СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
RAW MIXTURE TO OBTAIN GRANULAR HEAT INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к составу сырьевой смеси для производства строительных материалов, в частности пористых искусственных изделий, и может быть использовано при изготовлении гранулированного теплоизоляционного материала и особо легкого заполнителя для бетонов в промышленном и гражданском строительстве.
При изготовлении строительных изделий все более широкое распространение получает техногенное сырье в виде кремнеземсодержащих промышленных отходов горнорудных и металлургических предприятий. Одним из перспективных направлений применения микрокремнезема является получение теплоизоляционных материалов с использованием жидкостекольных композиций. Конструкционно-теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла представляют значительный интерес в условиях сложившегося дефицита цементного вяжущего, причем технологии их получения просты и не предполагают больших материальных вложений. Однако использование техногенного сырья не позволяет получать достаточно высокие технические характеристики теплоизоляционных материалов.
3
2
2
Известна сырьевая смесь для получения гранулированного теплоизоляционного материала (см. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М.: Высшая школа, 1989. - С.179-180), содержащая следующие компоненты, мас.%: жидкое стекло плотностью 1,4-1,45 г/см - 93-95%, тонкодисперсный наполнитель с удельной поверхностью 0,2-0,3 м/г (зола ТЭС) - 7-5% и гидрофобизирующую добавку - кремнийорганическую жидкость (ГКЖ-94, ГКЖ-10, ГКЖ-11) 0,5-1%). При приготовлении материала сырьевую смесь, перемешанную до однородного состояния, подают в капельном виде в раствор хлористого кальция с температурой 22-30°C и выдерживают в течение 40 минут для формирования гранул. Полученные сырцовые гранулы подсушивают при 85-90°C в течение 10-20 минут и затем вспучивают при 300-450°C в течение 1-3 минут. Полученный гранулированный материал - стеклопор имеет прочность 1-7 кгс/см и высокое водопоглощение.
Недостатками данной сырьевой смеси являются низкие прочность и водостойкость полученного гранулированного теплоизоляционного материала. Применение раствора хлористого кальция при формировании гранул из сырьевой смеси вызывает коррозию используемого оборудования.
3
2
Известна также сырьевая смесь для получения гранулированного теплоизоляционного материала (см. пат. 2452704 РФ, МПК C04B 12/04 (2006.01), 2012), включающая, мас.%: гидроксид натрия - 2-40, отход обогащения апатито-нефелиновой руды 0,9-10, барханный песок - 49-96, кремнеземсодержащий компонент - остальное. Отход обогащения апатито-нефелиновой руды содержит, мас.%: нефелин - до 84, полевой шпат - до 12, эгирин - до 4, гидрослюду - до 3, а также другие примеси. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют кремнистую породу - трепел. При приготовлении материала сырьевую смесь перемешивают, подвергают распылительной сушке в противоточном потоке входящего и исходящего воздуха с температурой 380 и 115°C соответственно с получением сырцового гранулята. Последний выдерживают в течение 15 часов и вспучивают при температуре 630-650°C. Полученный гранулированный материал имел насыпную плотность 95-130 кг/м, прочность 9-10 кгс/см и водопоглощение ≤5%.
Недостатками известной сырьевой смеси являются низкая прочность теплоизоляционного материала, а также ограниченное число используемых техногенных отходов.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности гранулированного теплоизоляционного материала при обеспечении его пониженного водопоглощения. Кроме того, технический результат заключается в расширении сырьевой базы и улучшении экологии за счет использования большего числа техногенных компонентов.
Технический результат достигается тем, что сырьевая смесь для получения гранулированного теплоизоляционного материала, включающая кремнеземсодержащий компонент, отход обогащения апатито-нефелиновой руды и гидроксид натрия, согласно изобретению, дополнительно содержит золошлаковую смесь и двууглекислый аммоний, а в качестве кремнеземсодержащего компонента - микрокремнезем, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
микрокремнезем
33,5-45
золошлаковая смесь
3,0-14,5
отход обогащения апатито-нефелиновой руды
25-30
гидроксид натрия (в пересчете на Na<sub>2</sub>O)
22-27
двууглекислый аммоний
0,5-1,5
2
2
2
3
2
3
2
На достижение технического результата направлено то, что микрокремнезем имеет состав, мас.%: SiO 92,84-93,04, TiO 0,47-0,98, FeO 0,76-1,93, AlO 0,25-0,74, СаО 0,59-0,88, KO 0,23-1,2, MnO 0,04-0,30, CuO 0,13-0,26, потери при прокаливании - остальное.
2
2
2
3
2
3
2
На достижение технического результата направлено также то, что золошлаковая смесь имеет состав, мас.%: SiO 52,48-53,44, TiO 1,08-1,23, FeO 13,44-13,74, FeO 1,03-1,93, AlO 17,57-18,45, СаО 2,43-2,47, KO 1,30-1,55, потери при прокаливании - остальное.
2
2
2
3
2
3
2
5
2
2
На достижение технического результата направлено также и то, что отход обогащения апатито-нефелиновой руды имеет состав, мас.%: SiO 35,10-35,98, TiO 4,43-4,98, (FeO+FeO) 7,00-12,22, AlO 16,45-16,61, СаО 8,92-9,13, MgO 1,07-1,25, PO4,05-4,11, NaO 9,13-10,77, KO 4,59-5,05.
Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.
Введение модифицирующей добавки в виде золошлаковой смеси в состав шихты для получения гранулированного теплоизоляционного материала в количестве 3-14,5 мас.% обусловлено тем, что наличие такой добавки приводит к образованию большего числа замкнутых пор с более прочными межпоровыми перегородками. Это способствует снижению водопоглощения и повышению прочности при сжатии. Содержание золошлаковой смеси менее 3 мас.% не позволяет достичь требуемой прочности материала. При содержании добавки более 14,5 мас.% увеличивается вязкость и снижается пластичность жидкостекольной композиции, что ведет к увеличению плотности и ухудшению теплопроводности гранулированного материала.
Введение в состав шихты двууглекислого аммония в количестве 0,5-1,5 мас.% обусловлено тем, что он выполняет функцию разрыхлителя и позволяет увеличить вспучиваемость гранул. Предпочтительно использовать двууглекислый аммоний марки «химически чистый». При содержании двууглекислого аммония менее 0,5 мас.% материал недостаточно вспучивается, что ведет к ухудшению теплопроводности. Содержание добавки аммония более 1,5 мас.% приводит к потере прочности гранулированного материала.
Использование в составе шихты микрокремнезема обусловлено тем, что на его основе готовят жидкостекольную композицию для получения гранулированного материала. При содержании микрокремнезема менее 33,5 мас.% получается материал с пониженной прочностью и водостойкостью. Содержание микрокремнезема более 45 мас.% ведет к избыточному увеличению плотности жидкостекольной композиции и затрудняет гранулирование материала.
Использование в составе шихты отхода обогащения апатито-нефелиновой руды обусловлено тем, что нефелинсодержащие отходы являются эффективной модифицирующей добавкой, улучшающей прочностные характеристики теплоизолирующего материала. Использование отхода обогащения апатито-нефелиновой руды в количестве менее 25 мас.% приводит к снижению прочности гранулированного теплоизоляционного материала, а использование нефелиновых отходов в количестве больше 30 мас.% ведет к уменьшению пластичности жидкостекольной композиции и вследствие этого к ухудшению вспучиваемости гранул, увеличению средней и насыпной плотности и снижению теплопроводности гранулированного материала.
2
Гидроксид натрия является щелочным компонентом и используется в составе шихты совместно с микрокремнеземом для приготовления жидкостекольной композиции. Он соответствует требованиям ГОСТ 2263-79 и может быть использован в виде водного раствора различной концентрации, предпочтительно 45% водного раствора. В составе шихты гидроксид натрия NaOH содержится в количестве 22-27 мас.% в пересчете на NaO. Содержание гидроксида натрия менее 22 мас.% ведет к снижению вязкости жидко-стекольной композиции, а содержание более 27 мас.% ведет к ее излишней плотности, что негативно сказывается на формировании гранул.
Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в повышение прочности гранулированного теплоизоляционного материала при обеспечении его пониженного водопоглощения, а также в расширении сырьевой базы и улучшении экологии.
В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны техногенные компоненты сырьевой смеси следующего состава.
2
2
2
3
2
3
2
2
3
3
Микрокремнезем является отходом кислотной переработки нефелина на ОАО «Апатит» и имеет следующий химический состав, мас.%: SiO 92,84-93,04, TiO 0,47-0,98, FeO 0,76-1,93, AlO 0,25-0,74, СаО 0,59-0,88, KO 0,23-1,2, MnO 0,04-0,30, CuO 0,13-0,26, потери при прокаливании - остальное. Микрокремнезем представляет собой тонкодисперсный порошок светлосерого цвета с удельной поверхностью 1,72-2,37 м/г, насыпной плотностью 256-287 кг/м и истинной плотностью 2,0-2,17 г/см.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
2
2
Золошлаковая смесь представляет собой отход Апатитской ТЭЦ. Смесь имеет химический состав, мас.%: SiO 52,48-53,44, TiO 1,08-1,23, FeO 13,44-13,74, FeO 1,03-1,93, AlO 17,57-18,45, СаО 2,43-2,47, KO 1,30-1,55, потери при прокаливании - остальное. Средняя удельная поверхность этой смеси составляет 0,4 м/г. Введение золошлаковой смеси в состав шихты для получения теплоизоляционного материала приводит к увеличению интенсивности рефлексов кварца и соединений типа алюмосиликатов. Это можно интерпретировать как увеличение содержания SiO в системе силиката натрия NaO·nSiO и формирование нерастворимых алюмосиликатных новообразований. Введение указанной добавки способствует увеличению количества связей Si-O-Al-O в структуре высокомодульного жидкого стекла из микрокремнезема, а также появлению аналогичных связей вследствие замещения иона кремния ионом алюминия. Кристаллические фазы представлены в основном кристобалитом и кварцем.
2
2
2
3
2
3
2
5
2
2
Отход флотационного обогащения апатито-нефелиновых руд ОАО «Апатит» имеет следующий химический состав, мас.%: SiO 35,10-35,98, TiO 4,43-4,98, (FeO+FeO) 7,00-12,22, AlO 16,45-16,61, СаО 8,92-9,13, MgO 1,07-1,25, PO 4,05-4,11, NaO 9,13-10,77, KO 4,59-5,05.
2
Средняя удельная поверхность отхода обогащения равна 0,19 м/г. Отход обогащения апатито-нефелиновых руд содержит до 61,1 мас.% нефелина и по своим функциональным свойствам не уступает нефелиновому концентрату. Кроме нефелина основными компонентами отхода являются также эгирин и вторичные минералы по нефелину, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 10,2-13,0 и 7,5-10,2. Второстепенные минералы представлены полевым шпатом и апатитом, содержание которых составляет, мас.%: 5,8-7,4 и 3,4-5,4.
Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют получить оптимальный состав сырьевой смеси на базе техногенных отходов при обеспечении повышенной прочности гранулированного теплоизоляционного материала и пониженного водопоглощения.
В общем случае получение сырьевой смеси согласно изобретению заключается в следующем. Сначала готовят шихту путем дозирования в заданных количествах ее компонентов: микрокремнезема, золошлаковой смеси, отхода обогащения апатито-нефелиновой руды, 45% раствора гидроксида натрия и двууглекислого аммония с добавлением воды и перемешиванием в течение 1,5-3 минут до образования однородной суспензии. Далее осуществляют гидротермальную обработку при температуре 90-95°C и атмосферном давлении в течение 20-25 минут. Полученную жидкостекольную композицию подвергают грануляции в тарельчатом грануляторе. Сформированные сырцовые гранулы после сушки при комнатной температуре в течение 6-8 часов опудривают микрокремнеземом и обрабатывают при температуре 300-450°C в течение 20-30 минут с вспучиванием гранул. Затем гранулы подвергают кратковременному обжигу при 800-900°C в течение 1-3 минут. В итоге получают гранулированный теплоизоляционный материал с крупностью гранул 4-16 мм.
Сущность и преимущества заявленной сырьевой смеси для получения гранулированного теплоизоляционного материала могут быть проиллюстрированы Примерами 1-6 конкретного выполнения. Составы сырьевой смеси для получения гранулированного теплоизоляционного материала согласно Примерам 1-6 и основные характеристики полученного теплоизоляционного материала приведены в Таблице.
Из данных Таблицы видно, что предлагаемая сырьевая смесь для получения гранулированного теплоизоляционного материала по сравнению с прототипом позволяет получить материал с более высокой (в 2,2-3,3 раза) прочностью и сопоставимым водопоглощением (≤5%). Использование в качестве компонентов сырьевой смеси большего числа техногенных отходов позволяет расширить сырьевую базу и улучшить экологию. Гранулированный теплоизоляционный материал из предлагаемой сырьевой смеси может быть получен промышленным способом на базе стандартного строительного оборудования.
Таблица
Пример №
Компоненты сырьевой смеси
Технические характеристики материала
микро-кремнезем
золошла-ковая смесь
отход обогащения апатито-нефелино-вой руды
гидроксид натрия
двуугле-кислый аммоний
насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
прочность, кгс/см<sup>2</sup>
водопоглощение, %
фракции гранул, мм
8-16
4-8
8-16
4-8
8-16
4-8
1
45,0
3,0
27
24
1
105
112
22
24
5
4,5
2
40,5
7,5
27
24
1
105
113
26
28
5
4
3
36,7
11,3
27
24
1
106
117
27
30
4
3,5
4
33,5
14,5
27
24
1
110
123
28
30
4
3,5
5
40,0
7,5
25
27
0,5
109
117
25
27
5
5
6
35,2
11,3
30
22
1,5
111
124
27
28
4,5
4