Брикетированная шихта для изготовления минерального волокна
BRIQUETTE CHARGE FOR MANUFACTURE OF MINERAL FIBER

Изобретение относится к производству теплоизоляционных строительных материалов из силикатных расплавов.
Известна шихта для изготовления минерального волокна [Авторское свидетельство СССР №1477695, C03B 1/00, опубл. 07.05.1989], произведенная на основе горных пород. Известная шихта имеет следующий состав, мас. %: плагиоклаз 30-50, пироксен 15-25, кварц 5-15, рутил 3-5, магнетит 4-7, вулканическое стекло 5-15, роговая обманка 8-13. Минеральное волокно, полученное из расплава шихты, компоненты которой имеют магматическое происхождение, обладает высокими эксплуатационными характеристиками: модуль кислотности 2,92-5,20, водостойкость (рН) 1,9-2,9, температуроустойчивость 830-950°С, диаметр волокна 4-6 мкм. Основным недостатком этого изобретения является необходимость добычи сырья из горных пород. С учетом того, что места добычи и производства отдельных компонентов могут быть достаточно удалены друг от друга, процесс производства минерального волокна становится неоправданно дорогим, особенно с учетом еще и транспортных расходов к месту производства минерального волокна.
Прогрессивным шагом в развитии производства минерального волокна является использование в качестве компонентов шихты отходов горнодобывающей промышленности.
2
2
3
2
Известна сырьевая смесь для получения минерального волокна [Патент РФ №2014301, C03C 13/06, опубл. 15.06.1994], включающая компоненты в следующих количествах, мас. %: зола ТЭС, состоящая в основе из стеклообразующих оксидов (SiO, AlO, TiO) 42-50; отходы горнодобывающей промышленности 28-32; корректирующая добавка (известняк) 2-10; связующее (жидкое стекло) 6-10; вода - остальное. Однако использование мелкодисперсных фракций применяемых отходов вызывает необходимость брикетирования шихты. Из описанной сырьевой смеси получают брикеты методом формования и последующего оплавления низкотемпературной плазмой. Описанное в патенте РФ 2014301 решение позволяет утилизировать дешевые золы, что способствует снижению загрязнения окружающей среды за счет ликвидации отвалов с отходами. Основным недостатком этого аналога является необходимость применения низкотемпературной плазмы для изготовления брикетов, что делает процесс энергоемким.
Известна сырьевая смесь, представленная в качестве ближайшего аналога в описании к патенту РФ 2014301. Смесь состоит из отходов горнодобывающей промышленности - 90 мас. % и корректирующей добавки - гранита 10 мас. %. Как в описанном выше патенте РФ 2014301, из смеси исходных компонентов, связующего и воды изготавливаются брикеты, которые оплавляются низкотемпературной плазмой с последующим раздувом расплава. Водостойкость полученного расплава (рН) - 3,4, температуроустойчивость - 860°С.
В данном составе гранит выполняет роль окислителя (корректирующей добавки), таким образом, в качестве добавки используется добываемое полезное ископаемое, а не отходы производства гранита.
Однако в настоящее время на территории России накопились тонны отходов гранитных пород (отсевы щебеночного производства), которые, как описано в патенте на изобретение РФ №2584170, могут быть применены для изготовления минерального волокна. Описанная в патенте РФ №2584170 (принятом в качестве прототипа) брикетированная шихта содержит: 70-75% мелкодисперсных отходов переработки гранита фракции менее 0,16 мм с содержанием оксида кремния менее 60%; 20-25% мелкодисперсных отходов переработки доломита и цемент в качестве вяжущего. Шихта имеет физико-химические свойства, позволяющие получать из нее минеральное волокно с высокими эксплуатационными свойствами. Основным недостатком прототипа является недостаточно высокая прочность брикетов. В перерабатывающей промышленности прочность является важной характеристикой брикетированного материала. В сущности, она является браковочным критерием, по которому оценивают брикеты на пригодность к технологическому процессу получения конечного продукта из шихты. Недостаточная механическая прочность брикетов приводит к преждевременному измельчению материала и изменению условий, при которых процесс получения минерального волокна является оптимальным. Брикеты с низкой прочностью при перегрузке и транспортировании частично разрушаются с образованием мелкой крошки и пылевидных частиц. Применение в технологии получения минеральной ваты обломков брикетов и образованной при разрушении брикетов пылевидной фракции приводит, с одной стороны, к уменьшению газопроницаемости насыпной массы брикетов и ухудшению условий протекания технологического процесса плавления, с другой стороны, к потерям сырья вследствие уноса пыли и мелких частиц газом при плавке шихты. Таким образом, при применении брикетов низкой прочности для сохранения высокого качества конечного продукта необходимо вводить дополнительную технологическую операцию - отсев пыли.
В основу изобретения поставлена задача улучшения экологической обстановки за счет расширения сырьевой базы и обеспечения возможности применения отходов переработки гранита в качестве сырья для производства минерального волокна. Достигаемый технический результат - повышение прочности брикетов при одновременном повышении модуля кислотности расплава шихты, что повышает стойкость минеральной ваты при ее эксплуатации.
Поставленная задача и технический результат достигаются путем замены вяжущего при изготовлении брикетов. Заявляемая брикетированная шихта для изготовления минерального волокна содержит мелкодисперсные отходы переработки гранита дроблением фракции менее 0,16 мм с содержанием оксида кремния менее 60%, мелкодисперсные отходы переработки доломита до крупности 0,315 мм, а также бентонит в качестве вяжущего, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- отходы переработки гранита 70-76;
- отходы переработки доломита 20-25;
- бентонит остальное.
Предпочтительное количество бентонита составляет 4-5%.
Изобретение реализуется следующим образом.
2
3
2
Предварительно из отходов переработки гранита выделяют дисперсную фракцию крупностью менее 0,16 мм. Необходимость соблюдения этого параметра обусловлена следующим. При дроблении гранитных пород менее прочные минералы, входящие в его состав (амфибол, биотит, пироксен, микроклин, в меньшей степени плагиоклаз), более подвержены разрушению и измельчаются до мелких фракций в большей степени, чем прочные (кварц). Данное явление избирательного или селективного дробления приводит к некоторому перераспределению содержания минералов по фракциям крупности, при этом менее прочные минералы концентрируются в пылевидных фракциях. Химический состав фракций крупности изменяется в соответствии с перераспределением по ним минералов. Это позволяет выделять мелкодисперсную фракцию (менее 0,16 мм), обогащенную основными оксидами (CaO, AlO и т.д.), что обеспечивает снижение количества оксида кремния (SiO) менее 60% в этой фракции. Получение такого продукта из отходов переработки гранита позволяет его использовать в качестве основного компонента (70-76% мас.) при приготовлении сырьевой смеси для изготовления минеральной ваты.
Основные породообразующие минералы гранита имеют температуру плавления около 1000°С при атмосферном давлении, так как они образуют низкоплавкие эвтектики. Однако столь низкие температуры плавления реализуются лишь при нагревании минералов алюмосиликатных горных пород в течение нескольких дней, поскольку их расплавы обладают очень высокой вязкостью. Для понижения вязкости расплава в смесь добавляется функциональная добавка - отходы переработки доломита дроблением исходной крупностью менее 20 мм, которые перед добавлением в смесь подвергаются дроблению до крупности менее 0,315 мм.
В Таблице 1 представлены примеры полученных и исследуемых составов, в Таблице 2 приведен химический состав (содержание оксидов) конечного продукта - минерального волокна, полученного из расплавов с нормированным компонентным составом. В примерах приведены сведения для брикетированной шихты с применением в качестве вяжущего натриевого бентонита. Для кальциевого бентонита показатели практически не отличаются.
Подготовленные компоненты сырьевой смеси смешиваются в соответствующей пропорции с добавлением связующего компонента (бентонита) и воды, после чего из полученной смеси изготовляют брикеты с помощью вальцевого пресса или вибропресса.
в.п.к
После высыхания брикеты загружаются в плавильный агрегат. В качестве плавильного агрегата могут быть использованы ванные электрические, электрогазовые печи и вагранки. В процессе плавления при температуре, не превышающей 1450°С, был получен однородный гомогенный расплав. Расплав сырьевой смеси характеризуется низкой кристаллизационной способностью (t=1160°С), расширяющей температурный интервал выработки из него волокон. Вязкость расплава сырьевой смеси находится в интервале 1400-1450°С. Переработку полученного расплава в волокно осуществляют, например, многовалковыми центрифугами.
Свойства продукта, полученного из брикетированной шихты, представлены в Таблице 3, где представлены как показатели шихты, так и показатели минеральной ваты. Для сравнения в Таблице 3 представлены показатели по прототипу.
Как видно из Таблицы 3, заявляемый состав брикетированной шихты для изготовления минерального волокна обладает более высокими показателями - модулем кислотности и модулем вязкости по отношению к прототипу. При этом такие показатели, как водостойкость (рН), гидролитическая стойкость и температуроустойчивость, остались на прежнем уровне. Эти данные свидетельствуют о частичном повышении эксплуатационных свойств минерального волокна.
Также были проведены сравнительные испытания прочностных характеристик брикетов шихты по прототипу и заявляемой брикетированной шихты. При этом ввиду отсутствия нормативных документов для испытания брикетированных материалов испытания на прочность во вращающемся барабане и на сбрасывание проводились в соответствии методиками ГОСТа 15137-77 и ГОСТ 25471-82 соответственно, распространяющимися на кусковые и окускованные материалы (руды, агломераты, окатыши). Результаты сравнительных испытаний отражены в Таблице 4.
Как видно из Таблицы 4, замена цемента на бентонит приводит к повышению прочности на сжатие и прочности во вращающемся барабане. Значение сопротивления истиранию во вращающемся барабане снижается, что в соответствии с ГОСТ 25471-82 свидетельствует об улучшении прочности брикетов, при этом прочность на сбрасывание практически остается на уровне прототипа.
2
Авторами установлено, что неутилизируемые мелкодисперсные отходы переработки гранита фракции менее 0,16 мм являются приемлемой основой шихты для изготовления минеральной ваты, т.к. эта фракция содержит существенно меньшее количество оксида кремния (SiO), чем гранит как алюмосиликатная порода. При этом заявляемое соотношение компонентов позволяет достигнуть технического результата. Количество бентонита 4-5% в общей массе шихты позволяет производить брикеты без применения оплавления плазмой, как в описанном выше аналоге. Это количество является оптимальным. При этом такая добавка не ухудшает свойства конечного продукта, а некоторые показатели, как показано в Таблице 3, даже повышаются. Также установлено, что увеличение процентного соотношения отходов гранита выше 76% мас. не только увеличивает температуроустойчивость конечного продукта, но увеличивает вязкость расплава, что в конечном итоге приводит к необходимости повышения температуры и необоснованному повышению энергозатрат. С другой стороны, увеличение процентного соотношения отходов доломита (тугоплавкого компонента) к алюмосиликатной породе (легкоплавкого компонента) выше 38% мас. не позволит доломиту полностью раствориться в расплаве легкоплавкого компонента и, соответственно, получить минеральное волокно требуемого качества. Таким образом, заявляемые количественные соотношения компонентов являются оптимальными.
Предлагаемая брикетированная шихта позволяет расширить сырьевую базу производства минеральной ваты, а также утилизировать мелкодисперсные отходы переработки гранита и доломита, что способствует снижению загрязнения окружающей среды за счет ликвидации отвалов с отходами. При этом минеральная вата, изготавливаемая из предлагаемой брикетированной шихты, отличается высокими эксплуатационными свойствами благодаря высокой водостойкости, температуроустойчивости и за счет высокого модуля кислотности. Эти показатели минеральной ваты способствуют увеличению ее срока службы. Бентонит является широко распространенным природным материалом. Применение бентонита в качестве вяжущего позволяет повысить прочностные свойства брикетов, что уменьшает производственные отходы при производстве минеральной ваты.