Способ приготовления огнестойкого материала из титаната алюминия с использованием промышленного алюминиевого шлака и титанового шлака
METHOD FOR PREPARING ALUMINUM TITANATE FIRE-RESISTANT MATERIAL USING INDUSTRIAL ALUMINUM SLAG AND TITANIUM SLAG

Изобретение относится к области огнеупоров и, в частности, к способу приготовления огнестойкого материала из титаната алюминия с использованием промышленного алюминиевого шлака и титанового шлака.
Химический состав промышленного алюминиевого шлака базируется на оксиде алюминия в качестве основного компонента и магнезии, диоксиде кремния и др. в качестве вторичных компонентов, в основном образующихся при процессе производства алюминия, электролитического оксида алюминия, литья алюминия под давлением и рециркулировании алюминия. Среди этих процессов плавка и литье являются незаменимыми. При производстве этих процессов получают большое количество алюминиевого шлака. В настоящее время обращение алюминиевого шлака в основном выражается в его накоплении. Отработанный шлак занимает значительные площади на поверхности земли: свалки и участки скопления алюминиевого шлака являются небезопасными для здоровья. Отработанный алюминиевый шлак вступает в реакцию с водой, в результате чего образуются легковоспламеняющиеся и взрывоопасные газы, такие как водород.
В то же время, отработанный шлак ведет к образованию токсичных газов, таких как аммиак, которые загрязняют воздух. Токсичные ионы металлов алюминиевого шлака попадают в грунтовые воды, загрязняют водные ресурсы и разрушают природную среду. В патенте CN1541782 A [заявка CN200310114041 от 08.11.2003, опуб. 03.11.2004], раскрывающем способ использования золы алюминиевого шлака, прокаливают отходы золошлаков алюминия, оставшиеся после плавки, сортируют для извлечения металлического алюминия с получением сырья для огнеупорного материала и для производства фильтрующего керамического материала с высокой удельной ценой. Это позволяет не только решить проблему золоочистки алюминиевых шлаков, но и эффективно уменьшить отходы и энергозатраты при получении сырья для производства огнеупорных материалов и керамических фильтрующих материалов.
В патенте CN102584297 A [заявка CN201210050820 от 01.03.2012, опубл. 18.07.2012] раскрывается способ получения огнестойкого материала из углеродно-хромового шлака или титанового шлака в металлургической печи, включающий следующие стадии: измельчение в шаровой мельнице, дозирование, перетирание, литье, сушку и спекание. Способ решает проблему загрязнения окружающей среды углеродистым хромовым шлаком и титановым шлаком, а комплексное использование металлургического печного шлака осуществляется путем преобразования хрома с высокой валентностью в хром с низкой валентностью путем высокотемпературного спекания и полного затвердевания.
Промышленный титановый шлак - промышленные отходы, образующиеся при выплавке и разработке титановых ресурсов. Из-за ограничений технологии выплавки и выработки сырья, большое количество промышленного титанового шлака накапливается в огромных объемах, занимая большие площади земли. Накопленный промышленный титановый шлак не только загрязняет окружающую среду, но и влечет за собой растрачивание минеральных ресурсов и одновременно приводит к неразумному использованию основного химического компонента диоксида титана в титановом шлаке.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является исключение недостатков существующего способа и получение огнестойкого материала из титаната алюминия с использованием промышленного алюминиевого шлака и титанового шлака, благодаря чему источники промышленного алюминиевого шлака и промышленного титанового шлака могут быть эффективно и всесторонне использованы. Это поможет сократить ресурсы, затраты на производство и упростить процесс подготовки. При этом полученный огнестойкий материал из титаната алюминия обладает хорошей прочностью на изгиб и термостойкостью, и удовлетворяет требованиям в высокотемпературных областях производства цемента и керамики, а также металлургии.
Способ приготовления огнестойкого материала из титаната алюминия с использованием промышленного алюминиевого шлака и титанового шлака, отличается тем, что включает следующие стадии:
помещают 70 ÷ 90 мас.% порошка промышленного алюминиевого шлака и 10÷30 мас.% порошка промышленного титанового шлака в смеситель на 1÷3 часа для получения смеси;
прессуют смесь в гранулы диаметром 9÷15 мм при 2÷10 МПа с помощью брикетировочной машины;
помещают полученные гранулы в вертикальную печь при 1300÷1550 ºС на 3÷8 часов и затем естественным образом охлаждают в печи для получения огнестойкого материала из титаната алюминия.
Перед приготовлением смеси размер частиц порошка промышленного алюминиевого шлака составляет 20-90 мкм, и размер частиц порошка промышленного титанового шлака составляет 20-90 мкм. Перед приготовлением смеси, содержание оксида алюминия в химическом составе порошка промышленного алюминиевого шлака составляет 55÷75 мас.%, содержание оксида магния составляет 5÷20 мас.%. и содержание диоксида титана в химическом составе порошка промышленного титанового шлака составляет 60÷80 мас.%.
По сравнению с существующим способом преимуществами настоящего изобретения являются:
1) В изобретении используется промышленный алюминиевый шлак и промышленный титановый шлак в качестве сырья. Это поможет сократить проблемы, связанные с бесконтрольным накоплением шлака промышленных отходов и оккупацией плодородных земель. Использование изобретения также поможет защитить земельные и водные ресурсы и решить проблему загрязнения окружающей среды. В частности, это приведет к снижению потерь ценных стратегических источников оксида алюминия и диоксида титана. Способ также позволит преобразовать оксид алюминия и диоксид титана в огнеупорные материалы с хорошей прочностью на изгиб и термостойкостью, являющиеся высокоценными ресурсами, а также извлечь очень важные экологические и экономические преимущества.
2) Этот способ позволяет изготовить алюмотитанатные огнеупоры с широким ассортиментом сырья, низкими ценами, упрощенным технологическим производством, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости производства, реализации устойчивого развития предприятия и обеспечению добавленной стоимости продукта.
3) В изобретении используется промышленный алюминиевый шлак и промышленный титановый шлак малых размеров, которые обладают высокой реакционной активностью, обеспечивают энергию для реакционного спекания, снижают температуру спекания и время выдержки, уменьшают количество используемого предприятием топлива и, таким образом, снижают себестоимость производства предприятия.
4) Во время процесса реакционного спекания часть двуокиси титана вступает в реакцию с окисью алюминия с образованием титаната алюминия, а другая часть двуокиси титана образует легкоплавкую жидкую фазу при высокой температуре, которая возникает на границе структуры между частицами, действует как связующее вещество и препятствует аномальному росту структур.
5) Присутствующий в промышленном алюминиевом шлаке оксид магния может быть растворен в кристаллической решетке титаната алюминия с образованием твердого раствора титаната алюминия, который ингибирует разложение титаната алюминия при низкой температуре и улучшает его стойкость к тепловому удару.
Описание чертежей.
На Фигуре представлена диаграмма процесса получения огнестойкого материала из титаната алюминия в варианте осуществления настоящего изобретения, где 1 – промышленный алюминиевый шлак; 2 – промышленный титановый шлак; 3, 4 – смесь; 5 – гранулы; 5 – огнестойкий материал из титаната алюминия; а – взвешивание; б – смешивание; в – гранулирование/прессование ; г – обжиг.
Примеры
В следующих примерах в качестве сырья используют промышленный алюминиевый шлак и промышленный титановый шлак. Химический состав сырья представлен в таблице 1.
Пример 1
900 г порошка промышленного алюминиевого шлака с размером частиц 90 мкм и 100 г порошка промышленного титанового шлака с размером частиц 90 мкм помещают в смеситель на 1 час для получения смеси; затем преобразуют смесь с помощью брикетирующей машины при 5 MПа в гранулы диаметром 9 мм; помещают гранулы в вертикальную печь при 1350 °С на 3 часа и далее естественным образом охлаждают в печи для получения огнестойкого материала из титаната алюминия.
3
Тугоплавкий титанат алюминия, полученный в этом варианте осуществления, имеет объемную плотность 2,32 г/см, пористость 26,42 %, прочность на изгиб при нормальной температуре 35 МПа и выдержку на термические удары в 14 раз.
Пример 2
850 г порошка промышленного алюминиевого шлака с размером частиц 50 мкм и 150 г порошка промышленного титанового шлака с размером частиц 55 мкм помещают в смеситель на 2,5 часа для получения смеси; затем преобразуют смесь с помощью брикетирующей машины при 8 МПа в гранулы диаметром 12 мм; помещают гранулы в вертикальную печь при 1400 °С на 4,5 часа и затем естественным образом охлаждают в печи для получения огнестойкого материала из титаната алюминия.
3
Тугоплавкий титанат алюминия, полученный в этом варианте осуществления, имеет объемную плотность 2,66 г/см, пористость 20,38 %, прочность на изгиб при нормальной температуре 42 МПа и выдержку на термические удары в 11 раз.
Пример 3
750 г порошка промышленного алюминиевого шлака с размером частиц 25 мкм и 250 г порошка промышленного титанового шлака с размером частиц 30 мкм помещают в смеситель на 2 часа для получения смеси; затем преобразуют смесь с помощью брикетирующей машины при 8 МПа в гранулы диаметром 9 мм; помещают гранулы в вертикальную печь при 1450 °С на 3 часа и затем естественным образом охлаждают печь для получения огнестойкого материала из титаната алюминия.
3
Тугоплавкий титанат алюминия, полученный в этом варианте осуществления, имеет объемную плотность 2,53 г/см, пористость 25,32%, прочность на изгиб при нормальной температуре 36 МПа и выдержку на термические удары в 12 раз.
Таблица 1 - Химический состав исходных материалов (мас.%)
Состав
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
MgO
SiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
промышленный алюминиевый шлак
73,66
3,22
13,46
5,26
2,21
2,19
промышленный титановый шлак
8,55
76,89
3,22
5,42
3,41
2,51