СУЛЬФОАЛЮМИНАТНЫЙ КЛИНКЕР НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ, ПОЛУЧЕННЫЙ ПЛАВЛЕНЫМ МЕТОДОМ
SULFOALUMINATE CLINKER ON THE BASIS OF INDUSTRIAL WASTES OBTAINED BY MEANS OF DISSOLVING

Изобретение относится к составу сырьевой шихты для получения сульфоалюминатного цементного клинкера и может найти применение в промышленности строительных материалов, при изготовлении безусадочных цементов, а также в горной промышленности. Для получения безусадочных цементов сульфоалюминатный клинкер добавляют к портландцементному клинкеру в количестве (4-10) мас.%.
Наиболее близкими из аналогов являются заявка №99120479/03, 01.10.1999 г. и заявка 2007106080/03, 19.07.2005 с публикацией в РСТ WO 2006/018569 20060223.
Вышеуказанные аналоги имеют ряд существенных недостатков:
- использование чистого природного сырья в качестве исходных компонентов,
- несовершенный технологический процесс в печном обжиговом агрегате, где химические и физические взаимодействия не протекают в полной мере,
2
x
2
- вредное экологическое воздействие на окружающую среду вследствие выбросов повышенного содержания СО, NO, а особенно SO.
Настоящее изобретение решает задачу получения сульфоалюминатного цемента повышенной прочности и безусадочного сульфоалюминатного цемента с пониженной водопроницаемостью и трещинообразованием. Для реализации предложенного изобретения используются только техногенные отходы промышленных производств, или в сырьевую смесь на их основе добавляют незначительные количества природных компонентов,
- совершенный технологический процесс в электродуговой плазменной печи герметичного типа с сохранением теплопотерь и летучих веществ в процессе,
- отсутствие вредного экологического воздействия на окружающую среду, т.к. нет органического топлива, не используют в технологии воздух из атмосферы. При сплавлении шихтовых материалов процессы образования минералов, определяющих свойства клинкера и цемента, протекают в расплавленной жидкой фазе со скоростями, намного большими, и полнее, чем при спекании шихты. Использование в составе сырьевой смеси промышленных отходов, таких как зола Люберецкой ТЭС, алюмотермических шлаков, отходов катализаторов нефтехимической и химической промышленности уменьшают затраты на добычу и подготовку сырья.
2
3
Содержание в сырьевой шихте глиноземсодержащих отходов позволяет повысить содержание оксида алюминия AlO до необходимых пределов и улучшить технико-экономические показатели процесса.
Поставленная задача решается за счет того, что сульфоалюминатный цементный клинкер получен плавлением сырьевой шихты, содержащей, мас.%: кальцийсодержащий компонент 45-65, алюмосодержащий компонент 25-40, сульфатсодержащий компонент 10-15, в плазменной печи с дальнейшей кристаллизацией из расплава полученных минералов с образованием клинкера, содержащего, мас.%:
сульфоалюминат кальция
75-85
сульфоалюмоферрит кальция
5-15
алюмоферрит кальция
5-10
двухкальциевый силикат
5-10
В данном изобретении в качестве сырья для получения сульфоалюминатного цементного клинкера были использованы следующие сырьевые материалы:
Таблица 1
Наименование сырья
п.п.п.
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
СаО
MgO
SO<sub>3</sub>
Бокситы
18,23
15,67
48,29
6,0
1,38
2,48
1,0
Катализатор очистки серы
1,2
1,0
85,0
0,5
1,0
0,2
20,0
Гипс
-
5,15
1,25
0,79
32,37
3,09
35,26
Фосфогипс
-
1,32
0,57
0,34
33,18
0,16
45,08
Шлам водоподготовки
40,0
2,5
3,0
2,5
40,0
5,0
1,0
Глинозем
0,50
0,02
99,0
0,008
0,20
-
-
Мел
42,80
0,11
0,22
0,12
56,80
-
-
Алюмотермический шлак
2,65
2,30
61,58
2,03
16,31
12,5
-
Отходы-катализаторы
0,50
1,22
75,0
-
-
-
12,0
Алюминий сернокислый
48,0
1,20
20,5
0,6
2,0
1,5
25,8
Сырьевую шихту готовят из:
2
кальцийсодержащего сырья - известняка, мела, шлама водоподготовки с содержанием Са(ОН);
алюминийсодержащего - боксита, с содержанием оксида кремния не более 16% и оксида железа не более 6,0%, алюмотермических шлаков, с содержанием оксида кремния не более 10% и оксида магния не более 5,0%, технического глинозема, отходов-катализаторов нефтехимических и химических производств, алюминия сернокислого технического; сульфатсодержащего - природного гипса, катализатора очистки серы, фосфогипса, являющегося отходом производства удобрений: железосодержащее сырье отдельно не добавляется, т.к. оно присутствует в составе используемых сырьевых материалов.
И далее методом плавления в электродуговой плазменной печи из сырьевой шихты получают цементный клинкер.
В составе компонентов сырьевой смеси используют в качестве карбонатного компонента известняк или мел, а также кальцийсодержащие отходы. В качестве сульфатсодержащего компонента используют природный гипсовый камень, или фосфогипс, или борогипс. В качестве алюминатного компонента используют бокситы различных составов с содержанием оксида алюминия не менее 40% и оксида кремния не более 10% или техногенные отходы с содержанием оксида алюминия от 40% до 90%, железосодержащий компонент отдельно не добавляется, т.к. он присутствует в составе используемых сырьевых материалов.
2
Для получения безусадочного цемента повышенной водонепроницаемости и трещиностойкости сульфоалюминатный клинкер, изготовленный, как указано выше, добавляют при помоле цемента в количестве 4-10% к обычному портландцементному клинкеру и гипсу и размалывают до удельной поверхности 300-400 м/кг.
Расчетный состав сырьевых смесей и сульфоалюминатного клинкера с использованием различных сырьевых компонентов приведены в таблице 2:
Обжиг
Сырьевую смесь плавят в электродуговой плазменной печи при температуре 1400-1600°С до образования гомогенного расплава и гомогенизации химических компонентов сырья в расплаве. Непосредственно после этого эвакуируют в охладитель клинкера с дальнейшим охлаждением и кристаллизацией полученных минералов в виде полиминерального сульфоалюминатного клинкера, содержащего минералы в массовом соотношении, %:
Сульфоалюминат кальция
- 75-85;
Сульфоалюмоферрит кальция
- 5-15;
Алюмоферрит кальция
- 5-10;
Белит
- 5-10.
2
4
Рентгенофазовый анализ показывает четкую кристаллизацию минералов в гидравлически активных формах , CS, CAF,
Предложенным способом решается задача исключения потерь тепла в окружающую среду, максимального использования энергии экзотермических реакций, минимального потреблению энергоресурсов, необходимых для клинкерообразования, значительного повышения производительности плазменной печи.
Сырьевая шихта, попадая в расплав плазмы, проходит стадию термоудара и дальнейшего расплавления. Клинкер получают в плазменной печи из клинкерного расплава, который выливают на гранулятор для утилизации теплоты и его грануляции, с регулировкой скорости охлаждения для получения заданных клинкерных минералов.
Пример 1.
В качестве сырья для получения сульфоалюминатного цементного клинкера были использованы следующие сырьевые материалы (табл.1).
Сырьевую шихту готовят из:
2
2
3
кальцийсодержащего сырья - известняка, мела, шлама водоподготовки с содержанием Са(ОН) не менее 45%; алюминийсодержащего - боксита, с содержанием оксида кремния не более 16% и оксида железа не более 6,0%, алюмотермических шлаков, с содержанием оксида кремния не более 10% и оксида магния не более 5,0%, технического глинозема, отходов-катализаторов нефтехимических и химических производств с содержанием AlO не менее 80%; алюминия сернокислого технического; сульфатсодержащего - природного гипса, катализатора очистки серы, фосфогипса, являющегося отходом производства удобрений.
И далее методом плавления в электродуговой плазменной печи из сырьевой шихты получают цементный клинкер (таблица 3), содержащий:
Таблица 3
Наименование клинкера
п.п.п.
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
СаО
MgO
SO<sub>3</sub>
Сырьевая шихта
30,48
10,81
13,90
5,66
35,72
0,39
2,67
Сульфоалюминатный клинкер
0,25
16,04
7,09
13,03
58,04
2,48
2,78
Минералогический состав полученного сульфоалюминатного клинкера (таблица 4) содержащий по мас.%:
Таблица 4
Белит
Сульфоалюминат кальция
Сульфоалюмоферрит кальция
Алюмоферрит кальция
C<sub>2</sub>S
<img file="00000002.tif" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
C<sub>4</sub>AF
5-10
75-85
5-15
5-10
Свойства и механическая прочность сульфоалюминатного цемента, полученного из данного клинкера, представлена в таблице №5.
Таблица 5
Тонкость помола %, R<sub>0,08</sub>
В/Ц, %
Сроки схватывания
Прочность в МПа
Начало, ч
Конец, мин
1 сут.
3 сут.
28 сут.
6,8
0,4
0-15
0-40
40,0
52,0
70,7
Пример 2.
2
Для получения напрягающего цемента повышенной водонепроницаемости и трещиностойкости сульфоалюминатный клинкер, изготовленный, как указано выше, добавляют при помоле цемента в количестве 10% к обычному портландцементному клинкеру М 500 (ГОСТ 10178-85) в количестве 80% и гипсу в количестве до 10% и размалывают до удельной поверхности 300-400 м/кг.
Таблица 6
Химический анализ безусадочного цемента
Содержание, %
П.п.п.
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
СаО
MgO
SO<sub>3</sub>
100
1,53
12,56
22,55
6,70
49,95
1,62
5,52
Таблица 7
Физико-механические испытания безусадочного цемента
В/Ц, %
Линейное расширение, %
Самонапряжение, МПа
Прочность на сжатие, МПа
Сроки схватывания, час-мин
1 сутки
3 суток
28 суток
начало
конец
0.38
0.3
2.2
21.0
34.0
50.1
0-50
2-35
Водопроницаемость указанного безусадочного цемента на 15% выше, чем у известных безусадочных цементов, отвержденный цемент не имеет трещин.