способ получения пенокерамики из металлургических шлаков
Классы МПК: | C04B38/00 Пористые строительные растворы, бетон, искусственные камни или керамические изделия; получение их C04B5/06 ингредиенты, кроме воды, добавляемые в расплавленный шлак; обработка газами или газообразующим материалом, например для получения пористого шлака C03C10/06 кристаллическая фаза, содержащая алюмосиликат оксида двухвалентного металла, например анортит, шлакокерамика |
Автор(ы): | Павлов В.Ф., Шабанов В.Ф. |
Патентообладатель(и): | Павлов Вячеслав Фролович, Шабанов Василий Филиппович |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-08-29 публикация патента:
27.04.2003 |
Изобретение относится к переработке промышленных отходов, в частности шлаков металлургического производства в пенокерамику со структурой волластонита для строительной индустрии при производстве фильтрующих материалов. Способ получения пенокерамики со структурой -волластонита из металлургических шлаков включает стабилизацию их по составу методом высокотемпературной плавки в восстановительной среде, перевод их в аморфное состояние посредством термоудара, измельчение с получением шихты крупностью 80-100 мкм, вспенивание полученной шихты при обжиге при температуре до 1130oС и скорости нагрева при обжиге 20oС/мин. Шихта дополнительно содержит 5%-ный раствор серной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 51,52; Al2O3 6,74; Fe2O3 0,97; CaO 30,96; MgO 8,71; SO3 0,29; Na2О 0,41; K2O 0,4; 5%-ный раствор серной кислоты 10 мас.% сверх 100%. Технический результат: расширение возможности применения полученной пенокерамики в качестве строительных и фильтрующих материалов.
Формула изобретения
Способ получения пенокерамики со структурой -волластонита из металлургических шлаков путем стабилизации их по составу методом высокотемпературной плавки в восстановительной среде, перевода их в аморфное состояние посредством термоудара, измельчения с получением шихты крупностью 80-100 мкм, вспенивания полученной шихты при обжиге при температуре 1130oС, скорости нагрева при обжиге 20oС/мин, причем шихта дополнительно содержит 5%-ный раствор серной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 - 51,52; Al2O3 - 6,74; Fe2O3 - 0,97; CaO - 30,96; MgO - 8,71; SO3 - 0,29; Na2О - 0,41; K2O - 0,4; 5%-ный раствор H2SO4 - 10 мас.% сверх 100%.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области переработки промышленных отходов, в частности шлаков металлургического производства в пенокерамику со структурой -волластонита для строительной индустрии и при производстве фильтрующих материалов. Существуют способы получения волластонита путем твердофазного спекания смеси кремнеземсодержащего материала и карбоната кальция [1] (Kurczyk Н. G., Nuhrer G. Interceram, 1971, t.20, 2), а также из чистого Люберецкого кварцевого песка и Белгородского мела [2] (Гальперин М.К., Лыкина И.С. "Исследование оптимальных условий синтеза волластонита". Стекло и керамика, 3, 1976 г., с.21-24). Данным способом получают не вспененный материал, содержащий - и -фазы волластонита. Известен (GB 1381538 А, С 03 В 32/00 от 22.01.1975 г.) способ получения пористой кристаллической стеклянной ленты путем плавления стекла, содержащего от 55 до 70 вес.% оксида кремния и лежащего в поле кристаллизации волластонита, при температуре от 1500 до 1530oС [2]. Расплав вспенивается газом, образующимся при сжигании топлива непосредственно в расплаве. Вспененный расплав раскатывается в пористую стеклянную ленту, которая кристаллизуется в две стадии: первая - при температуре от 650 до 700oС в течение 0,3-0,5 часа и вторая - при температуре от 1100 до 1150oС в течение 1,0-1,5 часов. Температура поднимается между двумя стадиями со скоростью от 1 до 3oС в минуту. К недостаткам способа следует отнести многоступенчатость и длительность процесса кристаллизации стекла, а также достаточно высокую плотность получаемого закристаллизованного материала - 1100-1400 кг/м3. Кроме того, указанный состав и условия кристаллизации стекла приводят к появлению как -, так и -фаз волластонита, что ограничивает область использования полученного материала. В основу заявляемого изобретения положена задача разработки способа получения пенокерамики со структурой -волластонита из металлургических шлаков, стабилизированных по составу методом высокотемпературной плавки, чтобы расширить возможности их применения в качестве строительных и фильтрующих материалов. Сущность заявляемого способа заключается в том, что металлургические шлаки переводят в рентгеноаморфное, стабилизированное по составу состояние по способу [3] (Патент РФ 2132306) путем предварительного доведения содержания оксида кремния и кальция в исходной шихте до массового отношения SiO2/СаO, равного интервалу 1-2, а содержания углерода - до 3 мас.%, плавления в восстановительной среде при температуре 1580-1610oС с последующим охлаждением расплава в режиме термоудара отливом в воду и получают рентгеноаморфный, стабилизированный по химсоставу материал - пеносиликат следующего состава, мас.%: SiO2 51,52; Al2О3 6,74; Fc2О3 0,97; СаO 30,96; MgO 8,71; SO3 0,29; Na2O 0,41; K2O 0,4. Пеносиликат измельчают до крупности 80-100 мкм и готовят шихту добавлением 5%-ного раствора серной кислоты, формуют изделие и нагревают до 875-1130oС со скоростью 20oС в минуту с последующим охлаждением в печи. В процессе взаимодействия пеносиликата со слабым раствором серной кислоты образуются гидросиликаты и алюмосульфаты, которые разлагаются при нагревании до температуры 920oС с образованием газообразной фазы, приводящей к вспениванию материала шихты, поскольку температурный интервал пиропластического состояния шихты (875-920oС) совпадает с температурным интервалом образования газообразной фазы. Формирование пор начинается уже при температуре 875oС, а интенсивное порообразование происходит при 900-920oС. Зародыши кристаллизации фазы -волластонита появляются также при температуре 875oС, которые интенсивно разрастаются при последующем увеличении температуры до 1130oС. В зависимости от температуры нагревания в интервале 875-1130oС образуется пенокерамика с различной пористостью, плотностью, прочностью со структурой -волластонита. Предлагаемый способ получения пенокерамики со структурой -волластонита из шлаков металлургического производства поясняется конкретными примерами его осуществления. Пример 1. В 500 г металлургических шлаков вводят 3 мас.% углерода и доводят отношение SiO2/СаO до 1,6, плавят в восстановительной среде при температуре 1580-1610oС. Затем полученную силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара отливом в воду. Полученный рентгеноаморфный, стабилизированный по химсоставу пеносиликат, имеет следующий состав, мас.%: SiO2 51,52; Аl2О3 6,74; Fe2О3 0,97; СаO 30,96; MgO 8,71; SO3 0,29; Na2О 0,41; К2О 0,4. 100 г полученного пеносиликата измельчают до крупности 80-100 мкм, добавляют 10% по массе сверх 100% пеносиликата 5%-ный раствор серной кислоты, перемешивают полученную шихту, формуют изделие при давлении 27,5 МПа и обжигают нагреванием до 875oС со скоростью 20oС/мин с последующим отпуском в печи. Рентгенофазовый анализ полученного материала - пенокерамики показывает наличие зародышей фазы -волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает начало порообразования. Пенокерамика обладает следующими характеристиками:- плотность, кг/м3 - 1790;
- пористость закрытая, об.% - 37,1;
- пористость открытая, об.% - 1,16;
- водопоглощение, об.% - 0,9;
- прочность на сжатие, МПа - 50. Пример 2. Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 900oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ образцов полученной пенокерамики показывает незначительный рост зародышей кристаллизации фазы -волластонита. В пенокерамике формируется в основном закрытый тип пор. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м3 - 1160;
- пористость закрытая, об.% - 59,4;
- пористость открытая, об.% - 0,43;
- водопоглощение, об.% - 0,5;
- прочность на сжатие, МПа - 30. Пример 3. Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 920oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученной пенокерамики показывает интенсивный рост кристаллизации фазы -волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает рост открытой пористости. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м3 - 520;
- пористость закрытая, об.% - 10,5;
- пористость открытая, об.% - 71,46;
- водопоглощение, об.% - 32,5;
- прочность на сжатие, МПа - 5. Пример 4. Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 975oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученной пенокерамики показывает уменьшение скорости кристаллизации фазы -волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает увеличение размера пор и рост открытой пористости. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м3 - 450;
- пористость закрытая, об.% - 0,9;
- пористость открытая, об.% - 83,46;
- водопоглощение, об.% - 43,4;
- прочность на сжатие, МПа - 5,5. Пример 5. Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 1130oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученной пенокерамики показывает окончание процесса кристаллизации -волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает незначительное изменение формы пор и рост закрытых пор. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м3 - 370;
- пористость закрытая, об.% - 5,5;
- пористость открытая, об.% - 81,7;
- водопоглощение, об.% - 47,3;
- прочность на сжатие, МПа - 2,85. Пример 6. Металлургические шлаки перерабатывают аналогично примеру 1, получают пеносиликат, измельчают аналогично примеру 1, вместо серной кислоты добавляют 10% по массе воды сверх 100% пеносиликата, перемешивают, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие нагреванием до 1000oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученного материала показывает кристаллизацию фазы -волластонита. Электронн-омикроскопический анализ показывает отсутствие открытых и закрытых пор, т. е. образец не вспенивается и имеет следующие характеристики:
- плотность, кг/м3 - 2600;
- водопоглощение, об.% - 1,0;
- прочность на сжатие, МПа - 600.
Класс C04B38/00 Пористые строительные растворы, бетон, искусственные камни или керамические изделия; получение их
Класс C04B5/06 ингредиенты, кроме воды, добавляемые в расплавленный шлак; обработка газами или газообразующим материалом, например для получения пористого шлака
Класс C03C10/06 кристаллическая фаза, содержащая алюмосиликат оксида двухвалентного металла, например анортит, шлакокерамика