СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК C03C10/06 

Изобретение относится к способам получения стеклокристаллического материала, включающее просев золы, образующейся после сжигания твердых бытовых отходов, дозировку, смешение с щелоче- и кремнеземсодержащими компонентами, тепловую обработку до образования стекломассы, формование изделий и отжиг, отличающееся тем, что стекломассу получают из шихты, содержащей до 70% золы, кремнеземсодержащий компонент 20-40%, щелочесодержащий компонент до 20%. Полученные изделия подвергают кристаллизации в одну стадию при температуре 900-1100°С с выдержкой 60-120 минут или в две стадии при температуре 700-850°С с выдержкой 30-60 минут и 900-1100°С в течение 60-120 минут.

Известен способ утилизации золы, включающий смешивание 40-60% масс. золы, 10-20% масс. компонента на основе диоксида Si, формировании гранул на основе полученной смеси, опудривании их дисперсным огнеупорным материалом, термообработку гранул в две стадии: на первой стадии в течение 10-30 минут при Т=400-600°С, на второй в течение 1-20 минут при Т=870-950°С [1]. Недостатком служит, ограничение содержания золы в сырьевой смеси, введение в шихту 5 дополнительных компонентов, отсутствие данных об экологической чистоте полученного материала и его свойствах.

Известен также наиболее близкий к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату способ получения стеклокристаллического материала путем подготовки шихты, нагрева стекломассы с использованием плазменного теплоносителя, формования, кристаллизации и отжига, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса и расширении сырьевой базы нагрев до 1600-2000°С ведут со скоростью 10³-10⁴ град/час [2].

Недостатком является высокое водопоглощение полученного материала, что в дальнейшем приводит к ухудшению эксплуатационных свойств и отсутствие данных о его экологической чистоте. Техническим результатом изобретения является получение стеклокристаллического материала, обладающего высокой химической устойчивостью, износостойкостью, отсутствием водопоглощения и экологической безопасностью.

Поставленный результат достигается тем, что стеклокристаллический материал получают из золы, образующейся после сжигания твердых бытовых отходов с последующей просевом, дозировкой, смешением со щелоче- и кремнеземсодержащими компонентами. Экологическая чистота обеспечивается высокой химической устойчивостью и отсутствием водопоглощения полученного материала.

Формование изделий осуществляют прессованием, непрерывным прокатом или центробежным литьем. Кристаллизацию осуществляют в одну стадию при температуре 900-1100°С в течение 60-120 минут или в две стадии при температуре 700-850°С с выдержкой 30-60 минут и 900-1100°С в течение 60-120 минут. При необходимости в шихту вводят добавки-катализаторы в количестве 0,5-10,0 мас.%.

При выработке изделий методом проката стекломассу формуют на прокатных машинах в непрерывную ленту шириной 1200-1300 мм, толщиной 8-20 мм. Ленту подают в газовую или электрическую туннельную печь, где происходит кристаллизация. Затем лента подвергается отжигу, охлаждению и резке на листы заданных размеров.

Методом прессования на автоматических прессах изготавливают плитки размером 125×300×15 мм, которые затем подвергаются кристаллизации, отжигу и охлаждению.

При центробежном литье во вращающуюся форму заливают стекломассу, которая под действием центробежных сил прижимается к стенкам и, застывая, принимает желаемую форму.

Ситаллизация заключается в дополнительной тепловой обработке, в результате которой происходит переход стеклообразного состояния в стеклокристаллическое. По завершению процесса материал, состоящий из 60-70% кристаллической с размером кристаллов 0,1-1,5 мкм и 30-40 стекловидной.

Размеры выделяющихся кристаллов их состав и количество регулируются режимом термообработки и определяют основные свойства материала. Выбор режима кристаллизации осуществляется путем анализа ДТА исходных стекол. Наличие в составе золы нескольких катализаторов кристаллизации (сульфидов, оксидов хрома и фосфора) могут не только ускорить процесс разделения на фазы, но и менять очередность их выделения, качественного и количественного соотношения. Присутствие в золе от мусоросжигания оксидов Cr₂O₃ сульфидов, фосфатов, являющихся эффективными катализаторами процесса ситаллизации не требует в большинстве случаев введения каталитических добавок в состав шихт на основе золы мусоросжигания. Значительные колебания состава золы требует корректировки количества добавляемых в шихту кремнеземсодержащих и щелочесодержащих компонентов. Полученные в результате ситаллизации новые стеклокристаллические материалы - это монолитные композиты, состоящие из мелкозернистых кристаллов и равномерно распределенной между ними стеклофазы. Отличительная особенность стеклокристаллических материалов - мелкозернистая малодефектная структура, что предопределяет существенное улучшение их эксплуатационных свойств.

Термостойкость, износостойкость, кислото- и щелочестойкость, отсутствие водопоглощения, все эти показатели обеспечивают высокую устойчивость стеклокристаллического материала в условиях эксплуатации, предотвращая попадание продуктов токсичных соединений в окружающую среду. Изделия нетоксичны и не подвержены разрушению под воздействием атмосферы.

Повышенная экологическая чистота стеклокристаллических материалов на основе золы МСЗ обеспечивается высокими координационными числами ионов тяжелых металлов, определяющими их расположение в трехмерной тетраэдной кремнекислородной сетке.

При проведении испытаний использовали сульфат натрия, песок кварцевый с содержанием SiO₂ до 99% масс. и золу МСЗ трех составов, представленных в таблице.

Ниже приведены конкретные примеры стеклокристаллического материала, полученные предложенным способом.

Пример 1.

Золу состава 1 (см. таблицу) просеивают через сито 0,7, дозируют по массе в количестве 55% шихты, смешивают с кремнеземсоставляющей и щелочесоставляющей в количестве 40 и 5% соответственно, уплотняют и нагревают до температуры 1550°С, выдерживают 1,5-2 часа до получения однородной стекломассы охлаждают до 1000°С. Формуют прессованием и подвергают кристаллизации по одностадийному режиму с выдержкой при температуре 900°С в течение 120 минут и отжигают. Полученные изделия характеризуются следующими показателями:

- прочность на растяжения - 85 МПа;

- термостойкость - 180°С;

- КТЛР, α·10⁷ град^-7 - 90;

- Т_{н. разм} - 850°С;

- истираемость г/см² - 0,025;

- кислотостойкость (H₂SO₄)% - 95;

- щелочесткойкость NaOH % - 80;

- водопоглощение - 0.

Пример 2.

Золу состава 2 просеивают через сито 0,7, дозируют по массе в количестве 65% шихты, смешивают с кремнеземсоставляющей в количестве 30% и щелочесоставляющей в количестве 5%, уплотняют в виде брикетов и нагревают до температуры 1560°С, выдерживают 1,5 часа до получения однородной стекломассы, охлаждают до температуры 1050°С и формуют в виде непрерывной ленты и подвергают ситаллизации в печи-кристаллизаторе по двухстадийному режиму с выдержкой 60 минут при 800°С и при температуре 920°С в течение 90 минут, затем отжигают. Полученные изделия характеризуются следующими показателями:

- прочность на растяжение - 95 МПа;

- термостойкость - 25°С;

- КТЛР, α·10^-7град^-7 - 80;

- Т_н.разм - 800°С;

- истираемость г/см² - 0,020;

- кислотостойкость % (H₂SO₄) - 98;

- щелочестойкость % (NaOH) - 85;

- водопоглощение - 0.

Пример 3.

Золу состава 3 просеивают через сито размером 0,7, дозируют по массе в количестве 72% шихты, смешивают с кремнеземсоставляющей в количестве 24% и щелочесоставляющей в количестве 4%, уплотняют в виде брикетов, нагревают до Т=1560°C, выдерживают 90-120 минут, охлаждают до температуры 1000°С и формуют в виде непрерывной ленты, затем подвергают термообработке в печи - кристаллизаторе по двухступенчатому режиму с выдержкой при Т=820°С в течение 60 минут и при Т=900°С в течение 60-90 минут. После отжига полученные изделия обладают следующими свойствами:

- прочность на растяжение - 87 МПа;

- термостойкость - 250°С;

- КТЛР, α·град^-1 - 85;

- Т_н.раз - 900°С;

- истираемость г/см² - 0,022;

- кислотостойкость % (H₂SO₄) - 96;

- щелочестойкость % (NaOH) - 87;

- водопоглощение - 0.

Состав золы МСЗ содержание оксидов, % по массе   SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO Na₂O К₂О P₂O₅ SO₂ MnO TiO₂ C1^- Σ проч. 1 35,65 10,80 6,20 20,65 3,16 8,27 2,46 2,58 2,84 0,75 1,61 4,03 2 37,65 11,68 7,20 22,24 3,22 10,46 1,70 3,8 3,75 0,8 2,4 3,41 3 41,31 7,30 5,42 17,96 2,8 9,2 2,9 2,7 3,91 1,2 0,8 4,5

Список литературы

1. Патент России №2123989. Способ утилизации золы.

2. Патент России №2026834. Способ получения стеклокристаллического материала.

Способ относится к области производства строительных материалов, в частности к области использования золы мусоросжигательных заводов по переработке твердых бытовых отходов, с последующей их утилизацией в технологии изготовления высокоэффективных и экологически безопасных строительных изделий. Способ характеризуется тем, что стекломассу получают из шихты, содержащую до 70% золы, кремнеземсодержащий компонент 20-40%, щелочесодержащий компонент до 20%. Полученные изделия подвергают кристаллизации в одну стадию при температуре 900-1100°С с выдержкой 60-120 минут или в две стадии при температуре 700-850°С с выдержкой 30-60 минут и при температуре 900-1100°С в течение 60-120 минут. Техническим результатом изобретения является повышение химической стойкости, износостойкости, отсутствия водопоглощения и экологической безопасности получаемого стеклокристаллического материала. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения стеклокристаллического материала, включающий просев золы, образующейся после сжигания твердых бытовых отходов, дозировку, смешение со щелоче- и кремнеземсодержащими компонентами, уплотнение в виде брикетов, тепловую обработку до образования стекломассы, формование изделий, кристаллизацию и отжиг, отличающийся тем, что стекломассу получают из шихты, содержащей до 70% золы, кремнеземсодержащего компонента 20-40%, щелочесодержащего компонента до 20%, кристаллизацию осуществляют в одну стадию при температуре 900-1100°С с выдержкой 60-120 мин или в две стадии при температуре 700-850°С с выдержкой 30-60 мин и 900-1100°С в течение 60-120 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделия формуют прессованием.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделия формуют непрерывным прокатом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделия формуют центробежным литьем.