СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНЕЗИАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2012 года по МПК C04B9/20 F27B1/00 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения строительных плит, бетонов, ксилолитовых изделий, фибролита, строительных пено- и газоматериалов, растворов для штукатурных работ.

Известен способ получения магнезиального вяжущего из доломита, предназначенного для производства строительных материалов. В данном изобретении предлагается режим обжига доломита осуществлять по контролю коэффициента качества обжига Кк.о=CO₂, мас.%/MgO, мас.%, который должен быть равным в пределах 1,07-1,72 (Патент РФ №2064905, опубликован 10.08.1996 г).

Недостатками данного способа получения магнезиального вяжущего являются:

- получаемое магнезиальное вяжущее имеет низкое содержание оксида магния, не более 22%, что обеспечивает получение строительных материалов с низкими показателями механических свойств, например прочность на сжатие имеет предел 10-30 МПа, а если в магнезиальном вяжущем присутствует оксид кальция, что не исключено его образование при температуре обжига доломита 750-775°С, то механические свойства полученных строительных материалов будут еще ниже;

- при температуре обжига доломита выше 700°С происходит снижение активности оксида магния в результате его перекристаллизации в периклазную форму, а это приведет к снижению механических свойств полученных строительных материалов на основе такого магнезиального вяжущего (Л.Г.Берг, Введение в термографию, изд. АН СССР, М., 1961 г, стр.206-211);

- определение в процессе обжига коэффициента качества обжига магнезиального вяжущего (определение содержания CO₂, MgO, CaO) достаточно затруднительно.

Известен способ получения магнезиального вяжущего путем смешения каустического доломита и портландцемента в соотношении: каустический доломит 25-50 мас.%, портландцемент 50-75 мас.% (Патент РФ №2102349, опубликован 20.01.1998 г.).

Недостатком данного способа получения магнезиального вяжущего - значительное удорожание строительных материалов, полученных на основе каустического доломита. При указанных соотношениях каустического доломита и портландцемента можно смешивать необожженный доломит с портландцементом без уменьшения механических свойств строительных материалов, но это можно достичь также при смешении портландцемента с песком.

Известен способ получения каустического доломита, принятого нами за прототип, заключающийся в том, что получение каустического доломита осуществляют двухстадийной термообработкой дробленного доломитового сырья нагреванием его сначала до 450-550°С в течение 20-100 минут, а затем до 600-720°С в течение 5-25 мин, перед подачей в термообработку дробленое доломитовое сырье орошают раствором хлорида магния плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,5-3,0% от массы обжигаемого сырья (Патент РФ №2158241, опубликован 27.10.2000 г.).

Недостатками данного изобретения являются:

- нестабильность температуры по высоте или длине слоя доломита при термообработке, так как близлежащие слои доломита к пламени газовой горелки будут нагреваться выше 800°С, а это приведет к образованию в каустическом доломите твердой переклазной формы кристаллов MgO и образованию СаО, что в свою очередь будет снижать механические свойства строительных материалов, получаемых на основе такого каустического доломита;

- для снижения температуры и времени обжига доломита его орошают раствором MgCl₂, но такое же влияние оказывает орошение дробленного доломита раствором хлористого натрия, что значительно проще и дешевле.

Задачами предлагаемого способа получения магнезиального вяжущего и установки для осуществления способа являются устранение выше приведенных недостатков известных способов и стабилизация условий получения высокоэффективного магнезиального вяжущего, обеспечение непрерывного режима работы печи, снижение капитальных и эксплуатационных затрат.

Решение указанных задач достигается следующим образом.

На бетонированную площадку нагружают дробленные доломит и магнезит в массовом соотношении (82,5-87,5):(12-17), которые орошают с помощью форсунки и насоса 20%-ным водным раствором хлористого натрия, имеющим удельную массу 1,12 г/см³, из расчета содержания в общей массе сырья 0,5 мас.% хлористого натрия. Например. На площадку нагружают 82,5 кг доломита, 17 кг магнезита, тогда к данной массе нужно добавить 0,5 кг хлористого натрия. Данная масса будет содержаться в 2,5 л 20%-ного водного раствора хлористого натрия, имеющего удельную массу 1,12 г/см³. Орошенную массу доломита и магнезита водным раствором хлористого натрия загружают в смеситель барабанного типа. Куски доломита и магнезита должны иметь размер 30-60 мм. После смешения в барабане доломита, магнезита и хлористого натрия в течение 15-20 минут полученную смесь выгружают в специальный бункер, из которого с помощью электрокрана, смесь доломита, магнезита и хлористого натрия загружают в вертикальную печь, которая представлена на рис.1. Печь включает в себя следующие элементы:

1. Металлический кожух. 2. Футеровку из огнеупорного кирпича. 3. Клеть, выполненную в виде сетки из арматурных прутьев с ячейками 20×20 мм. 4. Металлические вставки в клетку печи для крепления клети. 5. Бункер. 6. Шибер. 7. Металлические вставки для крепления бункера. 8,9. Трубы для подачи в печь термостатированного горячего газа, имеющего температуру 600-650°С. 10. Трубу для удаления, отработанного газа из печи. 11. Крышку печи, изготовленную из жаропрочной стали и футерованную с обеих сторон огнеупорным бетоном. Толщина стали 20 мм. В крышке имеется окно для загрузки сырья (на рис.не показано). 12. Кольца для установки и съема крышки. 13. Металлический контейнер на колесах. 14. Шихта (смесь доломита, магнезита и хлористого натрия).

После полной загрузки в печь приготовленной шихты до уровня выхода отработанного газа, как это показано на рис.1, в печь подают термостатированный горячий газ, имеющий температуру 600-650°С, из устройства термостатированного газа, представленного на рис.2, через трубы (поз.8, 9.)

Устройство включает в себя следующие элементы:

1. Кожух. 2. Футеровку из огнеупорного кирпича, имеющую толщину 400 мм. 3. Кольцо из жаропрочной стали толщиной 20 мм. 4. Трубу для подачи термостатированного горячего газа в печь. Труба имеет термоизоляцию минеральной ватой, на рис.2 не показано. 5. Камеру смешения газа и воздуха. 6. Трубопровод для подвода природного газа к горелке. 7. Газовую горелку, установленную тангенциально. 8. Трубопровод для ввода воздуха совместно с отработанным газом после обжига шихты в печи, установленного тангенциально в одном направлении с газовой горелкой.

После термообработки шихты в течение 1-1,5 часов производят ее выгрузку в металлический контейнер на колесах (рис.1, поз.13). Время термообработки уточняют в процессе производства, так как оно зависит от свойств природного доломита и магнезита.

В начале процесса шихту в объеме бункера (рис.1 поз.5) выгружают отдельно от основной массы шихты и загружают в печь повторно. В следующих операциях последние порции обожженной шихты оставляют в бункере (рис 1. поз.5).

Выгруженную обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в массовом соотношении 1:0,5 в количестве 0,5-1,2 мас.% от полученной массы обожженной шихты. Помол обожженной шихты в шаровой мельнице осуществляют до получения дисперсности частиц 50-70 мкм. Полученное магнезиальное вяжущее выгружают в упаковочную тару, производят анализ на содержание МgО и СаО, также отбирают пробы на затворение магнезиального связующего с водным раствором магния хлористого, имеющего удельный вес 1,2 г/см³, и получение образцов на испытание их механических свойств.

Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа получения магнезиального вяжущего и установки для осуществления способа имеют отличия от прототипа и не следуют явным образом от изученного уровня техники, поэтому авторы считают, что способ и установка являются новыми и имеют изобретательский уровень.

Способ получения магнезиального вяжущего и установка для осуществления способа позволяют использовать доломит с низким содержанием карбоната магния для получения высокоэффективного магнезиального вяжущего уменьшить капитальные и эксплуатационные расходы внедрения способа и установки в производство, увеличить ассортимент высококачественных строительных материалов.

Пример осуществления способа получения магнезиального вяжущего. В качестве примера возьмем магнезит Савинского месторождения Иркутской области, который имеет следующий состав, мас.%:

MgCO₃ - 97.48; SiO₂ - 0.9; Al₂O₃ - 0.6; Fe₂O₃ - 0.8; CaO - 0.22 и доломит Данковского месторождения Липецкой области, который имеет состав, мас.%: MgCO₃ - 38.74; СаСО₃ - 58.96; SiO₂ - 1.6; Al₂O₃ - 0.3; Fe₂O₃ - 0.4.

Вариант 1.

Для термообработки в печи возьмем 12 мас.% магнезита, 87.5 мас.% доломита и 0,5 мас.% натрия хлористого. Загрузим на бетонированную площадку 12 кг магнезита, 87.5 кг доломита и произведем орошение 20%-ным водным раствором натрия хлористого, имеющего удельный вес 1,12 г/см³ из расчета содержания в орошаемом растворе 0,5 кг натрия хлористого. Для орошения потребуется натрия хлористого:

V_p-pa=500 г:1,12 г/см³×0,2=2451 см³

или 2,5 л раствора,

где 0,2 - коэффициент, учитывающий 20% содержание натрия хлористого в растворе.

Орошенные раствором натрия хлористого магнезит и доломит загружаем в смеситель барабанного типа с наклоном оси барабана от горизонтали на 40°. После перемешивания исходного сырья в течение 15-20 минут его выгружают в бункер, имеющий устройство раскрытия дна. С помощью кран-балки исходное сырье бункера загружают в вертикальную печь. Таким образом осуществляют полную загрузку печи исходным сырьем для его термической обработки. Окно в крышке печи закрывают вставкой. Включают в работу устройство термостатирования газа и подают в печь газ (смесь продуктов горения природного газа и атмосферного воздуха), имеющий температуру 600-650°С.

Для данного вида сырья предварительно определяют оптимальные температуру газа и время термообработки в интервале 1-1,5 часа, позволяющих иметь максимальное образование оксида магния и отсутствие оксида кальция. При оптимальных условиях термообработки смеси магнезита, доломита и натрия хлористого полученные продукты будут иметь следующий состав, мас.%: MgO - 28.73, СаСО₃ - 67.58; CaO - 0.04; SiO₂ - 1,98; Al₂O₃ - 0.43; Fe₂O₃ - 0.53; NaCl - 0.65.

В результате термообработки 100 кг магнезита, доломита и хлористого натрия получают массу обожженной шихты равной 76,11 кг, а 23,89 кг CO₂ удалено из печи вместе с отходящим отработанным газом.

Следует отметить, что в начале запуска печи в работу масса загруженной шихты в объеме бункера остается необожженной, поэтому эту шихту возвращают в печь для обжига, а в следующих операциях обожженную шихту оставляют в бункере, поэтому масса загружаемой шихты в печь будет равна массе выгружаемой обожженной шихты за вычетом углекислого газа в результате диссоциации MgCO₃ на MgO и CO₂. Таким образом, если загружают в печь 100 кг шихты, то каждый раз будут получать 76,11 кг обожженной шихты при условии содержания в исходной шихте 45,77 мас.% MgCO₃. Процесс получения магнезиального вяжущего можно в данном способе и с данной установкой вести периодически с остановками работы печи на время выгрузки из нее обожженной шихты и загрузки исходной шихты, а также непрерывно. При непрерывной работе печи составляют график загрузки исходной шихты и график выгрузки обожженной шихты в течение времени термообработки шихты. При непрерывной работе печи экономят расход природного газа, примерно, на 40-50% и увеличивают производительность печи в 1-2 раза. Это скажется на значительном снижении себестоимости магнезиального вяжущего.

Обоженную шихту из печи выгружают в контейнер на колесах, а из контейнера - на бетонированную площадку для остывания до температуры 60-100°С. Затем с бетонированной площадки охлажденную обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в соотношении 1:0,5. Масса загружаемых солей составляет 0,5-1,2 мас.% от массы загружаемой обожженной шихты из печи. Для примера приведем расчет загружаемых масс ортофосфорнокислого и тетраборнокислого натрия в шаровую мельницу совместно с обожженной шихтой.

Суммарная масса смеси солей, загружаемых в шаровую мельницу составит:

m_C=76,11×1,2%:100%=0,91 кг

где

76,11 - масса обожженной шихты, загружаемой в шаровую мельницу, кг;

1,2% - доля суммарной массы солей, загружаемых в шаровую мельницу;

3 - кассовая доля Na₂OB₄O₇ в суммарной массе Na₃PO₄ и Na₂B₄O₇, загружаемых в шаровую мельницу.

Готовый диспергированный продукт - магнезиальное вяжущее должен иметь следующий состав, мас.%: MgO - 28.27; СаСО₃ - 66,91; CaO - 0.03; SiO₂ - 1.95; Al₃O₃ - 0.43; Fe₂O₃ - 0.58; NaCl - 0.65; Na₃PO₄ - 0,79; Na₂B₄O₇ - 0,39.

Вариант 2.

Для термообработки в печи возьмем 17 мас.% магнезита, 82,5 мас.% доломита и 0,5 мас.% натрия хлористого.

Составы магнезита и доломита аналогичны приведенным в варианте 1.

Смесь магнезита, доломита и натрия хлористого имеет следующий состав, мас.%: MgCO₃ - 48,53; СаСО₃ - 48,64; CaO - 0.04; SiO₂ - 1.47; Al₂O₃ - 0.35; Fe₂O₃ - 0.47; NaCl - 0.5.

Все остальные операции по получению обожженной шихты в печи аналогичны описанным в варианте 1.

Обожженная шихта в печи имела массу 74,67 кг и следующий состав, мас.%:

MgO - 31,07, СаСО₃ - 65/14; CaO - 0.05; SiO₂ - 1.97; Al₂O₃ - 0.47; Fe₂O₃ - 0.63; NaCl - 0.67

Обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в количестве 1,2 мас.% от загружаемой массы шихты, загруженные массы ортофосфорнокислого и тетраборнокислого натрия составят:

Масса Na₃PO₄ составит: mNa₃PO₄=0,896 кг-0,896 кг:3=0,597 кг,

Масса Na₂B₄O₇ составит: mNa₂B₄O₇=0.896 кг-0.597 кг=0.299 кг.

Диспергированный порошок, полученный в результате помола в шаровой мельнице, должен иметь дисперсность 50-70 мкм и состав, мас.%:

MgO - 30,70; СаСО₃ - 64,37; CaO - 0.05; SiO₂ - 1.95; Al₂O₃ - 0.46; Fe₂O₃ - 0.62; NaCl - 0.65; Na₃PO₄ - 0,80; Na₂B₄O₇ - 0,39.

При содержании в магнезиальном вяжущем 28,1-30,7 мас.% оксида магния, затворенного на водном растворе MgCl₂, и выдержанные в течение 7 суток имели прочность на сжатие 50-60 МПа (Патент РФ №10407 «Способ получения каустического доломита»).

Результаты лабораторных испытаний получаемого магнезиального вяжущего, проведенного с помощью электромуфеля, представлены в таблице 1.

Таблица 1 №№
п/п Состав исходного сырья, поступившего на термообработку мас.% Температура термообработки, °С Длительность термообработки, мин Состав полученного продукта мас.% Вариант 1 (магнезит 12%, доломит 87,5%, натрий хлористый 0,5%)   MgCO₃ 45.59     MgO 25.3   СаСО₃ 51.60     MgCO₃ 5.2 1. СаО 0.03 600 60 СаСО₃ 65.9   NaCl 0.5     СаО 0.04   примеси       NaCl 0.64   (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃) 2.28     примеси 2.92   MgCO₃ 45.59     MgO 28.6   СаСО₃ 51.60     СаСО₃ 67.7 2. СаО 0.03 650 60 СаО 0.04   NaCl 0.5     NaCl 0.65   примеси 2.28     примеси 3.01   MgCO₃ 45.59     MgO 28.6   СаСО₃ 51.60     СаСО₃ 67.7 3. СаО 0.03 600 90 СаО 0.04   NaCl 0.5     NaCl 0.65   примеси 2.28     примеси 3.01 Вариант 2 (магнезит 17%, доломит 82,5%, натрий хлористый 0,5%)   MgCO₃ 48.53     MgO 27.0   СаСО₃ 48.64     MgCO₃ 6.4 1. СаО 0.04 600 60 СаСО₃ 63.0   NaCl 0.5     СаО 0.05   примеси       NaCl 0.65   (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃) 2.74     примеси 2.9   MgCO₃ 48.53     MgO 31.07   СаСО₃ 48.64     СаСО₃ 65.1 2. СаО 0.04 650 60 СаО 0.05   NaCl 0.5     NaCl 0.67   примеси 2.74     примеси 3.11   MgCO₃ 48.53     MgO 31.07   СаСО₃ 48.64     СаСО₃ 65.1 3. СаО 0.04 600 90 СаО 0.05   NaCl 0.5     NaCl 0.67   примеси 2.74     примеси 3.11

Как следует из данных таблицы 1, при температуре обжига смеси магнезита, доломита и натрия хлористого 600°С и длительности обжига 60 минут диссоциация MgCO₃ на MgO и CO₂ происходит не полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.

При температуре 600°С и длительности обжига смеси магнезита, доломита и натрия хлористого 90 мин диссоциация MgCO₃ на MgO и CO₂ происходит полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.

При температуре 650°С и длительности обжига 60 минут диссоциация магнезита и доломита на MgO и CO₂ происходит полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.

В интервале температур 600-650°С при обжиге смеси магнезита, доломита и натрия хлористого диссоциация СaСО₃ на СаО и CO₂ не происходит. Результаты опытов действительны только при обжиге смеси магнезита, доломита и натрия хлористого при термостатированной температуре.

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения строительных плит, бетонов, ксилолитовых изделий, фибролита, строительных пено- и газоматериалов, растворов для штукатурных работ. Способ получения магнезиального вяжущего включает разложение магнезита или доломита на оксид магния и диоксид углерода в процессе термической обработки дробленных природных минералов при температуре 600-750°С в течение 1-2 часов в присутствии 0,5% натрия хлористого от обжигаемых доломита или магнезита. Для термообработки используют магнезит совместно с доломитом и хлористым натрием следующего состава, мас.%:

магнезит - 12-17;

доломит - 82,5-87,5;

натрий хлористый - 0,5.

Установка для осуществления способа получения магнезиального вяжущего включает в себя смеситель барабанного типа, вертикальную печь, устройство термостатирования газа, шаровую мельницу. Вертикальная печь, выложенная из огнеупорного кирпича, имеет встроенную клеть, представляющую собой решетку из металлических прутьев с диаметром ячеек 20х20 мм, бункер, металлический контейнер на колесах, которые позволяют вести процесс термообработки смеси магнезита, доломита и хлористого натрия непрерывно. Технический результат - повышение качества магнезиального вяжущего, обеспечение непрерывного режима работы печи, снижение капитальных и эксплуатационных затрат. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 2 пр.

1. Способ получения магнезиального вяжущего путем разложения магнезита или доломита на оксид магния и диоксид углерода в процессе термической обработки дробленых природных минералов при температуре 600-750°С в течение 1-2 ч в присутствии 0,5% натрия хлористого от обжигаемых доломита или магнезита, отличающийся тем, что для термообработки используют магнезит совместно с доломитом и хлористым натрием следующего состава, мас.%:
магнезит 12-17 доломит 82,5-87,5 натрий хлористый 0,5

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробленые магнезит и доломит орошают 20%-ным водным раствором хлористого натрия удельной массой 1,12 г/см³ из расчета содержания натрия хлористого в смеси с магнезитом и доломитом 0,5 мас.%, орошенные магнезит и доломит загружают в смеситель барабанного типа и перемешивают в течение 15-20 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для термической обработки смеси магнезита, доломита и натрия хлористого применяют термостатированный газ, имеющий температуру 600-650°С и получаемый в специальном устройстве термостатирования продуктов природного газа, воздуха и отработанного газа после обжига магнезита, доломита и натрия хлористого.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность термообработки дробленых магнезита, доломита с натрием хлористым составляет 1-1,5 ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение обожженных магнезита, доломита с натрием хлористым осуществляют с ортофосфорным и тетраборным натрием в массовом соотношении 1:0,5 и составляющими 0,5-1,2% от загружаемой массы на измельчение обожженных магнезита, доломита с хлористым натрием.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение обожженных магнезита, доломита с хлористым, ортофосфорнокислым, тетраборнокислым натрием осуществляют до дисперсности 50-70 мкм.

7. Установка для осуществления способа получения магнезиального вяжущего, включающая в себя смеситель барабанного типа, вертикальную печь, устройство термостатирования газа, шаровую мельницу, отличающаяся тем, что вертикальная печь, выложенная из огнеупорного кирпича, имеет встроенную клеть, представляющую собой решетку из металлических прутьев с диаметром ячеек 20×20 мм, бункер, металлический контейнер на колесах, которые позволяют вести процесс термообработки смеси магнезита, доломита и хлористого натрия непрерывно.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что она включает в себя устройство термостатирования газов, позволяющее подавать газ с заданной температурой в печь, что исключает пережог в печи магнезита и доломита и позволяет получать обожженные магнезит и доломит, содержащие оксид магния в активной форме и не содержащие оксид кальция.