Способ получения пористых стекломатериалов из металлургических шлаков

 

Способ получения из металлургических шлаков пористых стекломатериалов с насыпной плотностью 100 - 300 кг/м³ и пониженной эмиссией сероводорода заключается в том, что шихту, состоящую из окислов SiO₂, CaO, Al₂O₃, MgO, Fe₂O₃, MnO, SO₃, Na₂O, K₂O, TiO₂, плавят в восстановительной среде, причем перед плавлением содержание углерода в шихте доводят до 3 - 8 мас.%, а затем силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара отливом в водный раствор солей цинка с концентрацией 0,2 - 0,5 г/л. Понижение эмиссии сероводорода ниже предельно допустимого расширяет возможность применения.

Настоящее изобретение относится к переработке твердых отходов, в частности шлаков металлургического производства, в пористые теплоизоляционные стекломатериалы строительного назначения.

Известен способ получения стекломатериалов из силикомарганцевых шлаков, заключающийся в том, что шлаки следующего состава, мас.%: MnO 1,4-19,0; SiO₂ 43,0-46,0; Al₂O₃ 6,9-9,0; CaO 15,5-16,5; MgO 4,0-5,0; Fe₂O₃ 9,0-15,0; SO₃ 0,1-0,6, гранулируют на лотково-веерных агрегатах [1].

Данным способом получают вспененный материал с насыпной плотностью 500 кг/м³, что позволяет использовать его в основном при производстве легких бетонов для ограждающих (стеновых) и несущих конструкций зданий и инженерных сооружений. Однако высокая насыпная плотность вспененного материала снижает их эксплуатационные качества и возможность применения в качестве теплоизоляционных засыпок.

В известном способе в шихте следующего состава, мас.%: СаО 9-54; SiO₂ 13-75; Al₂O₃ 5-26; Fe₂O₃ 1-24; MgO 2-6; Na₂O 0,1-1; K₂O 0,2-1; SO₃ 0,1-0,6; TiO₂ 0,2; C 1-2, доводят содержание углерода до 3-8 мас.% и плавят в восстановительной среде [2]. Затем полученный расплав охлаждают в режиме термоудара до образования вспененного материала, насыпная плотность которого 100-300 кг/м³. При этом оксид кальция частично переходит в карбид кальция, а сульфат кальция - в сульфид кальция, которые на стадии охлаждения в воде образуют газовую среду, способствующую получению стекломатерала с высокой пористостью. Этот способ взят в качестве прототипа по максимальному совпадению существенных признаков.

Однако восстановление серы до сульфидов приводит к тому, что при осуществлении термоудара контактированием с водной средой вследствие гидролиза сульфидов образуется сероводород, который накапливается в порах стекломатериала. Кроме того, непрореагировавшие с водой сульфиды являются потенциальным источником сероводорода, поскольку при воздействии атмосферных водяных паров или другого источника влаги гидролизуются с выделением сероводорода.

Таким образом, применение способа [2] не исключает снижения эмиссии сероводорода из полученных стекломатериалов.

Задача изобретения - создание способа получения пористых стекломатериалов из металлургических шлаков с эмиссией сероводорода ниже предельно допустимой концентрации (ПДК), равной 0,008 мг/м³ с тем, чтобы расширить возможности их применения в качестве строительных материалов.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения пористых стекломатериалов из металлургических шлаков, заключающемся в том, что в шихте следующего состава, мас.%: SiO₂ 45-60; CaO 20,3-40; Al₂O₃ 1,5-15; MgO 1-5; Fe₂O₃ 5-9; MnO 4-18; SO₃ 0,1-3; Na₂O 0,4-0,6; K₂O 0,3-0,8; TiO₂ 0,1-0,2, доводят содержание углерода до 3-8 мас.% и плавят в восстановительной среде, затем силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара. Согласно изобретению стадию термоудара осуществляют контактированием силикатной части расплава с водным раствором солей цинка.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что восстановление оксида марганца, содержащегося в металлургических шлаках, и образование карбидов кальция и алюминия в процессе восстановительной плавки (за счет удаления марганца в металл и кальция в виде карбида) приводит к понижению основности силикатной части расплава и перераспределению серы в металл. С другой стороны, пониженная окисленность силикатной части расплава за счет более полного удаления оксидов железа и повышенное содержание углерода в расплаве увеличивает содержание серы в силикатной части расплава в виде сульфидов. При воздействии на сульфиды паром и горячей водой (условия термоудара) создаются условия для образования сероводорода, который связывается водным раствором солей цинка в нерастворимый сульфид цинка, что при дальнейшем применении стекломатериалов исключает эмиссию сероводорода.

Концентрация солей цинка в используемом для охлаждения водном растворе зависит от содержания серы в шлаке и составляет от 0,2 до 0,5 г/л.

Пример 1. В 500 г шихты из металлургических отходов состава, мас.%: SiO₂ 46,2; CaO 25,0; Al₂O₃ 9,0; MgO 3,0; Fe₂O₃ 6,0; MnO 4,0; SO₃ 3,0; Na₂O 0,4; K₂O 0,3; TiO₂ 0,1, доводят содержание углерода до 3 мас.% и плавят в восстановительной среде. Затем полученную силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара отливом в воду. При этом происходит вспенивание материала. Полученный материал с насыпной плотностью 200 кг/м³ помещают в сосуд объемом 350 см³ и измеряют эмиссию сероводорода, которая равна 0,01 мг/м³.

Пример 2. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 1, но полученный расплав охлаждали в водном растворе солей цинка с концентрацией 0,1 г/л. Количество выделяемого сероводорода равно 0,006 мг/м³. Насыпная плотность материала 200 кг/м³.

Пример 3. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 1, но полученную силикатную часть расплава охлаждали в водном растворе солей цинка с концентрацией 0,2 г/л. Насыпная плотность полученного материала 200 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода из вспененного материала 0,003 мг/м³.

Пример 4. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 1, но полученную силикатную часть расплава охлаждали в водном растворе солей цинка с концентрацией 0,5 г/л. Насыпная плотность полученного материала 200 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода равно 0,003 мг/м³.

Пример 5. В 500 г шихты из металлургических отходов, мас.%: SiO₂ 45,0; CaO 20,3; Al₂O₃ 3,0; MgO 3,0; Fe₂O₃ 9,0; MnO 10,0; SO₃ 0,5; Na₂O 0,5; K₂O 0,5; TiO₂ 0,2, доводят содержание углерода до 8 мас.%. Отходы плавят в восстановительной среде, затем силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара отливом в воду. В результате вспенивания получают материал с насыпной плотностью 300 кг/м³. Анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 1. Количество выделенного сероводорода 0,007 мг/м³.

Пример 6. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 5, но полученную силикатную часть расплава охлаждали в водном растворе солей цинка с концентрацией 0,1 г/л. Насыпная плотность полученного материала 300 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,006 мг/м³.

Пример 7. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 5, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 3. Насыпная плотность полученного материала 300 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,004 мг/м³.

Пример 8. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 5, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 4. Насыпная плотность полученного материала 300 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,004 мг/м³.

Пример 9. В 500 г шихты металлургических отходов состава, мас.%: SiO₂ 50,0; CaO 30,6; Al₂O₃ 2,0; MgO 1,0; MnO 5,0; Fe₂O₃ 5,0; SO₃ 0,3; Na₂O 0,6; K₂O 0,4; TiO₂ 0,1, доводят содержание углерода до 5 мас.% и плавят в восстановительной среде. Силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара отливом в воду и получают вспененный материал с насыпной плотностью 120 кг/м³. Анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 1. Количество выделяемого сероводорода 0,006 мг/м³.

Пример 10. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 9, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 2. Насыпная плотность полученного материала 120 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,0025 мг/м³.

Пример 11. Плавление шлаковых отходов осуществляли аналогично примеру 9, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 3. Насыпная плотность полученного материала 120 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,002 мг/м³.

Пример 12. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 9, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 4. Насыпная плотность полученного материала 120 мг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,002 мг/м³.

Пример 13. В 500 г шихты металлургических отходов состава, мас.%: SiO₂ 45,0; CaO 34,0; Al₂O 1,5; MgO 1,0; Fe₂O₃ 7,0; MnO 5,7; SO₃ 2,0; Na₂O 0,4; K₂O 0,3; TiO₂ 0,1, доводят содержание углерода до 3 мас.%. Плавят и анализируют аналогично примеру 1. Насыпная плотность полученного материала 100 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,0087 мг/м³.

Пример 14. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 13, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 2. Насыпная плотность полученного материала 100 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,0052 мг/м³.

Пример 15. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 14, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 3. Насыпная плотность полученного материала 100 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,0045 мг/м³.

Пример 16. Плавление шлаковых отходов и анализ эмиссии сероводорода осуществляли аналогично примеру 15, но полученную силикатную часть расплава охлаждали аналогично примеру 4. Насыпная плотность полученного материала 100 кг/м³. Количество выделяемого сероводорода 0,0039 мг/м³.

Формула изобретения

Способ получения пористых стекломатериалов с насыпной плотностью 100 - 300 кг/м³ из металлургических шлаков путем плавления шихты, включающей SiO₂, CaO, Al₂O₃, MgO, Fe₂O₃, SO₃, Na₂O, K₂O, TiO₂, в восстановительной среде, причем перед плавлением содержание углерода в шихте доводят до 3 - 8 мас.% и последующего охлаждения силикатной части расплава в режиме термоудара, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит MnO при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ - 45 - 60 CaO - 20,3 - 40,0 Al₂O₃ - 1,5 - 15,0 MgO - 1,0 - 5,0 Fe₂O₃ - 5,0 - 9,0 MnO - 4,0 - 18,0 SO₃ - 0,1 - 3,0 Na₂O - 0,4 - 0,6
K₂O - 0.3 - 0,8
TiO₂ - 0,1 - 0,2
а охлаждение расплава осуществляют в водном растворе солей цинка с концентрацией 0,2 - 0,5 г/л.