Способ получения пенокерамики из металлургических шлаков

 

Изобретение относится к переработке промышленных отходов, в частности шлаков металлургического производства в пенокерамику со структурой волластонита для строительной индустрии при производстве фильтрующих материалов. Способ получения пенокерамики со структурой β-волластонита из металлургических шлаков включает стабилизацию их по составу методом высокотемпературной плавки в восстановительной среде, перевод их в аморфное состояние посредством термоудара, измельчение с получением шихты крупностью 80-100 мкм, вспенивание полученной шихты при обжиге при температуре до 1130^oС и скорости нагрева при обжиге 20^oС/мин. Шихта дополнительно содержит 5%-ный раствор серной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ 51,52; Al₂O₃ 6,74; Fe₂O₃ 0,97; CaO 30,96; MgO 8,71; SO₃ 0,29; Na₂О 0,41; K₂O 0,4; 5%-ный раствор серной кислоты 10 мас.% сверх 100%. Технический результат: расширение возможности применения полученной пенокерамики в качестве строительных и фильтрующих материалов.

Изобретение относится к области переработки промышленных отходов, в частности шлаков металлургического производства в пенокерамику со структурой β-волластонита для строительной индустрии и при производстве фильтрующих материалов.

Существуют способы получения волластонита путем твердофазного спекания смеси кремнеземсодержащего материала и карбоната кальция [1] (Kurczyk Н. G., Nuhrer G. Interceram, 1971, t.20, 2), а также из чистого Люберецкого кварцевого песка и Белгородского мела [2] (Гальперин М.К., Лыкина И.С. "Исследование оптимальных условий синтеза волластонита". Стекло и керамика, 3, 1976 г., с.21-24). Данным способом получают не вспененный материал, содержащий α- и β-фазы волластонита.

Известен (GB 1381538 А, С 03 В 32/00 от 22.01.1975 г.) способ получения пористой кристаллической стеклянной ленты путем плавления стекла, содержащего от 55 до 70 вес.% оксида кремния и лежащего в поле кристаллизации волластонита, при температуре от 1500 до 1530^oС [2]. Расплав вспенивается газом, образующимся при сжигании топлива непосредственно в расплаве. Вспененный расплав раскатывается в пористую стеклянную ленту, которая кристаллизуется в две стадии: первая - при температуре от 650 до 700^oС в течение 0,3-0,5 часа и вторая - при температуре от 1100 до 1150^oС в течение 1,0-1,5 часов. Температура поднимается между двумя стадиями со скоростью от 1 до 3^oС в минуту.

К недостаткам способа следует отнести многоступенчатость и длительность процесса кристаллизации стекла, а также достаточно высокую плотность получаемого закристаллизованного материала - 1100-1400 кг/м³. Кроме того, указанный состав и условия кристаллизации стекла приводят к появлению как α-, так и β-фаз волластонита, что ограничивает область использования полученного материала.

В основу заявляемого изобретения положена задача разработки способа получения пенокерамики со структурой β-волластонита из металлургических шлаков, стабилизированных по составу методом высокотемпературной плавки, чтобы расширить возможности их применения в качестве строительных и фильтрующих материалов.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что металлургические шлаки переводят в рентгеноаморфное, стабилизированное по составу состояние по способу [3] (Патент РФ 2132306) путем предварительного доведения содержания оксида кремния и кальция в исходной шихте до массового отношения SiO₂/СаO, равного интервалу 1-2, а содержания углерода - до 3 мас.%, плавления в восстановительной среде при температуре 1580-1610^oС с последующим охлаждением расплава в режиме термоудара отливом в воду и получают рентгеноаморфный, стабилизированный по химсоставу материал - пеносиликат следующего состава, мас.%: SiO₂ 51,52; Al₂О₃ 6,74; Fc₂О₃ 0,97; СаO 30,96; MgO 8,71; SO₃ 0,29; Na₂O 0,41; K₂O 0,4. Пеносиликат измельчают до крупности 80-100 мкм и готовят шихту добавлением 5%-ного раствора серной кислоты, формуют изделие и нагревают до 875-1130^oС со скоростью 20^oС в минуту с последующим охлаждением в печи. В процессе взаимодействия пеносиликата со слабым раствором серной кислоты образуются гидросиликаты и алюмосульфаты, которые разлагаются при нагревании до температуры 920^oС с образованием газообразной фазы, приводящей к вспениванию материала шихты, поскольку температурный интервал пиропластического состояния шихты (875-920^oС) совпадает с температурным интервалом образования газообразной фазы. Формирование пор начинается уже при температуре 875^oС, а интенсивное порообразование происходит при 900-920^oС.

Зародыши кристаллизации фазы β-волластонита появляются также при температуре 875^oС, которые интенсивно разрастаются при последующем увеличении температуры до 1130^oС. В зависимости от температуры нагревания в интервале 875-1130^oС образуется пенокерамика с различной пористостью, плотностью, прочностью со структурой β-волластонита.

Предлагаемый способ получения пенокерамики со структурой β-волластонита из шлаков металлургического производства поясняется конкретными примерами его осуществления.

Пример 1.

В 500 г металлургических шлаков вводят 3 мас.% углерода и доводят отношение SiO₂/СаO до 1,6, плавят в восстановительной среде при температуре 1580-1610^oС. Затем полученную силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара отливом в воду. Полученный рентгеноаморфный, стабилизированный по химсоставу пеносиликат, имеет следующий состав, мас.%: SiO₂ 51,52; Аl₂О₃ 6,74; Fe₂О₃ 0,97; СаO 30,96; MgO 8,71; SO₃ 0,29; Na₂О 0,41; К₂О 0,4. 100 г полученного пеносиликата измельчают до крупности 80-100 мкм, добавляют 10% по массе сверх 100% пеносиликата 5%-ный раствор серной кислоты, перемешивают полученную шихту, формуют изделие при давлении 27,5 МПа и обжигают нагреванием до 875^oС со скоростью 20^oС/мин с последующим отпуском в печи.

Рентгенофазовый анализ полученного материала - пенокерамики показывает наличие зародышей фазы β-волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает начало порообразования. Пенокерамика обладает следующими характеристиками: - плотность, кг/м³ - 1790; - пористость закрытая, об.% - 37,1; - пористость открытая, об.% - 1,16; - водопоглощение, об.% - 0,9; - прочность на сжатие, МПа - 50.

Пример 2.

Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 900^oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ образцов полученной пенокерамики показывает незначительный рост зародышей кристаллизации фазы β-волластонита. В пенокерамике формируется в основном закрытый тип пор. Полученные образцы обладают следующими характеристиками: - плотность, кг/м³ - 1160; - пористость закрытая, об.% - 59,4; - пористость открытая, об.% - 0,43; - водопоглощение, об.% - 0,5;
- прочность на сжатие, МПа - 30.

Пример 3.

Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 920^oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученной пенокерамики показывает интенсивный рост кристаллизации фазы β-волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает рост открытой пористости. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м³ - 520;
- пористость закрытая, об.% - 10,5;
- пористость открытая, об.% - 71,46;
- водопоглощение, об.% - 32,5;
- прочность на сжатие, МПа - 5.

Пример 4.

Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 975^oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученной пенокерамики показывает уменьшение скорости кристаллизации фазы β-волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает увеличение размера пор и рост открытой пористости. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м³ - 450;
- пористость закрытая, об.% - 0,9;
- пористость открытая, об.% - 83,46;
- водопоглощение, об.% - 43,4;
- прочность на сжатие, МПа - 5,5.

Пример 5.

Металлургические шлаки перерабатывают, готовят шихту на основе полученного пеносиликата, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие при температуре 1130^oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1. Рентгенофазовый анализ полученной пенокерамики показывает окончание процесса кристаллизации β-волластонита. Электронно-микроскопический анализ показывает незначительное изменение формы пор и рост закрытых пор. Полученные образцы обладают следующими характеристиками:
- плотность, кг/м³ - 370;
- пористость закрытая, об.% - 5,5;
- пористость открытая, об.% - 81,7;
- водопоглощение, об.% - 47,3;
- прочность на сжатие, МПа - 2,85.

Пример 6.

Металлургические шлаки перерабатывают аналогично примеру 1, получают пеносиликат, измельчают аналогично примеру 1, вместо серной кислоты добавляют 10% по массе воды сверх 100% пеносиликата, перемешивают, формуют изделие аналогично примеру 1, затем обжигают изделие нагреванием до 1000^oС. Скорость обжига и отпуск - аналогично примеру 1.

Рентгенофазовый анализ полученного материала показывает кристаллизацию фазы β-волластонита. Электронн-омикроскопический анализ показывает отсутствие открытых и закрытых пор, т. е. образец не вспенивается и имеет следующие характеристики:
- плотность, кг/м³ - 2600;
- водопоглощение, об.% - 1,0;
- прочность на сжатие, МПа - 600.

Формула изобретения

Способ получения пенокерамики со структурой β-волластонита из металлургических шлаков путем стабилизации их по составу методом высокотемпературной плавки в восстановительной среде, перевода их в аморфное состояние посредством термоудара, измельчения с получением шихты крупностью 80-100 мкм, вспенивания полученной шихты при обжиге при температуре 1130^oС, скорости нагрева при обжиге 20^oС/мин, причем шихта дополнительно содержит 5%-ный раствор серной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ - 51,52; Al₂O₃ - 6,74; Fe₂O₃ - 0,97; CaO - 30,96; MgO - 8,71; SO₃ - 0,29; Na₂О - 0,41; K₂O - 0,4; 5%-ный раствор H₂SO₄ - 10 мас.% сверх 100%.