Способ получения легковесных высокопрочных керамических гранул

Изобретение относится к области производства формованных керамических материалов, которые могут быть использованы при добыче жидких и газообразных текучих сред из буровых скважин в качестве расклинивающего агента. Способ включает следующие операции. Брикетирование и термическую обработку алюмосиликатного каолина при температуре 1150-1250°С, полученную смесь перемалывают до среднего размера части 3-5 мкм, подают в гранулятор. Перед гранулированием вводят 1,2-3,0% минерализатора и 5-10% пластификатора в виде исходного сырья. Смесь увлажняют дозированным количеством органического связующего, перемешивают до образования гранул, в конце процесса грануляции добавляют 5-10% обожженного молотого материала для опудривания гранул. Полученные гранулы сушат, предварительно рассеивают для выделения целевой фракции, проводят окончательный обжиг при температуре 1370-1450°С в течение 30-60 мин и рассеивают гранулы на товарные фракции. Способ позволяет получить гранулы с низкой насыпной плотностью, высокой прочностью, что делает возможным их использование на глубинах до 14000 футов (4200 м).1 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области производства формованных керамических материалов на основе оксида алюминия, которые могут быть использованы при добыче жидких и текучих газообразных сред из буровых скважин в качестве расклинивающего агента.

Известен способ производства высокопрочных сферических керамических гранул из кальцинированного сырья (патент РФ 2203248, МПК-7: С 04 В 35/64, опубл. 27.04.2003), включающий окомковывание исходного алюмосиликатного сырья, его термическую обработку при температуре 1025-1145° С и измельчение до насыпной плотности, равной 0,45-0,85 г/см³, и с массовой долей частиц менее 2 мкм - 20%, менее 5 мкм - 45%, менее 10 мкм - 60%, менее 50 мкм - 85%, дозирование и загрузку в тарельчатый гранулятор шихты с добавкой 2-5% минерализатора дисперсностью 10 мкм следующего химического состава: ТiO; в форме рутила - 31%, FeO - 27%, SiO₂ - 13%, MnO - 3,8%, Сr₂O₃ - 1,7%, MgO - 1,1%, увлажнение измельченного сырья, гранулирование скатыванием и подачу в гранулятор дополнительного количества измельченного сырья, сушку до относительной влажности 2-3%, опудривание обоженным материалом, предварительный рассев полученных гранул для выделения целевой фракции, обжиг гранул при температуре 1350-1450° С во вращающейся газовой печи, охлаждение и рассев гранул на товарные фракции.

Известный способ имеет следующие недостатки

1. Термическая обработка исходного сырья в диапазоне температур 1025-1145° С не обеспечивает образования при разложении каолинита достаточного количества кристаллов муллита, соответствующего формуле:

3Аl₂О₃+6SiO₂→3Аl₂О₃×2SiO₂+4SiO₂

муллит (60%) + кристобалит (40%)

(Будников П.П. и др. "Технология керамики и огнеупоров", М., Государственное издательство литературы по строительным и архитектурным строительным материалам, 1962 г., с. 594).

2. После термообработки при 1025-1145° С и дальнейшего помола с массовой долей частиц менее 2 мкм - 20%, менее 5 мкм - 45%, менее 10 мкм - 60%, менее 50 мкм - 85% пластичность материала довольно низкая (число пластичности 6,8), следовательно, после гранулирования материала с использованием 0,05-0,4%-ного раствора спирта поливинилового и дальнейшей сушки до относительной влажности 2-3% прочность при сжатии также достаточно мала и составляет 4,2 кг/см².

Так как прочность гранул в сухом состоянии довольно низкая, в производстве это приводит к механическому разрушению сухих гранул и соответственно к уменьшению производительности производства, а также к снижению сферичности и округлости гранул в соответствии с таблицей Крумбейна и Шлосса (ГОСТ Р 51761-2001 “Пропанты алюмосиликатные” и API RP60 “Методические рекомендации по испытанию высокопрочных расклинивающих наполнителей для гидравлического разрыва пластов”).

Для достижения указанной прочности керамических гранул после обжига (т.е. для образования достаточной доли муллита) даже при использовании указанного минерализатора требуется повышение температуры обжига или обеспечение продолжительности нахождения материала в зоне действия температуры обжига от 2 до 6 часов, в зависимости от зернового состава шихты, что приводит к значительным энергозатратам.

При обжиге гранул при указанных температурах 1350-1450°С во вращающейся газовой печи происходит окомковывание материала под действием температуры обжига или так называемое образование "спеков", то есть легкоплавкая эвтектика на поверхности гранул при данных температурах переходит в жидкую фазу и соответственно происходит слипание гранул, что приводит к значительным потерям материала, а также влечет к изменениям режимов обжига, а именно к снижению температуры обжига, что соответственно приводит к снижению прочности керамических гранул.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения легковесных, высокопрочных керамических гранул, позволяющего получить гранулы с низкой насыпной плотностью, высокой прочностью, позволяющей использовать данные гранулы на глубинах до 14000 футов (4200 м), сферичностью и округлостью 0,9, растворимостью в кислотах не более 3%.

Поставленные задачи достигаются тем, что в способе производства легковесных, высокопрочных керамических гранул, включающем термическую обработку исходного алюмосиликатного сырья, в качестве которого используют каолин, помол, введение перед гранулированием минерализатора и пластификатора, гранулирование в интенсивном смесителе измельченного сырья при перемешивании и увлажнении органическим связующим, добавление в смесь дополнительного молотого обожженного материала для опудривания, сушку, предварительный рассев для выделения целевой фракции, окончательный обжиг и рассев обожженных гранул, согласно изобретению, термическую обработку исходного сырья осуществляют при температуре 1150-1250° С, помол осуществляют до среднего размера частиц 3-5 мкм, перед гранулированием в качестве минерализатора вводят MgO в количестве 1,2-3,0% по отношению к массе смеси и пластификатор в количестве 5-10% по отношению к массе смеси, увлажнение осуществляют дозированным добавлением 0,2-0,4%-го водного раствора органического связующего, в количестве 16-20% по отношению к массе смеси, смесь перемешивают до образования гранул размером 0,2-1,0 мм, в конце процесса гранулирования вводят некондиционный обожженный молотый материал в количестве 5-10% по отношению к массе смеси, с размером частиц 3-5 мкм, окатывают до размера гранул 0,5-2 мм, сушку полученных гранул осуществляют до остаточной влажности не более 1,5%, окончательный обжиг ведут в течение 30-60 мин.

В качестве пластификатора вводят исходное сырье. В качестве органического связующего вводят карбоксиметилцеллюлозу.

Температура 1150-1250° С, при которой осуществляют термообработку исходного сырья, является оптимальной и достаточной для того, чтобы при разложении каолинита образовалось достаточное количество муллита, при котором прочность готовых гранул максимальна.

Осуществление помола до среднего размера частиц 3-5 мкм с данным распределением дисперсности обеспечивает максимально плотную укладку частиц при гранулировании, что соответственно повышает прочность керамических гранул, а также повышается сферичность и округлость гранул.

Введение перед гранулированием в качестве минерализатора MgO в количестве 1,2-3,0% по отношению к массе смеси является достаточным, чтобы интенсифицировать процесс минералообразования и снизить время окончательного обжига. Ускоряющее действие минерализатора объясняется образованием легкоплавкой смеси одним или несколькими компонентами смеси; площадь поверхности взаимодействия между реагентами увеличивается и повышается скорость диффузии. С другой стороны, механизм действия минерализаторов на ускорение процесса можно объяснить удалением из решетки твердого тела отдельных атомов и молекул, приводящих к появлению молекулярно-пористых тел, образующих псевдоморфозы по исходным кристаллам. Появление молекулярно-пористых и коллоидно-пористых тел играет существенную роль в захвате твердым телом посторонних примесей и введенных в смесь добавок, что значительно влияет на контактирование между компонентами.

Введение в смесь данного минерализатора позволяет сократить время нахождения материала под действием температуры обжига 1370-1450° С до 30-60 минут без потери прочности гранул.

Введение пластификатора в количестве 5-10% по отношению к массе смеси позволяет увеличить пластичность материала для грануляции на 40-45% и, следовательно, прочность гранул на сжатие после гранулирования в смесителе "EIRICH" и сушки до относительной влажности не более 1,5% увеличивается на 30-40%.

Количество водного раствора органического связующего 16-20% по отношению к массе смеси с заданной концентрацией 0,2-0,4% обеспечивает равномерное увлажнение смеси.

Перемешивание смеси до образования гранул размером 0,2-1,0 мм позволяет получить оптимальный размер гранул для образования основы для готовых гранул и являются показателем для выполнения операции опудривания.

Добавление в конце процесса гранулирования обожженного молотого материала в количестве 5-10% по отношению к массе смеси является достаточным, чтобы осуществить опудривание гранул, а размер частиц 3-5 мкм является оптимальным для формирования гранул высокой сферичности и округлости, при этом на поверхности гранул образуется слой материала с высоким содержанием муллита (55-60%). На поверхности гранул после опудривания обожженным молотым материалом образуется слой материала с высокой температурой плавления (1850±20° С) и при температуре обжига 1370-1450°С он не образует расплав на поверхности гранул, гранулы не слипаются в печи (т.е. не образуется "спеков").

Осуществление сушки полученных гранул до остаточной влажности не более 1,5%, обеспечивает оптимальную влажность и исключает пересушивание гранул и их разрушение в сухом состоянии.

Проведение окончательного обжига в течение 30-60 минут интенсифицирует процесс обжига, что существенно снижает энергозатраты.

Применение в качестве минерализатора MgO, как видно из графика (Фиг.1), дает наибольший эффект ускорения процесса муллитизации.

Применение в качестве пластификатора исходного сырья экономично.

Применение в качестве органического связующего карбоксиметилцеллюлозы обеспечивает надежное увлажнение смеси, экономично и технологично.

Сущность способа заключается в следующем.

Исходное сырье - алюмосиликатный каолин брикетируют, термически обрабатывают при температуре 1150-1250° С. Полученную смесь перемалывают до среднего размера части 3-5 мкм, подают в гранулятор. Перед гранулированием вводят 1,2-3,0% минерализатора и 5-10% пластификатора в виде исходного сырья. Смесь увлажняют дозированным количеством органического связующего, перемешивают до образования гранул, в конце процесса грануляции добавляют 5-10% обожженного молотого материала для опудривания гранул. Полученные гранулы сушат, предварительно рассеивают для выделения целевой фракции, проводят окончательный обжиг при температуре 1370-1450°С в течение 30-60 мин и рассев гранул на товарные фракции.

Способ иллюстрируется: таблица со сравнительными показателями прочности и пластичности гранул при введении указанного пластификатора; фиг.1 - график зависимости количества образовавшегося муллита в зависимости от температуры обжига.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут исходное алюмосиликатное сырье (каолин) с содержанием Аl₂О₃ - 35-45% и SiO₂ - 40-50% и брикетируют.

Пример 1.

Производят термообработку исходного алюмосиликатного сырья при температуре 1150° С.

Такая температура проведения термообработки недостаточна для того, чтобы при разложении каолинита образовалось достаточное количество муллита, за счет которого обеспечивается высокая прочность готовых гранул. После термической обработки полученный материал подвергают помолу до среднего размера частиц 3 мкм и подают в гранулятор - интенсивный противоточный смеситель фирмы "EIRICH".

Размер частиц слишком мелкий, в связи с этим понижается сферичность гранул при гранулировании, а также увеличиваются энергозатраты на помол.

Перед гранулированием в измельченное сырье вводят 1,2% минерализатора - MgO и 5% пластификатора - в виде исходного сырья.

Такое количество минерализатора недостаточно интенсифицирует процесс муллитообразования, а также малое количество минерализатора довольно трудно равномерно перемешать по всей массе смеси.

Указанное количество пластификатора недостаточно для обеспечения пластичности смеси для грануляции.

Перемешивают сухую смесь и для увлажнения дозировано вводят 16% по отношению к смеси 0,2%-ного водного раствора карбоксиметилцеллюлозы.

Такое количество и концентрация карбоксиметилцеллюлозы недостаточно для равномерного увлажнения смеси.

В гранулятор в конце процесса грануляции добавляют 5% измельченного до размера частиц 3 мкм обоженного материала для опудривания.

Такое количество обожженного материала недостаточно для опудривания гранул для того, чтобы обеспечить округлость гранул и исключить слипание гранул в грануляторе, размер частиц слишком мелкий, что ухудшает качество гранул, приводит к дополнительным энергозатратам при измельчении.

Гранулы окатывают до среднего размера 0,5 мм, сушат до относительной влажности 1%. Размер гранул слишком мал и влечет за собой значительное уменьшение количества выпускаемой продукции, а также при данном размере гранул не охвачен весь спектр товарных фракций. Данная влажность недостаточна, так как происходит пересушивание гранул и, как следствие, их разрушение в сухом состоянии.

Окончательный обжиг ведут при температуре 1370° С в течение 30 мин. При данной температуре обжига гранулы не обладают достаточной прочностью, времени недостаточно для спекания гранул и обеспечения их прочности.

Пример 2.

Производят термообработку исходного алюмосиликатного сырья при температуре 1200°С. Такая температура термообработки оптимальна для того, чтобы при разложении каолинита образовалось достаточное количество муллита, при котором прочность готовых гранул максимальна.

После термической обработки полученный материал подвергают помолу до среднего размера частиц 4 мкм и подают в гранулятор - интенсивный противоточный смеситель фирмы "EIRICH".

Размер частиц достаточный для того, чтобы обеспечить максимально плотную укладку частиц при гранулировании, что соответственно повышает прочность керамических гранул, а также повысить их сферичность и округлость.

Перед гранулированием в измельченное сырье вводят 2,1% минерализатора - MgO и 7,5% пластификатора - в виде исходного сырья (каолина).

Такое количество минерализатора достаточно для того, чтобы интенсифицировать процесс минералообразования и образования необходимого количества муллита.

Такое количество минерализатора позволяет сократить время термообработки до 45 мин при температуре обжига 1370-1450° С без потери прочности гранул.

Указанное количество пластификатора, т.е. 7,5%, достаточно для обеспечения пластичности смеси для грануляции и, следовательно, прочность гранул на сжатие после гранулирования повышается, и не происходит механического разрушения гранул в сухом состоянии и вследствие этого сохраняются высокие сферичность и округлость гранул.

Перемешивают сухую смесь и для увлажнения дозировано вводят 18% по отношению к смеси 0,3%-ного водного раствора карбоксиметилцеллюлозы.

Такое количество и концентрация карбоксиметилцеллюлозы достаточно для равномерного увлажнения смеси.

В гранулятор перед окончанием процесса грануляции добавляют 7,5% обожженного материала, измельченного до среднего размера частиц 4 мкм для опудривания.

Такое количество обожженного материала для опудривания с указанным размером частиц достаточно для опудривания гранул и обеспечивает при грануляции образование наибольшего количества целевой фракции, на поверхности гранул образуется необходимый слой материала с высоким содержанием муллита, а также достигаются высокие показатели их сферичности и округлости.

Гранулы окатывают до среднего размера 1,25 мм, сушат до относительной влажности 1,25%. Размер гранул достаточен для обеспечения полного спектра товарных фракций. Влажность оптимальна, чтобы исключить пересушивание материала и, как следствие, механическое разрушение сухих гранул, а также исключить простои оборудования из-за налипшего недосушенного материала.

Окончательный обжиг производят при температуре 1400° С в течение 45 мин, что обеспечивает наивысшую прочность керамических гранул.

Пример 3.

Производят термообработку исходного алюмосиликатного сырья при температуре 1250° С.

Такая температура термообработки приводит к дополнительным затратам как при проведении термообработки, так и при измельчении материала после термообработки. Качество гранул при этом не улучшается.

После термической обработки полученный материал подвергают помолу до среднего размера частиц 5 мкм и подают в гранулятор - интенсивный противоточный смеситель фирмы "EIRICH".

Помол с данным распределением дисперсности не обеспечивает максимально плотную укладку частиц при гранулировании, что соответственно снижает прочность керамических гранул, а также снижается сферичность и округлость гранул.

Перед гранулированием в измельченное сырье вводят 3,0% минерализатора - MgO и 10,0% пластификатора - в виде исходного сырья (каолина).

Такое количество минерализатора приводи к дополнительным затратам без заметного дальнейшего интенсифицирования процесса минералообразования.

Введение указанного количества пластификатора, т.е. 10,0%, приводит к увеличению затрат, а также к снижению прочности керамических гранул, что объясняется образованием внутренних дефектов при сушке гранул.

Перемешивают сухую смесь и для увлажнения дозировано вводят 20% по отношению к смеси 0,4%-ного водного раствора карбоксиметилцеллюлозы.

Такое количество и концентрация карбоксиметилцеллюлозы чрезмерно переуважняют смесь, что приводит к ухудшению качества смеси, требуется больше времени для сушки, что увеличивает энергозатраты.

В гранулятор добавляют 10,0% обожженного материала, измельченного до среднего размера частиц 5 мкм для опудривания гранул.

Такое количество обожженного материала для опудривания является излишним, так как приводит к дополнительным затратам, а также при гранулировании неиспользованные остатки материала опудривания остаются в виде пыли, что приводит к значительному снижению количества целевой фракции. Опудривание материалом, измельченным до среднего размера частиц 5 мкм, ухудшает сферичность и округлость гранул, а также гранулы имеют шероховатую поверхность.

Гранулы окатывают до среднего размера 2,0 мм, сушат до относительной влажности 1,5%. Данный размер гранул не обеспечивает полный спектр товарных фракций, то есть уменьшается количество целевой фракции. Влажность повышенная, следовательно, происходит ухудшение предварительного рассева для выделения целевой фракции, а также возникают простои оборудования из-за налипшего влажного материала.

Окончательный обжиг осуществляют при температуре 1450°С в течение 60 мин. Данная температура обжига и время обжига приводят к образованию "спеков" в печи, а также к дополнительным энергозатратам.

Таким образом, заявляемый способ получения легковесных, высокопрочных керамических гранул позволяет получить гранулы с насыпной плотностью 5-1,65 г/см³, высокой прочностью (не более 5% разрушенных гранул фракции 20/40 при давлении 70 МПа), позволяющей использовать данные гранулы на глубинах до 14000 футов (4200 м), сферичностью и округлостью 0.9, растворимостью в кислотах не более 3%. Заявляемый способ экономичен и производителен.

1. Способ производства легковесных, высокопрочных керамических гранул, включающий термическую обработку исходного алюмосиликатного сырья, в качестве которого используют каолин, помол, введение перед гранулированием минерализатора и пластификатора, гранулирование в интенсивном смесителе измельченного сырья при перемешивании и увлажнении органическим связующим, сушку, предварительный рассев для выделения целевой фракции, окончательный обжиг и рассев обожженных гранул, отличающийся тем, что термическую обработку исходного сырья осуществляют при температуре 1150-1250°С, помол осуществляют до размера частиц 3-5 мкм, перед гранулированием в качестве минерализатора вводят MgO в количестве 1,2-3,0% по отношению к массе смеси, и пластификатор в количестве 5-10% по отношению к массе смеси, увлажнение осуществляют дозированным добавлением 0,2-0,4%-го водного раствора органического связующего, в количестве 16-20% по отношению к массе смеси, смесь перемешивают до образования гранул размером 0,2-1,0 мм, в конце процесса гранулирования вводят обожженный молотый материал в количестве 5-10% по отношению к массе смеси, с размером частиц 3-5 мкм, окатывают до размера гранул 0,5-2 мм, сушку полученных гранул осуществляют до остаточной влажности не более 1,5%, окончательный обжиг ведут в течение 30-60 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора вводят исходное сырье каолин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического связующего вводят карбоксиметилцеллюлозу.