Способ получения шлакощелочной вязкотекучей композиции

 

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, может найти применение при изготовлении строительных изделий и элементов конструкций, в заполнении пустот. Сущность способа заключается в том, что из железосодержащих отходов доменного производства перед измельчением извлекают магнитной сепарацией металлосодержащие частицы, просеивают их и вводят без измельчения в сухую смесь из молотых гранулированного шлака и немагнитоактивной составляющей отходов с последующим затворением жидким стеклом при следующем соотношении компонентов (в мас.%): гранулированный основной доменный шлак 61 - 68, железосодержащие отходы доменного производства с размером частиц 0,1-2,5 мм 5 - 10, жидкое стекло 27 - 29. 2 табл.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а также к станкостроению и может соответственно найти применение при изготовлении строительных изделий и элементов конструкций в заполнении пустот в металлических конструкциях, тампонировании трещин в стенах зданий, фундаментах, при изготовлении корпусов режущих инструментов.

Известен способ получения шлакощелочной жесткой композиции, путем совместного помола гранулированного основного доменного шлака с твердым активизатором (содощелочным плавом) и последующим смешиванием продукта помола с металлосодержащим отходом доменного производства (шламом газоочистки с размером частиц менее 5 мм) и затворения сухой смеси до отношения массы к твердой составляющей, равной 20% или растворо-твердой составляющей (Р/Т), равной 25 30% и при следующем соотношении компонентов, мас. [1] молотый гранулированный шлак 42 66 содовый плав 4-8 доменный шлам 30-50 вода сверх 100% смеси 20 мас.

Наряду с большими достоинствами известного способа получения композиции имеются и существенные недостатки, лимитирующие его применение для получения указанных изделий, особенно корпусов режущих инструментов (фрез, борштанг), конкретно: низкая подвижность (расплыв формовочной смеси по вискозиметру Сутторда равен нулю), что не позволяет формовать изделий сложной конфигурации методом литья, заполнять пустоты в конструкциях и деталях методом нагнетания, транспортировать по трубопроводам, тампонировать трещины; короткий срок жизнедеятельности (начало схватывания через 10 15 мин); низкая трещиностойкость при гидротермальном твердении; резко уменьшается прочность (на 50 60%) при увеличении водотвердого отношения и при соответственном получении вязкотекучих композиций с Р/Т>36% Известен способ получения шлакощелочной вязкотекучей композиции, путем смешивания молотого гранулированного шлака с волокнисто-армирующей добавкой (капроновыми волокнами длиной 40 60 мм) и последующим затворением сухой смеси 20%-ным раствором гидроокиси калия (КОН), а также водным раствором силиката натрия до вязкотекучего состояния, т.е. до отношения массы раствора-затворителя к сухой твердой составляющей более 36%
Полученная известным способом вязкотекучая композиция с Р/Т=42% легко формуется, транспортируется по трубопроводам.

Наряду с указанными достоинствами имеются и недостатки:
низкая прочность (R_сж= 65 МПа), что лимитирует применение способа для изготовления методом литья высокопрочных деталей и конструкций;
низкая трещиностойкость в процессе отверждения при гидротермальном пропаривании, вследствие различия значений коэффициентов термического расширения капроновых волокон и матрицы из шлакощелочного связующего;
капроновое волокно и щелочной активизатор (КОН) относится к числу дефицитных и дорогостоящих добавок;
сравнительно короткий срок начала схватывания (45 60 мин).

Наиболее близкий по техническому решению способ получения шлакощелочной вязкотекучей композиции заключается в смешивании молотого гранулированного основного доменного шлака с тонкомолотым металлосодержащим отходом доменного производства шламом газоочистки и другими дисперсно-армирующими микрочастицами с последующим затворением сухой смеси жидким стеклом плотностью 1,3 г/см³ до отношения массы жидкого стекла к массе твердой составляющей Р/Т>36% [2]
Наряду с большими достоинствами способа получения вязкотекучей композиции (высокая огнестойкость, адгезия с древесиной, легко транспортируется по трубопроводам и формуется методом литья) имеются и существенные недостатки:
низкая прочность после отверждения (предел прочности при сжатии 10 12 МПа, а при изгибе 1,2 1,3 МПа);
сравнительно короткий срок до начала схватывания (40 50 мин), что затрудняет возможность транспортировать смесь по трубопроводам и формовать изделия в больших количествах;
низкая трещиностойкость при гидротермальном отверждении, вследствие повышенного количества жидкого стекла (48 52%) и соответственно низкой водостойкости композиции.

Цель изобретения повысить прочность, жизнеспособность и трещиностойкость композиции при гидротермальном отверждении с растворотвердым отношением 37 40%
Для достижения поставленной цели в известном способе получения шлакощелочной вязкотекучей композиции, путем совместного или раздельного измельчения гранулированного доменного шлака и мелкодисперсных железосодержащих отходов доменного производства, из смешивания и затворения сухой смеси раствором жидкого стекла до состояния отношения массы раствора к твердой составляющей более 36 мас. железосодержащие отходы доменного производства предварительно, перед измельчением, извлекают магнитной сепарацией металлосодержащие частицы, просеивают их через сито с диаметром 2,5 мм и вводят без измельчения в сухую смесь из молотых гранулированного шлака и немагнитоактивной составляющей указанных отходов, при следующем соотношении компонентов, мас.

гранулированный основной доменный шлак 61-68
железосодержащие отходы доменного производства с размером частиц 0,1 - 2,5 мм 5-10
жидкое стекло 27-29.

При анализе отечественной и зарубежной технической литературы, а также патентных поисках, авторами не найдено способа приготовления шлакощелочной вязкотекучей композиции с Р/Т более 36% аналогичного предлагаемому способу как по техническому решению, так и по соотношению взятых компонентов.

Для испытания предлагаемого способа приняты следующие компоненты.

1. Гранулированный основной доменный шлак попутный отход доменного производства АО "Тулачермет". Модуль основности 1,05 1,1. Химический состав приведен в табл. 1. Удельная поверхность молотого граншлака 3000 3500 с²/г.

2. Нефлюсованный шлам газоочистки доменных печей. Представляет продукт гидроотвала, содержащий смесь колошниковой пыли и пылеуноса от агломерации руды. Химический состав приведен в табл. 1.

Гранулометрический состав нефлюсованного шлама после просеивания через сито с d=2,5 мм.

Размер диаметра сит, мм Частные остатки, мас.

2,5 5,5-6,5
1,25 8,5-10,7
0,63 17,8-20,0
0,315 15,0-17,0
0,14 24-25
менее 0,14 остальное
3. Флюсованный шлам газоочистки продукт (высевки) от дробления полученных после агломерации (флюсования) нефлюсованного шлама газоочистки с известняком или известью. Химический состав приведен в табл. 1.

Гранулометрический состав флюсованного шлака после просеивания через сито с d=2,5 мм.

Размер диаметра отверстий сит, мм Частотные остатки, мас.

2,5 9,0-10
1,25 6-7
0,63 15-17
0,315 25-26
0,14 29-31
менее 0,14 остальное
4. Колошниковая пыль отход доменного процесса АО "Тулачермет". Химический состав приведен в табл. 1.

Гранулометрический состав после просеивания через сито с d=2,5 мм следующий:
Размер отверстий сит, мм Частные остатки, мас.

2,5 21-26
1,25 14-19
0,63 12-15
0,315 19-20
0,14 16,5-18
менее 0,14 остальное
5. Жидкое стекло. Принят водный раствор жидкого стекла с плотностью 1,3 г/см³ и силикатным модулем 1,4.

Пример 1. В опыте принят нефлюсованный сухой шлам газоочистки доменных печей, просеянный через сито с диаметром отверстий 2,5 мм. Предварительно с помощью постоянного магнита отделили частицы магнитоактивной составляющей от немагнитоактивной и установили их соотношение по массе, которая составила 58% немагнитоактивной и 42% магнитоактивной.

Взвесили 6 кг 100 г (61 мас%) гранулированного основного молотого доменного шлама с M₀ 1,05 и 1 кг нефлюсованного доменного шлама (580 гр немагнитоактивного и 420 г магнитоактивного). 580 г немагнитоактивного шлама добавили к 6 кг 100 г гранулированного доменного шлака и все измельчили в шаровой мельнице до удельной поверхности 3500 см²/г. К данной молотой смеси (6 кг 680 г) добавили 420 г магнитоактивных металлосодержащих частиц (Fe + Fe₂O₃ + FeO + TiO₂) с размерами частиц 0,1 2,5 мм, после чего эту сухую смесь (7 кг 260 г) затворили жидким стеклом с плотностью 1,3 г/см³ в количестве 2 кг 900 г (2 л 230 мл). Смесь перемешивали в течение 3 мин до получения вязкотекучей однородной композиции. Время добавления жидкого стекла к сухой смеси зафиксировали по часам. Часть смеси поместили в кольцо прибора Вика для установления времени начала схватывания. Из полученной смеси методом литья формовали в металлических формах образцы композиции размером 16 х 4 х 4 см и после 12 ч выдержки пропарили по режиму 2 + 8 + 3 ч, а затем оставили на воздухе для отверждения при t 20 ±2^oC на 28 сут и испытали на прочность. После пропаривания испытали и на наличие трещин (визуально). Результаты испытаний приведены в табл. 2 (смесь N 2)
Пример 2. Приготовление опытных смесей композиций составов N 1, 3, 4, 5, 6 осуществляли по методике примера N 1, но с применением других отходов доменного производства и при других соотношениях компонентов в пределах P/T 37-40% Результаты испытаний свойств композиций приведены в табл. 2. Смеси составов N 1, 5, 6 являются запредельными для предлагаемого способа.

Пример 3. Приготовление шлакощелочной вязкотекучей композиции осуществляли по методике прототипа и применительно к составу смеси прототипа (опыт N 7, смесь состава 7), а также по методике предлагаемого способа, но применительно к составу смеси прототипа, т.е. дозировали 2 кг 500 г (25 мас. ) доменного основного шлака и 2 кг 700 г (27 мас.) флюсованного доменного шлама. Предварительно определяли в флюсованном шламе содержание магнитоактивных и немагнитоактивных частиц, содержание которых соответственно составило 62 и 48 мас. Далее осуществляли опыт по методике примера N 1.

Результаты испытаний приведены в табл. 2 (состав 8).

Сопоставительный анализ свойств предлагаемого способа получения в шлакощелочной вязкотекучей композиции с известным способом (прототипа) показал, что смеси композиций N 1, 5 и 6 с применением предлагаемого способа получения, являются запредельными, т.к. с уменьшением P/T (менее 27% от формуемой смеси) не дает эффекта получения вязкотекучей композиции, способной формоваться методом литья, транспортироваться по трубопроводам (см. табл. 2 опыт и состав N 5). При увеличении отходов доменного производства более 10 мас. при одном и том же значении P/T 40% наблюдается снижение прочности, что не представляет экономической целесообразности по отношению к заявляемым смесям N 2, 3, 4 (см. опыт и состав смеси N 1 в табл. 2).

В опыте (табл. 2, состав смеси 6) принят состав аналогичной смеси N 3, но отход доменного производства просеян через сито с d 5 мм, что отрицательно сказалось на прочности при сжатии, хотя предел прочности при изгибе не снизился. Поэтому состав смеси N 6 можно также считать запредельным.

Применение предлагаемого способа получения шлакощелочной вязкотекучей композиции по отношению к известному способу и составу композиции (прототипа) дает следующие преимущества:
увеличивается жизнеспособность в 2 2,4 раза;
увеличивается прочность при изгибе в 2 9 раз, при сжатии в 2 7 раз;
исключается сетка трещин на поверхности изделий после пропаривания.

Сущность физико-химического процесса достижения поставленной цели в предлагаемом способе состоит в следующем.

1. В известном способе (прототипа) получения вязкотекучей композиции магнитоактивная и немагнитоактивная составляющие находятся в тонкомолотом состоянии. Металлосоставляющие частицы типа FeO, F₂O₃, TiO₂ и другие, способные отделяться магнитом, быстро гидротируются в среде шлакощелочной матрицы и переходят в гидроокиси типа Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Ti(OH)₂ и, тем самым, теряют роль армирующего компонента, причем эти гидроокиси на прочность композиции влияют отрицательно, так как сами по себе в системе композиции не обладают большой прочностью. Немагнитоактивная составляющая (силикаты щелочных металлов типа CaSiO₃, K₂SiO₃, Na₂SiO₃, а также присутствующие свободные СaO, MgO, n·CaO·mSiO₂·mCaO·mH₂O₃) оказывают положительную роль, так как являются дополнительными активизаторами для повышения гидравлической активности молотого гранулированного шлака. Однако процесс гидротации пережженных частиц свободных CaO и MgO соответственно в Ca(OH)₂ и Mg(OH)₂ идет медленно и с увеличением в объеме, причем этот процесс не заканчивается до наступления начала схватывания и композиция при отверждении находится в напряженном состоянии, что проявляется в виде образования волосяных трещин при гидротермальном отверждении.

2. В предлагаемом же способе магнитоактивные частицы вводят с размером от 0,1 до 2,5 мм. Эти частицы в среде шлакощелочной матрицы гидратируются только на поверхности и образующие в виде пленок гидроокиси металлов оказывают положительную роль, так как увеличивают адгезию на границе шлакощелочное вяжущее дисперсно-армирующие частицы, т.е. гидроокиси выполняют роль клеящего компонента и поэтому увеличивается не только прочность при изгибе, за счет армирующего действия магнитоактивных частиц, но и прочность при сжатии, так как эти частицы являются сами по себе прочными, т.е. не теряется сущность металлочастиц в составе композиции. Однако наличие таких частиц должно быть оптимальным, так как с увеличением выше 10 мас. в составе композиции наблюдается снижение прочности, потому что образуется повышенное количество (хотя и на поверхности частиц) гидроокисей металлов, которые разупрочняют систему композиции и ускоряют процесс схватывания.

Процесс гидратации силикатов и алюмосиликатов кальция, а также свободных CaO и MgO, идет аналогично известному способу, то есть замедленными темпами, но он заканчивается до схватывания и поэтому трещин при гидротермальной обработке не образуется. Последнему способствует и ограниченный размер магнитоактиавных частиц, так как с увеличением размера частиц более 2,5 мм наблюдается уменьшение прочности.

Таким образом, благодаря разделению отходов доменного производства на магнитоактивную и немагнитоактивную составляющие и введению магнитоактивной составляющей в немолотом состоянии с размером частиц от 0,1 до 2,5 мм и совместным помолом основного граншлака с неметаллической составляющей, это дало возможность исключить отрицательный эффект, имеющий место в способе прототипа и поэтому достигается поставленная цель.

Предлагаемый способ в сравнении с известным способом получения вязкотекучей смеси имеет следующие технико-экономические преимущества.

1. Расширяется область применения композиции в промышленности строительных материалов, а также в станкостроении (корпуса металлорежущего инструмента) для замены металла.

2. Уменьшается расход дорогостоящего жидкого стекла в 1,7 1,8 раза.

3. В большом количестве утилизируются отходы доменного производства, включая и граншлак, что дешевле в 1,5 2 раза, по сравнению с жидким стеклом.

4. Созданы предпосылки ускоренного процесса отверждения за счет гидротермальной обработки пропариванием.

5. Увеличивается прочность вязкотекучей композиции в среднем в 5 раз, что соответственно приводит к увеличению отпускной стоимости и получения прибыли.

6. Уменьшается себестоимость композиции на 20 25% в сравнении с композицией прототипа, а в сравнении с металлом (в случае замены металла в корпусах металлорежущего инструмента) на 75 80%

Формула изобретения

Способ получения шлакощелочной вязкотекучей композиции путем измельчения гранулированного основного доменного шлака и мелкодисперсных железосодержащих отходов доменного производства, их смешивания и затворения сухой смеси жидким стеклом, отличающийся тем, что из железосодержащих отходов доменного производства предварительно перед измельчением извлекают магнитной сепарацией металлосодержащие частицы, просеивают для получения частиц 0,1 2,5 мм и вводят их без измельчения в сухую смесь из молотых гранулированного доменного шлака и немагнитоактивной составляющей указанных отходов при следующем соотношении компонентов, мас.

Гранулированный основной доменный шлак 61 68
Железосодержащие отходы доменного производства 5 10
Жидкое стекло 27 29

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3