способ оптимизации состава базальтового сырья

Формула изобретения

Способ оптимизации состава базальтового сырья, заключающийся в том, что базальтовую породу дробят, подвергают выщелачиванию 5÷40 мас.% ортофосфорной кислотой при температуре 20÷100°С в течение 1÷3 ч, твердую фазу отделяют от раствора и сушат, при этом выщелачивание проводят при соотношении жидкой фазы к твердой, равном (50÷70):1.

Описание изобретения к патенту

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

Базальт - магматическая горная порода, основу которой составляет плагиоклаз лабрадор - изоморфная смесь альбита NaAl[Si₃ O₈] и анортита CaAl[AlSi₂O₈]. Присутствуют также: пироксены, представленные, в основном, авгитом - изоморфная смесь диопсида CaMg[Si₂O₆] и геденбергита CaFe[Si₂O₆]; оливин - твердые растворы форстерита Mg₂[SiO₄] и фаялита Fe₂[SiO₄]; магнетит FeO·Fe₂ O₃ и другие минералы.

Химический состав базальтов различных месторождений колеблется в широких пределах, мас.%: 43÷58 SiO₂; 11÷20 Al₂O ₃; 7÷14 CaO; 4÷14 MgO; 8÷16 Fe₂ O₃+FeO; 1÷5 (Na₂O+K₂O); 0.2÷3.0 TiO₂.

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. Однако рост коэффициента кислотности за счет увеличения содержания в шихте оксидов кремния и алюминия затрудняет плавление и повышает вязкость расплава. Модуль кислотности должен составлять не менее 1.5÷1.8 (для базальтовых однокомпонентных шихт - до 4) [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+Al₂O₃+TiO ₂)/(CaO+MgO+Fe₂O₃+FeO+K₂ O+Na₂O). Регулируя соотношение элементов, входящих в состав базальта, можно влиять на свойства расплавов. Например, 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.24-27].

Таким образом, из базальта конкретного месторождения не всегда можно получить материалы и изделия с заданными потребительскими свойствами без проведения процесса оптимизации исходного состава базальта.

Известен способ оптимизации состава базальтового расплава путем создания определенной среды, окислительной или восстановительной, в плавильном агрегате [И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М., Металлургия, 1972 г., стр.24].

К недостаткам указанного способа относится то, что возможно регулирование лишь соотношения оксидов двух- и трехвалентного железа.

Известен способ получения минераловатных изделий из базальта [RU 2149841, 2000], согласно которому для оптимизации состава исходного базальта в измельченную породу вводят добавки доломита, извести, глины, суглинка, соды и других веществ, т.е. проводят, так называемую, «подшихтовку».

Существенным недостатком метода подшихтовки является то, что собственно оптимизация состава проходит на стадии плавления базальта. Такие добавки, как доломит и известь, являются источниками магния и кальция в виде тугоплавких оксидов этих металлов, наличие которых требует выдержки расплава при температурах, повышенных на 50÷250°С по сравнению с температурой плавления, и непрерывного перемешивания. Глины и суглинки обладают многокомпонентностью, непостоянством химического состава, а также коротким литейным интервалом, что затрудняет проведение процесса оптимизации. Таким образом, подшихтовка является дополнительной ресурсо- и энергозатратной технологической стадией. Кроме того, при добавлении в шихту доломита у получаемого базальтового литья снижается механическая прочность [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 его гравитационной дифференциации на легкую и тяжелую фракции. Модификацию 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 оптимизации состава базальтового сырья для целей производства базальтовых волокон или изделий каменного литья с заданными потребительскими свойствами, расширения областей возможного применения базальта отдельно взятого месторождения, а также создание ресурсо- и энергосберегающей технологии оптимизации состава базальтового сырья.

Технический результат достигается тем, что предложен способ оптимизации состава базальтового сырья, заключающийся в том, что исходную базальтовую породу дробят до крупности 0÷20 мм, подвергают выщелачиванию 5÷40 мас.% ортофосфорной кислоты при температуре 20÷100°С в течение 1÷3 часов, твердую фазу отделяют от раствора и сушат.

Целесообразно, что выщелачивание проводят при соотношении жидкой и твердой фаз, равном (50÷70):1. Соотношение жидкой и твердой фаз определяется тем, что при Ж:Т меньше 50 образуются трудно фильтруемые растворы, а увеличение Ж:Т выше 70 нецелесообразно по экономическим соображениям.

Продолжительность процесса выщелачивания обусловлена тем, что требуемая степень выщелачивания достигается в течение одного часа, а спустя три часа практического повышения степени перехода базальта в раствор не наблюдается.

Выбор температур обусловлен эффективностью процесса выщелачивания при нагревании реакционной массы, но ограничен 100°С из-за вскипания реакционной смеси и энергосберегающими соображениями.

Рекомендуемые технологические параметры разработаны нами на основании выполненного цикла экспериментальных исследований по выщелачиванию ортофосфорной кислотой базальтов месторождений России различного минерального состава. Результаты этих исследований приведены в Таблице: «Степень перехода составляющих базальта в раствор при выщелачивании ортофосфорной кислотой», в которой приведены усредненные значения указанной степени перехода при выщелачивании 5÷40 мас.% ортофосфорной кислотой при температурах 5, 10, 20 и 40°С.

Таблица
Элемент	Температура, °С
20	100
Концентрация кислоты, мас.%
5	10	20	40	5	10	20	40
Степень выщелачивания, %
Кремний	3.4	3.3	2.45	0.6	2.8	2.4	1.9	0.4
Алюминий	4.35	4.7	4.6	4.3	16.9	17.8	18.8	14.3
Железо	9.7	10.8	10.6	10.1	22.8	25.3	27.9	26.4
Кальций	11.2	11.1	11.8	11.4	38.0	40.0	43.3	39.7
Магний	24.9	28.1	27.9	27.6	63.6	65.8	68.8	64.9
Натрий	3.0	4.8	8.9	16.4	24.15	28.8	38.05	52.8
Калий	1.1	1.3	1.2	1.0	6.3	6.2	6.1	3.9
Титан	1.2	1.7	1.8	1.75	7.2	10.0	15.5	15.0

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Исходное базальтовое сырье известного химического состава подвергают дроблению, после чего выщелачивают 5÷40 мас.% ортофосфорной кислотой при соотношении Ж:Т (50÷70):1 в течение 1÷3 часов при перемешивании и температуре 20÷100°С, отделяют раствор от твердой фазы, которую высушивают и направляют на плавление при температуре 1200÷1300°С, после чего подают в выработочную часть при производстве волокон, либо в копильник для разливки в формы в случае каменного литья.

Таким образом, возможно выполнить комплексную оптимизацию, т.к. в результате изменяется содержание более чем одного компонента исходного сырья. Многовариантность обеспечивается возможностью изменять взаимные соотношения компонентов базальтового сырья определенного месторождения для достижения различных качественных показателей получаемой однокомпонентной базальтовой шихты.

Ниже приведены примеры осуществления способа оптимизации состава базальтового сырья. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1. 100 кг сырья месторождения Булатовское (Архангельская обл., содержащего, мас.%: SiO₂ - 47.24; Al₂O ₃ - 11.41; TiO₂ - 0.30; Fe₂O ₃+FeO - 12.1; CaO - 9.80; MgO - 15.90; K₂O - 0.41; Na₂O - 1.23, прочие 1.61 и имеющего коэффициент кислотности 1,50, подвергают дроблению до крупности 0÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=70:1 в течение 1.0 часа 20%-ной ортофосфорной кислотой при температуре 100°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 2.77, содержащую, мас.%: SiO₂ - 59.31; Al₂O₃ - 12.52; TiO₂ - 0.33; Fe₂O₃+FeO - 11.08; CaO - 7.12; MgO - 6.35; K₂O - 0.49; Na ₂O - 0.97; прочие 1.83. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства базальтового волокна и изделий каменного литья.

Пример 2. 100 кг сырья месторождения Свиягинское (Приморский край), содержащего, мас.%: SiO₂ - 41.78; Al₂O₃ - 13.50; TiO₂ - 2.02; Fe₂O₃+FeO - 14.14; CaO - 10.32; MgO - 12.94; K₂O - 1.82; Na₂O - 1.36, прочие 2.12 и имеющего коэффициент кислотности 1.41, подвергают дроблению до крупности 0-20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=60:1 в течение 2.0 часов 5%-ной ортофосфорной кислотой при температуре 100°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 2.14, содержащую, мас.%: SiO₂ - 50.40; Al₂O₃ -14.14; TiO₂ - 2.36; Fe₂O₃+FeO - 13.76; CaO - 8.06; MgO - 5.93; K₂O - 1.71; Na₂ O - 1.03; прочие 1.89. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства тонких, супертонких непрерывных волокон и изделий каменного литья.

Пример 3. 100 кг сырья месторождения Первоуральское (Свердловская обл.), содержащего, мас.%: SiO ₂ - 38.77; Al₂O₃ - 16.13; TiO ₂ - 0.23; Fe₂O₃+FeO - 16.58; CaO - 10.52; MgO - 12.56; K₂O - 0.3; Na₂O - 1.43, прочие 3.08 и имеющего коэффициент кислотности 1.32, подвергают дроблению до крупности 0-20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=50:1 в течение 3.0 часов 40%-ной ортофосфорной кислотой при температуре 20°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 1.54, содержащую, мас.%: SiO₂ - 41.82; Al₂O₃ - 16.75; TiO₂ - 0.24; Fe₂O₃+FeO - 16.18; CaO - 10.11; MgO - 10.18; K₂O - 0.31; Na₂O - 1.30; прочие 3.11. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства минерального волокна.

Растворы выщелачивания после регенерации избыточной ортофосфорной кислоты могут быть подвергнуты переработке существующими методами с получением оксида магния, железа, алюмосодержащих коагулянтов и др.

Регулируя условия выщелачивания, осуществляют комплексную многовариантную оптимизацию состава сырья отдельного месторождения и получают однокомпонентную шихту с требуемым коэффициентом кислотности для производства различных видов базальтовых изделий, а также попутно извлекают ценные компоненты. Предлагаемый способ позволяет исключить процесс подшихтовки и создать ресурсо- и энергосберегающую технологию оптимизации состава базальтового сырья.