ТВЕРДЕЮЩИЙ СОСТАВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1998 года по МПК C04B7/153 

Изобретение относится к производству искусственных материалов и может быть использовано в строительстве, машиностроения, энергетике и металлургии.

Известна полимерсиликатная смесь, включающая жидкое стекло, кремнефтористый натрий, фуриловый спирт, кремнийорганическую добавку и шлаковые отходы производства [1].

Наиболее близким аналогом в части твердеющего состава является твердеющий состав, включающий измельченный шлак цветной металлургии - производства металлов, являющихся тяжелыми (см. Глинка Н.Л. "Общая химия", М.-Л., 1965, с. 50) и щелочной компонент - раствор соединений щелочных металлов [2].

Известен способ, включающий измельчение и гомогенизацию искусственного стекла состава C₃АS₃, введение щелочного компонента - раствора карбоната натрия, тепловлажностную обработку и обжиг при температуре 800 - 850^oC [3].

Наиболее близким аналогом для заявленного способа получения искусственного материала является способ получения искусственного материала путем измельчения шлака производства тяжелых цветных металлов, введения в него щелочного компонента и нагрев смеси [4].

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании твердеющего состава с повышенной термостойкостью, химической инертностью и способного отверждаться с минимальными технологическими и энергетическими затратами.

Поставленная задача решается тем, что твердеющий состав, включающий измельченный шлак производства тяжелых цветных металлов и щелочной компонент, содержит указанный шлак фракции не более 0,1 мм, а в качестве щелочного компонента - жидкий щелочной металл, причем в качестве указанного шлака он может содержать шлак медеплавильного производства, а в качестве жидкого щелочного металла - натрий или эвтектический сплав натрий-калий, количество жидкого щелочного металла может составлять 10-35 мас.%, а также задача решается тем, что способ получения искусственного материала, включающий измельчение шлака производства тяжелых цветных металлов, введение в него щелочного компонента и нагрев смеси, предусматривает, что шлак измельчают до фракции не более 0,1 мм, в качестве щелочного компонента вводят жидкий щелочной металл, а нагрев осуществляют до начала экзотермической реакции компонентов, причем в качестве жидкого щелочного металла может быть введен натрий, а нагрев может быть осуществлен до 200-240^oC.

В качестве шлака производства тяжелых цветных металлов используют шлак плавильной печи производства тяжелых цветных металлов. Этот шлак в исходном состоянии гранулирован, сыпуч и обладает аморфной стекловидной структурой.

По составу он является смесью оксидов: железа 50 - 55%; кремния 35 -38%; кальция 5 - 6%; алюминия до 6%; меди и цинка в сумме до 1%.

Значительное количество оксида трехвалентного железа, присутствующего в шлаке, позволяет при добавлении щелочного металла реализоваться следующей реакции:
Fe₂O₃+6Me _→ 3Me₂O+2Fe+ΔQ₁ (1)
где Me - щелочной металл, который в результате реакции переходит в оксид.

Реакция (1) идет со значительным выделением тепловой энергии, при этом выделяется элементарное железо (30-35 мас. %), находящееся в состоянии "белого каления".

Благодаря наличию в исходном шлаке оксидов кремния (SiO₂) и алюминия (Al₂O₃) при высокой температуре, обеспечиваемой реакцией (1), образуется спек алюмосиликатов щелочных металлов, что также сопровождается выделением дополнительного тепла

Продукты всех пяти реакций являются твердыми веществами. Выделяющееся по реакции (1) элементарное железо является равномерно распределенным в теле состава и фактически представляет собой армирующую матрицу, соединяющую керамические спеки по реакциям (2-5). Вышеуказанное позволяет достигнуть технического результата.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Шлак перемалывают до фракции менее 0,1 мм (оптимально 0,01-0,03 мм), засыпают в изложницу и добавляют в него жидкий щелочной металл (Na, К, Na+K, Li, Cs и т.д.) при температуре выше температуры плавления жидкого металла и при содержании жидкого металла в смеси в диапазоне 10 - 35 мас.%, перемешивают мешалкой до получения однородной сыпучей смеси и нагревают до 220 - 240^oC в инертной атмосфере. При достижении указанной температуры процесс взаимодействия идет самопроизвольно (за счет экзотермичности реакций является самоподдерживающимся) до израсходования исходных веществ. При содержании щелочного металла менее 10% процесс взаимодействия требует постороннего подогрева, так как выделяющегося тепла не хватает для прогрева всей массы шлака. При содержании щелочного металла более 35% он полностью не расходуется (см. стехиометрию реакции (1)), и может возгоняться в газовую фазу, образуя пожароопасную аэрозоль. При использовании шлака фракцией более 0,1 мм он полностью не успевает прореагировать со щелочным металлом (процесс взаимодействия идет по поверхности раздела фаз жидкий металл - твердый шлак), оставаясь в виде порошка, не перешедшего в спеченую массу, что нарушает ее однородность.

Пример осуществления изобретения. В лабораторный вакуумный перчаточный бокс вводили через шлюз стальной стакан со шлаком, устройство дозировки жидкого натрия с запасом натрия, индукционную печь сопротивления для нагрева стакана и термопару. Бокс вакуумировали и затем заполняли аргоном. Контроль процесса осуществляли по манометру и вторичному прибору, подключенному к термопаре. При первом опыте в стакан помещали шлак фракцией 10-30 мкм. Стехнометрическое количество натрия (35 г) вводили в стакан со шлаком (100 г), туда же помещали термопару в стальном чехле. Смесь натрия со шлаком медленно нагревали. При достижении температуры приблизительно 200^oC произошло быстрое повышение температуры до 900^oC за 5-10 с. Вещество в стакане приобрело белый цвет (за счет раскаленного выделившегося железа) и превратилось в твердый, прикипевший к стакану и термопарному чехлу спек. В момент скачка температуры электрообогрев печи отключали. Повышения давления газа в боксе не обнаружили. После охлаждения стакан со спеком вынимали из бокса, термопару удаляли из образовавшегося спека путем высверливания ее чехла. Сам спек механически выбивали из реакционного стакана, причем на стенках стакана оставались трудноудаляемые прикипевшие фрагменты спека. Последующие исследования показали отсутствие в спеке свободного натрия, рентгеноструктурный анализ показал наличие фазы железа (от 30 до 35 мас.%) и фазы алюмосиликатов натрия (остальное). Выявлены примеси ферритов натрия. Таким образом, жидкий натрий перешел в твердые солевые формы.

Опыт повторяли со шлаком фракцией 2-3 мм при прочих условиях, аналогичных первому опыту. Скачка температуры не зафиксировали. При температуре 300^oC жидкий натрий полностью диспергировался в шлаке, смесь стала затвердевать и приобретать красный цвет. Повышения давления инертного газа в боксе не зафиксировали. В результате второго опыта был получен твердый спек продуктов взаимодействия, однако он не был единым твердым монолитом, а гранулированной смесью. При испытаниях конечного продукта установили, что натрий не полностью прореагировал со шлаком и, несмотря на длительный (2,5 ч) нагрев смеси, остался в элементарном виде в смеси с частично непрореагированным шлаком, в виде гранул, покрытых порошкообразным железом.

Аналогичные результаты получены при применении других щелочных металлов и их сплавов, причем химическая чистота жидкого щелочного металла не оказывает существенного влияния на процесс, что позволяет использовать для осуществления процесса отходы жидких щелочных металлов.

Использование изобретения позволит получить твердый металлокерамический материал, стойкий к воздействию агрессивных сред (водных растворов минеральных кислот и щелочей) и высоких температур до 1500^oC.

Источники информации
1.Авторское свидетельство СССР N 986894, кл. C 04 B 28/26, 1983
2. Сборник технических условий. Бетоны тяжелые шлакощелочные ТУ 67-1019-89, вяжущие шлакощелочные ТУ 67-1020-89, конструкции и изделия бетонные и железобетонные и сборные из шлакощелочного бетона ТУ 67-1021-89, М., 1989, с. 16, 17.

3. Авторское свидетельство СССР N 1404493, кл. C 04 B 28/26, 1988.

4. Глуховский В. Д. и др. Производство бетонов и конструкций на основе шлакощелочных вяжущих. - Киев, 1988, с. 3, 4, 6, 18, 23, 31.

Твердеющий состав и способ получения искусственного материала относятся к производству искусственных материалов и могут быть использованы в строительстве, машиностроении, энергетике и металлургии. Твердеющий состав содержит измельченный шлак производства тяжелых цветных металлов фракции не более 0,1 мм и в качестве щелочного компонента - жидкий щелочной металл. Причем в качестве указанного шлака он может содержать шлак медеплавильного производства, в качестве жидкого щелочного металла - натрий, или эвтектический сплав натрий - калий, количество щелочного металла может составлять 10 - 35 мас.%. Способ получения искусственного материала предусматривает измельчение шлака производства тяжелых цветных металлов до фракции не более 0,1 мм, введение в него щелочного компонента - жидкого щелочного металла и нагрев смеси до начала экзотермической реакции компонентов. Причем в качестве щелочного металла может быть введен натрий, а нагрев может быть осуществлен до 200 - 240^oC. Изобретение обеспечивает получение твердого металлокерамического материала, стойкого к воздействию агрессивных сред (водных растворов минеральных солей и щелочей), а также к воздействию высоких температур до 1500^oC. 2 с. и 5 з.п.ф-лы.

1. Твердеющий состав, включающий измельченный шлак производства тяжелых цветных металлов и щелочной компонент, отличающийся тем, что он содержит указанный шлак фракции не более 0,1 мм, а в качестве щелочного компонента - жидкий щелочной металл. 2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он в качестве указанного шлака содержит шлак медеплавильного производства. 3. Состав по п.1, отличающийся тем, что он в качестве жидкого щелочного металла содержит натрий. 4. Состав по п.1, отличающийся тем, что он в качестве жидкого щелочного металла содержит эвтектический сплав натрий-калий. 5. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит жидкий щелочной металл в количестве 10 - 35 мас.%. 6. Способ получения искусственного материала, включающий измельчение шлака производства тяжелых цветных металлов, введение в него щелочного компонента и нагрев смеси, отличающийся тем, что шлак измельчают до фракции не более 0,1 мм, в качестве щелочного компонента вводят жидкий щелочной металл, а нагрев осуществляют до начала экзотермической реакции компонентов. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве жидкого щелочного металла вводят натрий, а нагрев осуществляют до 200 - 240^oC.