Способ получения магнезиального вяжущего и установка для осуществления способа

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения строительных плит, бетонов, ксилолитовых изделий, фибролита, строительных пено- и газоматериалов, растворов для штукатурных работ. Способ получения магнезиального вяжущего включает разложение магнезита или доломита на оксид магния и диоксид углерода в процессе термической обработки дробленных природных минералов при температуре 600-750°С в течение 1-2 часов в присутствии 0,5% натрия хлористого от обжигаемых доломита или магнезита. Для термообработки используют магнезит совместно с доломитом и хлористым натрием следующего состава, мас.%:

магнезит - 12-17;

доломит - 82,5-87,5;

натрий хлористый - 0,5.

Установка для осуществления способа получения магнезиального вяжущего включает в себя смеситель барабанного типа, вертикальную печь, устройство термостатирования газа, шаровую мельницу. Вертикальная печь, выложенная из огнеупорного кирпича, имеет встроенную клеть, представляющую собой решетку из металлических прутьев с диаметром ячеек 20х20 мм, бункер, металлический контейнер на колесах, которые позволяют вести процесс термообработки смеси магнезита, доломита и хлористого натрия непрерывно. Технический результат - повышение качества магнезиального вяжущего, обеспечение непрерывного режима работы печи, снижение капитальных и эксплуатационных затрат. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения строительных плит, бетонов, ксилолитовых изделий, фибролита, строительных пено- и газоматериалов, растворов для штукатурных работ.

Известен способ получения магнезиального вяжущего из доломита, предназначенного для производства строительных материалов. В данном изобретении предлагается режим обжига доломита осуществлять по контролю коэффициента качества обжига Кк.о=CO₂, мас.%/MgO, мас.%, который должен быть равным в пределах 1,07-1,72 (Патент РФ №2064905, опубликован 10.08.1996 г).

Недостатками данного способа получения магнезиального вяжущего являются:

- получаемое магнезиальное вяжущее имеет низкое содержание оксида магния, не более 22%, что обеспечивает получение строительных материалов с низкими показателями механических свойств, например прочность на сжатие имеет предел 10-30 МПа, а если в магнезиальном вяжущем присутствует оксид кальция, что не исключено его образование при температуре обжига доломита 750-775°С, то механические свойства полученных строительных материалов будут еще ниже;

- при температуре обжига доломита выше 700°С происходит снижение активности оксида магния в результате его перекристаллизации в периклазную форму, а это приведет к снижению механических свойств полученных строительных материалов на основе такого магнезиального вяжущего (Л.Г.Берг, Введение в термографию, изд. АН СССР, М., 1961 г, стр.206-211);

- определение в процессе обжига коэффициента качества обжига магнезиального вяжущего (определение содержания CO₂, MgO, CaO) достаточно затруднительно.

Известен способ получения магнезиального вяжущего путем смешения каустического доломита и портландцемента в соотношении: каустический доломит 25-50 мас.%, портландцемент 50-75 мас.% (Патент РФ №2102349, опубликован 20.01.1998 г.).

Недостатком данного способа получения магнезиального вяжущего - значительное удорожание строительных материалов, полученных на основе каустического доломита. При указанных соотношениях каустического доломита и портландцемента можно смешивать необожженный доломит с портландцементом без уменьшения механических свойств строительных материалов, но это можно достичь также при смешении портландцемента с песком.

Известен способ получения каустического доломита, принятого нами за прототип, заключающийся в том, что получение каустического доломита осуществляют двухстадийной термообработкой дробленного доломитового сырья нагреванием его сначала до 450-550°С в течение 20-100 минут, а затем до 600-720°С в течение 5-25 мин, перед подачей в термообработку дробленое доломитовое сырье орошают раствором хлорида магния плотностью 1,2-1,3 г/см³ в количестве 0,5-3,0% от массы обжигаемого сырья (Патент РФ №2158241, опубликован 27.10.2000 г.).

Недостатками данного изобретения являются:

- нестабильность температуры по высоте или длине слоя доломита при термообработке, так как близлежащие слои доломита к пламени газовой горелки будут нагреваться выше 800°С, а это приведет к образованию в каустическом доломите твердой переклазной формы кристаллов MgO и образованию СаО, что в свою очередь будет снижать механические свойства строительных материалов, получаемых на основе такого каустического доломита;

- для снижения температуры и времени обжига доломита его орошают раствором MgCl₂, но такое же влияние оказывает орошение дробленного доломита раствором хлористого натрия, что значительно проще и дешевле.

Задачами предлагаемого способа получения магнезиального вяжущего и установки для осуществления способа являются устранение выше приведенных недостатков известных способов и стабилизация условий получения высокоэффективного магнезиального вяжущего, обеспечение непрерывного режима работы печи, снижение капитальных и эксплуатационных затрат.

Решение указанных задач достигается следующим образом.

На бетонированную площадку нагружают дробленные доломит и магнезит в массовом соотношении (82,5-87,5):(12-17), которые орошают с помощью форсунки и насоса 20%-ным водным раствором хлористого натрия, имеющим удельную массу 1,12 г/см³, из расчета содержания в общей массе сырья 0,5 мас.% хлористого натрия. Например. На площадку нагружают 82,5 кг доломита, 17 кг магнезита, тогда к данной массе нужно добавить 0,5 кг хлористого натрия. Данная масса будет содержаться в 2,5 л 20%-ного водного раствора хлористого натрия, имеющего удельную массу 1,12 г/см³. Орошенную массу доломита и магнезита водным раствором хлористого натрия загружают в смеситель барабанного типа. Куски доломита и магнезита должны иметь размер 30-60 мм. После смешения в барабане доломита, магнезита и хлористого натрия в течение 15-20 минут полученную смесь выгружают в специальный бункер, из которого с помощью электрокрана, смесь доломита, магнезита и хлористого натрия загружают в вертикальную печь, которая представлена на рис.1. Печь включает в себя следующие элементы:

1. Металлический кожух. 2. Футеровку из огнеупорного кирпича. 3. Клеть, выполненную в виде сетки из арматурных прутьев с ячейками 20×20 мм. 4. Металлические вставки в клетку печи для крепления клети. 5. Бункер. 6. Шибер. 7. Металлические вставки для крепления бункера. 8,9. Трубы для подачи в печь термостатированного горячего газа, имеющего температуру 600-650°С. 10. Трубу для удаления, отработанного газа из печи. 11. Крышку печи, изготовленную из жаропрочной стали и футерованную с обеих сторон огнеупорным бетоном. Толщина стали 20 мм. В крышке имеется окно для загрузки сырья (на рис.не показано). 12. Кольца для установки и съема крышки. 13. Металлический контейнер на колесах. 14. Шихта (смесь доломита, магнезита и хлористого натрия).

После полной загрузки в печь приготовленной шихты до уровня выхода отработанного газа, как это показано на рис.1, в печь подают термостатированный горячий газ, имеющий температуру 600-650°С, из устройства термостатированного газа, представленного на рис.2, через трубы (поз.8, 9.)

Устройство включает в себя следующие элементы:

1. Кожух. 2. Футеровку из огнеупорного кирпича, имеющую толщину 400 мм. 3. Кольцо из жаропрочной стали толщиной 20 мм. 4. Трубу для подачи термостатированного горячего газа в печь. Труба имеет термоизоляцию минеральной ватой, на рис.2 не показано. 5. Камеру смешения газа и воздуха. 6. Трубопровод для подвода природного газа к горелке. 7. Газовую горелку, установленную тангенциально. 8. Трубопровод для ввода воздуха совместно с отработанным газом после обжига шихты в печи, установленного тангенциально в одном направлении с газовой горелкой.

После термообработки шихты в течение 1-1,5 часов производят ее выгрузку в металлический контейнер на колесах (рис.1, поз.13). Время термообработки уточняют в процессе производства, так как оно зависит от свойств природного доломита и магнезита.

В начале процесса шихту в объеме бункера (рис.1 поз.5) выгружают отдельно от основной массы шихты и загружают в печь повторно. В следующих операциях последние порции обожженной шихты оставляют в бункере (рис 1. поз.5).

Выгруженную обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в массовом соотношении 1:0,5 в количестве 0,5-1,2 мас.% от полученной массы обожженной шихты. Помол обожженной шихты в шаровой мельнице осуществляют до получения дисперсности частиц 50-70 мкм. Полученное магнезиальное вяжущее выгружают в упаковочную тару, производят анализ на содержание МgО и СаО, также отбирают пробы на затворение магнезиального связующего с водным раствором магния хлористого, имеющего удельный вес 1,2 г/см³, и получение образцов на испытание их механических свойств.

Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа получения магнезиального вяжущего и установки для осуществления способа имеют отличия от прототипа и не следуют явным образом от изученного уровня техники, поэтому авторы считают, что способ и установка являются новыми и имеют изобретательский уровень.

Способ получения магнезиального вяжущего и установка для осуществления способа позволяют использовать доломит с низким содержанием карбоната магния для получения высокоэффективного магнезиального вяжущего уменьшить капитальные и эксплуатационные расходы внедрения способа и установки в производство, увеличить ассортимент высококачественных строительных материалов.

Пример осуществления способа получения магнезиального вяжущего. В качестве примера возьмем магнезит Савинского месторождения Иркутской области, который имеет следующий состав, мас.%:

MgCO₃ - 97.48; SiO₂ - 0.9; Al₂O₃ - 0.6; Fe₂O₃ - 0.8; CaO - 0.22 и доломит Данковского месторождения Липецкой области, который имеет состав, мас.%: MgCO₃ - 38.74; СаСО₃ - 58.96; SiO₂ - 1.6; Al₂O₃ - 0.3; Fe₂O₃ - 0.4.

Вариант 1.

Для термообработки в печи возьмем 12 мас.% магнезита, 87.5 мас.% доломита и 0,5 мас.% натрия хлористого. Загрузим на бетонированную площадку 12 кг магнезита, 87.5 кг доломита и произведем орошение 20%-ным водным раствором натрия хлористого, имеющего удельный вес 1,12 г/см³ из расчета содержания в орошаемом растворе 0,5 кг натрия хлористого. Для орошения потребуется натрия хлористого:

V_p-pa=500 г:1,12 г/см³×0,2=2451 см³

или 2,5 л раствора,

где 0,2 - коэффициент, учитывающий 20% содержание натрия хлористого в растворе.

Орошенные раствором натрия хлористого магнезит и доломит загружаем в смеситель барабанного типа с наклоном оси барабана от горизонтали на 40°. После перемешивания исходного сырья в течение 15-20 минут его выгружают в бункер, имеющий устройство раскрытия дна. С помощью кран-балки исходное сырье бункера загружают в вертикальную печь. Таким образом осуществляют полную загрузку печи исходным сырьем для его термической обработки. Окно в крышке печи закрывают вставкой. Включают в работу устройство термостатирования газа и подают в печь газ (смесь продуктов горения природного газа и атмосферного воздуха), имеющий температуру 600-650°С.

Для данного вида сырья предварительно определяют оптимальные температуру газа и время термообработки в интервале 1-1,5 часа, позволяющих иметь максимальное образование оксида магния и отсутствие оксида кальция. При оптимальных условиях термообработки смеси магнезита, доломита и натрия хлористого полученные продукты будут иметь следующий состав, мас.%: MgO - 28.73, СаСО₃ - 67.58; CaO - 0.04; SiO₂ - 1,98; Al₂O₃ - 0.43; Fe₂O₃ - 0.53; NaCl - 0.65.

В результате термообработки 100 кг магнезита, доломита и хлористого натрия получают массу обожженной шихты равной 76,11 кг, а 23,89 кг CO₂ удалено из печи вместе с отходящим отработанным газом.

Следует отметить, что в начале запуска печи в работу масса загруженной шихты в объеме бункера остается необожженной, поэтому эту шихту возвращают в печь для обжига, а в следующих операциях обожженную шихту оставляют в бункере, поэтому масса загружаемой шихты в печь будет равна массе выгружаемой обожженной шихты за вычетом углекислого газа в результате диссоциации MgCO₃ на MgO и CO₂. Таким образом, если загружают в печь 100 кг шихты, то каждый раз будут получать 76,11 кг обожженной шихты при условии содержания в исходной шихте 45,77 мас.% MgCO₃. Процесс получения магнезиального вяжущего можно в данном способе и с данной установкой вести периодически с остановками работы печи на время выгрузки из нее обожженной шихты и загрузки исходной шихты, а также непрерывно. При непрерывной работе печи составляют график загрузки исходной шихты и график выгрузки обожженной шихты в течение времени термообработки шихты. При непрерывной работе печи экономят расход природного газа, примерно, на 40-50% и увеличивают производительность печи в 1-2 раза. Это скажется на значительном снижении себестоимости магнезиального вяжущего.

Обоженную шихту из печи выгружают в контейнер на колесах, а из контейнера - на бетонированную площадку для остывания до температуры 60-100°С. Затем с бетонированной площадки охлажденную обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в соотношении 1:0,5. Масса загружаемых солей составляет 0,5-1,2 мас.% от массы загружаемой обожженной шихты из печи. Для примера приведем расчет загружаемых масс ортофосфорнокислого и тетраборнокислого натрия в шаровую мельницу совместно с обожженной шихтой.

Суммарная масса смеси солей, загружаемых в шаровую мельницу составит:

m_C=76,11×1,2%:100%=0,91 кг

где

76,11 - масса обожженной шихты, загружаемой в шаровую мельницу, кг;

1,2% - доля суммарной массы солей, загружаемых в шаровую мельницу;

3 - кассовая доля Na₂OB₄O₇ в суммарной массе Na₃PO₄ и Na₂B₄O₇, загружаемых в шаровую мельницу.

Готовый диспергированный продукт - магнезиальное вяжущее должен иметь следующий состав, мас.%: MgO - 28.27; СаСО₃ - 66,91; CaO - 0.03; SiO₂ - 1.95; Al₃O₃ - 0.43; Fe₂O₃ - 0.58; NaCl - 0.65; Na₃PO₄ - 0,79; Na₂B₄O₇ - 0,39.

Вариант 2.

Для термообработки в печи возьмем 17 мас.% магнезита, 82,5 мас.% доломита и 0,5 мас.% натрия хлористого.

Составы магнезита и доломита аналогичны приведенным в варианте 1.

Смесь магнезита, доломита и натрия хлористого имеет следующий состав, мас.%: MgCO₃ - 48,53; СаСО₃ - 48,64; CaO - 0.04; SiO₂ - 1.47; Al₂O₃ - 0.35; Fe₂O₃ - 0.47; NaCl - 0.5.

Все остальные операции по получению обожженной шихты в печи аналогичны описанным в варианте 1.

Обожженная шихта в печи имела массу 74,67 кг и следующий состав, мас.%:

MgO - 31,07, СаСО₃ - 65/14; CaO - 0.05; SiO₂ - 1.97; Al₂O₃ - 0.47; Fe₂O₃ - 0.63; NaCl - 0.67

Обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в количестве 1,2 мас.% от загружаемой массы шихты, загруженные массы ортофосфорнокислого и тетраборнокислого натрия составят:

Масса Na₃PO₄ составит: mNa₃PO₄=0,896 кг-0,896 кг:3=0,597 кг,

Масса Na₂B₄O₇ составит: mNa₂B₄O₇=0.896 кг-0.597 кг=0.299 кг.

Диспергированный порошок, полученный в результате помола в шаровой мельнице, должен иметь дисперсность 50-70 мкм и состав, мас.%:

MgO - 30,70; СаСО₃ - 64,37; CaO - 0.05; SiO₂ - 1.95; Al₂O₃ - 0.46; Fe₂O₃ - 0.62; NaCl - 0.65; Na₃PO₄ - 0,80; Na₂B₄O₇ - 0,39.

При содержании в магнезиальном вяжущем 28,1-30,7 мас.% оксида магния, затворенного на водном растворе MgCl₂, и выдержанные в течение 7 суток имели прочность на сжатие 50-60 МПа (Патент РФ №10407 «Способ получения каустического доломита»).

Результаты лабораторных испытаний получаемого магнезиального вяжущего, проведенного с помощью электромуфеля, представлены в таблице 1.

Таблица 1
№№ п/п	Состав исходного сырья, поступившего на термообработку	мас.%	Температура термообработки, °С	Длительность термообработки, мин	Состав полученного продукта	мас.%
Вариант 1 (магнезит 12%, доломит 87,5%, натрий хлористый 0,5%)
	MgCO3	45.59			MgO	25.3
	СаСО3	51.60			MgCO3	5.2
1.	СаО	0.03	600	60	СаСО3	65.9
	NaCl	0.5			СаО	0.04
	примеси				NaCl	0.64
	(SiO2, Al2O3, Fe2O3)	2.28			примеси	2.92
	MgCO3	45.59			MgO	28.6
	СаСО3	51.60			СаСО3	67.7
2.	СаО	0.03	650	60	СаО	0.04
	NaCl	0.5			NaCl	0.65
	примеси	2.28			примеси	3.01
	MgCO3	45.59			MgO	28.6
	СаСО3	51.60			СаСО3	67.7
3.	СаО	0.03	600	90	СаО	0.04
	NaCl	0.5			NaCl	0.65
	примеси	2.28			примеси	3.01
Вариант 2 (магнезит 17%, доломит 82,5%, натрий хлористый 0,5%)
	MgCO3	48.53			MgO	27.0
	СаСО3	48.64			MgCO3	6.4
1.	СаО	0.04	600	60	СаСО3	63.0
	NaCl	0.5			СаО	0.05
	примеси				NaCl	0.65
	(SiO2, Al2O3, Fe2O3)	2.74			примеси	2.9
	MgCO3	48.53			MgO	31.07
	СаСО3	48.64			СаСО3	65.1
2.	СаО	0.04	650	60	СаО	0.05
	NaCl	0.5			NaCl	0.67
	примеси	2.74			примеси	3.11
	MgCO3	48.53			MgO	31.07
	СаСО3	48.64			СаСО3	65.1
3.	СаО	0.04	600	90	СаО	0.05
	NaCl	0.5			NaCl	0.67
	примеси	2.74			примеси	3.11

Как следует из данных таблицы 1, при температуре обжига смеси магнезита, доломита и натрия хлористого 600°С и длительности обжига 60 минут диссоциация MgCO₃ на MgO и CO₂ происходит не полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.

При температуре 600°С и длительности обжига смеси магнезита, доломита и натрия хлористого 90 мин диссоциация MgCO₃ на MgO и CO₂ происходит полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.

При температуре 650°С и длительности обжига 60 минут диссоциация магнезита и доломита на MgO и CO₂ происходит полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.

В интервале температур 600-650°С при обжиге смеси магнезита, доломита и натрия хлористого диссоциация СaСО₃ на СаО и CO₂ не происходит. Результаты опытов действительны только при обжиге смеси магнезита, доломита и натрия хлористого при термостатированной температуре.

1. Способ получения магнезиального вяжущего путем разложения магнезита или доломита на оксид магния и диоксид углерода в процессе термической обработки дробленых природных минералов при температуре 600-750°С в течение 1-2 ч в присутствии 0,5% натрия хлористого от обжигаемых доломита или магнезита, отличающийся тем, что для термообработки используют магнезит совместно с доломитом и хлористым натрием следующего состава, мас.%:

магнезит	12-17
доломит	82,5-87,5
натрий хлористый	0,5

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробленые магнезит и доломит орошают 20%-ным водным раствором хлористого натрия удельной массой 1,12 г/см³ из расчета содержания натрия хлористого в смеси с магнезитом и доломитом 0,5 мас.%, орошенные магнезит и доломит загружают в смеситель барабанного типа и перемешивают в течение 15-20 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для термической обработки смеси магнезита, доломита и натрия хлористого применяют термостатированный газ, имеющий температуру 600-650°С и получаемый в специальном устройстве термостатирования продуктов природного газа, воздуха и отработанного газа после обжига магнезита, доломита и натрия хлористого.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность термообработки дробленых магнезита, доломита с натрием хлористым составляет 1-1,5 ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение обожженных магнезита, доломита с натрием хлористым осуществляют с ортофосфорным и тетраборным натрием в массовом соотношении 1:0,5 и составляющими 0,5-1,2% от загружаемой массы на измельчение обожженных магнезита, доломита с хлористым натрием.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение обожженных магнезита, доломита с хлористым, ортофосфорнокислым, тетраборнокислым натрием осуществляют до дисперсности 50-70 мкм.

7. Установка для осуществления способа получения магнезиального вяжущего, включающая в себя смеситель барабанного типа, вертикальную печь, устройство термостатирования газа, шаровую мельницу, отличающаяся тем, что вертикальная печь, выложенная из огнеупорного кирпича, имеет встроенную клеть, представляющую собой решетку из металлических прутьев с диаметром ячеек 20×20 мм, бункер, металлический контейнер на колесах, которые позволяют вести процесс термообработки смеси магнезита, доломита и хлористого натрия непрерывно.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что она включает в себя устройство термостатирования газов, позволяющее подавать газ с заданной температурой в печь, что исключает пережог в печи магнезита и доломита и позволяет получать обожженные магнезит и доломит, содержащие оксид магния в активной форме и не содержащие оксид кальция.