СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНЕЗИАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF PRODUCING MAGNESIA CEMENT AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для получения строительных плит, бетонов, ксилолитовых изделий, фибролита, строительных пено- и газоматериалов, растворов для штукатурных работ.
2
Известен способ получения магнезиального вяжущего из доломита, предназначенного для производства строительных материалов. В данном изобретении предлагается режим обжига доломита осуществлять по контролю коэффициента качества обжига Кк.о=CO, мас.%/MgO, мас.%, который должен быть равным в пределах 1,07-1,72 (Патент РФ №2064905, опубликован 10.08.1996 г).
Недостатками данного способа получения магнезиального вяжущего являются:
- получаемое магнезиальное вяжущее имеет низкое содержание оксида магния, не более 22%, что обеспечивает получение строительных материалов с низкими показателями механических свойств, например прочность на сжатие имеет предел 10-30 МПа, а если в магнезиальном вяжущем присутствует оксид кальция, что не исключено его образование при температуре обжига доломита 750-775°С, то механические свойства полученных строительных материалов будут еще ниже;
- при температуре обжига доломита выше 700°С происходит снижение активности оксида магния в результате его перекристаллизации в периклазную форму, а это приведет к снижению механических свойств полученных строительных материалов на основе такого магнезиального вяжущего (Л.Г.Берг, Введение в термографию, изд. АН СССР, М., 1961 г, стр.206-211);
2
- определение в процессе обжига коэффициента качества обжига магнезиального вяжущего (определение содержания CO, MgO, CaO) достаточно затруднительно.
Известен способ получения магнезиального вяжущего путем смешения каустического доломита и портландцемента в соотношении: каустический доломит 25-50 мас.%, портландцемент 50-75 мас.% (Патент РФ №2102349, опубликован 20.01.1998 г.).
Недостатком данного способа получения магнезиального вяжущего - значительное удорожание строительных материалов, полученных на основе каустического доломита. При указанных соотношениях каустического доломита и портландцемента можно смешивать необожженный доломит с портландцементом без уменьшения механических свойств строительных материалов, но это можно достичь также при смешении портландцемента с песком.
3
Известен способ получения каустического доломита, принятого нами за прототип, заключающийся в том, что получение каустического доломита осуществляют двухстадийной термообработкой дробленного доломитового сырья нагреванием его сначала до 450-550°С в течение 20-100 минут, а затем до 600-720°С в течение 5-25 мин, перед подачей в термообработку дробленое доломитовое сырье орошают раствором хлорида магния плотностью 1,2-1,3 г/см в количестве 0,5-3,0% от массы обжигаемого сырья (Патент РФ №2158241, опубликован 27.10.2000 г.).
Недостатками данного изобретения являются:
- нестабильность температуры по высоте или длине слоя доломита при термообработке, так как близлежащие слои доломита к пламени газовой горелки будут нагреваться выше 800°С, а это приведет к образованию в каустическом доломите твердой переклазной формы кристаллов MgO и образованию СаО, что в свою очередь будет снижать механические свойства строительных материалов, получаемых на основе такого каустического доломита;
2
- для снижения температуры и времени обжига доломита его орошают раствором MgCl, но такое же влияние оказывает орошение дробленного доломита раствором хлористого натрия, что значительно проще и дешевле.
Задачами предлагаемого способа получения магнезиального вяжущего и установки для осуществления способа являются устранение выше приведенных недостатков известных способов и стабилизация условий получения высокоэффективного магнезиального вяжущего, обеспечение непрерывного режима работы печи, снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Решение указанных задач достигается следующим образом.
3
3
На бетонированную площадку нагружают дробленные доломит и магнезит в массовом соотношении (82,5-87,5):(12-17), которые орошают с помощью форсунки и насоса 20%-ным водным раствором хлористого натрия, имеющим удельную массу 1,12 г/см, из расчета содержания в общей массе сырья 0,5 мас.% хлористого натрия. Например. На площадку нагружают 82,5 кг доломита, 17 кг магнезита, тогда к данной массе нужно добавить 0,5 кг хлористого натрия. Данная масса будет содержаться в 2,5 л 20%-ного водного раствора хлористого натрия, имеющего удельную массу 1,12 г/см. Орошенную массу доломита и магнезита водным раствором хлористого натрия загружают в смеситель барабанного типа. Куски доломита и магнезита должны иметь размер 30-60 мм. После смешения в барабане доломита, магнезита и хлористого натрия в течение 15-20 минут полученную смесь выгружают в специальный бункер, из которого с помощью электрокрана, смесь доломита, магнезита и хлористого натрия загружают в вертикальную печь, которая представлена на рис.1. Печь включает в себя следующие элементы:
1. Металлический кожух. 2. Футеровку из огнеупорного кирпича. 3. Клеть, выполненную в виде сетки из арматурных прутьев с ячейками 20×20 мм. 4. Металлические вставки в клетку печи для крепления клети. 5. Бункер. 6. Шибер. 7. Металлические вставки для крепления бункера. 8,9. Трубы для подачи в печь термостатированного горячего газа, имеющего температуру 600-650°С. 10. Трубу для удаления, отработанного газа из печи. 11. Крышку печи, изготовленную из жаропрочной стали и футерованную с обеих сторон огнеупорным бетоном. Толщина стали 20 мм. В крышке имеется окно для загрузки сырья (на рис.не показано). 12. Кольца для установки и съема крышки. 13. Металлический контейнер на колесах. 14. Шихта (смесь доломита, магнезита и хлористого натрия).
После полной загрузки в печь приготовленной шихты до уровня выхода отработанного газа, как это показано на рис.1, в печь подают термостатированный горячий газ, имеющий температуру 600-650°С, из устройства термостатированного газа, представленного на рис.2, через трубы (поз.8, 9.)
Устройство включает в себя следующие элементы:
1. Кожух. 2. Футеровку из огнеупорного кирпича, имеющую толщину 400 мм. 3. Кольцо из жаропрочной стали толщиной 20 мм. 4. Трубу для подачи термостатированного горячего газа в печь. Труба имеет термоизоляцию минеральной ватой, на рис.2 не показано. 5. Камеру смешения газа и воздуха. 6. Трубопровод для подвода природного газа к горелке. 7. Газовую горелку, установленную тангенциально. 8. Трубопровод для ввода воздуха совместно с отработанным газом после обжига шихты в печи, установленного тангенциально в одном направлении с газовой горелкой.
После термообработки шихты в течение 1-1,5 часов производят ее выгрузку в металлический контейнер на колесах (рис.1, поз.13). Время термообработки уточняют в процессе производства, так как оно зависит от свойств природного доломита и магнезита.
В начале процесса шихту в объеме бункера (рис.1 поз.5) выгружают отдельно от основной массы шихты и загружают в печь повторно. В следующих операциях последние порции обожженной шихты оставляют в бункере (рис 1. поз.5).
3
Выгруженную обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в массовом соотношении 1:0,5 в количестве 0,5-1,2 мас.% от полученной массы обожженной шихты. Помол обожженной шихты в шаровой мельнице осуществляют до получения дисперсности частиц 50-70 мкм. Полученное магнезиальное вяжущее выгружают в упаковочную тару, производят анализ на содержание МgО и СаО, также отбирают пробы на затворение магнезиального связующего с водным раствором магния хлористого, имеющего удельный вес 1,2 г/см, и получение образцов на испытание их механических свойств.
Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа получения магнезиального вяжущего и установки для осуществления способа имеют отличия от прототипа и не следуют явным образом от изученного уровня техники, поэтому авторы считают, что способ и установка являются новыми и имеют изобретательский уровень.
Способ получения магнезиального вяжущего и установка для осуществления способа позволяют использовать доломит с низким содержанием карбоната магния для получения высокоэффективного магнезиального вяжущего уменьшить капитальные и эксплуатационные расходы внедрения способа и установки в производство, увеличить ассортимент высококачественных строительных материалов.
Пример осуществления способа получения магнезиального вяжущего. В качестве примера возьмем магнезит Савинского месторождения Иркутской области, который имеет следующий состав, мас.%:
3
2
2
3
2
3
3
3
2
2
3
2
3
MgCO - 97.48; SiO - 0.9; AlO - 0.6; FeO - 0.8; CaO - 0.22 и доломит Данковского месторождения Липецкой области, который имеет состав, мас.%: MgCO - 38.74; СаСО - 58.96; SiO - 1.6; AlO - 0.3; FeO - 0.4.
Вариант 1.
3
Для термообработки в печи возьмем 12 мас.% магнезита, 87.5 мас.% доломита и 0,5 мас.% натрия хлористого. Загрузим на бетонированную площадку 12 кг магнезита, 87.5 кг доломита и произведем орошение 20%-ным водным раствором натрия хлористого, имеющего удельный вес 1,12 г/см из расчета содержания в орошаемом растворе 0,5 кг натрия хлористого. Для орошения потребуется натрия хлористого:
p-pa
3
3
V=500 г:1,12 г/см×0,2=2451 см
или 2,5 л раствора,
где 0,2 - коэффициент, учитывающий 20% содержание натрия хлористого в растворе.
Орошенные раствором натрия хлористого магнезит и доломит загружаем в смеситель барабанного типа с наклоном оси барабана от горизонтали на 40°. После перемешивания исходного сырья в течение 15-20 минут его выгружают в бункер, имеющий устройство раскрытия дна. С помощью кран-балки исходное сырье бункера загружают в вертикальную печь. Таким образом осуществляют полную загрузку печи исходным сырьем для его термической обработки. Окно в крышке печи закрывают вставкой. Включают в работу устройство термостатирования газа и подают в печь газ (смесь продуктов горения природного газа и атмосферного воздуха), имеющий температуру 600-650°С.
3
2
2
3
2
3
Для данного вида сырья предварительно определяют оптимальные температуру газа и время термообработки в интервале 1-1,5 часа, позволяющих иметь максимальное образование оксида магния и отсутствие оксида кальция. При оптимальных условиях термообработки смеси магнезита, доломита и натрия хлористого полученные продукты будут иметь следующий состав, мас.%: MgO - 28.73, СаСО - 67.58; CaO - 0.04; SiO - 1,98; AlO - 0.43; FeO - 0.53; NaCl - 0.65.
2
В результате термообработки 100 кг магнезита, доломита и хлористого натрия получают массу обожженной шихты равной 76,11 кг, а 23,89 кг CO удалено из печи вместе с отходящим отработанным газом.
3
2
3
Следует отметить, что в начале запуска печи в работу масса загруженной шихты в объеме бункера остается необожженной, поэтому эту шихту возвращают в печь для обжига, а в следующих операциях обожженную шихту оставляют в бункере, поэтому масса загружаемой шихты в печь будет равна массе выгружаемой обожженной шихты за вычетом углекислого газа в результате диссоциации MgCO на MgO и CO. Таким образом, если загружают в печь 100 кг шихты, то каждый раз будут получать 76,11 кг обожженной шихты при условии содержания в исходной шихте 45,77 мас.% MgCO. Процесс получения магнезиального вяжущего можно в данном способе и с данной установкой вести периодически с остановками работы печи на время выгрузки из нее обожженной шихты и загрузки исходной шихты, а также непрерывно. При непрерывной работе печи составляют график загрузки исходной шихты и график выгрузки обожженной шихты в течение времени термообработки шихты. При непрерывной работе печи экономят расход природного газа, примерно, на 40-50% и увеличивают производительность печи в 1-2 раза. Это скажется на значительном снижении себестоимости магнезиального вяжущего.
Обоженную шихту из печи выгружают в контейнер на колесах, а из контейнера - на бетонированную площадку для остывания до температуры 60-100°С. Затем с бетонированной площадки охлажденную обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в соотношении 1:0,5. Масса загружаемых солей составляет 0,5-1,2 мас.% от массы загружаемой обожженной шихты из печи. Для примера приведем расчет загружаемых масс ортофосфорнокислого и тетраборнокислого натрия в шаровую мельницу совместно с обожженной шихтой.
Суммарная масса смеси солей, загружаемых в шаровую мельницу составит:
C
m=76,11×1,2%:100%=0,91 кг
где
76,11 - масса обожженной шихты, загружаемой в шаровую мельницу, кг;
1,2% - доля суммарной массы солей, загружаемых в шаровую мельницу;
2
4
7
3
4
2
4
7
3 - кассовая доля NaOBO в суммарной массе NaPO и NaBO, загружаемых в шаровую мельницу.
3
2
3
3
2
3
3
4
2
4
7
Готовый диспергированный продукт - магнезиальное вяжущее должен иметь следующий состав, мас.%: MgO - 28.27; СаСО - 66,91; CaO - 0.03; SiO - 1.95; AlO - 0.43; FeO - 0.58; NaCl - 0.65; NaPO - 0,79; NaBO - 0,39.
Вариант 2.
Для термообработки в печи возьмем 17 мас.% магнезита, 82,5 мас.% доломита и 0,5 мас.% натрия хлористого.
Составы магнезита и доломита аналогичны приведенным в варианте 1.
3
3
2
2
3
2
3
Смесь магнезита, доломита и натрия хлористого имеет следующий состав, мас.%: MgCO - 48,53; СаСО - 48,64; CaO - 0.04; SiO - 1.47; AlO - 0.35; FeO - 0.47; NaCl - 0.5.
Все остальные операции по получению обожженной шихты в печи аналогичны описанным в варианте 1.
Обожженная шихта в печи имела массу 74,67 кг и следующий состав, мас.%:
3
2
2
3
2
3
MgO - 31,07, СаСО - 65/14; CaO - 0.05; SiO - 1.97; AlO - 0.47; FeO - 0.63; NaCl - 0.67
Обожженную шихту загружают в шаровую мельницу совместно с ортофосфорнокислым и тетраборнокислым натрием в количестве 1,2 мас.% от загружаемой массы шихты, загруженные массы ортофосфорнокислого и тетраборнокислого натрия составят:
3
4
3
4
Масса NaPO составит: mNaPO=0,896 кг-0,896 кг:3=0,597 кг,
2
4
7
2
4
7
Масса NaBO составит: mNaBO=0.896 кг-0.597 кг=0.299 кг.
Диспергированный порошок, полученный в результате помола в шаровой мельнице, должен иметь дисперсность 50-70 мкм и состав, мас.%:
3
2
2
3
2
3
3
4
2
4
7
MgO - 30,70; СаСО - 64,37; CaO - 0.05; SiO - 1.95; AlO - 0.46; FeO - 0.62; NaCl - 0.65; NaPO - 0,80; NaBO - 0,39.
2
При содержании в магнезиальном вяжущем 28,1-30,7 мас.% оксида магния, затворенного на водном растворе MgCl, и выдержанные в течение 7 суток имели прочность на сжатие 50-60 МПа (Патент РФ №10407 «Способ получения каустического доломита»).
Результаты лабораторных испытаний получаемого магнезиального вяжущего, проведенного с помощью электромуфеля, представлены в таблице 1.
Таблица 1
№№п/п
Состав исходного сырья, поступившего на термообработку
мас.%
Температура термообработки, °С
Длительность термообработки, мин
Состав полученного продукта
мас.%
Вариант 1 (магнезит 12%, доломит 87,5%, натрий хлористый 0,5%)
MgCO<sub>3</sub>
45.59
MgO
25.3
СаСО<sub>3</sub>
51.60
MgCO<sub>3</sub>
5.2
1.
СаО
0.03
600
60
СаСО<sub>3</sub>
65.9
NaCl
0.5
СаО
0.04
примеси
NaCl
0.64
(SiO<sub>2</sub>, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
2.28
примеси
2.92
MgCO<sub>3</sub>
45.59
MgO
28.6
СаСО<sub>3</sub>
51.60
СаСО<sub>3</sub>
67.7
2.
СаО
0.03
650
60
СаО
0.04
NaCl
0.5
NaCl
0.65
примеси
2.28
примеси
3.01
MgCO<sub>3</sub>
45.59
MgO
28.6
СаСО<sub>3</sub>
51.60
СаСО<sub>3</sub>
67.7
3.
СаО
0.03
600
90
СаО
0.04
NaCl
0.5
NaCl
0.65
примеси
2.28
примеси
3.01
Вариант 2 (магнезит 17%, доломит 82,5%, натрий хлористый 0,5%)
MgCO<sub>3</sub>
48.53
MgO
27.0
СаСО<sub>3</sub>
48.64
MgCO<sub>3</sub>
6.4
1.
СаО
0.04
600
60
СаСО<sub>3</sub>
63.0
NaCl
0.5
СаО
0.05
примеси
NaCl
0.65
(SiO<sub>2</sub>, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)
2.74
примеси
2.9
MgCO<sub>3</sub>
48.53
MgO
31.07
СаСО<sub>3</sub>
48.64
СаСО<sub>3</sub>
65.1
2.
СаО
0.04
650
60
СаО
0.05
NaCl
0.5
NaCl
0.67
примеси
2.74
примеси
3.11
MgCO<sub>3</sub>
48.53
MgO
31.07
СаСО<sub>3</sub>
48.64
СаСО<sub>3</sub>
65.1
3.
СаО
0.04
600
90
СаО
0.05
NaCl
0.5
NaCl
0.67
примеси
2.74
примеси
3.11
3
2
Как следует из данных таблицы 1, при температуре обжига смеси магнезита, доломита и натрия хлористого 600°С и длительности обжига 60 минут диссоциация MgCO на MgO и CO происходит не полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.
3
2
При температуре 600°С и длительности обжига смеси магнезита, доломита и натрия хлористого 90 мин диссоциация MgCO на MgO и CO происходит полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.
2
При температуре 650°С и длительности обжига 60 минут диссоциация магнезита и доломита на MgO и CO происходит полностью независимо от соотношения магнезита и доломита.
3
2
В интервале температур 600-650°С при обжиге смеси магнезита, доломита и натрия хлористого диссоциация СaСО на СаО и CO не происходит. Результаты опытов действительны только при обжиге смеси магнезита, доломита и натрия хлористого при термостатированной температуре.