СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШИХТЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ВОЛЛАСТОНИТА И ЕЕ СОСТАВ
METHOD OF PREPARING MIXTURE FOR SYNTHESIS OF WOLLASTONITE AND COMPOSITION THEREOF

Изобретение относится к получению синтетического волластонита из природного сырья и техногенных отходов и может быть использовано при производстве строительной керамики, фарфоровых и полуфарфоровых изделий, керамических плиток, сухих строительных смесей, высокопрочного цементного раствора и др.
2
Известен способ и состав шихты для синтеза волластонита, содержащий мел и трепел при молярном соотношении SiО:CaO=1,7. Исходную смесь измельчают до остатка 2-3% на сите 0063, после чего обжигают при температуре 1150°С /Гальперина М.К., Грум-Гржимайло О.С., Митрохин B.C., Тарантул Н.П. Синтез волластонита из трепела. - Стекло и керамика. - 1982, №2, с.16-17/. Недостатком способа является высокая температура синтеза и невысокий выход целевого продукта - 72% (90% от теоретического выхода).
3
Известен состав и способ получения шихты для синтеза волластонита, включающей кремнеземистый компонент из группы трепел, опока, диатомит (основа); мел (20-60 мас.%), кальцинированную соду (0,1-0,3 мас.%) и жидкое стекло (уд. вес.1,5 г/см) (0,3-0,8 мас.%). Трепел (диатомит) дробят на бегунах, затем совместно с кальцинированной содой и водой загружают в шаровую мельницу и измельчают до остатка на сите 0063 в пределах 0,1-0,3%, после чего вводят мел и жидкое стекло и перемешивают. Приготовленную суспензию высушивают в распылительном сушиле, после чего обжигают в печи. В заводских условиях при температуре 1120-1150°С и длительности обжига 30-40 минут выход волластонита составляет 78-90% /Рохваргер Е.Л., Гальперина М.К., Лыхина Н.С. Шихта для синтеза волластонита. А.с. СССР №480676. Заявлено 04.03.1974, опубл. 15.08.1975/. К недостаткам указанного способа относятся высокая температура синтеза и недостаточно высокий выход целевого продукта.
Известен состав шихты для синтеза волластонита, включающей трепел, мел, жидкое стекло и соду кальцинированную, которая с целью снижения температуры синтеза и увеличения выхода волластонита дополнительно содержит добавку волластонита (1-8 мас.%). Синтез волластонита проводят при температуре 1000-1050°С, содержание волластонита в готовом материале составляет 90-93% /Павлов В.Ф., Веричев Е.Н., Митрохин B.C. Шихта для синтеза волластонита. А.с. СССР №927783. Заявлено 09.07.80, опубл. 15.05.82 БИ №18/. Недостатком, как и в предыдущем случае, является невысокий выход целевого продукта.
2
Известен способ получения шихты для синтеза волластонита, который включает в себя диспергирование диатомита и мела в содово-силикатном растворе при соотношении Т:Ж=1:(3-4) и мольном соотношении CaO:SiО=0,9:1,25; перемешивание суспензии при температуре 5-40°С в течение 10-15 мин; отделение жидкой фазы; промывание твердой фазы с последующим введением в качестве затравки волластонита. Из высушенной при 100-105°С шихты получают волластонит путем обжига при температуре 1000-1050°С в течение 30 мин. Способ позволяет получать волластонит с выходом 95-97% /Никифоров Е.А., Гладун В.Д., Акатьева Л.В. и др. Способ получения шихты для синтеза волластонита. Патент РФ на изобретение №2205792. Заявлено 08.02.2002, опубл. 10.06.2003/.
2
Наиболее близким к предлагаемому является способ и состав шихты для синтеза волластонита, содержащей кремнеземистый известняк - природную гомогенную тонкодисперсную композицию кальцита и кремнезема в соотношении, близком к волластониту. Шихту готовят совместным сухим помолом кремнеземистого известняка с трепелом (молярное соотношение CaO:SiO=0,9) до полного прохождения через сетку 05, гранулируют, сушат и обжигают гранулы с выдержкой 2 часа при максимальной температуре обжига 1100°С /Балкевич В.Л., Перес Ф.С., Когос А.Ю. и др. Синтез волластонита из природной карбонатно-кремнеземистой композиции. - Стекло и керамика. - 1985. - №1. - С.20-21/. Недостатком способа являются жесткие требования по химическому и фазовому составу кремнеземистого известняка, что определяет ограниченность сырьевой базы, высокая температура синтеза (1100°С) и невысокий выход целевого продукта - 85% (96% от теоретически возможного).
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выхода готового продукта до 97-98%, расширение сырьевой базы для синтеза волластонита и решение экологических проблем за счет использования техногенного компонента - микрокремнезема, который является отходом производства кристаллического кремния и ферросилиция.
Изобретение заключается в активации твердофазового синтеза волластонита по керамической технологии из смеси природного известкового сырья и реакционноактивного техногенного кремнеземистого сырья, что обеспечивается совокупностью операций, включающей тонкий помол кальцийсодержащего компонента (мела, известняка) в шаровой мельнице сухим способом до полного прохода через сито 0063, добавление в шаровую мельницу к тонкоизмельченному кальцийсодержащему компоненту добавки аморфного кремнезема (микрокремнезема) исходной дисперсности в количестве, обеспечивающем молярное соотношение
2
CaO:SiO, равное 0,9-1, гомогенизацию сырьевой смеси перемешиванием в течение 0,5 часа в шаровой мельнице, пластификацию сырьевой смеси за счет введения органического связующего, брикетирование пластифицированной сырьевой смеси полусухим прессованием под давлением 20-25 МПа, обжиг брикетированной шихты при температуре 1000-1050°C с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 часа.
Предлагаемая шихта для синтеза волластонита содержит в своем составе, мас.%:
- кальцийсодержащий компонент из группы мел, известняк - 60-62,5;
- микрокремнезем - 37,5-40,0;
- органическое связующее (1,5%-ный раствор метилцеллюлозы или 10%-ный раствор лигносульфоната кальция) - 6-8 (сверх 100).
Целесообразность выбора в качестве кремнеземсодержащего компонента шихты для синтеза волластонита аморфного тонкодисперсного кремнезема в виде микрокремнезема обусловлена его повышенной реакционной способностью за счет особенностей структурно-фазового состава - полностью рентгеноаморфным состоянием и высокой дисперсностью с изометрическими частицами размером 0,3-0,5 мкм.
Уменьшение количества вводимой добавки микрокремнезема менее 37,5% (менее стехиометрического содержания) недостаточно для обеспечения теоретического выхода волластонита.
Увеличение количества вводимой добавки микрокремнезема более 40% снижает выход волластонита за счет присутствия в готовом продукте избыточного кремнезема в виде кристобалита.
Измельчение кальцийсодержащей добавки (мела и известняка) до размера частиц менее 0,063 мм необходимо для создания однородного тонкодисперсного компонента, обладающего повышенной дефектностью структуры и развитой поверхностью контакта с частицами микрокремнезема, что в совокупности обеспечивает максимальную полноту протекания процессов синтеза волластонита за счет увеличения скорости и интенсивности реакций в твердой фазе.
Выбор уплотняющего давления 20-25 МПа при брикетировании шихты полусухим прессованием обусловлен необходимостью обеспечения максимальной степени уплотнения шихты, оцениваемой по величине кажущейся плотности формовки, с целью приведения в непосредственный контакт частиц реагирующих компонентов. Использование давления прессования ниже 20 Мпа не обеспечивает необходимой степени уплотнения; повышение давления прессования сверх 25 Мпа нецелесообразно ввиду незначительного увеличения степени уплотнения.
Обжиг брикета при температуре 1000-1050°С необходим для обеспечения максимального выхода целевого продукта.
Понижение температуры обжига менее 1000°С не обеспечивает полноты протекания процесса твердофазового синтеза волластонита. Обжиг при температурах более 1050°С нецелесообразен ввиду незначительного увеличения содержания синтезированного волластонита.
Пример
В качестве природного кальцийсодержащего сырья использовались известняк Каменского месторождения Томской области и мел Белгородского месторождения. В качестве кремнеземистого сырья использовался технический продукт в виде микрокремнезема, который является отходом производства кристаллического кремния и ферросилиция Новокузнецкого завода ферросплавов.
2
Химический состав исходных компонентов приведен в таблице 1. Разработка компонентных составов шихт для синтеза волластонита проводилась на основании стехиометрического состава волластонита - 48,3 мас.% СаО и 51,7 мас.% SiO (таблица 2).
Кальцийсодержащий сырьевой компонент (мел, известняк) измельчался сухим способом в шаровой мельнице до полного прохода через сито 0063, а микрокремнезем использовался с исходным зерновым составом. Гомогенизация сырьевой смеси проводилась путем добавления микрокремнезема к тонкоизмельченному карбонатному сырью в шаровую мельницу при дополнительном перемешивании в течение не менее 0,5 часа. Пластификация сырьевой смеси проводилась в двухвальном смесителе путем введения органического связующего (1,5%-ного раствора метилцеллюлозы или 10%-ного раствора лигносульфоната кальция) в количестве, обеспечивающем влажность шихты 6-8%.
Уплотнение пластифицированной шихты проводилось полусухим прессованием под давлением 20-25 Мпа.
Брикетированная шихта обжигалась при температуре 1000-1050°С с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 часа.
Влияние состава шихты и условий синтеза на выход волластонита приведено в таблице 3.
Использование аморфного тонкодисперсного кремнезема в виде микрокремнезема, обладающего повышенной реакционной способностью за счет особенностей химического и структурно-фазового состава - наличия щелочных примесей, полностью рентгеноаморфного состояния и высокой дисперсности с изометрическими частицами размером 0,3-0,5 мкм в совокупности с оптимальными технологическими режимами процесса способствуют активации твердофазового синтеза волластонита.