СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ШЛАКОВ Российский патент 2001 года по МПК C04B35/64 C04B35/10 E21B43/267 

Описание патента на изобретение RU2163227C1

Изобретение относится к области технологии формованных керамических изделий на основе глиноземистых шлаков и может быть использовано для изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин и других видов глиноземсодержащих изделий.

Известен способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин, включающий обжиг глин с содержанием оксида алюминия свыше 50%, измельчение спека до размера частиц менее 17 мкм, грануляцию и обжиг полученных гранул при температуре свыше 1350oC (см. описание к патенту США N 4427068).

Недостатком данного способа является низкая прочность керамики, не позволяющая использовать керамические расклиниватели при давлениях свыше 50 МПа, в то время как для скважин Западной Сибири России необходимы керамические расклиниватели нефтяных скважин, работающие до давлений около 100 МПа.

Низкая прочность керамики объясняется особенностями технологии и применяемым сырьем для получения плотноспекшегося черепка, который необходимо обжигать при температуре 1350-1550oC. Средний размер кристаллов таких керамических изделий колеблется в пределах 20-30 мкм, в то время как для получения изделий муллитового состава высокой прочности размер кристаллов в изделии не должен превышать 10-15 мкм, а кварцевая составляющая - присутствовала не в виде кристобалита, а в виде тридимита.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин, включающий спекание маложелезистых бокситов, их измельчение до размера частиц менее 12 мкм, грануляцию измельченного порошка и обжиг гранул во вращающейся печи при температуре, обеспечивающей получение плотной керамики с объемным весом 3,5-3,8 г/см3 и размером кристаллов около 25 мкм (см. описание к патенту США N 4068718).

Особенностью такой керамики является то, что свыше 50% по ее объему - зерна корунда, до 30% - зерна муллита и до 20% - высокоглиноземистое стекло. Прочность данной керамики позволяет использовать ее в качестве расклинивателей нефтяных скважин при давлении до 70 МПа.

К недостаткам известного способа следует отнести дефицитность и дороговизну маложелезистых бокситов, трудность их тонкого измельчения и высокие температуры обжига керамики. Кроме того, потребительские свойства расклинивателей нефтяных скважин из бокситов невысоки - большой насыпной вес (более 2 г/см3), по сравнению с расклинивателями из глины (1,6-1,8 г/см3). Это вызывает более быстрое оседание их в трубопроводах и большой весовой расход для заполнения одинакового объема. Кроме того, высокая микротвердость корунда приводит к быстрому износу трубопроводов.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение - получение керамических расклинивателей нефтяных скважин из более дешевого глиноземсодержащего сырья, позволяющего облегчить тонкое измельчение, с более низкой температурой обжига, имеющих высокую прочность, более низкую плотность и микротвердость.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в качестве сырья для изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин используют отвальный алюминиевый шлак, химический усредненный состав которого может быть представлен следующим образом, %:
Алюминий металлический - 0-12
Оксид алюминия - 40-60
Оксид железа - 0,5-5,0
Оксид кальция - 0,5-3,0
Оксид магния - 3,0-9,0
Оксид кремния - 0,5-8,0
Хлориды KCl+NaCl - 2,0-15,0
Вода во всех состояниях - 5,0-35,0
Способ изготовления керамических изделий включает в себя спекание, измельчение, компактирование и их обжиг, спекание осуществляют при температуре 1360-1650oC, а обжиг - при температуре 1180-1350oC.

Экспериментально установлено, что при температурах спекания ниже 1360oC не удается испарить из шлака хлориды калия и натрия, а при температуре выше 1650oC происходит значительное (свыше 50% по объему) проплавление материала с захватом хлоридов, ухудшающих прочность керамики после обжига.

При температурах обжига керамики ниже 1180oC не достигается ее спекание до нулевой открытой пористости, выше 1350oC свойства керамики также ухудшаются вследствие образования не ситаллов из массы кордиеритового стекла, а крупных кристаллов кордиерита.

Измельчение шлакового спека осуществляют мокрым помолом в слабокислой среде при pH 4,5-6,0 до удельной поверхности более 12000 см2/г, а компактирование изделий осуществляют грануляцией из порошков, полученных распылительной сушкой, в присутствии 0,01-0,3% гидрофобного поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Спекание шлака ведут в аглочаше и предусматривают:
- удаление хлоридов натрия и калия;
- удаление воды во всех состояниях;
- удаление случайных органических примесей;
- формирование фазового состава материала, обеспечивающего получение наиболее прочных керамических расклинивателей при дальнейшей переработке.

Исследованиями установлено, что оптимальным фазовым составом спеченного шлака является наличие корунда, шпинели и кордиеритового стекла. Образование при спекании шлака фаз муллита, кордиерита, сапфирина и других силикатов препятствует в дальнейшем получению высокопрочной керамики.

Среди всех исследованных авторами способов спекания шлака наиболее эффективным оказалось спекание в аглочаше. Преимуществом спекания шлака в аглочаше является, во-первых, чрезвычайно быстрый нагрев и охлаждение материала (несколько минут), во-вторых, интенсивное продувание через материал большого количества газов, в-третьих, высокие температуры нагрева материала (1600-1700oC), близкие к температуре плавления оксидной части шлака.

Быстрый нагрев и охлаждение материала способствует образованию фаз корунда, шпинели и кордиеритового стекла примерно в одинаковых объемных долях, причем размер кристаллов корунда и шпинели не превышает 5-10 мкм. Сочетание высоких температур спекания и интенсивного продувания газов способствует быстрому и полному удалению хлоридов калия и натрия, которые препятствуют спеканию керамики. Остающийся в шлаке металлический алюминий при спекании в аглочаше является высококалорийным топливом, которое позволяет снизить количество специально вводимого топлива (коксик, алюминиевая пудра и др.). Оптимальным с точки зрения горения в аглочаше является размер частиц алюминия 0,01-0,1 мм.

Примеры конкретного осуществления способа приведены ниже.

Пример 1.

Алюминиевый шлак измельчали в стержневой мельнице, затем проводили воздушную классификацию по классу ± 0,05 мм. Плюсовая фракция содержала 52% металлического алюминия, минусовая имела химический состав: KCl - 8,0%, NaCl - 3,2%, Al2O3 - 49,4%, MgO - 6,2%, SiO2 - 11,3%, Fe2O3 - 3,4%, CaO - 1,9%, ZnO - 0,7%, CuO - 0,4%, Na3AlF6 - 0,9%, алюминий металлический - 5,4%, влага - остальное.

Минусовую часть шлака гранулировали с 7% коксика фракции 1-3 мм. Спекание проводили в аглочаше диаметром 500 мм, высота слоя - 350 мм. Разрежение - 400 мм водяного столба, скорость горения - 2,2 мм/мин. Температура спекания - 1650oC.

После спекания шлак имел следующий химический состав: Al2O3 - 69,6%, MgO - 6,2%, SiO2 - 13,1%, Fe2O3 - 3,9%, CaO - 2,2%, ZnO - 0,7%, CuO - 0,5%, F - 0,4%, Cl - 0,2%, C - 0,05%, Na2O - 1,0%, K2O - 1,0%. Основные фазы - корунд - 35%, шпинель - 35%, стекло - 30%. Преимущественный размер кристаллов спека 3-8 мкм.

Приведенный пример наглядно демонстрирует эффективность переработки солевого алюминиевого шлака в аглочаше.

Дальнейшая подготовка шлака к изготовлению керамических изделий сводилась к его измельчению мокрым способом в вибромельнице. Для снижения влажности с ~ 45% в нейтральной среде до 35%, измельчение проводили в растворе оксихлорида алюминия при pH 4,7. Через 40 минут измельчения удельная поверхность материала составляла 12800 см2/г. Замер производили прибором ПСХ-2 или 38000 см2/г (метод БЭТТ).

Преимущественный размер частиц размолотого шлака составил 1-5 мкм. Такое тонкое измельчение связано с тем, что последующую термообработку - обжиг проводят при температуре не выше 1350oC.

Получение тонкодисперсной жидкоподвижной суспензии с небольшой влажностью является необходимым условием для качественной подготовки порошка в распылительной сушилке для дальнейшей грануляции. Избыточная влажность суспензии приводит к тому, что частицы порошка после распылительной сушки имеют усадочные дефекты, сохраняющиеся в готовых расклинивателях, а также перерасходу энергии на испарение воды. Оптимизация вязкости суспензии с помощью снижения pH до 4,5-6,0 способствует более быстрому измельчению шлака.

Преимуществом использования распылительной сушилки для подготовки порошков к грануляции является то, что уже в исходном состоянии материал, загружаемый в гранулятор, имеет округлую форму, высокий насыпной вес и хорошую сыпучесть. Получаемые гранулы имеют однородное строение, а сам процесс грануляции занимает небольшое время и сводится, фактически, к доводке готовых гранул до требуемого фракционного состава.

Введение на стадии грануляции в воду ПАВ, например, олеиновой кислоты, снижает общее количество используемой для грануляции жидкости, препятствует слипанию гранул и значительно улучшает геометрическую форму гранул.

Полученные порошки подвергали грануляции в тарельчатом грануляторе с увлажнением до 18-19% суспензией 0,15% олеиновой кислоты в воде. Обжиг проводили по режиму: нагрев до ~1150oC в течение 2 часов, выдерживали при температуре 1150oC в течение 30 минут, далее нагревали до 1260oC и делали выдержку при температуре 1260oC в течение 8 минут, затем охлаждали до 800oC в течение 30 минут, далее - охлаждение произвольное.

Такой режим обжига обеспечивает кристаллизацию стекла в ситаллоподобную фазу при температуре 1150oC и затем быстрое спекание при температуре ~1260oC до нулевой открытой пористости. Конечный фазовый состав керамики: 35-40% корунда, 40-45% шпинели, 5-10% кордиеритового ситалла, 5-10% стекла.

Испытания на прочность гранул показали, что их можно использовать в качестве расклинивателей нефтяных скважин при давлениях до 100 МПа.

В таблице приведены результаты сравнительных испытаний керамических расклинивателей нефтяных скважин, изготовленных по предлагаемому способу, а также другими известными способами.

Несомненным экологическим преимуществом предлагаемого способа является то, что одновременно с получением высококачественного полезного продукта проводится утилизация отвалов шлаков, расположенных в России в черте городов (Калитва, Каменск-Уральский, Мценск, Салда и др.). Испаряемые хлориды натрия и калия улавливаются осадительной камерой и вновь направляются на плавку алюминия в качестве покровного флюса, а выделяемый алюминий переплавляют на вторичный металл. В целом, предлагаемый способ представляет собой практически безотходную технологию утилизации алюминиевых шлаков.

Экономическим преимуществом предлагаемого способа следует признать низкую стоимость исходного сырья и простоту разделения оксидной и солевой составляющих шлака.

Похожие патенты RU2163227C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ПРОППАНТА И ПРОППАНТ 2011
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Торстен Брандау
RU2459852C1
Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин 2002
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Плинер Сергей Юрьевич
RU2235702C9
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОППАНТА ИЗ ГЛИНОЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ 2009
  • Пейчев Виктор Георгиевич
  • Плинер Сергей Юрьевич
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Рожков Евгений Васильевич
  • Сычев Вячеслав Михайлович
RU2394063C1
Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин 2003
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Плинер Сергей Юрьевич
RU2235703C9
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНЕЗИАЛЬНОКВАРЦЕВОГО ПРОППАНТА 2012
  • Плотников Василий Александрович
  • Пупышев Юрий Алексеевич
  • Кобзев Вячеслав Владимирович
RU2515280C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ПРОППАНТА И ПРОППАНТ 2011
  • Алексеев Владимир Владимирович
  • Пейчев Виктор Георгиевич
  • Баламыгин Дмитрий Иванович
  • Полухин Михаил Сергеевич
RU2476476C2
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВОГО ШЛАКА 1998
  • Шмотьев С.Ф.
RU2132398C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ПРОППАНТОВ (ВАРИАНТЫ) 2007
  • Алексеев Владимир Владимирович
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Плинер Сергей Юрьевич
RU2381202C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНЕЗЕМИСТОГО ПРОППАНТА И ПРОППАНТ 2010
  • Пейчев Виктор Георгиевич
  • Рожков Евгений Васильевич
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Плинер Сергей Юрьевич
  • Сычев Вячеслав Михайлович
RU2445339C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОППАНТА ИЗ СТЕКЛЯННЫХ СФЕР 2007
  • Шмотьев Сергей Федорович
  • Плинер Сергей Юрьевич
RU2336293C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 163 227 C1

Реферат патента 2001 года СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ ШЛАКОВ

Изобретение относится к формованным керамическим изделиям на основе глиноземистых шлаков и может быть использовано для изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин и других видов глиноземсодержащих изделий. Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - получение керамических расклинивателей нефтяных скважин из более дешевого глиноземсодержащего сырья, позволяющего облегчить тонкое измельчение, с более низкой температурой обжига, имеющих высокую прочность, более низкую пластичность и микротвердость. Способ включает в себя операции: спекания, измельчения, компактирования и их обжиг, причем спекание осуществляют в аглочаше при 1360 - 1650°С, а обжиг - при 1180-1350°С. Измельчение осуществляют мокрым помолом в слабокислой среде при рН 4,5 - 6,0 до удельной поверхности более 12000 см2/г, а компактирование изделий осуществляется грануляцией из порошков, полученных распылительной сушкой в присутствии 0,01 - 0,3% гидрофобного ПАВ. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения RU 2 163 227 C1

1. Способ изготовления керамических расклинивателей нефтяных скважин из глиноземсодержащего сырья, включающий спекание, измельчение, компактирование и их обжиг, отличающийся тем, что в качестве глиноземсодержащего сырья используют алюминиевый шлак, спекание осуществляют при 1360 - 1650oC, а обжиг - при 1180 - 1350oC. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение осуществляют мокрым помолом в слабокислой среде при pH 4,5 - 6,0 до удельной поверхности более 12000 см2/г. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что компактирование изделий осуществляется грануляцией из порошков, полученных распылительной сушкой, в присутствии 0,01 - 0,3% гидрофобного ПАВ. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание ведут в аглочаше.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2163227C1

US 4068718 A, 17.01.1978
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ КЕРАМИЧЕСКИХ ГРАНУЛ 1997
  • Мигаль В.П.
  • Можжерин В.А.
  • Новиков А.Н.
  • Салагина Г.Н.
  • Сакулин В.Я.
  • Скурихин В.В.
  • Цветков А.Е.
RU2133716C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ЛЕГКОВЕСНЫХ ИЗДЕЛИЙ 1993
  • Дабижа А.А.
  • Рожков Е.В.
  • Черемисинов В.А.
  • Шмотьев С.Ф.
  • Дабижа Т.А.
RU2036882C1
Приспособление в пере для письма с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания 1917
  • Латышев И.И.
SU96A1
US 4658899 A, 21.04.1987.

RU 2 163 227 C1

Авторы

Плинер С.Ю.

Шмотьев С.Ф.

Даты

2001-02-20Публикация

2000-07-11Подача