СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ НА ДЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД ВЗВЕСЬ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ЖЕЛЕЗНЫЙ МИНЕРАЛ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2009 года по МПК B22F1/00 C22B1/00 C09D1/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

А. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к стабилизированной взвеси и, в частности, к стабилизированной на длительный период взвеси, обладающей стабильностью, по крайней мере, в течение трех месяцев, при этом не проявляется существенное осаждение и образование твердого субстрата, для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатышы или порошки железного минерала, а также на другие материалы во избежание сцепления их друг с другом и, таким образом, для предупреждения их агломерации во время хранения или при термической обработке, и к технологии ее производства и к применению.

В. ОПИСАНИЕ ПРОТОТИПОВ

При обработке брикетов, частиц или окатышей, изготовленных из таких материалов как доломит, магнезит, железная руда и т.д., при которой необходимо спекать множество брикетов, частиц или окатышей в печах при высоких температурах, существует тенденция, при которой упомянутые материалы прилипают друг к другу с образованием агломератов или брикетов.

Некоторые из этих видов обработки включают прямое восстановление железа из окатышей железного минерала в печи при высоких температурах, а также производство стали в доменной печи. Обычно, когда спекание закончено, некоторые или все окатыши агломерируются в твердую массу с образованием кластера, что вынуждает подвергать эту твердую массу механическому удару с целью отделения каждого окатыша от агломерата.

Во избежание агломерации окатышей в процессе технологии спекания было испытано несколько составов, которые должны наноситься на поверхность окатыша перед процессом спекания. Среди этих составов были испытаны жидкие растворы гидроксида магния, гидроксида кальция, глинозема и даже цемента, но ни один из этих составов не привел к получению ожидаемых результатов и имел некоторые недостатки при использовании в вышеупомянутых целях. К числу некоторых недостатков упомянутых выше составов относится необходимость непрерывного перемешивания жидких растворов для поддержания их концентрации на постоянном уровне и при нанесении состава на окатышы оказывалось, что он очень плохо ложится на брикеты, частицы или окатышы, так как покрытие после сушки имеет тенденцию отделяться от частиц даже в результате нормального перемещения частиц.

При необходимости транспортировать взвесь на дальние расстояния от промышленной установки, а также для дальнейшей обработки необходимо хранить взвесь в течение длительного времени в контейнере хранения. При таких обстоятельствах твердые частицы взвеси обычно имеют тенденцию осаждаться с образованием твердого субстрата в виде кека на дне контейнера хранения, который часто бывает очень трудно удалить. При таких обстоятельствах оставшаяся взвесь становится бесполезной, потому что она не имеет требуемой концентрации, и частицы взвеси не имеют требуемого размера, и поэтому взвесь нужно выливать из контейнера хранения и удалять твердый кек со дна контейнера, что увеличивает затраты и потери сырья.

Поэтому было бы очень желательно иметь и производить взвесь, которая может использоваться для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошковое железо и на некоторые виды материалов во избежание агломерации множества частиц во время хранения или при термической обработке в печи прямого восстановления или в доменной печи, которая обладает, например, хорошими характеристиками сцепления и которая может храниться длительное время, при этом не проявляется существенное осаждение и образование кека.

В патенте США №4743396 для очень специфических целей описан жидкий раствор гидроксида магния, который имеет массовую концентрацию Мg(ОН)₂, равную 50% или выше, и от 0,1 до 5% сульфометилированного полиакриламида, что позволяет перекачивать жидкий раствор по трубопроводу.

Кроме того, в патентах США №4164521 (где описано использование полианионного полимера, содержащего, по крайней мере, 50%-ную грамм-молекулу повторяющихся звеньев, полученных из акриловой кислоты и поликатионного полимера); 4412844 (где описано использование диспергируемого в воде, растворимого в масле эмульгатора концентрацией от 1,0 до 8,0%); 4155741 (где описан инкапсулированный материал); и 3957674 (где описано использование нафтален-сульфоната натрия концентрацией, по крайней мере, 0,5%), раскрыты взвеси, которые хранятся в течение длительных периодов времени, проявляя при этом небольшое осаждение, которые при перемешивании восстанавливают свою концентрацию и физические свойства, но при этом нигде не упоминается, что они обладают длительной стабильностью, равной приблизительно трем месяцам.

Благодаря своим свойствам стабилизированную взвесь проще перекачивать, чем нестабилизированную, потому что нестабилизированная взвесь имеет тенденцию образовывать укрупненные частицы и твердые субстраты, что усложняет или даже препятствует ее перекачке.

В патентной заявке РСТ № PCT/AU 95/00446 описан пример взвеси гидроксида магния, которая обладает как характеристиками для перекачки, так и стабильностью в течение приблизительно семи дней, при этом не требуется существенного перемешивания.

Однако до сих пор на рынке нет такой взвеси, которая обладала бы длительной стабильностью, составляющей около трех месяцев, и которая могла бы использоваться для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошковое железо.

В настоящем изобретении описана взвесь, массовое содержание гироксида щелочного, щелочно-земельного или другого металла, карбоната или силиката в которой составляет от 50 до 70%, содержание твердого вещества составляет от 52% до 72%, содержание воды - от 28% до 48%, вязкость - около 1000 антипуазов (сП), средний размер частиц - 2 мкм, значение рН больше 10,5, эквивалентное содержание оксида магния - от 34% до 48%, удельная плотность - от 1,40 до 1,60, которая включает один или большее число анионных полиэлектролитов концентрацией не менее 25% сухой массой приблизительно от 0,5% до 2,5% и клейкий состав, наносимый на взвесь концентрацией не менее 30% сухой массой от 0,5% до 5%, проявляющая стабильность в течение не менее трех месяцев, при этом не требуется существенного перемешивания, которую можно применять для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошковое железо и на некоторые виды материалов во избежание их агломерации в процессе обработки при высоких температурах.

Благодаря среднему размеру частиц (приблизительно 2 мкм) в сочетании с использованием анионных полиэлектролитов гарантирована трехмесячная стабильность взвеси по настоящему изобретению. Фактически для того, чтобы поддерживать этот продукт в жидком состоянии и не допускать укрупнения частиц или существенных отложений, требуется только небольшое (не энергичное) перемешивание один раз в день.

Что касается производства стабилизированных взвесей, то их можно получать путем добавления щелочного материала к водной соли магния при атмосферном давлении и при температуре приблизительно от температуры окружающей среды до 100°С.

В патенте США №5487979 описана технология производства взвеси гидроксида магния с помощью гидратации давлением обожженного природного магнезита в присутствии ионов хлора и катионоактивного полимера (полиамида).

В патентах США №5143965; 4548733; 4430248; 4230610; 4166040; и 4166041 описаны технологии производства взвеси гидроксида магния с использованием этапов смешивания ультразвуком и некоторых катионоактивных полимеров типа метакриоксиэтил-триметил-метасульфоната аммония и полиакриловой кислоты, которые, помимо всего прочего, демонстрируют большую или меньшую стабильность, но ни один из этих процессов не приводит к получению взвеси, обладающей стабильностью около трех месяцев.

Поэтому необходима новая технология, обеспечивающая получение стабилизированной на длительный период взвеси, которая может использоваться для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошки железного минерала и на некоторые другие материалы во избежание агломерации множества брикетов, частиц, окатышей или порошков во время хранения или при термической обработке в печах с прямым восстановлением или в доменных печах и которая, к тому же, может храниться длительное время, не проявляя при этом существенного осаждения.

Технология производства взвеси гидроксида магния по настоящему изобретению включает получение пасты, содержащей гироксид щелочного, щелочно-земельного или другого металла, карбонат или силикат, промывку и роспуск пасты с целью уменьшения концентрации растворимых солей; сокращение размера частиц в среднем приблизительно до 2 мкм; введение присадок для улучшения текучести и стабильности взвеси и добавление клейкого состава для обеспечения длительной стабильности взвеси, составляющей, по крайней мере, три месяца, при этом не требуется существенного перемешивания, и взвесь не осаждается с образованием твердого цементированного кека и может использоваться для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошки железного минерала, а также на некоторые виды материалов для предупреждения их агломерации во время хранения или при высоких температурах в печах с прямым восстановлением или в доменных печах, при этом упомянутая взвесь может наноситься на поверхность брикетов, частиц, окатышей или порошков с помощью множества распылительных сопел при их прохождении под упомянутыми распылительными соплами с помощью конвейерной ленты.

Взвесь по настоящему изобретению имеет большую площадь покрытия минимум 5 м²/г и может наноситься на поверхность брикетов, частиц, окатышей или порошков в виде разведенной взвеси массовой концентрацией от 4 до 50%. Кроме того, взвесь по настоящему изобретению прочно прилипает к брикетам, частицам, окатышам или порошкам, так что ее невозможно отделить от поверхности брикетов, частиц, окатышей или порошков во время транспортирования, перегрузок и различных этапов обработки.

При нанесении покрытия из взвеси по настоящему изобретению на брикеты, частицы, окатыши или порошки можно получить следующие преимущества:

- Сокращение затрат на обслуживание конвейерной ленты, валков, грохотов и т.д.

- Упрощение технологии загрузочно-разгрузочных работ благодаря жидкому характеру взвеси по настоящему изобретению.

- Небольшой выход опасных и загрязняющих элементов в окружающую среду.

- При использовании взвеси по настоящему изобретению для нанесения покрытия на окатыши железной руды, которые обрабатываются при высоких температурах для восстановления железной руды, получаются окатыши восстановленного железа высокого качества.

- Высокая производительность печей, работающих при температурах выше 1000°С.

- Улучшенная текучесть шлака и более легкое удаление загрязнений из трубопроводов, контейнеров и т.д.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Главной целью настоящего изобретения является получение стабилизированной на длительный период взвеси для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошковое железо или на некоторые другие материалы для предупреждения их агломерации во время обработки при высоких температурах в печах с прямым восстановлением или в доменных печах, что обусловлено тем, что взвесь обладает, например, хорошими свойствами сцепления и большой площадью покрытия.

Другой целью настоящего изобретения является получение стабилизированной на длительный период взвеси с вышеупомянутыми характеристиками, стабильность которой составляет, по крайней мере, три месяца, при этом не требуется существенного перемешивания, и которая имеет очень низкую тенденцию к осаждению с образованием твердого цементирующего кека.

Еще одной главной целью настоящего изобретения является технология производства стабилизированной на длительный период взвеси для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошки железного минерала и на некоторые виды материалов для предупреждения их агломерации во время обработки при высоких температурах, которая имеет хорошие свойства сцепления и большую площадь покрытия.

Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения будут понятны специалистам из следующего описания изобретения, в котором используются конкретные примеры из практики.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже дается описание изобретения, в котором приводятся предпочтительные варианты осуществления изобретения и некоторые конкретные примеры технологии и материалы, применяемые для получения стабилизированной на длительный период взвеси, которая может использоваться для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошок железного минерала и некоторые другие материалы для предупреждения их агломерации во время обработки при высоких температурах и которая обладает стабильностью в течение, по крайней мере, трех месяцев, при этом не требуется существенного перемешивания, и которая имеет очень низкую тенденцию к осаждению с образованием твердого цементирующего кека.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения в качестве сырьевого материала используется гидроксид магния Мg(ОН)₂, который можно получить с применением следующих технологий:

- Производство гидроксида магния с использованием реакции отожженного доломита или известняка с морской водой или соляным раствором хлорида магния.

- Производство гидроксида магния путем термического разложения соляных растворов хлорида магния.

- Производство гидроксида магния путем обжига природного магнезита (карбонат магния) для того, чтобы получить оксид магния, который впоследствии гидратируется водой с целью получения гидроксида магния.

- Производство гидроксида магния путем гидратирования оксида магния

- Производство гидроксида магния с помощью реакции гидроксида натрия с сульфатом магния или солью Эпсома.

- Производство гидроксида магния из гидроксида натрия и соляных растворов хлорида магния.

- Из аммиака или гидроксида аммония с соляными растворами хлорида магния.

При этом технология производства стабилизированной на длительный период взвеси включает:

- промывку гидроксида магния;

- фильтрование и роспуск твердой фракции гидроксида магния с целью получения концентрации хлорида меньше 0,6%;

- диспергирование твердых частиц, образующих агломераты в диспергаторе минимум в течение 5 минут;

- добавление одного или большего числа анионных полиэлектролитов концентрацией не менее 25% сухой массой приблизительно от 0,5 до 2,5%;

- кондиционирование и измельчение твердой фракции гидроксида магния с целью уменьшения размера частиц приблизительно до 2 мкм;

- добавление стиролакриловой эмульсии концентрацией не менее 30% сухой массой от 0,5 до 5%;

- диспергирование продукта, полученного на предыдущем этапе; и

- хранение полученной взвеси в емкости для хранения, в которой она может храниться в течение, по крайней мере, трех месяцев, при этом не требуется существенного перемешивания и при этом не наблюдается тенденция к осаждению с образованием твердого кека на дне емкости для хранения, к укрупнению твердых частиц взвеси, при этом взвесь может использоваться для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошковое железо и другие материалы.

При использовании описанной выше технологии получают стабилизированную на длительный период взвесь со значением рН более 10,5; содержание твердой фракции в которой составляет приблизительно от 52% до 72%; содержание воды - от 28% до 48%; вязкость приблизительно 500-1500 сП; средний размер частицы приблизительно 1-3 мкм; содержание Мg(ОН)₂ приблизительно от 50% до 70%; значение рН более 10,5; эквивалентное содержание оксида магния - от 34% до 48%; удельная плотность - от 1,4 до 16; по крайней мере, один анионный полиэлектролит концентрацией не менее 25% сухой массой приблизительно от 0,5 до 2,5%; и клейкий состав, который улучшает прилипание взвеси к окатышам или брикетам во время процесса концентрацией не менее 30% сухой массой от 0,5 до 5%; при этом взвесь может храниться в течение, по крайней мере, трех месяцев, при этом не требуется существенного перемешивания, не наблюдается существенного осаждения с образованием твердого субстрата.

По сравнению с простым электролитом типа хлорида натрия, в котором катион Na⁺ и анион Сl^- являются относительно небольшими и одного размера, анионные полиэлектролиты представляют макромолекулы, полученные из мономерных звеньев с ионизируемыми группами. Полиэлектролит характеризуется наличием макроиона, который является спинным хребтом (большой ион и такое же число заряженных групп, соединенных связями), и эквивалентным числом независимых и противоположно заряженных малых зарядов. Из-за их высокой молекулярной массы они также известны как дисперсирующие смолы.

Примерами анионных полиэлектролитов помимо прочих являются полиакрилат натрия, поли(стирол/малеат) аммония.

Взвесь по настоящему изобретению имеет большую площадь покрытия минимум 5 м²/г и может наноситься на поверхность брикетов, частиц, окатышей или порошков в виде растворенной взвеси концентрацией от 4 до 50%.

Хотя уже отмечалось, что сырье содержит гидроксид магния, оно может содержать гидроксид/карбонат/силикат магния/кальция/алюминия/натрия.

Ниже приводятся примеры конкретных технологий для получения стабилизированной на длительный период взвеси по настоящему изобретению.

ПРИМЕР 1

Был приготовлен и разделен на три части образец стабилизированной на длительный период взвеси.

Для получения массовой концентрации 1, 2 и 5% каждая часть разбавлялась водой хорошего качества.

Испытания каждой части на адгезионную прочность проводились для каждого образца путем нанесения покрытия на окатыши железного минерала. В целях сравнения проводились дополнительные испытания на адгезионную прочность с использованием образца цемента массовой концентрацией 15%; проводились также и другие испытания на адгезионную прочность с использованием контрольного образца, не содержащего адгезионные присадки.

Пять образцов помещались в лабораторный реактор для того, чтобы восстановить железный минерал (замещение оксида железа металлическим железом), и были получены следующие результаты:

Образец % кластеризации Контрольный образец без присадок 87 Взвесь цемента при 15% 30 Стабилизированная взвесь при 5% 4 Стабилизированная взвесь при 2% 10 Стабилизированная взвесь при 1% 19

Наилучшие результаты были получены на взвеси при концентрации 5%, при этом получено меньшее количество агломерированных окатышей на выходе реактора и даже при концентрации 1% результаты были лучше по сравнению с результатами, полученными на взвеси цемента при концентрации 15%.

ПРИМЕР 2

Был приготовлен и разделен на шесть частей образец стабилизированной на длительный период взвеси.

Две части разбавлялись в воде до получения массовой концентрации 2%, другие две части разбавлялись до получения массовой концентрации 3% и последние две части разбавлялись до получения массовой концентрации 5%.

Каждая часть использовалась для нанесения покрытия на окатыши железного минерала. Концентрация трех образцов выдерживалась на уровне 2%, 3% и 5%, а три образца обдувались воздухом, чтобы удалить избыток влаги и определить, уменьшается ли сцепление с окатышами.

Эти 6 образцов помещались в лабораторный реактор с целью восстановления железного минерала и при этом были получены следующие результаты:

Образец % кластеризации Стабилизированная взвесь при 2% 15 Стабилизированная взвесь при 2% с обдувом воздухом 19 Стабилизированная взвесь при 3% 11 Стабилизированная взвесь при 3% с обдувом воздухом 14 Стабилизированная взвесь при 5% 6 Стабилизированная взвесь при 5% с обдувом воздухом 11

Из приведенных выше результатов можно заключить, что обдув воздухом образцов перед помещением их в реактор приводит к небольшому снижению характеристик стабилизированной взвеси, но при этом всегда получали небольшое относительное содержание агломерированных окатышей.

ПРИМЕР 3

Путем добавления стиролакрилового состава к каждому образцу в массовых количествах приблизительно от 2% до 5% приготавливались четыре образца стабилизированной взвеси.

Эти четыре образца разбавлялись в воде до получения массовой концентрации 5%, и использовались для нанесения покрытия на окатыши железного минерала. Впоследствии окатыши, покрытые стабилизированными образцами взвеси, помещались в реактор для восстановления железа и при этом были получены следующие результаты. Оценивался также контрольный образец, содержащий взвесь цемента массовой концентрацией 15% и не содержащий присадок. Были получены следующие результаты:

Образец % кластеризации Стабилизированная взвесь с 2% присадок 14 Стабилизированная взвесь с 3% присадок 9 Стабилизированная взвесь с 4% присадок 8 Стабилизированная взвесь с 5% присадок 8 Взвесь цемента при 15% без присадок 28

Из приведенного выше эксперимента можно заключить, что при массовом содержании присадок 4% и 5% был получен наименьший процент оставшихся агломератов.

ПРИМЕР 4

С использованием в качестве сырья природного магнезита (карбонат магния), который отжигался при температуре 900°С до получения оксида магния, были получены три образца стабилизированной взвеси.

После получения оксида магния к нему добавлялась вода для получения гидроксида магния массовой концентрацией 55%.

Полученная взвесь делилась на три части с добавлением к каждой части соответственно 1%, 3% и 5% (мас.) стиролакрилового состава. Затем добавлялась вода до получения массовой концентрации гидроксида магния 5%.

Каждый образец использовался для нанесения покрытия на различные железные окатыши, которые помещались в лабораторный реактор для восстановления железа при температуре 950°С.

Другие железные окатыши покрывались взвесью цемента массовой концентрацией 15% и помещались в тот же самый реактор с целью их использования в качестве контрольных образцов. Были получены следующие результаты:

Образец % кластеризации Стабилизированная взвесь с 1% присадок 15 Стабилизированная взвесь с 3% присадок 9 Стабилизированная взвесь с 5% присадок 8 Взвесь цемента при 15% без присадок 26

Лучшие результаты были получены на стабилизированной взвеси с содержанием присадок 3% и 5%. Было показано также, что стабилизированная взвесь по настоящему изобретению может быть получена с использованием другого сырья.

Наконец следует понимать, что стабилизированная на длительный период взвесь по настоящему изобретению для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошковое железо и технология ее производства и применение не ограничены исключительно вышеупомянутыми вариантами осуществления настоящего изобретения, приведенными в описании и в качестве иллюстраций, и что специалисты могут представить модификации стабилизированной на длительный период взвеси по настоящему изобретению для нанесения покрытия на железный минерал и технологии ее производства и ее применения, что, очевидно, не будет противоречить концепции настоящего изобретения и не меняет его объема, что изложено в формуле настоящего изобретения.

Изобретение может быть использовано для предотвращения сцепления друг с другом брикетов, частиц или окатышей, изготовленных их доломита, магнезита, железной руды при их высокотемпературной обработке. Взвесь содержит твердую фракцию в количестве приблизительно 52-61%, воду в количестве приблизительно 39-48%, не менее одного анионного полиэлектролита при концентрации по меньшей мере 25% сухой массы в количестве приблизительно 0,5-2,5% и клейкий состав при концентрации по меньшей мере 30% сухой массы в количестве приблизительно 0,5-5,0%. Вязкость взвеси приблизительно 500-1500 сП, рН более 10,5. В качестве твердой фракции взвесь содержит частицы со средним размером 1-2,5 мкм гидроксида или карбоната магния или гидроксида или карбоната магния и кальция в количестве 50-60 мас.%. Эквивалентное содержание оксида магния в твердой фракции составляет 34-48%, содержание хлорида - менее приблизительно 0,6 мас.%. Обеспечивается стабильность взвеси при использовании и хранении в течение по меньшей мере трех месяцев без существенного перемешивания, а также хорошие свойства сцепления с поверхностью брикетов, частиц или окатышей и большая площадь покрытия. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

1. Стабилизированная на длительный период взвесь для нанесения покрытия на брикеты, частицы, окатыши или порошок во избежание их сцепления друг с другом и формирования агломератов во время обработки при высоких температурах, не проявляющая существенного осаждения и образования твердой субстанции, которая может храниться в течение по меньшей мере трех месяцев без существенного перемешивания, содержащая твердую фракцию в количестве приблизительно 52-61%, воду в количестве приблизительно 39-48%, не менее одного анионного полиэлектролита при концентрации по меньшей мере 25% сухой массы в количестве приблизительно 0,5-2,5%, клейкий состав для улучшения сцепления взвеси с поверхностью брикетов, частиц, окатышей или порошка при концентрации по меньшей мере 30% сухой массы в количестве приблизительно 0,5-5,0%, при этом взвесь имеет вязкость приблизительно 500-1500 сП и значение рН более 10,5, а в качестве твердой фракции содержит частицы со средним размером 1-2,5 мкм гидроксида или карбоната магния или гидроксида или карбоната магния и кальция в количестве 50-60 мас.%, в которой эквивалентное содержание оксида магния составляет 34-48% и содержание хлорида менее приблизительно 0,6 мас.%.

2. Взвесь по п.1, в которой анионный полиэлектролит выбран из группы, состоящей из полиакрилата натрия и полистирола/малеата аммония.

3. Взвесь по п.1, в которой клейкий состав выбран из группы, состоящей из стиролакриловых эмульсий.

4. Взвесь по п.1, которой покрывают брикеты, частицы, окатыши или порошок в виде разбавленной взвеси с концентрацией 4-50 мас.%.

5. Способ производства стабилизированной на длительный период взвеси по одному из пп.1-4, включающий диспергирование агломерированных твердых частиц гидроксида или карбоната магния или гидроксида или карбоната магния и кальция, добавление по меньшей мере одного анионного полиэлектролита, измельчение полученного продукта до получения по меньшей мере 50% продукта размера частиц приблизительно 1-2,5 мкм, добавление клейкого состава и диспергирование полученного продукта.