СПОСОБ ПОДГОТОВКИ БАЗАЛЬТОВОГО СЫРЬЯ
METHOD OF PREPARING BASALT RAW MATERIAL

Изобретение относится к технологии получения базальтовых материалов с заданными потребительскими свойствами.
3
8
2
2
8
2
6
2
6
2
4
2
4
2
3
Базальт - это магматическая горная порода, основу которой составляет плагиоклаз лабрадор - изоморфная смесь альбита NaAl[SiO] и анортита CaAl[SiO]. Присутствуют также пироксены, представленные, в основном, авгитом - изоморфная смесь диопсида CaMg[SiO] и геденбергита СаFе[SiO]; оливин - твердые растворы форстерита Mg[SiO] и фаялита Fe[SiO]; магнетит FеО·FеО и другие минералы.
2
2
3
2
3
2
Химический состав базальтов различных месторождений колеблется в широких пределах, мас.%: 43÷58 SiO; 11÷20 АlО; 7÷14 CaO; 4÷14 MgO; 8÷16 FeO+FeO; 1÷5 NaO.
Свойства изделий из базальта определяются, в первую очередь, исходным составом сырья, который оценивается на основании коэффициента кислотности. Считается, что чем выше значение коэффициента кислотности, тем более устойчиво минеральное волокно к воздействию влаги. С другой стороны, значение коэффициента кислотности > 4 для базальтовых однокомпонентных, не содержащих корректирующих добавок шихт затрудняет плавление и повышает вязкость расплава [Промышленность строительных материалов, серия 6, вып.1-2, Москва-Пермь, 2003, стр.10-11].
2
2
3
2
2
3
2
2
Наиболее часто расчет коэффициента кислотности К проводится методом А.Н.Заварицкого и А.С.Гинсберга, по которому К=(SiO+АlО+TiO) / (CaO+MgO+FеO+FeO+КО+NaO). Очевидно, что регулируя соотношение элементов, входящих в состав базальта, можно влиять на такие свойства расплавов, как вязкость и кристаллизационная способность. Например, кремний и алюминий повышают вязкость и снижают кристаллизационную способность расплавов, а магний и кальций снижают вязкость и повышают кристаллизационную способность расплава. Окислы железа снижают вязкость расплава и температуру плавления шихты. Окислы натрия и калия активно снижают вязкость и расширяют литейный интервал расплава [И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М., Металлургия, 1972 г., стр.26-27].
На практике из базальта конкретного месторождения не всегда можно получить материалы и изделия с заданными потребительскими свойствами без проведения предварительной подготовки исходного сырья путем оптимизации его состава.
Известен способ оптимизации состава базальтового сырья на стадии плавления путем создания в плавильном агрегате определенной среды, окислительной или восстановительной [И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М., Металлургия, 1972 г., стр.24].
К недостатку указанного способа относится то, что возможно лишь регулирование соотношения оксидов двух- и трехвалентного железа.
Известен способ получения минераловатных изделий из базальтосодержащих пород [RU 2149841, 2000], согласно которому, для изменения состава исходного базальта, в измельченную породу вводят добавки из доломита, извести, глины, суглинка, соды и других веществ, т.е. проводят подшихтовку.
Существенным недостатком является то, что собственно изменение состава проходит на стадии плавления базальта. Доломит и известь, являясь тугоплавкими добавками, требуют выдержки расплава при температурах на 50÷250°С выше температуры плавления и непрерывного перемешивания. Глины и суглинки обладают непостоянством химического состава, многокомпонентностью и коротким литейным интервалом, что делает процесс подшихтовки дополнительной ресурсо- и энергозатратной технологической стадией.
Еще одним недостатком является то, что введение в шихту доломита снижает механическую прочность изделий базальтового литья [И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М., Металлургия, 1972 г., стр.50].
Известен способ плавления базальтового сырья [RU 2297986, 2006] (прототип), который включает дробление исходной базальтовой породы известного химического состава, подогрев ее, загрузку в плавильную печь, плавление при температуре 1200÷1300°С, выдерживание расплава в течение 1÷2 часов при указанной температуре для протекания процесса гравитационной дифференциации расплава на легкую и тяжелую фракции. Изменение состава проводят частичным отбором поверхностного слоя легкой, или придонного слоя тяжелой, или обеих фракций в количествах, необходимых для создания в расплаве оптимальных соотношений компонентов.
Недостатками указанного способа являются выдерживание расплава при 1200÷1300°С для протекания процесса гравитационной дифференциации, что требует больших энергозатрат, а также выполнение достаточно сложных операций по дозированному отбору легкой и тяжелой фракций.
Технической задачей является комплексная многовариантная оптимизация состава сырья отдельного базальтового месторождения с попутным извлечением ценных компонентов.
Изобретение направлено на изыскание способа подготовки базальтового сырья для целей производства базальтовых волокон или изделий каменного литья с заданными потребительскими свойствами, расширения области возможного применения базальта отдельно взятого месторождения, а также создание ресурсо- и энергосберегающей технологии изменения состава базальтового сырья.
Технический результат достигается тем, что предложен способ подготовки базальтового сырья путем направленного изменения соотношений компонентов базальта, заключающийся в том, что исходную базальтовую породу дробят, подвергают выщелачиванию 10÷32% водным раствором соляной кислоты при температуре 20÷100°С в течение 1.5÷3.5 часов, твердую фазу отделяют от раствора и сушат.
Целесообразно, что выщелачивание проводят при соотношении жидкой фазы к твердой, равном (5-10):1.
Базальтовую породу дробят до крупности 5-20 мм.
Интервал концентраций хлороводородной кислоты обусловлен тем, что при значениях < 10% степень перехода в раствор отдельных компонентов незначительна, а значение 32% соответствует концентрации соляной кислоты, выпускаемой промышленностью.
Выбор температур обусловлен эффективностью процесса выщелачивания в интервале от комнатной до температуры кипения жидкой фазы.
Продолжительность процесса выщелачивания обусловлена тем, что до 1.5 часов он проходит интенсивно, а после 3.5 часов заметного повышения степени перехода базальта в раствор не наблюдается.
Оставшуюся твердую фазу отделяют центрифугированием и сушат до остаточной влажности 5÷10%.
Соотношение жидкой фазы к твердой определяется тем, что при Ж:Т меньше пяти наблюдается дефицит хлор-иона, а увеличение соотношения Ж:Т свыше 10 не приводит к существенному повышению степени выщелачивания компонентов базальтового сырья.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Исходное базальтовое сырье известного химического состава подвергают дроблению, после чего выщелачивают 10÷32 мас.% НСl в течение 1.5÷3.5 часов при перемешивании и температуре 20÷100°С, желательно при соотношении Ж:Т от 5:1 до 10:1, отделяют твердую фазу от раствора, которую высушивают.
Способ позволяет направленно изменять соотношения компонентов базальтового сырья определенного месторождения для достижения различных качественных показателей и получить однокомпонентную базальтовую шихту, готовую для целевого использования в производстве различных типов волокон, либо изделий каменного литья. Направленность процесса подготовки сырья определяется тем, что степени перехода отдельных компонентов в раствор определяются конкретными условиями выщелачивания.
Ниже приведены примеры осуществления способа подготовки базальтового сырья. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.
выщ.
Выбор технологических параметров в приведенных Примерах сделан на основании выполненных нами экспериментальных исследований по выщелачиванию базальтов различных месторождений России хлороводородной кислотой. Результаты этих исследований сведены в Таблицу "Усредненные значения коэффициентов выщелачивания (К) оксидов основных элементов, входящих в состав базальта, раствором хлористоводородной кислоты".
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
3
Пример 1. 100 кг сырья месторождения Свиягинское (Приморский край), содержащего, мас.%: SiO - 41,78; АlО - 13,85; TiO - 2,02; CaO -10,32; MgO - 12,94; FеO+FeO - 14,20; КО - 0,99; NaO - 0,83, прочие 3,07; и имеющего коэффициент кислотности 1,47, подвергают дроблению до крупности 2÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=5:1 в течение 1,5 часов 10 мас.% НСl при 100°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 4,28, содержащую, мас.%: SiO - 65,18; АlО - 13,24;
2
2
3
2
2
TiO - 2,65; CaO - 6,75; MgO - 1,90; FеО+FeO -7,67; КO - 1,60; NaO - 1,01. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства тонких, супертонких и непрерывных волокон.
Таблица
Компонент
Температура выщелачивания, °С
20
70
100
Усредненный коэффициент выщелачивания (К<sub>выщ.</sub>) при концентрации НСl, мас.% 10; 18; 32
10
18
32
10
18
32
10
18
32
SiO<sub>2</sub>
0,036
0,039
0,0255
0,047
0,0083
0,0092
0,046
0,013
0,0086
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
0,130
0,150
0,130
0,280
0,290
0,210
0,415
0,450
0,400
TiO<sub>2</sub>
0,060
0,120
0,070
0,170
0,180
0,120
0,200
0,180
0,170
CaO
0,345
0,300
0,380
0,480
0,520
0,480
0,600
0,620
0,605
MgO
0,720
0,885
0,810
0,840
0,920
0,850
0,910
0,975
0,980
FеО+Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
0,470
0,540
0,520
0,610
0,630
0,610
0,670
0,700
0,700
К<sub>2</sub>O
0,110
0,050
0,030
0,092
0,0011
0,0006
0,0014
0,0014
0,0013
Na<sub>2</sub>O
0,048
0,060
0,044
0,150
0,150
0,970
0,260
0,260
0,230
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
3
Пример 2. 100 кг сырья месторождения Первоуральское (Свердловская обл.), содержащего, мас.%: SiO - 39,77; АlО - 16,13; TiO - 1,27; CaO - 10,52; MgO - 12,26; FеО+FeO - 16,58; КО - 1,34; NaO - 1,43, прочие 3,14; и имеющего коэффициент кислотности 1,33, подвергают дроблению до крупности 2÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=7,5:1 в течение 2,5 часов 18 мас.% НСl при 70°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 2,99, содержащую, мас.%: SiO - 56,99; АlО - 16,46;
2
2
3
2
2
TiO - 1,50; CaO - 7,28; MgO - 1,39; FеО+FeO - 12,90; КО - 1,73; NaO - 1,75. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для получения микрокристаллического волокна с температурой применения до 1000°С.
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
3
Пример 3. 100 кг сырья месторождения Булатовское (Архангельская обл.), содержащего, мас.%: SiO - 47,24; АlO - 11,41; TiO - 0,30; CaO - 9,80; MgO - 15,90; FеО+FeO - 12,01; КО - 0,41; NaO - 1,23, прочие 1,72; и имеющего коэффициент кислотности 1,50, подвергают дроблению до крупности 2÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=10:1 в течение 3,5 часов 32 мас.% НСl при 20°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 3,43, содержащую, мас.%: SiO - 62,72; АlO - 13,90;
2
2
3
2
2
TiO - 0,39; CaO - 8,52; MgO - 4,23; FеО+FeO - 8,01; КО - 0,58; NaO - 1,65. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства высококачественных волокон и изделий каменного литья.
Растворы выщелачивания после регенерации избыточной хлороводородной кислоты могут быть подвергнуты переработке существующими методами с получением огнеупоров на основе оксида магния, алюмосодержащих коагулянтов, оксидов железа и др.
Регулируя условия выщелачивания, осуществляют комплексное многовариантное оптимизирование состава сырья отдельного месторождения и получают однокомпонентную шихту с требуемым коэффициентом кислотности для производства различных видов базальтовых изделий, а также попутно извлекают ценные компоненты.