СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНГИДРИТСОДЕРЖАЩЕГО ВЯЖУЩЕГО
METHOD OF PRODUCING ANHYDRITE-CONTAINING BINDER

Изобретение относится к производству гипсовых вяжущих материалов, а именно ангидритового вяжущего, и может найти применение для получения ангидритового вяжущего из отходов горно-химического производства.
Известен способ получения ангидритового вяжущего из природного гипса (Бутт Ю.М. и др. Технология вяжущих веществ. Изд. "Высшая школа", М., 1965 г., с.70-73). Сущность способа состоит в следующем. Добытый в горных выработках природный гипс подвергают дроблению в щековых, конусных или молотковых дробилках до размера кусков от 30 до 150 мм. Дробленый гипс обжигают во вращающейся или шахтной печи при температуре 600-700°С и смешивают с катализатором или активизатором (далее активизатор). В качестве активизатора преимущественно применяют известь, которую добавляют в количестве 2-5 мас.%. Иногда для этой же цели используют обожженный доломит или доломитовую пыль (3-8 мас.%), основной гранулированный доменный шлак (10-15 мас.%), сульфат глинозема (2 мас.%) и некоторые другие природные и искусственные минеральные вещества. Затем смесь обожженного природного гипса с добавкой активизатора измельчают в шаровой или роликово-маятниковой мельнице. Для получения товарного продукта - ангидритового вяжущего - измельченный материал разделяют на вибрационном сите, в циклоне или сепараторе на две фракции: до 80 мкм и более 80 мкм. Материал с размерами частиц до 80 мкм и является ангидритовым вяжущим.
Недостатки способа: использование в качестве сырьевых компонентов довольно дорогостоящих материалов, необходимость тепловой обработки природного гипса, ограниченные технологические возможности способа и некоторые другие недостатки, что в конечном итоге снижает потребительские свойства и повышает стоимость ангидритового вяжущего.
Известен также способ получения ангидритсодержащего вяжущего, включающий смешение ангидритсодержащего отхода с тонкоизмельченной известью и последующим помолом полученного вяжущего (Воробьев Х.С. и др. Гипсовые вяжущие и изделия. Стройиздат, М., 1983, с.64-66).
Недостатки известного способа получения ангидритового вяжущего: в качестве сырьевых компонентов используются отходы, не содержащиеся в регионе. Все это в конечном итоге снижает рентабельность производства и конкурентоспособность ангидритового вяжущего по сравнению с другими вяжущими материалами.
Задача изобретения - расширение сырьевой базы способа производства вяжущего.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности получения строительных материалов более высоких марок по прочности, чем получаемые известными способами при известных технологиях формирования бетонных смесей. Кроме того, резко снижаются затраты материально-технических ресурсов на производство добавки. Кроме того, обеспечивается эффективная утилизация отходов горно-химического (борного) производства, ежегодный объем которых составляет десятки тысяч тонн, и отпадает необходимость завоза гипса в Дальневосточный регион, поскольку названные отходы находятся в районе Дальнегорского месторождения датолит-волластонитовых скарнов (Приморский край).
Поставленная задача решается тем, что способ получения ангидритсодержащего вяжущего, включающий смешение ангидритсодержащего отхода с тонкоизмельченной известью и последующим помолом полученного вяжущего, отличается тем, что в качестве ангидритсодержащего отхода используют хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья следующего состава, мас.%: двуводный гипс 50-56, аморфный кремнезем 16-22, борная кислота 1-2, недоразложившиеся материалы 4-12, ангидрит 11-20, перед смешением осуществляют сушку указанного отхода при температуре 90-100°С, известь используют в количестве 10-15 мас.% от указанного отхода, а перед помолом полученную смесь выдерживают при температуре 97-100°С до полного обезвоживания двуводного гипса.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований, а именно взаимодействие отходов серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья с компонентами бетонной смеси обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - повышение прочности.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
4
2
2
Отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья (Дальнегорское месторождение датолит-волластонитовых скарнов - Приморский край), входящие в состав цемента, являются тонкодисперсным материалом, содержащим СаSO·2НО в смеси с SiO следующего химического состава и незначительного количества других минеральных примесей, мас.% (см. табл.1).
Таблица 1
Химический состав, мас.%
Минералогический состав, мас.%
СаО 23-28
Двуводный гипс 50-56
SiO<sub>2</sub> 20-28
Аморфный кремнезем 16-22
SO<sub>3</sub> 27-36
Недоразложившиеся минералы 4-12
В<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0,7-1,2
Борная кислота 1-2
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub> 0,7-3,0
Ангидрит (при хранении на воздухе переходит в двуводный гипс) 11-20
H<sub>2</sub>O (кристаллическая) 12-15
Отходы - результат производственной деятельности производственного объединения «БОР» (г.Дальнегорск).
В данном техническом решении это сырье используется для получения ангидритсодержащего вяжущего впервые.
В качестве ангидритсодержащего отхода используют хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья, следующего состава, мас.%: двуводный гипс 50-56, аморфный кремнезем 16-22, борная кислота 1-2, недоразложившиеся материалы 4-12, ангидрит 11-20, перед смешением осуществляют сушку указанного отхода при температуре 90-100°С, известь используют в количестве 10-15 мас.% от указанного отхода, а перед помолом полученную смесь выдерживают при температуре 97-100°С до полного обезвоживания двуводного гипса.
При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач:
признаки, указывающие, что «в качестве ангидритсодержащего отхода используют хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья следующего состава, мас.%: двуводный гипс 50-56, аморфный кремнезем 16-22, борная кислота 1-2, недоразложившиеся материалы 4-12, ангидрит 11-20», обеспечивают возможность вовлечения в повторное использование свежеобразованных отходов горно-химического производства, получаемых при переработке сырья Дальнегорского месторождения датолит-волластонитовых скарнов - Приморский край (тонкодисперсного материала - измельченного в процессе его переработки), содержащего смесь двуводного гипса, ангидрита и аморфного кремнезема, как базовых ингредиентов, обеспечивающих повышенную прочность затвердевшего вяжущего;
признаки, указывающие на проведение процесса термообработки при температуре 90-100°С, обеспечивают сушку сырья (хвостов) при минимуме энергозатрат;
признаки «известь используют в количестве 10-15 мас.% от указанного отхода» обеспечивают возможность конверсии двуводного гипса в полугидрат и ангидрит при минимальном уровне энергозатрат;
признаки «перед помолом полученную смесь выдерживают при температуре 97-100°С до полного обезвоживания двуводного гипса» позволяют повысить содержание безводного гипса в конечном продукте и тем самым повысить общую активность вяжущего.
Технология получения добавки заключается в следующем.
Производство добавки начинается с обезвоживания отбираемых хвостов при температурах, близких к 100°С (не менее 90 и не более 100°С).
Продолжительность операции термообработки определяется рабочими параметрами оборудования (в основном толщиной слоя прогреваемых отходов) и для каждого типоразмера печей определяется экспериментально, с отбором и анализом проб материала на влажность (при различных продолжительностях термообработки), после чего данные параметры используются для управления операцией термообработки. Данная операция может быть реализована в рамках термического блока, обеспечивающего прогрев в заданных пределах и выполненного по типу малогабаритных печей барабанного типа, используемых для обжига известняка и снабженных соответствующим комплектом контрольно-измерительной аппаратуры.
Затем высушенное ангидритсодержащее сырье (хвосты) смешивают с предварительно измельченной до крупности не более 1 мм извести, в количестве 10-15 мас.% от массы ангидритсодержащего сырья.
Далее эту смесь подвергают прогреву при перемешивании при температуре 97-100°С до полного обезвоживания двуводного гипса, содержащегося в составе исходного сырья. Контроль за процессом конверсии двуводного гипса в безводный контролируют известным образом, например периодическим отбором проб материала.
Как показали эксперименты, при содержании негашеной извести менее 5 мас.% от массы ангидритсодержащего сырья полное обезвоживание двуводного гипса при температуре 97-100°С не достигается. При содержании негашеной извести менее от 6-8 мас.% от массы ангидритсодержащего сырья обеспечивается частичное обезвоживание двуводного гипса при температуре 97-100°С, причем повышение доли извести сказывается на повышении полноты обезвоживания, при снижении затрат времени на этот процесс.
Вариации скорости и полноты обезвоживания определяются «свежестью» отходов (чем более свежи отходы, тем процесс короче и полнота обезвоживания гипса выше).
С другой стороны, увеличение содержания негашеной извести свыше 15 мас.% от массы ангидритсодержащего сырья также нежелательно, поскольку приведет к существенному росту содержания гидрата окиси кальция в конечном продукте, что приведет к снижению прочностных характеристик материала, получаемого при затворении водой ангидритсодержащего вяжущего.
Материал, полученный в результате второго этапа термообработки, измельчают в шаровой, роликовой или иной мельнице. Полученную смесь тонкого помола посредством циклона и вибрационного сита разделяют на две фракции по крупности частиц вяжущего: до 80 мкм и более 80 мкм. Товарный продукт - ангидритовое вяжущее - представляет собой порошок с размерами частиц не более 80 мкм.
При необходимости расширения диапазона применения получаемого вяжущего смесь тонкого помола разделяют на фракции меньшей крупности (менее 40 мкм, от 40 до 80 мкм). При этом тонкоизмельченное и тщательно перемешанное вяжущее по трубопроводу направляют в систему пылеулавливания известного типа, где его с помощью пылеосадительной камеры, циклона и тканевого фильтра разделяют на фракции: более 80 мкм, 40-80 мкм и менее 40 мкм.
Фракцию вяжущего с размерами частиц более 80 мкм используют при изготовлении шлакоблоков, приготовлении штукатурных растворов и других строительных изделий, фракцию от 40 до 80 мкм - для получения шпаклевок, а фракцию менее 40 мкм - для получения пигментов и красок.
Полученное вяжущее соответствует по свойствам требованиям ГОСТа и имеет марку по прочности на сжатие не ниже 200.
Предложенное изобретение позволяет утилизировать промышленные отходы, в частности свежеобразующиеся (тонкодисперсные) отходы горно-химического производства (хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья) и мелкую фракцию известняка, образующуюся при производстве извести; сделать менее энергоемкой операцию тепловой обработки ангидритсодержащего сырья; получать ангидритовое вяжущее широкого спектра применения с более высокими потребительскими свойствами и относительно низкой стоимостью.
3
2
3
2
Готовое вяжущее фасуют известным образом и отправляют потребителю. Процедура использования вяжущего не отличается от известных и соответствует использованию известного ангидритового вяжущего и заключается в его смешивании с инертными компонентами в заданных пропорциях (если добавку используют для приготовления строительных растворов, то ее используют в количестве 16-30% от массы раствора). Далее смесь затворяют водой (целесообразно специально подготавливать эту воду, доводя ее рН не менее чем до 11 - для этого в м воды размешивают 100 кг NaOH или 120 кг NаСО или 150 кг Са(ОН)).
Процесс использования готовой смеси не отличается от известных.
Для определения прочностных характеристик затвердевшего вяжущего были приготовлены смеси, отличающиеся друг от друга содержанием вяжущего (16-35% от массы раствора 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40). Вода, рН которой доведен не менее чем до 11, вводилась при отношении вода/твердое 0,2-0,23. Вяжущее в оговоренной пропорции тщательно перемешивали в течение 5 мин с мелким заполнителем - кварц-полевошпатовым песком, после чего в смесь вводили необходимое количество воды и вновь тщательно перемешивали. Далее на виброуплотняющей установке из смеси готовили образцы - кубы размером 2×2×2 (дм).
Образцы в формах хранят 24 часа, после чего их извлекают и хранят в течение 28 суток в лабораторных условиях. Далее известным образом определяют прочностные характеристики затвердевшего раствора.
Данные, полученные по примерам конкретного исполнения, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование показателя, при содержании вяжущего 30%
Содержание компонентов, мас.%
рН=7
рН=11
Известь, 8 мас.%
Двуводный гипс
50
53
56
56
50
53
56
56
Аморфный кремнезем
22
19
20
22
22
19
20
22
Недоразложившиеся минералы
6
10,5
10
12
6
10,5
10
12
Борная кислота
2
1,5
1
1
2
1,5
1
1
Ангидрит
20
16
13
11
20
16
13
11
Прочность при сжатии (28 сут, МПа)
24
21
19
16
27
23
21
19
Известь, 12,5 мас.%
Двуводный гипс
50
53
56
56
50
53
56
56
Аморфный кремнезем
22
19
20
22
22
19
20
22
Недоразложившиеся минералы
6
10,5
10
12
6
10,5
10
12
Борная кислота
2
1,5
1
1
2
1,5
1
1
Ангидрит
20
16
13
11
20
16
13
11
Прочность при сжатии (28 сут, МПа)
27
24,5
24
22
32
28,5
26
30,5
Известь, 18 мас.%
Двуводный гипс
50
53
56
56
50
53
56
56
Аморфный кремнезем
22
19
20
22
22
19
20
22
Недоразложившиеся минералы
6
10,5
10
12
6
10,5
10
12
Борная кислота
2
1,5
1
1
2
1,5
1
1
Ангидрит
20
16
13
11
20
16
13
11
Прочность при сжатии (28 сут, МПа)
25
24
20
18
26
24
23
20
Использование заявленного вяжущего обеспечивает следующие характеристики затвердевшего раствора (при ее содержании в количестве 16-35% от массы раствора):
3
- плотность 1600-1920 кг/м;
- прочность при сжатии через 28 суток - 22-32 МПа;
- жизнеспособность - 28-40 мин;
- усадка при высыхании 0,2-0,3 мм/м;
- выдержка перед нанесением финишного покрытия 10-18 суток.
Предлагаемое вяжущее отличается от прототипа тем, что не содержит отходы обогащения руд, а содержит отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья.
Вышеизложенное свидетельствует о возможности осуществления изобретения с получением указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения условию "промышленная применимость".