СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ АПАТИТО-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД Российский патент 2022 года по МПК C04B20/04 C04B20/06 C04B28/26 C04B38/00 

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству искусственных пористых заполнителей для бетонов и гранулированных теплоизоляционных материалов для засыпной теплоизоляции, а также к получению полуфабриката для производства гранулированного строительного материала.

Известен способ получения теплоизоляционного пеностекла из сырьевой массы следующего состава (в вес. частях): кварцевый песок 380-580, ортоклаз 105-250, альбит 130-270, доломит (115-200), кальцит (5-25), кальцинированная сода (150-200), мирабилит (0,5-30), карбонат магния (1-12) и карбонат калия (1-8,5), а также еще четыре «факультативных» ингредиента (сульфат бария, борная кислота, порошкообразное железо и диоксид марганца). Способ включает следующие этапы, на которых: во-первых, различные составы сырья смешиваются в однородную смесь; во-вторых, стекломассу плавят и охлаждают до получения стеклобоя; в-третьих, производятся шаровой помол, вспенивание и отжиг стеклобоя, после чего получается пеностекло с плотностью 120-160 кг/м³, коэффициентом теплопроводности 0,04-0,05 Вт/(м*К) и прочностью на сжатие 6-8 МПа (патент КНР № 101306920 А, 2008 г.).

Недостатками способа являются неоправданно сложный химический состав (9 обязательных и 4 «факультативных» компонента) и сравнительно низкое содержание щелочных компонентов в сырьевой смеси, что приводит к необходимости значительного завышения температуры вспенивания.

Известен способ получения полуфабриката для изготовления строительных материалов, в том числе гранулированного пористого материала, включающий смешение кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента, в качестве которого используют гидроксид натрия, и воды с получением суспензии и ее сушку с получением полуфабриката, сушку осуществляют распылением суспензии с получением сыпучего полуфабриката влажностью не более 9 мас.%, формование сыпучего полуфабриката с получением из него сырцовых заготовок в виде гранул, прокаливание сырцовых гранул, после чего сырцовые гранулы подвергают термическому вспучиванию с получением пористого засыпного теплоизоляционного или конструкционно-теплоизоляционного материала (патент РФ № 2397967, 09.07.2009 г., опубликовано: 27.08.2010 Бюл. № 24).

Недостатком способа является высокая влажность реакционной суспензии, распылительная сушка которой связана с высокими энергозатратами на испарение воды и высокой стоимостью соответствующего оборудования, а также двухстадийностью получения сырцовых гранул на основе сыпучего полуфабриката. Другими недостатками способа являются высокая цена едкого натра, по сравнению с такими солями натрия, как карбонат и силикат, а также повышенная опасность растворов едкого натрия, вызывающих химические ожоги кожи и глаз.

Известен способ получения полуфабриката для изготовления строительного материала, включающий получение шихты смешением кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды с получением суспензии, ее сушку с получением полуфабриката и термообработку, шихта дополнительно содержит барханный песок и нефелинсодержащий компонент при следующем соотношении компонентов, мас.%: щелочной компонент в пересчете на гидроксид 2,0-40,0, нефелинсодержащий компонент 0,9-10,0, барханный песок 49,0-96,0, кремнеземсодержащий компонент остальное, а сушку осуществляют распылением суспензии с получением сыпучего полуфабриката с влажностью не более 9%. В качестве щелочного компонента используют гидроксид и/или силикат и/или карбонат щелочного металла, предпочтительно – гидроксид натрия. Перечисление не является исключающим, можно использовать различные щелочные отходы различных производств. В качестве нефелинсодержащего компонента используют измельченную нефелиновую руду, как хвосты обогащения, так и нефелиновый концентрат. Барханный песок имеет примерно следующий (средний) состав, мас.%: SiO₂ 45,0-63,0, Al₂O₃ 6,5-9,8, Fe₂O₃ 1,5-2,9, CaO 10,5-15,1, MgO 1,2-2,1, Na₂O 1,4-1,8, SO₃ 1,5-2,0, K₂O 1,2-2,1, P₂O₃ 1,1-1,4, потери при прокаливании - остальное. Температура вспенивания составляла 630-685^оС. В результате был получен гранулированный пористый материал с насыпной плотностью 100-430 кг/м³ (патент РФ № 2452704 от 13.07.2010 г., опубликовано 10.06.2012 г. Бюл. № 2).

Недостатком способа является использованием во всех вариантах в качестве щелочного компонента весьма дорогого гидроксида натрия. Кроме того, используемое сочетание нефелинсодержащих отходов и барханного песка неизбежно должно привести к значительному удорожанию логистики данного производства.

Известна композиция для производства пористого заполнителя, включающая натриевое жидкое стекло плотностью 1,41 г/см³ и хлорид натрия, размолотый до размера менее 0,3 мм, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сланцевый шлак, размолотый до размера менее 0,14 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: натриевое жидкое стекло плотностью 1,41 г/см³ 50-75, хлорид натрия 1-3, сланцевый шлак - остальное. В результате получены пористые гранулы с насыпной плотностью 155-180 кг/м³, прочностью на сжатие 2,1-2,2 МПа и коэффициентом размягчения 95,5-96,5% (патент № RU 2555171 28.03.2014 г., опубликовано: 10.07.2015 Бюл. № 19).

Недостатками способа являются недостаточная водостойкость гранул, высокая влажность реакционной смеси и присутствие в ней заметных количеств хлорид-иона, вызывающего коррозию стального оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и одновременно прототипом является способ получения гранулированного строительного материала, включающий подготовку кремнеземистого компонента, приготовление связующего раствора, смешение компонентов, гранулирование смеси и термообработку, отличающийся тем, что связующий раствор готовят на основе коллоидного кремнезема и растворимых солей щелочных металлов путем совместного мокрого помола с одновременным растворением силиката натрия с силикатным модулем от 1,0 до 4,0, карбоната натрия и/или других растворимых в воде соединений щелочных металлов при температуре 80-110°C, при следующем соотношении основных компонентов, мас.%: стекловидный силикат натрия - 10-50, карбонат натрия - 5-40, вода - 40-80%, причем смешение кремнеземистого компонента со связующим раствором совмещают с добавлением газообразователя и гранулированием смеси, при этом смешение и гранулирование проводят в одном устройстве - грануляторе при соотношении связующего раствора и кремнеземистого компонента от 1:5 до 1:1,2, после чего сырцовые гранулы подвергают термообработке: сушке до влажности 1-15% и обжигу при температуре 750-1100°C, при этом суммарное содержание щелочных оксидов в готовом материале составляет от 5 до 20 мас.%.

В результате получены закрытопористые гранулы с насыпной плотностью 155-180 кг/м³, прочностью на сжатие 0,8-1,45 МПа и коэффициентом размягчения 97-99,7% (патент № RU 2605982 09.06.2014 г., опубликовано: 10.01.2017 Бюл. № 1).

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: «Способ получения гранулированного строительного материала, включающий подготовку кремнеземистого компонента, приготовление связующего раствора, смешение компонентов, гранулирование смеси и термообработку».

Недостатками прототипа являются:

- сравнительно невысокая распространенность месторождений аморфных кремнеземов в РФ и других странах;

- значительные колебания в химическом составе кремнеземистого компонента, прежде всего, в содержании оксидов алюминия, железа, кальция и магния, что затрудняет производство конечного материала при одних и тех же значениях технологических параметров;

- недопустимо высокая энергоемкость процесса вспенивания материала, объясняющаяся необходимостью применения температур 850-1100°С;

- завышенное, по сравнению с теоретически необходимым, содержание в сырьевой смеси щелочного компонента, вызванное особенностями щелочного вскрытия кремнезема.

Основными задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:

- упрощение технологии и удешевление логистики производства гранулированной пеностеклокерамики за счет использования сравнительно однородного техногенного сырья, запасы которого сконцентрированы в небольшом количестве крупных месторождений;

- минимизация, вплоть до полного исключения, расхода наиболее дорогого щелочного компонента сырьевой смеси за счет активного использования щелочной составляющей кремнеземистого компонента сырьевой смеси;

- снижение температуры вспенивания материала до значений 750-930°С;

- улучшение эксплуатационных свойств гранулированной теплоизоляции, в частности понижение насыпной плотности и теплопроводности, повышение прочности на сжатие и водостойкости.

Поставленная задача решается путем коренного изменения минералогического состава сырьевой смеси в направлении замены 2/3 кремнеземистого компонента кристаллическим нефелином с одновременным резким сокращением содержания щелочного компонента и существенным снижением температуры вспенивания.

Остальные особенности технологии изготовления пеногранулята, описанные в тексте прототипа: применение многокомпонентного связующего раствора, обеспечивающего больший коэффициент вспенивания и меньшую открытую пористость материала, особый способ приготовления многокомпонентного связующего раствора, а также одностадийный способ получения сырцовых гранул из порошка кремнеземистого компонента и связующего раствора, совмещающий операции смешения и гранулирования – остался тем же, что и в прототипе.

При осуществлении изобретения может быть получен следующий технический результат:

- улучшение эксплуатационных свойств строительного материала, а именно, снижение насыпной плотности и водопоглощения, а также повышение прочности на сжатие.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения гранулированного строительного материала, включающем подготовку кремнеземистого компонента, приготовление связующего раствора, смешение компонентов, гранулирование смеси и термообработку, связующий раствор готовят на основе водорастворимых солей щелочных металлов путем совместного мокрого помола с одновременным растворением стекловидного силиката натрия, карбоната натрия и/или других растворимых в воде солей щелочных металлов при температуре 80-110°С, при следующем соотношении основных компонентов: стекловидный силикат натрия -5-20%, карбонат натрия и/или другие водорастворимые соли щелочных металлов 5-20%, вода - 60-90%, причем смешение кремнеземистого компонента со связующим раствором совмещают с добавлением газообразователя и гранулированием смеси, при этом смешение и гранулирование проводят в одном устройстве - грануляторе - при соотношении связующего раствора и кремнеземистого компонента от 1:15 до 1:5, после чего сырцовые гранулы подвергают термообработке: сушке и обжигу, при этом суммарное содержание щелочных оксидов в конечном продукте составляет от 15 до 25 мас.%, учитывая щелочные компоненты нефелина.

Кроме того, для дополнительного снижения удельного веса материала могут быть использованы газообразователи углеродного, и/или карбонатного типа, и/или карбидного типа.

Для увеличения производительности гранулятора перед гранулированием проводят предварительное смешение компонентов с получением рыхлой неуплотненной смеси, которая в ходе гранулирования уплотняется, образуя компактные гранулы.

Для ускорения процесса получения связующего раствора молотый стекловидный силикат натрия растворяют в водном растворе карбоната натрия и/или других растворимых в воде соединений щелочных металлов.

Для получения укрупненных гранул сырцовые гранулы дополнительно обрабатывают на тарельчатом или шнековом грануляторе или ином формующем устройстве.

Способ получения вспененного гранулированного строительного материала осуществляется следующим образом.

В качестве кремнеземистого компонента сырьевой смеси используются техногенные отходы переработки апатито-нефелиновых руд – хвосты апатитовой флотации (ХАФ), содержащие кремнезем преимущественно в виде мелкодисперсного кристаллического нефелина, то есть в химически активной, легко вскрываемой форме. В число других ингредиентов ХАФ входят многочисленные минералы преимущественно силикатного или алюмосиликатного состава, такие как полевые шпаты (альбит, ортоклаз), эгирин-авгит, эвдиалит, оливин.

В качестве связующего раствора, который одновременно является щелочесодержащим компонентом, используют многокомпонентные водные растворы силикатов натрия и/или калия с силикатным модулем в пределах от 1 до 4, кальцинированной соды, поташа, а также гидроксидов, сульфатов или нитратов щелочных металлов, полученные путем совместного растворения соответствующих химических соединений, либо техногенных отходов, содержащих упомянутые соединения, причем список компонентов не является исчерпывающим.

Состав связующего раствора должен включать не менее 15% силиката натрия и, по крайней мере, одну соль либо гидроксид щелочного металла из вышеприведенного списка.

Соотношение кремнеземистого компонента и связующего раствора выбирается, исходя из состава связующего раствора, метода гранулирования и необходимого содержания щелочных оксидов в готовом материале, которое должно составлять от 15 до 25 мас.%.

Содержание воды в связующем растворе определяется, исходя из необходимости полного растворения используемых соединений щелочных металлов и, в то же время, должно быть достаточным для равномерной пропитки сырьевой массы перед грануляцией.

Время получения однородного связующего раствора и, соответственно, производительность оборудования будет ограничиваться скоростью растворения в воде стекловидного силиката натрия, поступающего в виде дробленого стекла (силикат-глыбы), растворение которого с образованием щелочносиликатного раствора требует высокой температуры и длительного времени.

Известно, что скорость растворения (коррозии) силикатных стекол ограничивается образованием на поверхности стекла слоя гидратированного кремнезема, задерживающего диффузию щелочных ионов, и поэтому может быть существенно (в несколько раз) ускорено путем механического удаления верхнего гидратированного слоя стекла, которое достигается при мокром помоле (эффект механоактивации поверхностных реакций). Кроме того, растворение щелочносиликатных стекол, включая стекловидный силикат натрия, в водной среде существенно ускоряется при повышении температуры, а также при контакте с растворами солей натрия и калия, имеющими щелочную реакцию вследствие гидролиза, например, с водными растворами соды и поташа. Предлагаемый способ, как и способ, реализованный в изобретении-прототипе, использует все три метода активизации растворения силиката натрия в воде - механический, термический и химический.

При этом нагрев смеси до температуры 80-110°С производится как за счет подводимого извне тепла, так и за счет выделяющейся энергии гидратации щелочных солей и механической энергии помола, переходящих в тепло непосредственно в смеси компонентов, благодаря чему экономится энергия и упрощается технология.

Сочетание механической, термической и химической активации растворения силикат-глыбы снижает время помола и затраты энергии на помол не менее чем в 2-3 раза, в зависимости от модуля силиката натрия и устраняет помол силикат-глыбы как отдельную технологическую операцию.

Для получения связующего раствора сухие компоненты (силикат натрия и растворимые соли щелочных металлов) и вода загружаются в шаровую мельницу, аттритор, вибрационную мельницу или другой агрегат для мокрого помола периодического или непрерывного действия, где проводится совмещенная технологическая операция помола, смешения, растворения и гидротермальной обработки реакционной смеси, проходящая при температуре 80-110°С в течение 10-180 мин (при периодическом процессе) или до растворения всех или большей части компонентов при непрерывном процессе приготовления связующего раствора.

Совмещение операций в одном устройстве снижает количество единиц оборудования, исключает межоперационную транспортировку полуфабрикатов и тем самым снижает капитальные затраты на оборудование, а также упрощает его эксплуатацию.

Использование в качестве основы связующего раствора высоковязких растворов силикатов натрия и/или калия позволяет исключить кристаллизацию в растворе водорастворимых солей щелочных металлов, в результате чего при термообработке сырцовых гранул связующий раствор, теряя воду и повышая вязкость, непосредственно переходит в легкоплавкое стекло при температурах ниже температуры стеклования, минуя в ходе синтеза стеклофазы образование кристаллических фаз и сохраняя практически идеально однородное аморфное (стеклообразное) состояние. Благодаря непосредственному переходу связующего раствора в стеклофазу, образование замкнутых пор происходит при более низкой температуре и/или более низком содержании оксида натрия, что повышает степень вспенивания и снижает сырьевые затраты.

В предлагаемом способе грануляция, совмещающая в одном устройстве смешение кремнеземистого компонента и связующего раствора, проводится в смесителе-грануляторе скоростного, тарельчатого, лопастного или иного типа, обеспечивающего одностадийное получение сырцовых гранул из сухого порошка кремнеземистого компонента и комплексного связующего раствора, дозируемых в пропорции, обеспечивающей необходимый состав сырцовых гранул.

Полученные в смесителе-грануляторе влажные сырцовые гранулы подвергаются сушке до конечной влажности 1-15%, обеспечивающей необходимую сыпучесть, прочность и водостойкость сырцовых гранул. Тип сушильного агрегата не имеет существенного значения.

Полученные сырцовые гранулы далее подвергаются термическому вспениванию или используются в качестве шихты для изготовления строительного материала в форме массива: плит, блоков, панелей и других изделий.

Завершающей технологической операцией является высокотемпературная термообработка (вспенивание) сырцовых гранул. Температура вспенивания, в зависимости от состава и технологии производства сырьевых гранул, составляет от 750 до 930°С, длительность пребывания во вращающихся барабанных печах непрерывного действия составляет от 5 до 60 минут.

Для вспенивания также могут применяться печи кипящего слоя или аналогичные агрегаты с аэродинамическим нагревом сырцовых гранул.

Сырцовые гранулы, произведенные указанным способом, используются для производства пеностеклокерамического гравия в конвейерных печах с сетчатым подом методом получения непрерывной ленты вспененного материала, с получением пеностеклокерамического щебня (вспененного гранулята).

Преимущества предлагаемого способа:

- улучшение свойств материала (максимализация степени вспенивания, снижение плотности и снижение объемного водопоглощения);

- упрощение технологии (совмещение смешения и гранулирования в одной технологической операции);

- удешевление сырья (сокращение количества щелочных компонентов, вводимых в составе связующего раствора);

- частичное решение проблемы утилизации отходов производства фосфорных удобрений (хвостов апатитовой флотации – ХАФ).

Проблема хибинского нефелина возникла одновременно с началом добычи апатитонефелиновых руд на Кольском полуострове. Первая стадия переработки руды – ее флотационное разделение на апатитовую и нефелиновую составляющие – сразу определяет огромное количество твердых отходов фосфорного производства (ХАФ), которые в начале разработки месторождений составляли около 15% добываемой руды, а сейчас уже превысили 40%.

После флотационного извлечения апатита осадок ХАФ гидротранспортом направляется в отстойники – хвостохранилища, формируя рукотворные месторождения техногенных нефелиновых песков. Сегодня вблизи городов Кировск и Апатиты складировано более 1,5 млрд. т. ХАФ, содержащих около 1 млрд. т. нефелина. Общая площадь хвостохранилищ апатитового производства в Мурманской области превышает 30 кв. км. Только ничтожная часть ХАФ, в основном, генерируемая ныне действующими рудниками, перерабатывается в нефелиновый концентрат, используемый Волховским алюминиевым и Пикалевским глиноземным заводами.

Таким образом, интенсивная разработка хвостохранилищ с использованием, после соответствующей переработки, извлекаемого нефелина в строительстве и производстве строительных материалов, позволит внести важный вклад в процесс сокращения площади экологически опасных хвостохранилищ с последующей постепенной рекультивацией освобождающейся территории.

Ниже представлены примеры конкретного осуществления способа.

Пример 1.

Для приготовления сырцовых гранул в качестве кремнеземистого компонента использованы хвосты апатитовой флотации (ХАФ из хвостохранилища АНОФ-2, г Апатиты, Мурманская обл.) следующего состава (в мас.%):

Al₂O₃ CaO Fe₂O₃ K₂O MgO Na₂O P₂O₅ SiO₂ TiO₂ п.п.п. 17,37 4,94 9,22 4,68 1,42 11,09 1,05 45,37 4,07 0,15

Для приготовления связующего раствора использовались следующие компоненты: стекловидный силикат натрия с массовым силикатным модулем 3,0 (25% мас. Na₂O), карбонат натрия, вода водопроводная с минерализацией 1-1,5 г/л при следующем соотношении компонентов:

№ Компонент Количество, кг на 10 кг продукта 1 Отходы апатитовой флотации (ХАФ) 9,0 2 Стекловидный силикат натрия 0,9 3 Карбонат натрия 0,19 4 Вода водопроводная 1,35

Для приготовления связующего раствора дробленый до размера 0-3 мм стекловидный силикат натрия, карбонат натрия и вода были загружены в аттритор мокрого помола (вертикальную шаровую мельницу) емкостью 30 л с шаровой загрузкой из стальных шаров диаметром 6 мм, массой 25 кг. Через 5 минут после начала помола температура загрузки достигла 80°С и поддерживалась путем подачи воды в водяную рубашку аттритора на уровне 90-100°С. Через 20 минут после начала помола раствор стал прозрачным, что указывает на полное растворение стекловидного силиката натрия и карбоната натрия. При охлаждении раствора до 20°С раствор не кристаллизуется.

Высушенный молотый порошок ХАФ с физической влажностью 0,3% поместили в смеситель-гранулятор скоростного типа емкостью 50 л. В работающий смеситель-гранулятор был добавлен полученный ранее связующий раствор. Через 80 секунд после окончания дозирования связующего раствора прекратилось пыление раствора, через 110 секунд гранулирование завершилось.

Готовая смесь сырцовых гранул была высушена во вращающейся барабанной сушилке при температуре 200°С. Сушеные сырцовые гранулы имеют плотную консистенцию, коричневый цвет, удовлетворительную водостойкость.

После смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% сырцовые гранулы подверглись обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 870°С. Средний срок пребывания гранул в зоне нагрева составил 10 минут.

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 290 240 210 180 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 24,2 15,2 12,5 11,8 3 Объемное водопоглощение, % 0,8 – 1,0 4 Потеря массы при кипячении, % 0,12 – 0,18

Структура гранул - крупнопористая, степень остеклования высокая (стенки ячеек прозрачны), наблюдается тенденция к слипанию гранул при обжиге.

Пример 2.

Часть сырцовых гранул, полученных по примеру 1, после смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% была подвергнута обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 810°С, средний срок пребывания гранул в зоне нагрева 10 минут.

Структура гранул - мелкопористая, степень остеклования - высокая (стенки ячеек - прозрачные).

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 330 290 240 210 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 26,7 17,2 14,1 13,2 3 Объемное водопоглощение, % 0,9 – 1,8 4 Потеря массы при кипячении, % 0,25 – 0,40

Пример 3.

Часть сырцовых гранул, полученных по примеру 1, после смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% была подвергнута обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 750°С, средний срок пребывания гранул в зоне нагрева 10 минут.

Структура гранул - мелкопористая, степень остеклования - умеренная (стенки ячеек - мутные).

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 420 370 310 280 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 36,4 31,1 25,7 19,5 3 Объемное водопоглощение, % 1,0 – 1,8 4 Потеря массы при кипячении, % 1,7 – 2,9

Пример 4.

Часть сырцовых гранул, полученных по примеру 1, после смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% была подвергнута обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 930°С, средний срок пребывания гранул в зоне нагрева 10 минут.

Структура гранул - крупнопористая, степень остеклования - высокая (стенки ячеек - прозрачные).

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 240 210 170 150 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 34,8 27,2 23,5 21,3 3 Объемное водопоглощение, % 0,8 – 1,5 4 Потеря массы при кипячении, % 0,05 – 0,10

Пример 5.

Для приготовления сырцовых гранул использован ХАФ того же химического состава, что и в предыдущих примерах.

Для приготовления связующего раствора использовались следующие компоненты: стекловидный силикат натрия (технический силикат натрия) с силикатным модулем 3,0 (25% мас. Na₂O), карбонат натрия, в качестве карбонатного газообразователя - мрамор молотый с удельной поверхностью 5000 см²/г, вода водопроводная при следующем соотношении компонентов:

№ Компонент Количество, кг на 10 кг продукта 1 Отходы апатитовой флотации (ХАФ) 9,0 2 Стекловидный силикат натрия 0,9 3 Карбонат натрия 0,19 4 Мрамор молотый 0,1 5 Вода водопроводная 1,35

Для приготовления связующего раствора дробленый до размера 0-3 мм стекловидный силикат натрия, карбонат натрия и вода были загружены в аттритор мокрого помола (вертикальную шаровую мельницу) емкостью 30 л с шаровой загрузкой из стальных шаров диаметром 6 мм, массой 25 кг. Через 5 минут после начала помола температура загрузки достигла 80°С и поддерживалась путем подачи воды в водяную рубашку аттритора на уровне 90-100°С. Через 20 минут после начала помола раствор стал прозрачным, что указывает на полное растворение стекловидного силиката натрия и карбоната натрия.

При охлаждении раствора до 20°С раствор не кристаллизуется.

Высушенный молотый порошок ХАФ с физической влажностью 0,3% и порошок газообразователя поместили в смеситель-гранулятор скоростного типа емкостью 50 л. В работающий смеситель-гранулятор был добавлен полученный ранее связующий раствор. Через 80 секунд после окончания дозирования связующего раствора прекратилось пыление раствора, через 110 секунд гранулирование завершилось.

Готовая смесь сырцовых гранул была высушена во вращающейся барабанной сушилке при температуре 200°С. Сушеные сырцовые гранулы имеют плотную консистенцию, темно-коричневый цвет, удовлетворительную водостойкость.

После смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% от веса шихты сырцовые гранулы подверглись обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 930°С, средний срок пребывания гранул в зоне нагрева 10 минут.

Структура гранул - крупнопористая, степень остеклования - средняя (стенки ячеек - мутные).

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 230 200 160 130 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 31,5 26,1 22,8 19,4 3 Объемное водопоглощение, % 0,8 – 1,0 4 Потеря массы при кипячении, % 0,07 – 0,12

Пример 6

Для приготовления сырцовых гранул использован ХАФ того же химического состава, что и в предыдущих примерах.

Для приготовления связующего раствора использовались следующие компоненты: стекловидный силикат натрия (технический силикат натрия) с силикатным модулем 3,0 (25% мас. Na₂O), карбонат натрия, в качестве карбидного газообразователя - карбид кремния молотый с удельной поверхностью 7000 см²/г, вода водопроводная при следующем соотношении компонентов:

№ Компонент Количество, кг на 10 кг продукта 1 Отходы апатитовой флотации (ХАФ) 9,0 2 Стекловидный силикат натрия 0,9 3 Карбонат натрия 0,19 4 Карбид кремния молотый 0,1 5 Вода водопроводная 1,35

Операции приготовления связующего раствора, грануляции и сушки гранул проводились аналогично описанию, данному в примере 5.

После смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% сырцовые гранулы подверглись обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 930°С, средний срок пребывания гранул в зоне нагрева составлял 10 минут.

Структура гранул - крупнопористая, степень остеклования - средняя (стенки ячеек - мутные).

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 250 220 200 160 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 29,5 25,0 19,1 15,8 3 Объемное водопоглощение, % 0,9 – 1,2 4 Потеря массы при кипячении, % 0,08 – 0,15

Пример 7

Для приготовления сырцовых гранул использован ХАФ того же химического состава, что и в предыдущих примерах.

Для приготовления связующего раствора использовались следующие компоненты: стекловидный силикат натрия (технический силикат натрия) с силикатным модулем 3,0 (25% мас. Na₂O), карбонат натрия, в качестве углеродного газообразователя - графит молотый с удельной поверхностью 8000 см²/г, вода водопроводная при следующем соотношении компонентов:

№ Компонент Количество, кг на 10 кг продукта 1 Отходы апатитовой флотации (ХАФ) 9,0 2 Стекловидный силикат натрия 0,9 3 Карбонат натрия 0,19 4 Графит молотый 0,1 5 Вода водопроводная 1,35

Операции приготовления связующего раствора, грануляции и сушки гранул проводились аналогично описанию, данному в примере 5.

После смешения с разделительной средой в виде каолина в количестве 5% сырцовые гранулы подверглись обжигу (вспучиванию) во вращающейся барабанной печи при температуре 930°С, средний срок пребывания гранул в зоне нагрева составлял 10 минут.

Структура гранул - крупнопористая, степень остеклования - средняя (стенки ячеек - мутные).

Полученная гранулированная пеностеклокерамика имеет следующие характеристики:

№
п/п Показатель Фракции, мм 0 – 1 1 – 2,5 2,5 – 5 5 – 10 1 Насыпная плотность, кг/м³ 280 200 180 170 2 Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² 30,2 22,0 17,8 12,5 3 Объемное водопоглощение, % 0,9 – 1,4 4 Потеря массы при кипячении, % 0,09 – 0,17

Результаты определения характеристик приготовленных гранулятов, а также прототипа, приведены в следующей таблице.

Пример Насыпная плотность, кг/м³ Прочность на сжатие в цилиндре, кг/см² Водопоглощение, об.% Потеря массы при кипячении, мас.% Примечания Прототип 200 - 250 10,5 - 14,5 2,8 - 4,2 0,22 - 0,33 - Пример 1 180 - 290 11,8 - 24,2 0,8 - 1,0 0,12 - 0,18 Стандартный режим Пример 2 210 - 330 13,2 - 26,7 0,9 - 1,8 0,25 - 0,40 Оптимум при энергосбережении Пример 3 280 - 420 19,5 - 36,4 1,0 - 1,8 1,7 - 2,9 Недостаточная водостойкость Пример 4 150 - 240 21,3 - 34,8 0,8 - 1,5 0,05 - 0,10 Максимальная водостойкость Пример 5 130 - 230 19,4 - 31,5 0,8 - 1,0 0,07 - 0,12 Минимальная плотность благодаря доп. газообразователю Пример 6 160 - 250 15,8 - 29,5 0,9 - 1,2 0,08 - 0,15 Малая плотность благодаря доп. газообразователю Пример 7 170 - 280 12,5 - 30,2 0,9 - 1,4 0,09 - 0,17 Малая плотность благодаря доп. газообразователю

Основные характеристики материала в сравнении с прототипом.

Таким образом, при оптимальном технологическом режиме предлагаемый способ изготовления строительного материала обеспечивает заметное понижение, по сравнению с прототипом, насыпной плотности (с 150-480 до 130-420 кг/м³) и водопоглощения (с 0,8-4,6 до 0,8-1,8 об.%), а также существенное повышение прочности на сжатие для легких фракций гранулята, наиболее значимых для теплоизоляции (с 8,2-28,4 до 11,8-36,4 кг/см²).

Изобретение относится к области производства строительных материалов, в частности к производству искусственных пористых заполнителей для бетонов и гранулированных теплоизоляционных материалов для засыпной теплоизоляции, а также к получению полуфабриката для производства гранулированного строительного материала. Способ получения гранулированного строительного материала из сырьевой смеси, состоящей из кремнеземистого компонента и щелочного связующего раствора, включает сушку и помол кремнеземистого компонента, приготовление связующего раствора путем совместного мокрого помола стекловидного силиката натрия, карбоната натрия и воды при температуре 80-110°С в течение 10-180 мин, смешение компонентов и гранулирование смеси проводят в одном устройстве - грануляторе, после грануляции сырцовые гранулы подвергают термообработке: сушке до влажности 1-15% при температуре 200°С и обжигу в течение от 5 до 60 мин, в качестве кремнеземистого компонента используют отходы переработки апатито-нефелиновых руд – высушенный молотый порошок хвостов апатитовой флотации – ХАФ с физической влажностью 0,3%, совместный мокрый помол осуществляют при следующем соотношении компонентов связующего раствора, мас.%: стекловидный силикат натрия 5-20, карбонат натрия 5-20, вода 60-90, смешивание и гранулирование осуществляют при соотношении связующего раствора и указанного кремнеземистого компонента от 1:15 до 1:5, обжиг осуществляют при температуре 750-930°С, при этом суммарное содержание щелочных оксидов в готовом материале составляет от 15 до 25 мас.%. Технический результат – снижение насыпной плотности и водопоглощения, повышение прочности на сжатие гранулированного строительного материала, снижение температуры обжига, утилизация отходов переработки апатито-нефелиновых руд. 1 з.п. ф-лы, 13 табл., 7 пр.

1. Способ получения гранулированного строительного материала из сырьевой смеси, состоящей из кремнеземистого компонента и щелочного связующего раствора, включающий сушку и помол кремнеземистого компонента, приготовление связующего раствора путем совместного мокрого помола стекловидного силиката натрия, карбоната натрия и воды при температуре 80-110°С в течение 10-180 мин, смешение компонентов и гранулирование смеси проводят в одном устройстве - грануляторе, после грануляции сырцовые гранулы подвергают термообработке: сушке до влажности 1-15% при температуре 200°С и обжигу в течение от 5 до 60 мин, отличающийся тем, что в качестве кремнеземистого компонента используют отходы переработки апатито-нефелиновых руд – высушенный молотый порошок хвостов апатитовой флотации – ХАФ с физической влажностью 0,3%, совместный мокрый помол осуществляют при следующем соотношении компонентов связующего раствора, мас.%: стекловидный силикат натрия 5-20, карбонат натрия 5-20, вода 60-90, смешивание и гранулирование осуществляют при соотношении связующего раствора и указанного кремнеземистого компонента от 1:15 до 1:5, обжиг осуществляют при температуре 750-930°С, при этом суммарное содержание щелочных оксидов в готовом материале составляет от 15 до 25 мас.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в гранулятор дополнительно вводят газообразователь углеродного, карбонатного или карбидного типа.