СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО ПИГМЕНТА ДЛЯ 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 результату, принятому за прототип, 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, термическая обработка при температурах 500-1000°С, и помол в роторно-вихревой мельнице с отбором фракции менее 45 мкм. Термическая обработка в течение 1 часа является энергоемкой и длительной во времени, дополнительная технологическая операция отбора фракции менее 45 мкм является трудоемкой и длительной во времени, что удорожает себестоимость конечного продукта и повышает энергозатраты. Известно, что роторно-вихревые мельницы позволяют измельчать материал до размеров частиц 10 мкм (Патент RU 212081).

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

Это достигается тем, что отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии термообрабатывают в плазменном реакторе 1-2 секунды, при температуре плазменной струи 7000-7500 К, параметры работы плазменного реактора: мощность 18 кВт, расход плазмообразующего газа аргона – 2,0 м³/час, производительность питателя 10- 12 г /сек, затем измельчают в центробежно-планетарной мельнице до удельной поверхности 620-640 м²/кг и размером частиц 3,5-3,6 мкм.

Характеристики используемых материалов.

1. Отходы обогащения железистых кварцитов, например Курской магнитной аномалии исходной дисперсностью 10-160 мкм и следующего химического состава (мас. %):

SiO₂ – 70,69; Fe₃O₄ – 12,06; MgO – 8,27; CaO – 3,58; Al₂O₃ – 2,96; Na₂O – 0,73; K₂O – 0,69; P₂O₅ – 0,69; SO₃ – 0,17; MnO – 0,08; TiO₂ – 0,08.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов представлен в таблице 1.

Таблица 1

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов

Известный способ Предлагаемый способ Магнитная сепарация
↓
Термообработка
от 500°C до 1000°C
↓
Охлаждение
↓
Измельчение в роторно-вихревой мельнице
↓
Отбор фракции менее 45 мкм Термообработка
в плазменном реакторе
↓
Измельчение в центробежно-планетарной мельнице до размера частиц 3,6-3,4 мкм

В железосодержащих пигментах коричневый цвет пигменту обеспечивает γ – Fe₂O₃ (Масленникова Г.Н., Пищ И.В. Керамические пигменты, 2009. – 224 с. (152 с.)).

В отходе обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии основной железосодержащей фазой является магнетит. Отходы обогащения железистых кварцитов представлены в виде сыпучего порошка и не требуют предварительного помола. (Бессмертный В.С., Здоренко Н.М., Макаров А.В. и др. Плазменная технология получения стекломикрошариков на основе отходов обогащения железистых кварцитов КМА // Стекло и керамика, 2021, № 7, с. 17-27).

Для получения пигмента коричневого цвета необходимо магнетит (Fe₃O₄) перевести в гематит (γ – Fe₂O₃).

Как известно, при температуре 449,3°C и выше, магнетит переходит в гематит: Fe₃O₄ → Fe₂O₃

В связи с вышеизложенным с целью ускорения технологического процесса и снижения энергозатрат в предлагаемом способе термическую обработку отхода производили плазменном реакторе.

В результате термической обработки весь магнетит переходил в гематит (γ – Fe₂O₃).

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

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 отходы обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии.

Отходы 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 порошка отхода в плазменном реакторе составляло 1- 2 секунды. За этот промежуток времени под действием высоких температур плазменной струи, порядка 7000-7500 К, магнетит полностью переходил в гематит. Параметры работы плазменного реактора: мощность 18 кВт, расход плазмообразующего газа аргона – 2,0 м³/час, производительность питателя 10- 12 г/сек. После термообработки отходы помещали в центробежно-планетарную мельницу «САНД».

Параметры работы центробежно-планетарной мельнице были следующие: скорость вращения барабана 325 с^-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 отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии 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 отхода после 0,5 часа образуется максимально возможное количество гематита – 12,0%.

Изобретение может быть использовано для объемного окрашивания стеновой керамики. Для получения железосодержащего пигмента проводят термообработку отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии в плазменном реакторе 1-2 с при температуре плазменной струи 7000-7500 K. Затем проводят измельчение в центробежно-планетарной мельнице до размера частиц 3,5-3,6 мкм с удельной поверхностью 620-640 м²/кг. Изобретение позволяет ускорить получение пигмента, придающего керамике темно-коричневый цвет, и снизить энергозатраты. 2 табл., 1 пр.

Cпособ получения железосодержащего пигмента для керамики, включающий термообработку и последующее измельчение, отличающийся тем, что термообработку отходов обогащения железистых кварцитов Курской магнитной аномалии производят в плазменном реакторе 1-2 с при температуре плазменной струи 7000-7500 K, измельчение производят в центробежно-планетарной мельнице до размера частиц 3,5-3,6 мкм с удельной поверхностью 620-640 м²/кг.