СУЛЬФОАЛЮМИНАТНЫЙ КЛИНКЕР НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ, ПОЛУЧЕННЫЙ ПЛАВЛЕНЫМ МЕТОДОМ Российский патент 2012 года по МПК C04B7/36 

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 Al₂O₃ Fe₂O₃ 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 Al₂O₃ Fe₂O₃ 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 C₄AF 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 %, R_0,08 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 Al₂O₃ Fe₂O₃ 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.

Изобретение относится к составу сульфоалюминатного цементного клинкера, полученного плавленым методом. Указанный клинкер может найти применение в промышленности строительных материалов в качестве самостоятельного вяжущего, а также в качестве добавки при изготовлении безусадочных цементов. Для получения таких цементов сульфоалюминатный клинкер добавляют к обычному портландцементному клинкеру в количестве 4-10% мас.%. Сульфоалюминатный цементный клинкер, полученный плавлением сырьевой шихты, содержащей в масс.%: 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 масс.%: сульфоалюминат кальция - 75-85, сульфоалюмоферрит кальция - 5-15, алюмоферрит кальция - C₄AF 5-10, белит - C₂S 5-10. Технический результат - повышение прочности сульфоалюминатного цемента, получение безусадочного цемента с пониженными водопроницаемостью и трещинообразованием. 7 табл.

Сульфоалюминатный цементный клинкер, полученный плавлением сырьевой шихты, содержащей, мас.%:
кальцийсодержащий компонент 45-65 алюминийсодержащий компонент 25-40 сульфатосодержащий компонент 10-15

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