способ получения ангидритсодержащего вяжущего

Формула изобретения

1. Способ получения ангидритсодержащего вяжущего, включающий тепловую обработку ангидритсодержащего сырья, отличающийся тем, что в качестве ангидритсодержащего сырья используют хвосты серно-кислотной переработки боросодержащих руд Дальнегорского месторождения с содержанием ангидрита 11-20% от массы хвостов, а тепловую обработку осуществляют прогревом при температуре 150-160°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что помол осуществляют с дополнительно вводимой известью в количестве 2-5 мас.% от ангидритсодержащей составляющей вяжущего.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству гипсовых вяжущих материалов, а именно ангидритового вяжущего, и может найти применение для получения ангидритового вяжущего из отходов горнохимического производства.

Известно, что ангидритовое вяжущее получают из природного минерального сырья - гипсосодержащих горных пород и из искуственных минеральных материалов - гипсосодержащих отходов химической промышленности. Однако чаще используются природные минеральные вещества - двуводный природный гипс или гипсовый камень (далее природный гипс) и безводный гипс или природный ангидрит (далее природный ангидрит). Технологические процессы получения ангидритового вяжущего из природного гипса и природного ангидрита весьма сходны и отличаются, в основном, режимом тепловой обработки исходного минерального сырья перед измельчением или помолом (Бутт Ю.М. и др. Технология вяжущих веществ. Высшая школа, - М.: 1965 г., с.23-80; Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. "Стройиздат", М., 1986 г., с.16-63; Клюковский Г.И. Общая технология строительных материалов. - М.: Высшая школа, 1976 г., с.223-226).

Известен способ получения ангидритового вяжущего из природного гипса (Бутт Ю.М. и др. Технология вяжущих веществ. - М. Высшая школа, 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 ангидритового вяжущего, включающий тепловую обработку ангидритсодержащего сырья (Бутт Ю.М. и др. Технология вяжущих веществ. - М.: Высшая школа, 1965 г., с.70-73). Способ заключается в следующем. Добытый из недр природный ангидрит дробят на щековой или валковой дробилке до размера кусков 30-50 мм, после чего его подвергают тепловой обработке (сушке) при температуре 170-180°С. Высушеный природный ангидрит смешивают с активизатором, в качестве которого, как уже указывалось выше, преимущественно применяют и известь, которую добавляют в количестве 2-5 мас.%. Реже для этой цели используют основной доменный шлак (его добавляют в количестве 10-15 мас.%), обожженный доломит или доломитовую пыль (3-8 мас.%), различные сульфаты и некоторые другие минеральные вещества. Затем смесь высушенного природного ангидрита и активизатора, в частности извести, измельчают в шаровой, роликовой или иной мельнице. Товарный продукт - ангидритовое вяжущее - представляет собой порошок с размерами частиц не более 80 мкм.

Недостатки вышеприведенного способа получения ангидритового вяжущего заключаются в том, что в качестве сырьевых компонентов используются дорогостоящие минеральные материалы; для получения вяжущего необходима сушка природного ангидрита, что удорожает и усложняет способ;

способ имеет ограниченные технологические возможности с точки зрения получения вяжущего, обладающего широким спектром применения. Все это в конечном итоге снижает рентабельность производства и конкурентоспособность ангидритового вяжущего по сравнению с другими вяжущими материалами.

Задача изобретения - снижение энергозатрат на производство вяжущего.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности получения бетонов и/или 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 ангидритового вяжущего, включающий тепловую обработку ангидритсодержащего сырья, отличается тем, что в качестве ангидритсодержащего сырья используют хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья, предпочтительно со сроком хранения менее одного месяца после их вывода из процесса переработки, которое обезвоживают прогревом при температуре до 160°С. Кроме того, обезвоженный ангидрит смешивают с тонкоизмельченной известью, которую добавляют в количестве 2-5 мас.% от массы ангидритсодержащей составляющей вяжущего.

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".

Отходы серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья (Дальнегорское месторождение датолит-волластонитовых скарнов -Приморский край)), входящие в состав цемента является тонкодисперсным материалом, содержащим CaSO₄·2H₂O в смеси с SiO₂ следующего химического состава и незначительного количества других минеральных примесей, мас.% (см. таблицу).

Химический состав, мас.%	Минералогический состав, мас.%
СаО 23-28	Двуводный гипс 50-56
SiO2 20-28	Аморфный кремнезем 16-22
SO3 27-36	Недоразложившиеся минералы 4-12
B2O3 0,7-1,2	Борная кислота 1-2
Fe2O3 0,7-3,0	Ангидрит (при хранении на воздухе
H2O (кристаллическая) 12-15	переходит в двуводный гипс) 11-20

Отходы - результат производственной деятельности производственного объединения «БОР» (г.Дальнегорск).

В данном техническом решении это сырье используется в качестве модифицирующей добавки впервые.

При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач:

Признаки, указывающие, что «в качестве ангидритсодержащего сырья используют хвосты серно-кислотной переработки боросодержащего минерального сырья» обеспечивают возможность вовлечения в повторное использование свежеобразованных отходов горно-химического производства (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, что срок хранения хвостов «менее одного месяца после их вывода из процесса переработки боросодержащего минерального сырья» обеспечивают возможность получения добавки из сырья с повышенным содержанием ангидрита (безводного гипса) и тем самым обеспечивают возможность проведения процесса термообработки при температурах, близких к 160°С. При этом термообработка при названной температуре позволяет повысить содержание безводного гипса в конечном продукте и тем самым повысить общую активность вяжущего.

Признаки второго пункта формулы изобретения позволяют дополнительно активизировать вяжущее.

Технология получения добавки заключается в следующем.

Поскольку для производства добавки используют хвосты со сроком хранения менее одного месяца после их вывода из процесса переработки боросодержащего минерального сырья, то производство добавки фактически может быть сведено к обезвоживанию отбираемых хвостов при температурах близких к 160°С и их расфасовке, поскольку значительная доля кальцийсодержащего компонента хвостов фактически представляет из себя ангидрит. При этом термообработка при температуре около 160°С позволяет повысить содержание безводного гипса в конечном продукте и тем самым повысить общую активность добавки.

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 содержание ангидрита (при различных продолжительностях термообработки), после чего данные параметры используются для управления операцией термообработки. Данная операция может быть реализована в рамках термического блока, обеспечивающего прогрев отходов в заданных пределах и выполненного по типу малогабаритных печей барабанного типа, используемых для обжига известняка и снабженных соответствующим комплектом контрольно-измерительной аппаратуры.

Затем смесь высушенного ангидритсодержащего сырья и предварительно измельченной до крупности не более 1 мм извести 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 горнохимического 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, повышенными прочностью и жизнеспособностью, а также относительно низкой стоимостью.

Пример. Вяжущее получают путем тепловой обработки при 160°С сырья - хвостов сернокислотной переработки боросодержащих руд Дальнегорского месторожденья, содержащих 15% ангидрита от массы хвостов с последующим помолом. Для повышения эффективности способа возможно осуществлять помол вяжущего с 2% извести. Готовое вяжущее фасуют и отправляют потребителю. Процедура использования вяжущего 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. Возможно специально подготавливать эту воду, доводя ее pH не менее чем до 11 - для этого в 1 м³ воды размешивают 100 кг NaOH или 120 кг Na₂CO ₃ или 150 кг Са(ОН)₂).

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 вводилась при водо/твердом отношении 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.

Использование заявленного вяжущего обеспечивает следующие характеристики затвердевшего раствора (при ее содержании в количестве 16-35% от массы раствора):

- плотность 1600-1920 кг/м³;

- 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".