способ подготовки базальтового сырья

Формула изобретения

Способ подготовки базальтового сырья, включающий дробление исходной базальтовой породы, выщелачивание 10÷32%-ным водным раствором соляной кислоты при температуре (20÷100)°С в течение 1,5÷3,5 ч, отделение твердой фазы от раствора и сушку, причем выщелачивание проводят при соотношении жидкой фазы к твердой, равном 5÷10:1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения базальтовых материалов с заданными потребительскими свойствами.

Базальт - это магматическая горная порода, основу которой составляет плагиоклаз лабрадор - изоморфная смесь альбита NaAl[Si₃ O₈] и анортита CaAl₂[Si₂O ₈]. Присутствуют также пироксены, представленные, в основном, авгитом - изоморфная смесь диопсида CaMg[Si₂O ₆] и геденбергита СаFе[Si₂O₆]; оливин - твердые растворы форстерита Mg₂[SiO₄] и фаялита Fe₂[SiO₄]; магнетит FеО·Fе ₂О₃ и другие минералы.

Химический состав базальтов различных месторождений колеблется в широких пределах, мас.%: 43÷58 SiO₂; 11÷20 Аl ₂О₃; 7÷14 CaO; 4÷14 MgO; 8÷16 FeO+Fe₂O₃; 1÷5 Na₂O.

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].

Наиболее часто расчет коэффициента кислотности К проводится методом А.Н.Заварицкого и А.С.Гинсберга, по которому К=(SiO₂+Аl₂О₃+TiO ₂) / (CaO+MgO+Fе₂O₃+FeO+К₂ О+Na₂O). 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.

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_выщ.) оксидов основных элементов, входящих в состав базальта, раствором хлористоводородной кислоты".

Пример 1. 100 кг сырья месторождения Свиягинское (Приморский край), содержащего, мас.%: SiO₂ - 41,78; Аl₂ О₃ - 13,85; TiO₂ - 2,02; CaO -10,32; MgO - 12,94; Fе₂O₃+FeO - 14,20; К₂ О - 0,99; Na₂O - 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.%: SiO₂ - 65,18; Аl₂О₃ - 13,24;

TiO₂ - 2,65; CaO - 6,75; MgO - 1,90; Fе₂О₃+FeO -7,67; К₂O - 1,60; Na₂O - 1,01. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства тонких, супертонких и непрерывных волокон.

Таблица
Компонент	Температура выщелачивания, °С
20	70	100
Усредненный коэффициент выщелачивания (Квыщ.) при концентрации НСl, мас.% 10; 18; 32
10	18	32	10	18	32	10	18	32
SiO 2	0,036	0,039	0,0255	0,047	0,0083	0,0092	0,046	0,013	0,0086
Аl2О3	0,130	0,150	0,130	0,280	0,290	0,210	0,415	0,450	0,400
TiO2	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+Fе2О3	0,470	0,540	0,520	0,610	0,630	0,610	0,670	0,700	0,700
К2O	0,110	0,050	0,030	0,092	0,0011	0,0006	0,0014	0,0014	0,0013
Na2O	0,048	0,060	0,044	0,150	0,150	0,970	0,260	0,260	0,230

Пример 2. 100 кг сырья месторождения Первоуральское (Свердловская обл.), содержащего, мас.%: SiO ₂ - 39,77; Аl₂О₃ - 16,13; TiO ₂ - 1,27; CaO - 10,52; MgO - 12,26; Fе₂О ₃+FeO - 16,58; К₂О - 1,34; Na₂O - 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.%: SiO₂ - 56,99; Аl₂О₃ - 16,46;

TiO₂ - 1,50; CaO - 7,28; MgO - 1,39; Fе₂О₃+FeO - 12,90; К₂ О - 1,73; Na₂O - 1,75. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для получения микрокристаллического волокна с температурой применения до 1000°С.

Пример 3. 100 кг сырья месторождения Булатовское (Архангельская обл.), содержащего, мас.%: SiO₂ - 47,24; Аl₂O ₃ - 11,41; TiO₂ - 0,30; CaO - 9,80; MgO - 15,90; Fе₂О₃+FeO - 12,01; К₂О - 0,41; Na₂O - 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.%: SiO₂ - 62,72; Аl₂ O₃ - 13,90;

TiO₂ - 0,39; CaO - 8,52; MgO - 4,23; Fе₂О₃+FeO - 8,01; К₂О - 0,58; Na₂O - 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.