Способ получения шихты для синтеза волластонита и ее состав

Изобретение относится к получению синтетического волластонита из природного сырья и техногенных отходов и может быть использовано при производстве строительной керамики, фарфоровых и полуфарфоровых изделий, керамических плиток, сухих строительных смесей, высокопрочного цементного раствора и др. Техническим результатом изобретения является снижение брака изделий, утилизация отходов производства. Способ получения шихты для синтеза волластонита, включающий тонкий помол кальцийсодержащего компонента шихты, осуществляют в шаровой мельнице сухим способом до полного прохода через сито 0063. Приготовление сырьевой смеси осуществляют смешением в шаровой мельнице в течение 0,5 часа тонкоизмельченного кальцийсодержащего компонента с аморфным кремнеземом исходной дисперсности в количестве, обеспечивающем молярное соотношение

CaO:SiO₂, равное 0,9-1. Последующая пластификация сырьевой смеси за счет добавления органического связующего. Уплотнение сырьевой смеси осуществляют брикетированием полусухим прессованием под давлением 20-25 МПа. Затем осуществляют сушку и обжиг при температуре 1000-1050°C с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 часа. Состав шихты для синтеза волластонита включает следующие компоненты в мас.%: кальцийсодержащий компонент из группы мел, известняк - 60-62,5; микрокремнезем - 37,5-40,0; органическое связующее - 6-8 (сверх 100). 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к получению синтетического волластонита из природного сырья и техногенных отходов и может быть использовано при производстве строительной керамики, фарфоровых и полуфарфоровых изделий, керамических плиток, сухих строительных смесей, высокопрочного цементного раствора и др.

Известен способ и состав шихты для синтеза волластонита, содержащий мел и трепел при молярном соотношении SiО₂:CaO=1,7. Исходную смесь измельчают до остатка 2-3% на сите 0063, после чего обжигают при температуре 1150°С /Гальперина М.К., Грум-Гржимайло О.С., Митрохин B.C., Тарантул Н.П. Синтез волластонита из трепела. - Стекло и керамика. - 1982, №2, с.16-17/. Недостатком способа является высокая температура синтеза и невысокий выход целевого продукта - 72% (90% от теоретического выхода).

Известен состав и способ получения шихты для синтеза волластонита, включающей кремнеземистый компонент из группы трепел, опока, диатомит (основа); мел (20-60 мас.%), кальцинированную соду (0,1-0,3 мас.%) и жидкое стекло (уд. вес.1,5 г/см³) (0,3-0,8 мас.%). Трепел (диатомит) дробят на бегунах, затем совместно с кальцинированной содой и водой загружают в шаровую мельницу и измельчают до остатка на сите 0063 в пределах 0,1-0,3%, после чего вводят мел и жидкое стекло и перемешивают. Приготовленную суспензию высушивают в распылительном сушиле, после чего обжигают в печи. В заводских условиях при температуре 1120-1150°С и длительности обжига 30-40 минут выход волластонита составляет 78-90% /Рохваргер Е.Л., Гальперина М.К., Лыхина Н.С. Шихта для синтеза волластонита. А.с. СССР №480676. Заявлено 04.03.1974, опубл. 15.08.1975/. К недостаткам указанного способа относятся высокая температура синтеза и недостаточно высокий выход целевого продукта.

Известен состав шихты для синтеза волластонита, включающей трепел, мел, жидкое стекло и соду кальцинированную, которая с целью снижения температуры синтеза и увеличения выхода волластонита дополнительно содержит добавку волластонита (1-8 мас.%). Синтез волластонита проводят при температуре 1000-1050°С, содержание волластонита в готовом материале составляет 90-93% /Павлов В.Ф., Веричев Е.Н., Митрохин B.C. Шихта для синтеза волластонита. А.с. СССР №927783. Заявлено 09.07.80, опубл. 15.05.82 БИ №18/. Недостатком, как и в предыдущем случае, является невысокий выход целевого продукта.

Известен способ получения шихты для синтеза волластонита, который включает в себя диспергирование диатомита и мела в содово-силикатном растворе при соотношении Т:Ж=1:(3-4) и мольном соотношении CaO:SiО₂=0,9:1,25; перемешивание суспензии при температуре 5-40°С в течение 10-15 мин; отделение жидкой фазы; промывание твердой фазы с последующим введением в качестве затравки волластонита. Из высушенной при 100-105°С шихты получают волластонит путем обжига при температуре 1000-1050°С в течение 30 мин. Способ позволяет получать волластонит с выходом 95-97% /Никифоров Е.А., Гладун В.Д., Акатьева Л.В. и др. Способ получения шихты для синтеза волластонита. Патент РФ на изобретение №2205792. Заявлено 08.02.2002, опубл. 10.06.2003/.

Наиболее близким к предлагаемому является способ и состав шихты для синтеза волластонита, содержащей кремнеземистый известняк - природную гомогенную тонкодисперсную композицию кальцита и кремнезема в соотношении, близком к волластониту. Шихту готовят совместным сухим помолом кремнеземистого известняка с трепелом (молярное соотношение CaO:SiO₂=0,9) до полного прохождения через сетку 05, гранулируют, сушат и обжигают гранулы с выдержкой 2 часа при максимальной температуре обжига 1100°С /Балкевич В.Л., Перес Ф.С., Когос А.Ю. и др. Синтез волластонита из природной карбонатно-кремнеземистой композиции. - Стекло и керамика. - 1985. - №1. - С.20-21/. Недостатком способа являются жесткие требования по химическому и фазовому составу кремнеземистого известняка, что определяет ограниченность сырьевой базы, высокая температура синтеза (1100°С) и невысокий выход целевого продукта - 85% (96% от теоретически возможного).

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выхода готового продукта до 97-98%, расширение сырьевой базы для синтеза волластонита и решение экологических проблем за счет использования техногенного компонента - микрокремнезема, который является отходом производства кристаллического кремния и ферросилиция.

Изобретение заключается в активации твердофазового синтеза волластонита по керамической технологии из смеси природного известкового сырья и реакционноактивного техногенного кремнеземистого сырья, что обеспечивается совокупностью операций, включающей тонкий помол кальцийсодержащего компонента (мела, известняка) в шаровой мельнице сухим способом до полного прохода через сито 0063, добавление в шаровую мельницу к тонкоизмельченному кальцийсодержащему компоненту добавки аморфного кремнезема (микрокремнезема) исходной дисперсности в количестве, обеспечивающем молярное соотношение

CaO:SiO₂, равное 0,9-1, гомогенизацию сырьевой смеси перемешиванием в течение 0,5 часа в шаровой мельнице, пластификацию сырьевой смеси за счет введения органического связующего, брикетирование пластифицированной сырьевой смеси полусухим прессованием под давлением 20-25 МПа, обжиг брикетированной шихты при температуре 1000-1050°C с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 часа.

Предлагаемая шихта для синтеза волластонита содержит в своем составе, мас.%:

- кальцийсодержащий компонент из группы мел, известняк - 60-62,5;

- микрокремнезем - 37,5-40,0;

- органическое связующее (1,5%-ный раствор метилцеллюлозы или 10%-ный раствор лигносульфоната кальция) - 6-8 (сверх 100).

Целесообразность выбора в качестве кремнеземсодержащего компонента шихты для синтеза волластонита аморфного тонкодисперсного кремнезема в виде микрокремнезема обусловлена его повышенной реакционной способностью за счет особенностей структурно-фазового состава - полностью рентгеноаморфным состоянием и высокой дисперсностью с изометрическими частицами размером 0,3-0,5 мкм.

Уменьшение количества вводимой добавки микрокремнезема менее 37,5% (менее стехиометрического содержания) недостаточно для обеспечения теоретического выхода волластонита.

Увеличение количества вводимой добавки микрокремнезема более 40% снижает выход волластонита за счет присутствия в готовом продукте избыточного кремнезема в виде кристобалита.

Измельчение кальцийсодержащей добавки (мела и известняка) до размера частиц менее 0,063 мм необходимо для создания однородного тонкодисперсного компонента, обладающего повышенной дефектностью структуры и развитой поверхностью контакта с частицами микрокремнезема, что в совокупности обеспечивает максимальную полноту протекания процессов синтеза волластонита за счет увеличения скорости и интенсивности реакций в твердой фазе.

Выбор уплотняющего давления 20-25 МПа при брикетировании шихты полусухим прессованием обусловлен необходимостью обеспечения максимальной степени уплотнения шихты, оцениваемой по величине кажущейся плотности формовки, с целью приведения в непосредственный контакт частиц реагирующих компонентов. Использование давления прессования ниже 20 Мпа не обеспечивает необходимой степени уплотнения; повышение давления прессования сверх 25 Мпа нецелесообразно ввиду незначительного увеличения степени уплотнения.

Обжиг брикета при температуре 1000-1050°С необходим для обеспечения максимального выхода целевого продукта.

Понижение температуры обжига менее 1000°С не обеспечивает полноты протекания процесса твердофазового синтеза волластонита. Обжиг при температурах более 1050°С нецелесообразен ввиду незначительного увеличения содержания синтезированного волластонита.

Пример

В качестве природного кальцийсодержащего сырья использовались известняк Каменского месторождения Томской области и мел Белгородского месторождения. В качестве кремнеземистого сырья использовался технический продукт в виде микрокремнезема, который является отходом производства кристаллического кремния и ферросилиция Новокузнецкого завода ферросплавов.

Химический состав исходных компонентов приведен в таблице 1. Разработка компонентных составов шихт для синтеза волластонита проводилась на основании стехиометрического состава волластонита - 48,3 мас.% СаО и 51,7 мас.% SiO₂ (таблица 2).

Кальцийсодержащий сырьевой компонент (мел, известняк) измельчался сухим способом в шаровой мельнице до полного прохода через сито 0063, а микрокремнезем использовался с исходным зерновым составом. Гомогенизация сырьевой смеси проводилась путем добавления микрокремнезема к тонкоизмельченному карбонатному сырью в шаровую мельницу при дополнительном перемешивании в течение не менее 0,5 часа. Пластификация сырьевой смеси проводилась в двухвальном смесителе путем введения органического связующего (1,5%-ного раствора метилцеллюлозы или 10%-ного раствора лигносульфоната кальция) в количестве, обеспечивающем влажность шихты 6-8%.

Уплотнение пластифицированной шихты проводилось полусухим прессованием под давлением 20-25 Мпа.

Брикетированная шихта обжигалась при температуре 1000-1050°С с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 часа.

Влияние состава шихты и условий синтеза на выход волластонита приведено в таблице 3.

Использование аморфного тонкодисперсного кремнезема в виде микрокремнезема, обладающего повышенной реакционной способностью за счет особенностей химического и структурно-фазового состава - наличия щелочных примесей, полностью рентгеноаморфного состояния и высокой дисперсности с изометрическими частицами размером 0,3-0,5 мкм в совокупности с оптимальными технологическими режимами процесса способствуют активации твердофазового синтеза волластонита.

1. Способ получения шихты для синтеза волластонита, включающий подготовку сырьевых компонентов, приготовление шихты, уплотнение сырьевой смеси, сушку и обжиг уплотненной шихты, отличающийся тем, что тонкий помол кальцийсодержащего компонента шихты осуществляют в шаровой мельнице сухим способом до полного прохода через сито 0063, приготовление сырьевой смеси состоит в смешении в шаровой мельнице в течение 0,5 ч тонкоизмельченного кальцийсодержащего компонента с аморфным кремнеземом исходной дисперсности в количестве, обеспечивающем молярное соотношение CaO:SiO₂ равное 0,9-1, пластификацию сырьевой смеси проводят за счет добавления к смеси органического связующего, уплотнение сырьевой смеси осуществляют брикетированием полусухим прессованием под давлением 20-25 МПа, а обжиг брикетов проводят при температуре 1000-1050°С с выдержкой при максимальной температуре в течение 1 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве аморфного кремнезема используют отход при производстве ферросилиция в виде микрокремнезема.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического связующего используют 1,5%-ный раствор метилцеллюлозы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического связующего используют 10%-ный раствор лигносульфоната кальция.

5. Состав шихты для синтеза волластонита способом по п.1, содержащий кальцийсодержащий компонент и микрокремнезем при их содержании в шихте, обеспечивающем следующее соотношение компонентов, мас.%:

кальцийсодержащий компонент из группы мел, известняк	60-62,5
микрокремнезем	37,5-40,0
органическое связующее	6-8 (сверх 100)