Патент на изобретение №2192397

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ СТЕКЛОМАТЕРИАЛОВ ИЗ ШЛАКОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области переработки шлаков цинкового производства в пористые теплоизоляционные материалы строительного назначения с попутным получением паров цинка. Способ получения пористых стекломатериалов из шлаков заключается в следующем: массовое соотношение SiO₂/CaO в шлаке состава, мас. %: SiO₂ 42,0-47,0, Al₂O₃ 17,0-20,0, Fe₂O₃ 6,0-8,0, СаО 24,0-30,0, MgO 4,0-6,0 ZnO 2,0-3,0, SO₃ 0,3-0,7, Na₂O 1,0-1,8, K₂O 0,5-1,1, TiO₂ 0,2-0,72 доводят до 0,9, вводят до 3 мас.% углерода, плавят в восстановительной среде и охлаждают силикатную часть расплава отливом в воду. Газовую часть паров цинка в виде возгонов состава, мас.%: ZnO 94,1, SiO₂ 1,2, Al₂O₃ 1,5, SO₃ 0,2, CaO 2,35, PbO 0,65 собирают в конденсаторе. Технический результат изобретения – снижение содержания сероводорода в пеноматериале до “следов” без использования химреактива и получение дополнительного продукта. 1 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к области переработки твердых отходов, в частности шлаков цинкового производства, в пористые теплоизоляционные стекломатериалы строительного назначения с попутным получением дополнительной продукции – пирон цинка, которой улавливаются в виде оксидных возгонов.

Известен способ получения стекломатериалов из золошлаковых отходов, заключающийся в том, что шихту следующего состава, мас.%:
СаО_общ. – 5-41
СаО_св. – 4-13
SiO₂ – 13-75
Al₂O₃ – 5-26
MgO – 6-3
Na₂O – 0,1-1,0
K₂O – 0,2-1,0
TiO₂ – 0,2
C – 1-2
Fe₂O₃ – 1-24
SO₃ – 0,1-0,6
плавят в восстановительной среде, а затем полученный расплав охлаждают в режиме термоудара в водной среде до образования пористого стекломатериала (патент Российской Федерации 2052400) /1/.

Данным способом получают стекломатериал с низким коэффициентом теплопроводности, что позволяет использовать его в качестве теплоизоляционного материала. Однако полученный материал содержит сероводород, снижающий его эксплуатационные свойства.

В известном способе (патент Российской Федерации 2114797) /2/ в шихте следующего состава, мас.%:
SiO₂ – 45-60
CaO – 20,3-40,0
Al₂O₃ – 1,5-15,0
MgO – 1,0-5,0
Fe₂O₃ – 5,0-9,0
MnO – 4,0-18,0
SO₃ – 0,1-3,0
Na₂O – 0,4-0,6
K₂O – 0,3-0,8
TiO₂ – 0,1-0,2
доводят содержание углерода до 3-8 мас.% и плавят в восстановительной среде. Затем полученный расплав охлаждают в режиме термоудара в водном растворе солей цинка с концентрацией 0,2-0,5 г/л. Данный способ выбран в качестве прототипа по максимальному совпадению существенных признаков.

Применение способа /2/ снижает эмиссию сероводорода из полученных стекломатериалов до значений ниже ПДК, но не исключает ее, а также требует использования химреактива (соли цинка) при реализации способа.

В основу заявляемого изобретения положена задача создания способа получения пористых стекломатериалов с содержанием сероводорода до “следов” без использования химреактива (солей цинка) с возможностью извлечения дополнительной продукции (оксидов цинка).

Поставленная задача решается тем, что в способе получения пористых стекломатериалов из шлаков цинкового производства, заключающемся в том, что в шлаке, состоящем из окислов SiO₂, CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O, SO₃, TiO₂ и введенного углерода до 3 мас.%, дополнительно содержится ZnO, а массовое соотношение SiO₂/CaO доводят до 0,9 и плавят в восстановительной печи, оборудованной охлаждаемой камерой (конденсатором) для улавливания возгонов. В результате восстановительного плавления кроме силикатной части расплава, при охлаждении которой в режиме термоудара в воде образуется пористый стекломатериал с содержанием сероводорода до “следов”, в охлаждаемой камере (конденсаторе) улавливаются возгоны, содержащие цинк.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в шлаке следующего состава, мас.%:
SiO₂ – 42,0-47,0
Al₂O₃ – 17,0-20,0
Fe₂O₃ – 6,0-8,0
CaO – 24,0-30,0
MgO – 4,0-6,0
ZnO – 2,0-3,0
SO₃ – 0,3-0,7
Na₂O – 1,0-1,8
K₂O – 0,6-1,1
TiO₂ – 0,2-0,72
массовое соотношение SiO₂/CaO доводят до 0,9 и плавят в восстановительной печи. Массовое соотношение SiO₂/CaO =0,9 позволяет снизить температуру жидкотекучего состояния и ускорить процесс образования карбидов кальция, алюминия и кремния, которые образуются в расплаве только после восстановления оксидов железа. Образование карбидов ускоряет процесс восстановления цинка, протекающий по реакции
ZnO+CO=Zn_пар+CO₂
Наличие небольших количеств CO₂ смещает реакцию восстановления оксида цинка влево. В области температур 1100-1250^oC идет процесс интенсивного испарения восстановленного цинка и осаждения его в виде оксида цинка на стенках конденсатора, т.е. происходит концентрация цинка. Полученный продукт (возгоны) состоит преимущественно из оксидов цинка (более 90%). В качестве примесей содержит незначительные количества оксидов кремния (1,2-1,4 мас.%), алюминия (1,5-1,95 мас.%), кальция (2,35 мас.%) и серы (0,2 мас.%), некоторый разброс концентраций которых связан с разбросом их концентраций в исходном шлаке. В случае наличия в исходном шлаке примесей свинца, он также будет переходить в возгоны в качестве примеси оксида цинка в количестве от 0 до 0,65 мас.%.

Содержащиеся в расплаве железо и углерод также участвуют в восстановлении цинка по реакции
ZnO+Fe=Zn_пар+FeO;
ZnO+C=Zn_пар+CO.

Восстановленный цинк способствует частичному перераспределению серы в газовую фазу вследствие ее большого сродства к цинку.

Пониженная окисленность силикатной части расплава, обусловленная соотношением SiO₂/CaO =0,9, и высокий восстановительный потенциал расплава приводит к неполному перераспределению серы в газовую и металлическую фазы, а частично сера остается в силикатной части расплава. В результате большого химического сродства серы к цинку и перехода ее в координационную сферу ионов цинка последний частично остается в силикатной части расплава в виде сульфида цинка. Это исключает образование сероводорода при отливе силикатной части расплава в воду.

Ниже предлагаемый способ получения пористых стекломатериалов и возгонов оксида цинка из шлаков цинкового производства поясняется конкретным примером его осуществления.

Пример 1.

В 50 кг шлака цинкового производства состава, мас.%:
SiO₂ – 42,18
Al₂O₃ – 17,08
Fe₂O₃ – 6,88
CaO – 24,62
MgO – 4,2
ZnO – 2,0
SO₃ – 0,5
Na₂O – 1,28
K₂O – 0,8
TiO₂ – 0,46
Вводят углерод до 3 мас.%, массовое соотношение SiO₂/СаО доводят до 0,9 и плавят в восстановительной среде. Силикатную часть расплава охлаждают в режиме термоудара контактом с водой. При этом получается пористый стекломатериал с эмиссией сероводорода 0,0005 мг/м³, что значительно ниже ПДК (т.е. “следы”).

В охлаждаемой камере (конденсаторе) осаждаются возгоны оксида цинка следующего состава, мас.%:
ZnO – 94,1
SiO₂ – 1,4
Al₂O₃ – 1,95
SO₃ – 0,2
СаO – 2,35.

Формула изобретения

1. Способ получения пористых стекломатериалов из шлаков путем плавления шихты, включающей SiO₂, СаО, Al₂O₃, MgO, Fe₂O₃, SO₃, Na₂O, K₂O, TiO₂ в восстановительной среде, причем перед плавлением вводят углерод до 3 мас. %, и последующего охлаждения силикатной части расплава в режиме “термоудара”, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит ZnO, массовое соотношение SiO₂/СаО в шлаке доводят до 0,9 при следующем содержании компонентов в исходном шлаке, мас. %:
SiO₂ – 42,0-47,0
Al₂O₃ – 17,0-20,0
Fe₂O₃ – 6,0-8,0
СаO – 24,0-30,0
MgO – 4,0-6,0
ZnO – 2,0-3,0
SO₃ – 0,3-0,7
Na₂O – 1,0-1,8
K₂O – 0,5-1,1
TiO₂ – 0,2-0,72
а охлаждение силикатной части расплава осуществляют отливом в воду.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовую часть паров цинка в виде возгонов оксида цинка состава, мас. %: ZnO – 94,1; SiO₂ – 1,2; Al₂O₃ – 1,5; SO₃ – 0,2; СaO – 2,35; PbО – 0,65 собирают в конденсаторе.