СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2024 года по МПК C04B7/153 C04B7/52 C04B18/04 

Изобретение относится к способу получения вяжущего материала на основе техногенных отходов, которое может быть использовано в цементной и строительной промышленности.

Известны способы получения вяжущего материала, включающие способ получения вяжущего на основе портландцемента и пыли электрофильтров ферросплавного производства, недостатками которого являются относительно низкое качество конечного продукта и высокая энергоемкость их получения [«Вяжущее», патент РФ № 1031934 C04B7/35, опубл. 30.07.1983].

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является способ получения вяжущего материала, описанный в [«Цемент», патент РФ №2119897 C04B 7/04(2006.01), C04B 28/04, опубл. 10.10.1998], включающий способ получения вяжущего путем использования отхода производства фтористого алюминия – фторангидрита, который получают в результате взаимодействия плавиковошпатового (флюоритового) концентрата с 98,5%-ной серной кислотой. Для нейтрализации остатков серной кислоты полученный продукт обрабатывали кальцийсодержащим веществом, в качестве которого использовали технологическую пыль с электрофильтров, установленных в системе газоочистки портландцементного клинкера. Фторангидрит измельчали до размера частиц 20 мм, смешивали с предварительно размолотым и высушенным гипсовым камнем и подавали в цементную мельницу для совместного помола с портландцементным клинкером.

Недостатками данного способа получения вяжущего материала являются высокая энергоемкость его получения и низкое качество конечного продукта.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении энергоемкости получения вяжущего на основе техногенных отходов, сокращении времени помола вяжущего и повышении качества конечного продукта.

Это достигается тем, что способ получения вяжущего на основе техногенных отходов включает помол портландцементного клинкера и техногенных отходов и отличается тем, что в качестве промышленных отходов используют отходы ванадиевого производства, содержащие, мас.%: SiO₂ – 3,22; Al₂O₃ – 0,41; CaO – 36,93; MgO – 5,03; V₂O₅ – 2,81; Mn₂O₃ – 17,39; SO₃ – 33,02; п.п.п. –1,19; отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, содержащие, мас.%: Na₂O – 0,98; MgO – 5,84; Al₂O₃ – 2,52; SiO₂ – 72,74; K₂O – 0,65; CaO – 3,12; TiO₂– 0,27;FeO-9,45;Fe₂O₃ – 4,06; P – 0,65; S – 0,21; и смешивают указанные отходы с боем санитарно–строительной керамики при соотношении 3:1:1, добавляют 84-86 мас. % портландцементного клинкера и производят совместный помол смеси в центробежно-планетарной мельнице в течение 0,25 часа до удельной поверхности 6400 см²/г.

Готовили сырьевую смесь, состоящую из отходов ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и боя санитарно-строительной керамики при соотношении 3:1:1 весовых частей. Затем добавляли портландцементный клинкер и измельчали до удельной поверхности 6400 см²/г.

Параметры работы центробежно-планетарной мельницы «Санд» были следующие: скорость вращения барабана 325 с^-1; материал мельницы и шаров – халцедон. В центробежно-планетарную мельницу загружали портландцемент 84,0 мас.%, отход ванадиевого производства, отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и бой санитарно-строительной керамики при соотношении 3:1:1 массовых частей в количестве 16,0 мас.% и производили помол смеси до удельной поверхности 6400 см²/г. Размеры частиц отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и боя санитарно-строительной керамикии портландцементного клинкера составляли 3,5-3,6 мкм. Оптимальное время помола составляло 0,25 часа.

В процессе совместного помола происходит механоактивация частиц отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и боя санитарно-строительной керамики с частицами портландцементного клинкера, что приводит к протеканию твердофазных реакций за счет увеличения поверхностной и внутренней энергии всех частиц и смещения лимитирующей стадии из диффузионной области в кинетическую. Механоактивированные частицы отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии имеют в своем составе значительное количество оксидов железа, а бой санитарно строительной керамики имеет стеклофазу, которые играют положительную роль при зародышеобразовании центров кристаллизации при затворении цемента и обеспечивают высокие прочностные показатели конечного продукта. Применение центробежно-планетарной мельницы позволяет снизить энергозатраты в 3 раза и сокращения времени помола более чем в 10 раз. Совместное использование отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и боя санитарно-строительной керамики в количестве 14-16 мас.% приводит к существенному повышению прочности.

Экспериментально полученные параметры помола и механоактивации смеси представлены в таблице 1.

Таблица 1. Время помола до удельной поверхности 6400 см²/г компонентов вяжущего

Наименование мельницы Время помола, час Шаровая фарфоровая мельница с уролитовыми шарами 4,0 Центробежно-планетарная мельница 0,25

Смесь извлекали и формовали образцы в виде кубиков 30×30×30 мм при водоцементном соотношении (В/Ц) 0,24. После твердения на воздухе в течение 24 часов кубики извлекали из формы и подвергали тепловлажностной обработке в пропарочной камере LOIP в течение 6 часов при температуре 85°С, а затем осуществлялось твердение образцов на воздухе в течении 28 суток.

В качестве пластифицирующей добавки использовали суперпластификатор «Melflux 1641», который добавляли в смесь сверх 100% - 0,16%.

Размер частиц отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, боя санитарно-строительной керамики и портландцемента влиял на прочностные характеристики конечного продукта и удельную поверхность (таблица 2).

Таблица 2. Влияние времени помола на удельную поверхность и размер частиц

№ Время помола, мин Удельная поверхность, см²/г Размер частиц, мкм 7 5800 Более 10 10 6200 5,0-7,0 15* 6400* 3,5-3,6* 20 6550 3,4-3-5

* - оптимальные параметры

Как видно из таблицы 2, оптимальное время помола составляло 15 минут. При увеличении времени помола до 20 минут удельная поверхность увеличивалась незначительно, а энергозатраты на помол увеличивались на 25%. При времени помола 10 минут – удельная поверхность по сравнению с оптимальными параметрами, снижалась до 6200 см²/г, а средний размер частиц лежал в пределах 5,0-7,0 мкм, что существенно снижало марочность вяжущего материала (менее марки вяжущего материала М 400).

Дисперсность измельченных частиц исходного портландцементного клинкера, отхода ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и боя санитарно-строительной керамики после помола определяли на лазерном анализаторе размеров частиц ANALYSETTE 22 NanoTecplus. Прочность на сжатие кубиков проводили на гидравлическом прессе ПМГ-100 МГ4. Прочность на сжатие определяли, как среднюю прочность пяти образцов, которая составляла 58,1 МПа.

Оптимальные соотношения компонентов вяжущих материалов, полученные экспериментальным путем, представлены в таблице 3.

Таблица 3

Наименование Содержание оксидов, мас. % SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ FeO CaO MgO K₂O Na₂O SO₂ P₂O₃ п.п.п. Отходы обогащения железистых кварцитов КМА 66,19 9,51 9,06 6,44 3,70 4,08 0,69 0,51 0,16 0,11 5,19 Отходы керамзитового производства* 70,51 12,23 4,03 1,20 6,13 0,70 0,25 1,14 следы - 4,12 Отходы производства санитарно-строительной керамики 65,15 25,9 0,3 - 0,53 0,36 1,05 0,6 следы - 6,92 * содержание TiO₂ – 0,72 мас. %

Характеристики используемых компонентов:

1. Портландцементный клинкер, например, производства ОАО «Сребряковцемент» марки ЦЕМ II/A 42,5Н (ГОСТ 31108-2016) с удельной поверхностью 3200 см²/г следующего химического состава (таблица 4).

Таблица 4. Химический состав портландцемента, мас. %

CaO SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ MgO SO₃ R₂O п.п.п. 62,44 21,29 5,72 3,37 2,09 2,83 1,21 1,05

2. Отход ванадиевого производства, химический состав отхода которого представлен в таблице 5 [Возможность использования в технологии стеновой керамики отходов ванадиевого производства / Бессмертный В.С. и др.// Стекло и керамика. 2022. Т. 95, № 7. С. 43–50].

Таблица 5. Химический состав отхода ванадиевого производства, мас. %

SiO₂ Al₂O₃ CaO MgO V₂O5 Mn₂O₃ SO₃ п.п.п. 3,22 0,41 36,93 5,03 2,81 17,39 33,02 1,19

3. Отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, следующего химического состава (мас. %): Na₂O – 0,98; MgO – 5,84; Al₂O₃ – 2,52; SiO₂ – 72,74; K₂O – 0,65; CaO – 3,12; TiO₂– 0,27;FeO – 9,45;Fe₂O₃ – 4,06; P – 0,65; S – 0,21 [Плазменная технология получения стекломикрошариков на основе отходов обогащения железистых кварцитов КМА / Бессмертный В.С. и др. // Стекло и керамика. 2021. №7.С. 17-27].

4. Бой санитарно-строительной керамики следующего химического состава: SiO₂ – 62,10; Al₂O₃ – 29,80; CaO – 1,03; MgO – 0,96; Fe₂O₃ – 0,64; Na₂O – 3,36; K₂O – 1,52; TiO₂ – 0,51, п.п.п. – 0,08 [Использование альтернативных источников энергии и стеклянных бытовых отходов в технологии глазурования керамической облицовочной плитки / Бессмертный В.С. и др. // Стекло и керамика. 2020. № 10. С. 29-33].

Пример

Готовили сырьевую смесь, состоящую из портландцементного клинкера в количестве 8,4 кг, смеси отходов ванадиевого производства, отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии и боя санитарно-строительной керамики при соотношении 3:1:1 весовых частей соответственно в количестве 1,6 кг. Полученную смесь помещали в центробежно-планетарную мельницу и производили совместный помол до удельной поверхности 6400 см²/г. Формовали образцы и испытывали на прочность.

Средняя прочность на сжатие кубиков составляла 58,1 МПа, что соответствует марке вяжущего материала М 500.

Изобретение относится к способу получения вяжущего материала на основе техногенных отходов, которое может быть использовано в цементной и строительной промышленности. Технический результат заключается в снижении энергоемкости получения вяжущего на основе техногенных отходов, сокращении времени помола вяжущего и повышении качества конечного продукта. Cпособ получения вяжущего на основе техногенных отходов включает помол портландцементного клинкера и техногенных отходов, при этом в качестве промышленных отходов используют отходы ванадиевого производства, содержащие, мас.%: SiO₂ – 3,22; Al₂O₃ – 0,41; CaO – 36,93; MgO – 5,03; V₂O₅ – 2,81; Mn₂O₃ – 17,39; SO₃ – 33,02; п.п.п. – 1,19; отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, содержащие, мас.%: Na₂O – 0,98; MgO – 5,84; Al₂O₃ – 2,52; SiO₂ – 72,74; K₂O – 0,65; CaO – 3,12; TiO₂ – 0,27; FeO – 9,45; Fe₂O₃ – 4,06; P – 0,65; S – 0,21; и смешивают указанные отходы с боем санитарно-строительной керамики при соотношении 3:1:1, добавляют 84-86 мас. % портландцементного клинкера и производят совместный помол смеси в центробежно-планетарной мельнице в течение 0,25 часа до удельной поверхности 6400 см²/г. 5 табл.

Способ получения вяжущего на основе техногенных отходов, включающий помол портландцементного клинкера и техногенных отходов и отличающийся тем, что в качестве промышленных отходов используют отходы ванадиевого производства, содержащие, мас.%: SiO₂ – 3,22; Al₂O₃ – 0,41; CaO – 36,93; MgO – 5,03; V₂O₅ – 2,81; Mn₂O₃ – 17,39; SO₃ – 33,02; п.п.п. – 1,19; отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии, содержащие, мас.%: Na₂O – 0,98; MgO – 5,84; Al₂O₃ – 2,52; SiO₂ – 72,74; K₂O – 0,65; CaO – 3,12; TiO₂ – 0,27; FeO – 9,45; Fe₂O₃ – 4,06; P – 0,65; S – 0,21; и смешивают указанные отходы с боем санитарно-строительной керамики при соотношении 3:1:1, добавляют 84-86 мас. % портландцементного клинкера и производят совместный помол смеси в центробежно-планетарной мельнице в течение 0,25 часа до удельной поверхности 6400 см²/г.