Способ получения высокопрочного гранулированного заполнителя для бетона из отходов металлургической промышленности Российский патент 2023 года по МПК C04B20/02 C04B18/14 

Изобретение относится к технологиям производства высокопрочных гранулированных заполнителей для бетона на основе техногенного сырья и рекомендуется для крупномасштабной переработки отходов металлургической промышленности – шлаков сталеплавильных, доменных отвальных, шламов конвертерных, нефелиновых.

Из уровня техники известен ряд решений для производства бетона или строительных материалов, в которых применяются процессы принудительной карбонизации.

Например, процесс изготовления изделий путем карбонизации [WO 2009133120, опубликовано 05.11.2009]. Способ изготовления изделия, связанного преимущественно карбонатом, включает получение щелочного гранулированного материала с рН не менее 8,3, содержащего, по меньшей мере, одну фазу силиката щелочноземельного металла, прессование его с получением заготовки с пористостью не более 37 об.% и проницаемостью не менее 1·10-12 см², взаимодействие заготовки, не насыщенной влагой, с СО₂ при температуре не менее 70°C и давлении не менее 0,5 МПа в присутствии воды с образованием не менее 5 мас.% карбонатов. Изделие, связанное преимущественно карбонатом, полученное указанным выше способом. Изобретение развито в зависимых пунктах. Технический результат - повышение механических и/или физико-химических свойств.

В частности, из уровня техники известны решения, в которых в качестве сырья используются побочные продукты или отходы металлургических производств. В решении компании Arcelormittal согласно изобретению [WO 2019064052, опубликовано 04.04.2019] расплавленный сталелитейный шлак, содержащий по меньшей мере 2 мас.% свободной извести, отверждают с получением частиц отверждённого шлака, имеющих диаметр меньше 1 мм. При отверждении расплавленный сталелитейный шлак приводят в контакт с по меньшей мере одним первым газом карбонизации. Частицы отверждённого шлака охлаждают до температуры, составляющей 300°C или ниже, со скоростью от 1 до 100°C/мин, причем при охлаждении частицы отверждённого шлака приводят в контакт с по меньшей мере одним вторым газом карбонизации. Устройство для непрерывного получения отвержденного сталелитейного шлака содержит замкнутую камеры, содержащую устройство для отверждения, устройство для впрыскивания первого газа карбонизации, устройство для второго газа карбонизации, нижнюю пористую стенку и устройство для впрыскивания третьего газа карбонизации через нижнюю пористую стенку. Обеспечивается получение отвержденного шлака с низким содержанием свободной извести при сохранении короткого времени обработки.

Также известно решение [WO 2020099597, опубликовано 22.05.2020]. Группа изобретений относится к фиброцементным изделиям и их получению и, в частности, к карбонизации фиброцементных изделий для уменьшения или полного исключения образования высолов на фиброцементе. Способ получения фиброцементного изделия включает стадии (a) получения неотвержденного фиброцементного изделия, (b) отверждения неотвержденного фиброцементного изделия, (c) обработки отвержденного фиброцементного изделия с помощью CO2 (так называемая «карбонизация») с концентрацией от 15 до 30% по объему при температуре выше 40°C, относительной влажности, равной или выше 80%, в течение периода от 1 до 12 часов. Также рассматриваются фиброцементные изделия, получаемые с помощью способа, применение фиброцементных изделий и способ обработки отвержденного фиброцементного изделия с помощью CO₂. Полученные фиброцементные изделия демонстрируют меньшее количество высолов.

Известен способ получения заполнителя для бетонов – безобжигового зольного гравия на основе техногенного сырья – кислой золы ТЭЦ, включающий приготовление смеси из золы и известково-зольного вяжущего, грануляцию смеси и твердение гранул путём их термообработки [Мичкарёва В.И., Спектор М.Д., Кайзер А.А. и др. Пористые безобжиговые заполнители для лёгкого бетона из пылевидных зол электростанций // Строительные материалы, 1964. № 11, С. 34-35]. Недостатком указанного способа является низкая прочность гранул – менее 2,5 МПа, а также длительная, не менее 16 часов, их термообработка, что существенно удлиняет продолжительность технологического цикла и увеличивает затраты на термообработку.

Известен, принятый в качестве ближайшего аналога, способ получения заполнителя для бетонов – безобжигового зольного гравия на основе техногенного сырья – золы ТЭЦ или золошлаковой смеси, описанный в публикации [Чумаков Л.Д. Технология заполнителей бетона: Учеб. пособие. – М.: Издательство АСВ, 2011. – 264 с., стр. 136-137]. Способ включает помол золы или золошлаковой смеси, добавку 10-15% мас. портландцемента, гранулирование смеси на тарельчатом грануляторе до получения шарообразных гранул размером 5-40 мм, твердение гранул путём их пропаривания в камере при температуре 90-95°C.

Недостатком указанного способа является низкая прочность гранул – до 5-6 МПа, и высокие энергозатраты, обусловленные необходимостью применения пропаривания сформованных гранул.

Техническим результатом изобретения является повышение физико-механических свойств гранул. Сопутствующим результатом является улучшение экологической ситуации территорий со значительным скоплением отходов зол и шлаков ТЭС и ТЭЦ.

Признаками изобретения, совпадающими с существенными признаками ближайшего аналога, является наличие в способе производства гранулированного заполнителя для бетона таких технологических операций, как помол техногенного сырья и последующее гранулирование полученного дисперсного продукта на грануляторе.

В основу изобретения поставлена техническая задача разработки и внедрения новых инновационных способов производства высокопрочных гранул – заполнителей для бетона из шлаков и шламов металлургической промышленности.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения высокопрочного гранулированного заполнителя для бетона из отходов металлургической промышленности, включающем помол отходов металлургической промышленности, гранулирование полученного дисперсного продукта на тарельчатом грануляторе до получения шарообразных гранул и твердение, согласно изобретению отходы металлургической промышленности – шлаки или шламы подвергают помолу до удельной поверхности 260-320 м²/кг, грануляции полученного дисперсного продукта на тарельчатом грануляторе при орошении его водой в количестве от 5 до 8% от массы молотых техногенных отходов металлургической промышленности до получения шарообразных гранул размером от 5 до 20 мм, последующее разделение сырцовых гранул на фракции: 5-10 и 10-20 мм; твердение полученных гранул осуществляют в камерах путём принудительной карбонизации углекислым газом концентрацией от 30 до 95% об. в течение от 1 до 6 часов в зависимости от концентрации углекислого газа и размеров искусственно сформированных гранул. Согласно изобретению, в качестве техногенных отходов металлургической промышленности используют шлаки сталеплавильные, электросталеплавильные, доменные отвальные, шламы конвертерные и нефелиновые.

Между совокупностью существенных признаков изобретения и техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. В изобретении замена состава формовочной смеси (исключение из состава смеси для грануляции цемента) позволит существенно снизить себестоимость гранулированного заполнителя. Химический и фазово-минералогический состав шлаков и шламов металлургической промышленности позволяет им вступать в химическую реакцию карбонизации с углекислым газом, в результате которой в структуре материала возникает карбонат кальция, являющийся цементирующим компонентом и основой формования прочного каркаса за счёт связывания (цементации) частиц шлака в высокопрочный камень. Для ускорения процесса применена принудительная карбонизация путём искусственного создания повышенной концентрации углекислого газа в среде твердения гранул, что обеспечивает требуемые нормативные физико-механические характеристики искусственного гранулированного заполнителя для бетона. Процесс твердения таких гранул и набор ими прочности в присутствии углекислого газа будет занимать от 1 до 6 часов в зависимости от концентрации углекислого газа и размеров искусственно сформированных гранул, не требует подвода тепла, что существенно снизит энергозатраты и повысит производительность способа.

Способ производства высокопрочного гранулированного заполнителя осуществляется следующим образом. Исходные техногенные отходы металлургической промышленности измельчают до удельной поверхности 260-320 м²/кг. Полученный дисперсный материал подают на тарельчатый гранулятор, одновременно орошая его на тарели гранулятора водой в количестве от 5 до 8 мас.%, для формования шарообразных сырцовых гранул окатыванием. Сформованные сырцовые гранулы размером от 5 до 20 мм сталкивают с тарели гранулятора и направляют на грохот для разделения их на отдельные фракции: 5-10 и 10-20 мм. Полученные сырцовые гранулы отдельных фракций подвергают принудительной карбонизации потоком газовой смеси с концентрацией углекислого газа от 30 до 95 об.%, например, фракция 5-10 мм при концентрации углекислого газа 95 об.% в течение 1 часа, в результате чего гранулы достигают конечную прочность на сжатие, соответствующей М1000-М1200.

Для подтверждения промышленной применимости с достижением заявленного технического результата был проведен ряд экспериментов по изготовлению карбонизированных гранул согласно вышеописанному способу с последующим исследованиям их физико-механических свойств. В табл. 1 приведены технические характеристики партии гравия из шлаков и шламов металлургической промышленности, полученные по заявляемому способу после принудительной карбонизации. Марка по дробимости определена как для щебня из изверженных пород в соответствии с ГОСТ 8269-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. ТУ», так и для щебня из шлаков чёрной металлургии в соответствии с ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. ТУ».

Как видно из таблицы, прочность гравия фракции 5-10 выше прочности зёрен фракции 10-20, что связано большей степенью карбонизации малых зёрен.

В результате реализации предложенного способа производства гранулированных заполнителей для бетона из шлаков и шламов металлургической промышленности получают искусственный зернистый материал (гравий) прочностью на сжатие, соответствующей марке по дробимости от М600 до М1200; средняя плотность гранул составляет от 1,7 до 2,7 г/см³, насыпная плотность – от 1050 до 1550 кг/м³ и водопоглощение по массе – от 7,8 до 9,8%, что является достаточным для получения класса бетона не ниже В25, а также пригодным для строительства автомобильных дорог (покрытий, оснований, дополнительных слоёв оснований и других конструктивных слоёв дорожной одежды) в соответствии с ГОСТ 3344-83.

Таблица 1

Свойства принудительно карбонизированных гранул в зависимости от вида отходов металлургической промышленности

Показатель Значения в зависимости от вида отхода электро-сталеплавильный шлак сталеплавильный шлак нефелиновый шлам Коэффициент формы 0,9 ÷ 1 0,9 ÷ 1 0,9 ÷ 1 Средняя плотность гранул, г/см³ ≈ 2,0 2,5 ÷ 2,7 1,7 ÷ 1,9 Общая пористость гранул, % 33,8 22,8 28,4 Насыпная плотность, кг/м³: фракция 5-10 1200 1550 1150 фракция 10-20 1150 1300 1050 Водопоглощение,
% мас. 9,8 9,0 7,8 Количество поглощаемого СО₂, % мас. (кг/т ТОМ) 7,8 (78) 5,2 (52) 9,4 (94) Потеря массы при испытании на дробимость, %: фракция 5-10 20,5 13,6 12,2 фракция 10-20 42,3 33,5 28,6 Марка по дробимости: фракция 5-10 М800
(ГОСТ 8269-93)
М1000
(ГОСТ 3344-83) М1200
(ГОСТ 8269-93)
М1200
(ГОСТ 3344-83) М1200
(ГОСТ 8269-93)
М1200
(ГОСТ 3344-83) фракция 10-20 М600
(ГОСТ 3344-83) М600
(ГОСТ 8269-93)
М800
(ГОСТ 3344-83) М600
(ГОСТ 8269-93)
М800
(ГОСТ 3344-83)

Изобретение относится к технологии производства высокопрочных гранулированных заполнителей для бетона на основе техногенного сырья. Способ получения высокопрочных заполнителей для бетона из отходов металлургической промышленности включает помол отходов металлургической промышленности – шлака или шлама, его грануляцию на тарельчатом грануляторе до получения шарообразных гранул и твердение. Помол производят до удельной поверхности 260-320 м²/кг. Полученный после помола дисперсный материал подают на тарельчатый гранулятор одновременно орошая его на тарели гранулятора водой в количестве от 5 до 8 мас.% от массы молотых техногенных отходов металлургической промышленности для формования шарообразных сырцовых гранул окатыванием до размера от 5 до 20 мм. После грануляции сырцовые гранулы разделяют на отдельные фракции: 5-10 и 10-20 мм. Твердение указанных отдельных фракций осуществляют в камере принудительной карбонизации в газо-воздушной среде, концентрация углекислого газа в которой составляет от 30 до 95 об.%, время от 1 до 6 часов в зависимости от размера гранул. В качестве техногенных отходов металлургической промышленности используют шлак сталеплавильный, электросталеплавильный, доменный отвальный, шлам конвертерный или нефелиновый. Технический результат – повышение физико-механических свойств гранул, утилизация отходов металлургической промышленности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения высокопрочных заполнителей для бетона из отходов металлургической промышленности, включающий помол отходов металлургической промышленности, его грануляцию на тарельчатом грануляторе до получения шарообразных гранул и твердение, отличающийся тем, что помол техногенных отходов металлургической промышленности – шлака или шлама – производят до удельной поверхности 260-320 м²/кг, полученный дисперсный материал подают на тарельчатый гранулятор, одновременно орошая его на тарели гранулятора водой в количестве от 5 до 8 мас.% от массы молотых техногенных отходов металлургической промышленности, для формования шарообразных сырцовых гранул окатыванием до размера от 5 до 20 мм, сырцовые гранулы после грануляции разделяют на отдельные фракции: 5-10 и 10-20 мм, а твердение указанных отдельных фракций осуществляют в камере принудительной карбонизации в газо-воздушной среде, концентрация углекислого газа в которой составляет от 30 до 95 об.%, время от 1 до 6 часов в зависимости от размера гранул.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве техногенных отходов металлургической промышленности используют шлак сталеплавильный, электросталеплавильный, доменный отвальный, шлам конвертерный или нефелиновый.