сульфоалюминатный клинкер на основе техногенных отходов, полученный плавленым методом

Формула изобретения

Сульфоалюминатный цементный клинкер, полученный плавлением сырьевой шихты, содержащей, мас.%:

кальцийсодержащий компонент	45-65
алюминийсодержащий компонент	25-40
сульфатосодержащий компонент	10-15

в электродуговой плазменной печи с дальнейшей кристаллизацией из расплава полученных клинкерных минералов с образованием клинкера, содержащего, мас.%:

сульфоалюминат кальция	75-85
сульфоалюмоферрит кальция	5-15
алюмоферрит кальция (C4AF)	5-10
белит (C2S)	5-10

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составу сырьевой шихты для получения сульфоалюминатного цементного клинкера и может найти применение в промышленности строительных материалов, при изготовлении безусадочных цементов, а также в горной промышленности. Для получения безусадочных цементов сульфоалюминатный клинкер добавляют к портландцементному клинкеру в количестве (4-10) мас.%.

Наиболее близкими из аналогов являются заявка № 99120479/03, 01.10.1999 г. и заявка 2007106080/03, 19.07.2005 с публикацией в РСТ WO 2006/018569 20060223.

Вышеуказанные аналоги имеют ряд существенных недостатков:

- использование чистого природного сырья в качестве исходных компонентов,

- несовершенный технологический процесс в печном обжиговом агрегате, где химические и физические взаимодействия не протекают в полной мере,

- вредное экологическое воздействие на окружающую среду вследствие выбросов повышенного содержания СО₂, NO_x, а особенно SO₂.

Настоящее изобретение решает задачу получения сульфоалюминатного цемента повышенной прочности и безусадочного сульфоалюминатного цемента с пониженной водопроницаемостью и трещинообразованием. Для реализации предложенного изобретения используются только техногенные отходы промышленных производств, или в сырьевую смесь на их основе добавляют незначительные количества природных компонентов,

- совершенный технологический процесс в электродуговой плазменной печи герметичного типа с сохранением теплопотерь и летучих веществ в процессе,

- отсутствие вредного экологического воздействия на окружающую среду, т.к. нет органического топлива, не используют в технологии воздух из атмосферы. При сплавлении шихтовых материалов процессы образования минералов, определяющих свойства клинкера и цемента, протекают в расплавленной жидкой фазе со скоростями, намного большими, и полнее, чем при спекании шихты. Использование в составе сырьевой смеси промышленных отходов, таких как зола Люберецкой ТЭС, алюмотермических шлаков, отходов катализаторов нефтехимической и химической промышленности уменьшают затраты на добычу и подготовку сырья.

Содержание в сырьевой шихте глиноземсодержащих отходов позволяет повысить содержание оксида алюминия Al₂O₃ до необходимых пределов и улучшить технико-экономические показатели процесса.

Поставленная задача решается за счет того, что сульфоалюминатный цементный клинкер получен плавлением сырьевой шихты, содержащей, мас.%: кальцийсодержащий компонент 45-65, алюмосодержащий компонент 25-40, сульфатсодержащий компонент 10-15, в плазменной печи с дальнейшей кристаллизацией из расплава полученных минералов с образованием клинкера, содержащего, мас.%:

сульфоалюминат кальция	75-85
сульфоалюмоферрит кальция	5-15
алюмоферрит кальция	5-10
двухкальциевый силикат	5-10

В данном изобретении в качестве сырья для получения сульфоалюминатного цементного клинкера были использованы следующие сырьевые материалы:

Таблица 1
Наименование сырья	п.п.п.	SiO2	Al2O 3	Fe2 O3	СаО	MgO	SO3
Бокситы	18,23	15,67	48,29	6,0	1,38	2,48	1,0
Катализатор очистки серы	1,2	1,0	85,0	0,5	1,0	0,2	20,0
Гипс	-	5,15	1,25	0,79	32,37	3,09	35,26
Фосфогипс	-	1,32	0,57	0,34	33,18	0,16	45,08
Шлам водоподготовки	40,0	2,5	3,0	2,5	40,0	5,0	1,0
Глинозем	0,50	0,02	99,0	0,008	0,20	-	-
Мел	42,80	0,11	0,22	0,12	56,80	-	-
Алюмотермический шлак	2,65	2,30	61,58	2,03	16,31	12,5	-
Отходы-катализаторы	0,50	1,22	75,0	-	-	-	12,0
Алюминий сернокислый	48,0	1,20	20,5	0,6	2,0	1,5	25,8

Сырьевую шихту готовят из:

кальцийсодержащего сырья - известняка, мела, шлама водоподготовки с содержанием Са(ОН)₂;

алюминийсодержащего - боксита, с содержанием оксида кремния не более 16% и оксида железа не более 6,0%, алюмотермических шлаков, с содержанием оксида кремния не более 10% и оксида магния не более 5,0%, технического глинозема, отходов-катализаторов нефтехимических и химических производств, алюминия сернокислого технического; сульфатсодержащего - природного гипса, катализатора очистки серы, фосфогипса, являющегося отходом производства удобрений: железосодержащее сырье отдельно не добавляется, т.к. оно присутствует в составе используемых сырьевых материалов.

И далее методом плавления в электродуговой плазменной печи из сырьевой шихты получают цементный клинкер.

В составе компонентов сырьевой смеси используют в качестве карбонатного компонента известняк или мел, а также кальцийсодержащие отходы. В качестве сульфатсодержащего компонента используют природный гипсовый камень, или фосфогипс, или борогипс. В качестве алюминатного компонента используют бокситы различных составов с содержанием оксида алюминия не менее 40% и оксида кремния не более 10% или техногенные отходы с содержанием оксида алюминия от 40% до 90%, железосодержащий компонент отдельно не добавляется, т.к. он присутствует в составе используемых сырьевых материалов.

Для получения безусадочного цемента повышенной водонепроницаемости и трещиностойкости сульфоалюминатный клинкер, изготовленный, как указано выше, добавляют при помоле цемента в количестве 4-10% к обычному портландцементному клинкеру и гипсу и размалывают до удельной поверхности 300-400 м²/кг.

Расчетный состав сырьевых смесей и сульфоалюминатного клинкера с использованием различных сырьевых компонентов приведены в таблице 2:

Обжиг

Сырьевую смесь плавят в электродуговой плазменной печи при температуре 1400-1600°С до образования гомогенного расплава и гомогенизации химических компонентов сырья в расплаве. Непосредственно после этого эвакуируют в охладитель клинкера с дальнейшим охлаждением и кристаллизацией полученных минералов в виде полиминерального сульфоалюминатного клинкера, содержащего минералы в массовом соотношении, %:

Сульфоалюминат кальция	- 75-85;
Сульфоалюмоферрит кальция	- 5-15;
Алюмоферрит кальция	- 5-10;
Белит	- 5-10.

Рентгенофазовый анализ показывает четкую кристаллизацию минералов в гидравлически активных формах , C₂S, C₄AF,

Предложенным способом решается задача исключения потерь тепла в окружающую среду, максимального использования энергии экзотермических реакций, минимального потреблению энергоресурсов, необходимых для клинкерообразования, значительного повышения производительности плазменной печи.

Сырьевая шихта, попадая в расплав плазмы, проходит стадию термоудара и дальнейшего расплавления. Клинкер получают в плазменной печи из клинкерного расплава, который выливают на гранулятор для утилизации теплоты и его грануляции, с регулировкой скорости охлаждения для получения заданных клинкерных минералов.

Пример 1.

В качестве сырья для получения сульфоалюминатного цементного клинкера были использованы следующие сырьевые материалы (табл.1).

Сырьевую шихту готовят из:

кальцийсодержащего сырья - известняка, мела, шлама водоподготовки с содержанием Са(ОН)₂ не менее 45%; алюминийсодержащего - боксита, с содержанием оксида кремния не более 16% и оксида железа не более 6,0%, алюмотермических шлаков, с содержанием оксида кремния не более 10% и оксида магния не более 5,0%, технического глинозема, отходов-катализаторов нефтехимических и химических производств с содержанием Al₂O₃ не менее 80%; алюминия сернокислого технического; сульфатсодержащего - природного гипса, катализатора очистки серы, фосфогипса, являющегося отходом производства удобрений.

И далее методом плавления в электродуговой плазменной печи из сырьевой шихты получают цементный клинкер (таблица 3), содержащий:

Таблица 3
Наименование клинкера	п.п.п.	SiO2	Al2O 3	Fe2 O3	СаО	MgO	SO3
Сырьевая шихта	30,48	10,81	13,90	5,66	35,72	0,39	2,67
Сульфоалюминатный клинкер	0,25	16,04	7,09	13,03	58,04	2,48	2,78

Минералогический состав полученного сульфоалюминатного клинкера (таблица 4) содержащий по мас.%:

Таблица 4
Белит	Сульфоалюминат кальция	Сульфоалюмоферрит кальция	Алюмоферрит кальция
C2S			C4 AF
5-10	75-85	5-15	5-10

Свойства и механическая прочность сульфоалюминатного цемента, полученного из данного клинкера, представлена в таблице № 5.

Таблица 5
Тонкость помола %, R0,08	В/Ц, %	Сроки схватывания	Прочность в МПа
Начало, ч	Конец, мин	1 сут.	3 сут.	28 сут.
6,8	0,4	0-15	0-40	40,0	52,0	70,7

Пример 2.

Для получения напрягающего цемента повышенной водонепроницаемости и трещиностойкости сульфоалюминатный клинкер, изготовленный, как указано выше, добавляют при помоле цемента в количестве 10% к обычному портландцементному клинкеру М 500 (ГОСТ 10178-85) в количестве 80% и гипсу в количестве до 10% и размалывают до удельной поверхности 300-400 м²/кг.

Таблица 6
Химический анализ безусадочного цемента
Содержание, %	П.п.п.	SiO2	Al2O 3	Fe2 O3	СаО	MgO	SO3
100	1,53	12,56	22,55	6,70	49,95	1,62	5,52

Таблица 7
Физико-механические испытания безусадочного цемента
В/Ц, %	Линейное расширение, %	Самонапря жение, МПа	Прочность на сжатие, МПа	Сроки схватывания, час-мин
1 сутки	3 суток	28 суток	начало	конец
0.38	0.3	2.2	21.0	34.0	50.1	0-50	2-35

Водопроницаемость указанного безусадочного цемента на 15% выше, чем у известных безусадочных цементов, отвержденный цемент не имеет трещин.