СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО ПИГМЕНТА ДЛЯ СТЕНОВОЙ КЕРАМИКИ Российский патент 2025 года по МПК C09C1/24 C09C3/04 C04B14/30 

Изобретение относится к производству неорганических пигментов, а именно железосодержащих, и может быть использовано для объемного окрашивания стеновой керамики.

Известен ряд способов получения железосодержащих пигментов коричневого цвета из техногенных отходов промышленности (патент РФ № 2057154, кл. С09 С1/24, опубл. 23.03.1996; патент РФ 2471836, опубл. 10.01.2013).

Недостатком данных способов является длительность технологического процесса и значительные энергозатраты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения железосодержащего минерального пигмента, включающий сухую магнитную сепарацию, термическую обработку от 500 до 1000°C, охлаждение и измельчение в роторно-вихревой мельнице с отбором фракций менее 45 мкм (Патент RU 2683100, кл. С09С1/24: С09С3/041 опубл. 26.03.2019).

Недостатком данного способа является длительность технологического процесса, высокая энергоёмкость и помол в роторно-вихревой мельнице с отбором фракций менее 45 мкм, что также является трудоёмким и длительным технологическим процессом.

Изобретение направлено на создание способа получения железосодержащего пигмента для стеновой керамики, обеспечивающего ускорение технологического процесса и снижение энергозатрат.

Это достигается тем, что кристаллические сланцы термообрабатывают в плазменном реакторе. В предложенном решении предварительно производят помол. Измельчение производят в центробежно-планетарной мельнице до измельчения 3,6-3,4 мкм с удельной поверхностью 620-640 м²/кг, а в качестве исходного сырья используют кристаллические сланцы.

Характеристики исходных материалов

1. Кристаллические сланцы, например Курской магнитной аномалии, следующего химического состава (мас.%):

SiO₂ – 52,92; Fe₂O₃ – 4,99; FeO – 5,01; MgO – 2,72; CaO – 6,08; Al₂O₃ – 9,02; Na₂O – 0,28; K₂O – 2,50; TiO₂ – 1,48, П.П.П.-15,00 (Патент РФ № 2 578 233).

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов представлен в таблице 1.

В железосодержащих пигментах коричневый цвет пигменту обеспечивает γ – Fe₂O₃ (Масленникова Г.Н., Пищ И.В. Керамические пигменты, 2009. – 224 с. (152 с.)). В кристаллических сланцах основной железосодержащей фазой является оксиды двух- и трехвалентного железа.

Для получения пигмента коричневого цвета необходимо FeO перевести в гематит (γ – Fe₂O₃).

Как известно, при термической отработке FeO, который является плавнем, переходит в расплав, а из железосодержащего расплава кристаллизуется гематит.

В связи с вышеизложенным, с целью ускорения технологического процесса и снижения энергозатрат в предлагаемом способе термическую обработку отхода производили в плазменном реакторе. Ускорение процесса термообработки заключается в кратковременном воздействии плазменной струи, порядка 2-3 секунды, с температурой плазменного факела 6000-6500 К.

В известном способе термическую обработку при 500-1000°С производят в течении 1 часа, что удлиняет технологический процесс получения пигмента и требует значительных энергозатрат. Трудоемкой и энергоемкой технологической операцией является отбор фракции менее 45 мкм. Данная технологическая операция в предлагаемом способе отсутствует. Это существенно ускоряет технологический процесс и снижает энергозатраты.

В результате термической обработки образуется гематит (γ – Fe₂O₃). (Бондаренко М.А. Ресурсо- и энергосберегающая технология облицовочных материалов на основе стеклобоя, Автореф. дис. канд. техн. наук, Белгород, 2024, 19 с.)

Таблица 1

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов

Известный способ Предлагаемый способ Магнитная сепарация
↓
Термообработка
от 500°C до 1000°C в течение 1 часа
↓
Охлаждение
↓
Измельчение в роторно-вихревой мельнице
↓
Отбор фракции менее 45 мкм Измельчение в шаровой мельнице
↓
Термообработка
в плазменном реакторе с временем термообработки 2-3 секунды
↓
Измельчение в центробежно-планетарной мельнице до размера частиц 3,6-3,4 мкм

Недостатком известного способа является помол и отбор фракций менее 45 мкм. Такие частицы в стеновые керамики будут образовывать хромофорные кластеры размером более 40 мкм, которые снижают поглощение цветовых лучей по сравнению с хромофорными кластерами размером 20-40 мкм.

Как известно, частички железа в виде гематита должны иметь размеры около 20-40 мкм. Кластеры таких размеров резко повышают поглощение световых лучей и таким образом повышают эффективность пигмента в составе стеновой керамики. (Котляр В.Д., Небежко Н.И., Терёхина Ю.В. и др. Особенности получения клинкерного кирпича черного цвета. // Строительные материалы, апрель-май 2020, с. 97-102).

В предлагаемом способе размеры исходных частиц пигмента составляют 3,6-3,4 мкм. Частицы гематита в стеновой керамике с исходным размером 3,6-3,4 мкм при термической обработке стеновой керамики за счёт диффузионных процессов в жидкой среде образуют хромофорные кластеры размером 20-40 мкм и интенсивно окрашивают материал в коричневые цвета.

Пример

В качестве исходного материала использовали кристаллические сланцы следующего химического состава (мас.%):

SiO₂ – 52,92; Fe₂O₃– 4,99; FeO – 5,01; MgO – 2,72; CaO – 6,08; Al₂O₃ – 9,02; Na₂O – 0,28; K₂O – 2,50; TiO₂ – 1,48, П.П.П.-15,00. (Патент РФ № 2 578 233).

Кристаллические сланцы помещали в шаровую фарфоровую мельницу с уролитовыми шарами и измельчали в течение 0,25 часа.

После измельчения кристаллические сланцы помещали в порошковый питатель, а из питателя в плазменный реактор вместе с потоком плазмообразующего газа аргона (электродуговой плазмотрон с плазменной горелкой ГН-5р). Время пребывания измельченных сланцев в плазменном реакторе составляло 2-3 секунды. За этот промежуток времени под действием высоких температур плазменной струи, порядка 6000-6500 К, оксид железа (двухвалентный) полностью переходил в гематит. Параметры работу плазменного реактора: мощность 12 кВт, расход плазмообразующего газа аргона – 2,5 м³/час, производительность питателя 8-10 г/сек. После термообработки отходы помещали в центробежно-планетарную мельницу «САНД».

Параметры работы центробежно-планетарной мельнице были следующие: скорость вращения барабана 325с^-1; материал мельницы и шаров-халцедон. Размер частиц отхода составил 3,4-3,6 мкм. Оптимальное время помола, экспериментально установленное представлено в таблице 2.

Таблица 2

Влияние времени помола на удельную поверхность и размер частиц

№ Время помола, мин Удельная поверхность м²/кг Размер частиц, мкм 1 9 595 более 10 2 12 625 6,0-5,0 3 15 ^* 640^* 3,5-3,6 ^* 4 18 645 3,4

* - оптимальный вариант.

Как видно из таблицы 2, оптимальное время помола составляет 0,25 часа или 15 минут. При увеличении времени помола до 18 минут удельная поверхность увеличилась незначительно, а энергозатраты увеличились на 20%.

Дисперсность измельченных частиц отхода обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалией определяли на лазерном анализаторе размеров частиц ANALYSETTE 22 Nano Tecplus.

Растровая электронная микроскопия керамики с пигментом на основе кристаллических сланцев показала наличие хромофорных кластеров оксида железа в виде гематита размером 20-40 мм, что обеспечивало стеновой керамике темно-коричневый цвет. Рентгенофазовый анализ показал, что в составе кристаллических сланцев после термообработки образуется максимально возможное количество гематита – 10,0%.

Изобретение относится к производству неорганических пигментов. Раскрыт способ получения железосодержащих пигментов коричневого цвета для стеновой керамики, включающий предварительный помол кристаллических сланцев Курской магнитной аномалии, термообработку производят в плазменном реакторе 2-3 секунды при температуре плазменной струи 6000-6500 К и последующее измельчение в центробежно-планетарной мельнице до размеров частиц 3,6-3,4 мкм с удельной поверхностью 620-640 м²/кг. Изобретение обеспечивает ускорение технологического процесса и снижение энергозатрат. 2 табл., 1 пр.

Способ получения железосодержащих пигментов коричневого цвета для стеновой керамики, включающий термообработку и последующее измельчение, отличающийся тем, что предварительно производят помол кристаллических сланцев Курской магнитной аномалии, термообработку производят в плазменном реакторе 2-3 секунды при температуре плазменной струи 6000-6500 К, измельчение производят в центробежно-планетарной мельнице до размеров частиц 3,4-3,6 мкм с удельной поверхностью 620-640 м²/кг.