержит от 10 до 20% влаги, что может влиять на процесс обработки и эффективность помола. Для мельницы типа SCM Ultrafine рекомендуется предварительное сушение материала до уровня влажности ниже 5% для оптимизации процесса помола; мельница типа LM с вертикальными валками может работать с материалами, содержащими до 15% влаги, благодаря встроенной системе сушки.

Изменения в химическом составе литиевых шлаков, особенно в содержании лития, могут потребовать корректировки параметров измельчения и стратегий смешивания товара для обеспечения стабильного качества готовой продукции. Несколько коррозионное воздействие соединений лития требует правильного выбора материалов для компонентов оборудования, контактирующих с тонким порошком, особенно в системах сбора и хранения.

Контроль качества должен включать регулярный мониторинг распределения размера частиц, удельной поверхности, содержания аморфных веществ и индекса позолановой активности. Система измельчения должна работать таким образом, чтобы максимально увеличить долю частиц размером от 1 до 20 мкм, что обеспечивает оптимальный баланс между реактивностью и потребностью в воде. Оптимизация процесса обычно включает регулировку скорости сортировочного устройства, давления в процессе измельчения и скорости подачи сырья для достижения требуемых характеристик готового продукта при одновременном максимизировании энергоэффективности.

Оценка экономического и экологического воздействия

Внедрение специализированного оборудования для помола отходов лития представляет собой значительные инвестиции, которые необходимо обосновать с точки зрения как экономических, так и экологических выгод. Экономический анализ должен учитывать сокращение потребности в кlinkере при производстве цемента: отходы лития обычно заменяют 15–30% содержащегося в портландском цементе кlinkера, не снижая при этом его качества. При существующих ценах на цемент такой заменитель позволяет существенно сэкономить на сырье. Период окупаемости инвестиций в оборудование для помола варьируется от 1,5 до 3 лет в зависимости от масштабов производства и условий местного рынка.

Экологические преимущества заключаются не только в использовании отходов, но и в снижении выбросов углерода: замена каждого тонна цемента позволяет избежать около 0,8 тонн выбросов CO₂. Кроме того, снижается потребность в добыче природного сырья, уменьшается количество отходов, хранящихся на свалках, и требуется меньше энергии по сравнению с производством клинкера. Исследования по оценке жизненного цикла показывают, что экологическое воздействие измельчения литиевых шлаков значительно меньше, чем воздействие, связанное с производством цемента, что приводит к чисто положительным экологическим результатам.

Будущие тенденции и развития

Ожидается, что использование литиевых шлаков в цементе и бетоне значительно возрастет по мере расширения литиевой промышленности и ужесточения требований к экологической устойчивости. Будущие разработки в области технологий измельчения, вероятно, будут направлены на дальнейшее сокращение энергопотребления за счёт совершенствованных систем сортировки, улучшения материалов, устойчивых к износу, что позволит увеличить интервалы между сервисными работами, а также на усовершенствование контроля процесса с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения.

В настоящее время проводятся исследования с целью оптимизации синергетического взаимодействия между литиевым шлаком и другими дополнительными цементообразующими материалами, что, возможно, позволит увеличить долю замены этих материалов без снижения качества конечного продукта. Уникальные свойства литиевых соединений при модификации процесса водарения цемента могут открыть пути для их применения в специализированных областях, где литиевый шлак обеспечивает дополнительные функциональные преимущества, выходящие за рамки его общих позолановых (цементообразующих) свойств.

По мере того как принципы циркулярной экономики всё глубже укореняются в промышленной практике, интеграция обработки литиевого шлака в производственные процессы получения лития может стать стандартной практикой, что позволит создавать замкнутые системы, максимизирующие эффективность использования ресурсов. Промышленность по производству измельчителей будет продолжать разрабатывать решения, специально адаптированные к характеристикам литиевого шлака, тем самым дальше улучшая экономические и экологические показатели этого ценного вспомогательного цементообразующего материала.

Заключение

Литиевый шлак представляет собой перспективный дополнительный цементообразующий материал, который может значительно улучшить характеристики и устойчивость продуктов на основе цемента и бетона. Преобразование сырого литиевого шлака в высококачественный порошок требует специализированного оборудования для мельчения, способного обеспечить точный контроль размера частиц при сохранении реактивных аморфных фаз материала. Мельницы серии SCM Ultrafine и серии LM Vertical Roller Mill предлагают взаимодополняющие решения для различных масштабов производства и требований, обеспечивая высокую эффективность, точный контроль и надежную работу.

По мере того как строительная индустрия продолжает искать устойчивые альтернативы традиционным материалам, использование промышленных побочных продуктов, таких как литиевый шлак, будет играть все более важную роль. При правильной обработке с помощью современных технологий измельчения литиевый шлак может обеспечить значительные технические, экономические и экологические преимущества, способствуя разработке высокопроизводительных, экологически чистых строительных материалов для будущего.