Патент на изобретение №2361825

(54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ БАЗАЛЬТОВОГО СЫРЬЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии получения базальтовых материалов с заданными свойствами. Способ подготовки базальтового сырья включает дробление исходной базальтовой породы, выщелачивание 10÷32% водным раствором соляной кислоты при температуре (20÷100)°С в течение 1.5÷3.5 часов, отделение твердой фазы от раствора и сушку. Выщелачивание проводят при соотношении жидкой фазы к твердой, равном 5÷10:1. Техническая задача изобретения состоит в оптимизации состава отдельного месторождения базальта с попутным извлечением ценных компонентов. 1 табл.

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

Базальт – это магматическая горная порода, основу которой составляет плагиоклаз лабрадор – изоморфная смесь альбита NaAl[Si₃O₈] и анортита CaAl₂[Si₂O₈]. Присутствуют также пироксены, представленные, в основном, авгитом – изоморфная смесь диопсида CaMg[Si₂O₆] и геденбергита СаFе[Si₂O₆]; оливин – твердые растворы форстерита Mg₂[SiO₄] и фаялита Fe₂[SiO₄]; магнетит FеО·Fе₂О₃ и другие минералы.

Химический состав базальтов различных месторождений колеблется в широких пределах, мас.%: 43÷58 SiO₂; 11÷20 Аl₂О₃; 7÷14 CaO; 4÷14 MgO; 8÷16 FeO+Fe₂O₃; 1÷5 Na₂O.

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. С другой стороны, значение коэффициента кислотности > 4 для базальтовых однокомпонентных, не содержащих корректирующих добавок шихт затрудняет плавление и повышает вязкость расплава [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+Аl₂О₃+TiO₂) / (CaO+MgO+Fе₂O₃+FeO+К₂О+Na₂O). Очевидно, что регулируя соотношение элементов, входящих в состав базальта, можно влиять на такие свойства расплавов, как вязкость и кристаллизационная способность. Например, кремний и алюминий повышают вязкость и снижают кристаллизационную способность расплавов, а 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.26-27].

На практике из базальта конкретного месторождения не всегда можно получить материалы и изделия с заданными потребительскими свойствами без проведения предварительной подготовки исходного сырья путем оптимизации его состава.

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

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

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

Существенным недостатком является то, что собственно изменение состава проходит на стадии плавления базальта. Доломит и известь, являясь тугоплавкими добавками, требуют выдержки расплава при температурах на 50÷250°С выше температуры плавления и непрерывного перемешивания. Глины и суглинки обладают непостоянством химического состава, многокомпонентностью и коротким литейным интервалом, что делает процесс подшихтовки дополнительной ресурсо- и энергозатратной технологической стадией.

Еще одним недостатком является то, что введение в шихту доломита снижает механическую прочность изделий базальтового литья [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 гравитационной дифференциации расплава на легкую и тяжелую фракции. Изменение 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 подготовки базальтового сырья для целей производства базальтовых волокон или изделий каменного литья с заданными потребительскими свойствами, расширения области возможного применения базальта отдельно взятого месторождения, а также создание ресурсо- и энергосберегающей технологии изменения состава базальтового сырья.

Технический результат достигается тем, что предложен способ подготовки базальтового сырья путем направленного изменения соотношений компонентов базальта, заключающийся в том, что исходную базальтовую породу дробят, подвергают выщелачиванию 10÷32% водным раствором соляной кислоты при температуре 20÷100°С в течение 1.5÷3.5 часов, твердую фазу отделяют от раствора и сушат.

Целесообразно, что выщелачивание проводят при соотношении жидкой фазы к твердой, равном (5-10):1.

Базальтовую породу дробят до крупности 5-20 мм.

Интервал концентраций хлороводородной кислоты обусловлен тем, что при значениях < 10% степень перехода в раствор отдельных компонентов незначительна, а значение 32% соответствует концентрации соляной кислоты, выпускаемой промышленностью.

Выбор температур обусловлен эффективностью процесса выщелачивания в интервале от комнатной до температуры кипения жидкой фазы.

Продолжительность процесса выщелачивания обусловлена тем, что до 1.5 часов он проходит интенсивно, а после 3.5 часов заметного повышения степени перехода базальта в раствор не наблюдается.

Оставшуюся твердую фазу отделяют центрифугированием и сушат до остаточной влажности 5÷10%.

Соотношение жидкой фазы к твердой определяется тем, что при Ж:Т меньше пяти наблюдается дефицит хлор-иона, а увеличение соотношения Ж:Т свыше 10 не приводит к существенному повышению степени выщелачивания компонентов базальтового сырья.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Исходное базальтовое сырье известного химического состава подвергают дроблению, после чего выщелачивают 10÷32 мас.% НСl в течение 1.5÷3.5 часов при перемешивании и температуре 20÷100°С, желательно при соотношении Ж:Т от 5:1 до 10:1, отделяют твердую фазу от раствора, которую высушивают.

Способ позволяет направленно изменять соотношения компонентов базальтового сырья определенного месторождения для достижения различных качественных показателей и получить однокомпонентную базальтовую шихту, готовую для целевого использования в производстве различных типов волокон, либо изделий каменного литья. Направленность процесса подготовки сырья определяется тем, что степени перехода отдельных компонентов в раствор определяются конкретными условиями выщелачивания.

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

Выбор технологических параметров в приведенных Примерах сделан на основании выполненных нами экспериментальных исследований по выщелачиванию базальтов различных месторождений России хлороводородной кислотой. Результаты этих исследований сведены в Таблицу “Усредненные значения коэффициентов выщелачивания (К_выщ.) оксидов основных элементов, входящих в состав базальта, раствором хлористоводородной кислоты”.

Пример 1. 100 кг сырья месторождения Свиягинское (Приморский край), содержащего, мас.%: SiO₂ – 41,78; Аl₂О₃ – 13,85; TiO₂ – 2,02; CaO -10,32; MgO – 12,94; Fе₂O₃+FeO – 14,20; К₂О – 0,99; Na₂O – 0,83, прочие 3,07; и имеющего коэффициент кислотности 1,47, подвергают дроблению до крупности 2÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=5:1 в течение 1,5 часов 10 мас.% НСl при 100°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 4,28, содержащую, мас.%: SiO₂ – 65,18; Аl₂О₃ – 13,24;

TiO₂ – 2,65; CaO – 6,75; MgO – 1,90; Fе₂О₃+FeO -7,67; К₂O – 1,60; Na₂O – 1,01. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства тонких, супертонких и непрерывных волокон.

Пример 2. 100 кг сырья месторождения Первоуральское (Свердловская обл.), содержащего, мас.%: SiO₂ – 39,77; Аl₂О₃ – 16,13; TiO₂ – 1,27; CaO – 10,52; MgO – 12,26; Fе₂О₃+FeO – 16,58; К₂О – 1,34; Na₂O – 1,43, прочие 3,14; и имеющего коэффициент кислотности 1,33, подвергают дроблению до крупности 2÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=7,5:1 в течение 2,5 часов 18 мас.% НСl при 70°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 2,99, содержащую, мас.%: SiO₂ – 56,99; Аl₂О₃ – 16,46;

TiO₂ – 1,50; CaO – 7,28; MgO – 1,39; Fе₂О₃+FeO – 12,90; К₂О – 1,73; Na₂O – 1,75. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для получения микрокристаллического волокна с температурой применения до 1000°С.

Пример 3. 100 кг сырья месторождения Булатовское (Архангельская обл.), содержащего, мас.%: SiO₂ – 47,24; Аl₂O₃ – 11,41; TiO₂ – 0,30; CaO – 9,80; MgO – 15,90; Fе₂О₃+FeO – 12,01; К₂О – 0,41; Na₂O – 1,23, прочие 1,72; и имеющего коэффициент кислотности 1,50, подвергают дроблению до крупности 2÷20 мм и выщелачивают при соотношении Ж:Т=10:1 в течение 3,5 часов 32 мас.% НСl при 20°С. Отделенный от раствора твердый осадок представляет собой однокомпонентную базальтовую шихту с коэффициентом кислотности 3,43, содержащую, мас.%: SiO₂ – 62,72; Аl₂O₃ – 13,90;

TiO₂ – 0,39; CaO – 8,52; MgO – 4,23; Fе₂О₃+FeO – 8,01; К₂О – 0,58; Na₂O – 1,65. Полученная однокомпонентная шихта пригодна для производства высококачественных волокон и изделий каменного литья.

Растворы выщелачивания после регенерации избыточной хлороводородной кислоты могут быть подвергнуты переработке существующими методами с получением огнеупоров на основе оксида магния, алюмосодержащих коагулянтов, оксидов железа и др.

Регулируя условия выщелачивания, осуществляют комплексное многовариантное оптимизирование состава сырья отдельного месторождения и получают однокомпонентную шихту с требуемым коэффициентом кислотности для производства различных видов базальтовых изделий, а также попутно извлекают ценные компоненты.

Формула изобретения

Способ подготовки базальтового сырья, включающий дробление исходной базальтовой породы, выщелачивание 10÷32%-ным водным раствором соляной кислоты при температуре (20÷100)°С в течение 1,5÷3,5 ч, отделение твердой фазы от раствора и сушку, причем выщелачивание проводят при соотношении жидкой фазы к твердой, равном 5÷10:1.