ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКОЛЬНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА

ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКОЛЬНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА


RU (11) 2246457 (13) C1

(51) 7 C03C11/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 13.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003118339/03 
(22) Дата подачи заявки: 2003.06.17 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.06.17 
(45) Опубликовано: 2005.02.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2164898 C1, 10.04.2001. RU 2146234 C1, 10.03.2000. GB 1442854 A, 14.07.1976. US 2611712 A, 23.09.1952. 
(72) Автор(ы): Калинников В.Т. (RU); Макаров В.Н. (RU); Суворова О.В. (RU); Макаров Д.В. (RU); Кулькова Н.М. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (RU) 
Адрес для переписки: 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, ул. Ферсмана, 14, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского НЦ РАН, патентный отдел, В.П Ковалевскому 

(54) ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКОЛЬНОГО ОБЛИЦОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности пеностекольного облицовочного материала с пониженной теплопроводностью, используемого при реконструкции промышленных и гражданских зданий. Шихта включает, мас.%: стеклобой 58,5-64,5, отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 15,0-22,6, кварц 15,5-17,2, газообразователь 3,3-4,0. Отходы обогащения апатито-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%: нефелин 50,0-65,0, полевые шпаты 2,5-12,0, вторичные минералы по нефелину 0,5-7,0, эгирин 7,0-27,0, апатит 2,0-8,0, сфен 1,5-5,0, титаномагнетит 2,0-5,0. В качестве газообразователя берут мел и сажу или графит в соотношении 4,8-8,5:1. Использование предлагаемой шихты позволяет снизить плотность пеностекольного облицовочного материала в среднем в 1,25 раза и уменьшить его теплопроводность в 1,27 раза. Прочность, водопоглощение и морозостойкость получаемого материала отвечают требованиям ГОСТа. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности пеностекольного облицовочного материала с пониженной теплопроводностью, используемого при реконструкции промышленных и гражданских зданий.

Известна шихта для получения пеностекла (см. авт. св. СССР №393227, МКИ С 03 С 11/00, 1973), содержащая стекло состава, мас.%: SiO2 68-71, СаО+MgO 5-9, R 2O 14,5-15,0, Fе2О3 до 5, SO 3 0,2-0,4, Аl2О3 3-10 и газообразователь. 

Недостатками шихты являются неравномерно пористая структура и нестабильный объемный вес получаемого материала, вследствие чего отдельные составы имеют повышенную плотность и теплопроводность. Кроме того, стекло, входящее в состав шихты, предварительно варят при температуре 1450°С, а оксид алюминия вводят в шихту в виде нефелинового концентрата, который является товарным продуктом. 

Известна также шихта для получения пеностекольного облицовочного материала (см. патент РФ №2164898, МПК7 С 03 С 11/00, 1999), включающая стеклобой, нефелиновый сиенит, гидрат окиси натрия и вулканическое стекло - перлит, при следующем соотношении компонентов, мас.%: стеклобой 45-55, нефелиновый сиенит 5-15, гидрат оксида натрия 7-9 и вулканическое стекло - остальное. Указанный состав позволяет получать пеностекло плотностью от 411 до 601 кг/м3 при обычной подготовке шихты и от 240 до 321 кг/м3 при применении механоактивации материала. 

Недостатками данной шихты являются повышенная плотность и теплопроводность получаемого пеностекольного материала. Кроме того, она предполагает использование дефицитного первичного сырья - перлита и дорогостоящего продукта - гидрата окиси натрия.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи снижения плотности и теплопроводности получаемого облицовочного материала, а также расширения сырьевой базы за счет вовлечения в переработку отходов горнопромышленного комплекса.

Поставленная задача решается тем, что шихта для получения пеностекольного облицовочного материала, включающая стеклобой и нефелиновый компонент, согласно изобретению дополнительно содержит кварц и газообразователь, а в качестве нефелинового компонента - отходы обогащения апатито-нефелиновых руд при следующем соотношении компонентов, мас.%:

стеклобой 58,5-64,5

отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 15,0-22,6 

кварц 15,5-17,2

газообразователь 3,3-4,0

Поставленная задача решается также тем, что отходы обогащения апатито-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%:

нефелин 50,0-65,0

полевые шпаты 2,5-12,0

вторичные минералы по нефелину 0,5-7,0

эгирин 7,0-27,0

апатит 2,0-8,0

сфен 1,5-5,0

титаномагнетит 2,0-5,0

Поставленная задача решается и тем, что в качестве газообразователя берут мел и сажу или графит в соотношении 4,8-8,5:1.

Основным компонентом шихты для получения пеностекольного облицовочного материала является стеклобой тарного или листового стекла. При расходе стеклобоя менее 58,5 мас.% повышается температура вспенивания массы, что нежелательно, и увеличивается плотность облицовочного материала, а соответственно и теплопроводность. Увеличение расхода этого компонента более 64,5 мас.% приводит к снижению вязкости силикатного расплава, укрупнению газовых пузырей и прорыву газовой фазы. Это, в свою очередь, ухудшает технические характеристики, в частности, увеличивается плотность материала. Замена кондиционного перлита стеклобоем и кварцем способствует снижению экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку негорючие и биостойкие стеклоотходы необратимо загрязняют ландшафт. С другой стороны, использование стеклобоя тарного или листового стекла является источником экономии щелочи и электроэнергии.

В составе сырья наряду со стеклом присутствуют кристаллические фазы, в том числе и тугоплавкие - нефелин и кварц. Их перевод в жидкую фазу осуществляют путем растворения в расплаве, и чем крупнее исходные зерна, тем дольше это происходит. При крупности сырья, соответствующей удельной поверхности материала 3000 см2/г, часть кристаллических фаз сохраняется и в конечном продукте. В этой связи применение механоактивации материала позволяет ускорить гомогенизацию и полное плавление материала, улучшить его структуру и снизить плотность.

Отходы обогащения апатито-нефелиновых руд характеризуются более низким по сравнению с нефелиновым концентратом содержанием нефелина и других алюмосиликатов, в частности полевых шпатов и вторичных минералов по нефелину. Вторичные минералы по нефелину - это продукты частичного разложения нефелина в процессе выветривания, минералы типа цеолитов, глинистые минералы и т.п. Важной составной частью отходов является эгирин или эгирин-авгит, содержание которого колеблется от 7 до 27 мас.%. Этот минерал плавится инконгруэнтно (начало плавления 980°С, полное плавление - 1305°С) и образует эвтектики как с нефелином, так и с альбитом, дисиликатом натрия и кварцем. При содержании отходов обогащения апатито-нефелиновых руд менее 15 мас.% происходит снижение вязкости силикатного расплава и ухудшение структуры пеностекольного материала, а также удорожание материала. Увеличение расхода этого компонента более 22,6 мас.% приводит к увеличению вязкости силикатного расплава, что затрудняет вспенивание шихты, и к возрастанию плотности и теплопроводности материала.

Образование легкоплавких эвтектик с нефелином и снижение тем самым температуры вспенивания шихты позволяет эффективно использовать кварц в составе пеностекольного материала. Количество кварца должно составлять не менее 15,5 мас.% для сохранения высоких технических характеристик, в частности плотности, а значит и теплопроводности пеностекольного материала. При содержании кварца более 17,2 мас.% в конечном продукте присутствуют кристаллические фазы, что значительно увеличивает его плотность.

В качестве газообразователя при получении пеностекольного облицовочного материала используется мел и сажа или графит в количестве 3,3-4,0 мас.%. Содержание газообразователя в количестве менее 3,3 и более 4,0 мас.% нежелательно по причине увеличения плотности и теплопроводности материала. При соотношении мела и сажи или графита менее 4,8:1 для получения материала равномерной средней пористости необходимо вводить дополнительно окислитель. При соотношении мела и сажи или графита более 8,5:1 необходимо увеличение газообразователя почти в 2 раза в связи с выделением СО2, а не СО.

Сущность и преимущества заявляемой шихты поясняются нижеследующими Примерами 1-5. Во всех Примерах стеклобой и кварц предварительно размалывают в шаровой мельнице до порошка с удельной поверхностью 2500-3000 см2/г. Далее приготавливают пенообразующую шихту путем смешения компонентов, мас.%: стеклобой 58,5-64,5, отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 15,0-22,6, кварц 15,5-17,2 и газообразователь 3,3-4,0. Полученную смесь подвергают механоактивации до обеспечения удельной поверхности 4000-7000 см2/г, засыпают порциями в металлические формы и направляют на термообработку. Термообработку шихты осуществляют по следующему температурно-временному режиму: нагревание до температуры 850°С в течение 2-3 ч, подъем температуры до 900°С со скоростью 0,6 град./мин, выдержка при этой температуре в течение 0,5-1 ч, резкое охлаждение на 100-150°С в течение 5 мин и последующее медленное охлаждение до температуры окружающей среды. Составы шихты для получения пеностекольного облицовочного материала по Примерам 1-5 приведены в Таблице 1. Основные характеристики полученного пеностекольного облицовочного материала приведены в Таблице 2. Отходы обогащения апатито-нефелиновых руд используют в виде отходов апатитовой флотации состава, мас.%: нефелин 55-65, полевые шпаты 8-12, вторичные минералы по нефелину 3-7, эгирин 7-11, апатит 4-8, сфен 1,5-3, титаномагнетит 2-3 или отходов нефелиновой флотации состава, мас.%: нефелин 50-55, полевые шпаты 2,5-4,0, вторичные минералы по нефелину 0,5-2, эгирин 23-27, апатит 2,0-3,5, сфен 4-5, титаномагнетит 4-5.

Пример 1. Производят сухой помол стеклобоя и кварца в шаровой мельнице до получения порошка с удельной поверхностью 2500 см2/г. Далее путем смешения приготавливают пенообразующую шихту состава, мас.%: стеклобой - 58,5, отходы нефелиновой флотации - 22,6, кварц - 15,5, мел и графит - соответственно 2,9 и 0,5 (5,8:1). Полученную смесь подвергают механоактивации до удельной поверхности 4000 см2/г, засыпают в металлическую форму и подвергают термической обработке по следующему режиму: 2 ч - подъем температуры до 850°С, затем подъем температуры до 900°С со скоростью 0,6 град./мин, выдержка (вспенивание) при этой температуре в течение 0,5 ч, резкое охлаждение на 100-150°С в течение 5 мин и последующее медленное охлаждение до температуры окружающей среды. Полученный пеностекольный облицовочный материал имеет следующие характеристики: плотность без механоактивации - 380 кг/м3, плотность при наличии механоактивации - 200 кг/м3, предел прочности при сжатии - 1,3 МПа, теплопроводность без механоактивации - 0,11 Вт/м°С, теплопроводность при наличии механоактивации - 0,08 Вт/м°С, водопоглощение - 2,95%, морозостойкость - не менее 50 циклов.

Пример 2. Производят сухой помол стеклобоя и кварца в шаровой мельнице до получения порошка с удельной поверхностью 3000 см2 /г. Далее путем смешения приготавливают пенообразующую шихту состава, мас.%: стеклобой - 64,5, отходы апатитовой флотации - 15,0, кварц - 17,2, мел и сажа - соответственно 2,9 и 0,4 (7,25:1). Полученную смесь подвергают механоактивации до обеспечения удельной поверхности 7000 см2/г, засыпают в металлическую форму и подвергают термической обработке по следующему режиму: 3 ч - подъем температуры до 850°С, затем подъем температуры до 900°С со скоростью 0,6 град./мин, выдержка (вспенивание) при этой температуре в течение 1 ч, резкое охлаждение на 100-150°С в течение 5 мин и последующее медленное охлаждение до температуры окружающей среды. Полученный пеностекольный облицовочный материал имеет следующие характеристики: плотность без механоактивации - 410 кг/м3, плотность при наличии механоактивации - 210 кг/м3, предел прочности при сжатии - 1,9 МПа, теплопроводность без механоактивации - 0,13 Вт/м°С, теплопроводность при наличии механоактивации - 0,085 Вт/м°С, водопоглощение - 1,75%, морозостойкость - не менее 50 циклов.

Пример 3. Готовят пенообразующую шихту состава, мас.%: стеклобой - 61,1, отходы апатитовой флотации - 18,7, кварц - 16,2, мел и графит - соответственно 3,4 и 0,6 (5,7:1) и получают пеностекольный облицовочный материал аналогично Примеру 2. Полученный материал имеет следующие характеристики: плотность без механоактивации - 390 кг/м3, плотность при наличии механоактивации - 200 кг/м3, предел прочности при сжатии - 1,7 МПа, теплопроводность без механоактивации - 0,11 Вт/м °С, теплопроводность при наличии механоактивации - 0,08 Вт/м°С, водопоглощение - 1,85%, морозостойкость - не менее 50 циклов.

Пример 4. Готовят пенообразующую шихту состава, мас.%: стеклобой - 62,5, отходы нефелиновой флотации – 17,3, кварц – 16,7, мел и сажа - соответственно 2,9 и 0,6 (4,8:1) и получают пеностекольный облицовочный материал аналогично Примеру 1. Полученный материал имеет следующие характеристики: плотность без механоактивации - 410 кг/м3, плотность при наличии механоактивации - 210 кг/м3, предел прочности при сжатии - 1,8 МПа, теплопроводность без механоактивации - 0,13 Вт/м°С, теплопроводность при наличии механоактивации - 0,085 Вт/м°С, водопоглощение - 2,70%, морозостойкость - не менее 50 циклов.

Пример 5. Готовят пенообразующую шихту состава, мас.%: стеклобой - 60,0, отходы нефелиновой флотации - 20,2, кварц - 16,0, мел и графит - соответственно 3,4 и 0,4 (8,5:1) и получают пеностекольный облицовочный материал аналогично Примеру 1. Полученный материал имеет следующие характеристики: плотность без механоактивации – 400 кг/м3, плотность при наличии механоактивации - 210 кг/м3, предел прочности при сжатии - 1,5 МПа, теплопроводность без механоактивации - 0,12 Вт/м°С, теплопроводность при наличии механоактивации - 0,08 Вт/м°С, водопоглощение - 2,10%, морозостойкость - не менее 50 циклов.

Из Примеров 1-5 и данных Таблиц 1 и 2 следует, что шихта согласно заявленному изобретению позволяет снизить плотность пеностекольного облицовочного материала в среднем в 1,25 раза и уменьшить его теплопроводность в 1,27 раза, при этом часть компонентов шихты представляет собой отходы горнопромышленного комплекса. Получаемый материал имеет прочность, водопоглощение и морозостойкость, отвечающие требованиям ГОСТа.

Таблица 1 
Пример №

Компоненты шихты Содержание компонентов в составах шихты, мас.% 
1 2 3 4 5 
Стеклобой 58,5 64,5 61,1 62,5 60,0 
Отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 22,6 15,0 18,7 17,3 20,2 
Кварц 15,5 17,2 16,2 16,7 16,0 
Мел 2,9 2,9 3,4 2,9 3,4 
Сажа - 0,4 - 0,6 - 
Графит 0,5 - 0,6 - 0,4 
Соотношение компонентов газообразователя 5,8:1 7,25:1 5,7:1 4,8:1 8,5:1 
Таблица 2 
Пример №

Показатель 1 2 3 4 5 
Плотность без механоактивации, кг/м3 380 410 390 410 400 
Плотность при наличии механоактивации, кг/м3 200 210 200 210 210 
Предел прочности при сжатии, МПа 1,3 1,9 1,7 1,8 1,5 
Теплопроводность без механоактивации, Вт/м°С 0,11 0,13 0,11 0,13 0,12 
Теплопроводность при наличии механоактивации, Вт/м°С 0,08 0,085 0,08 0,085 0,08 
Водопоглощение, % 2,95 1,75 1,85 2,70 2,10 
Морозостойкость, цикл Не менее 50 Не менее 50 Не менее 50 Не менее 50 Не менее 50 





ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Шихта для получения пеностекольного облицовочного материала, включающая стеклобой и нефелиновый компонент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кварц и газообразователь, а в качестве нефелинового компонента - отходы обогащения апатито-нефелиновых руд при следующем соотношении компонентов, мас.%:

стеклобой 58,5-64,5

отходы обогащения апатито-нефелиновых руд 15,0-22,6 

кварц 15,5-17,2

газообразователь 3,3-4,0.

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения апатито-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%:

нефелин 50,0-65,0

полевые шпаты 2,5-12,0

вторичные минералы по нефелину 0,5-7,0

эгирин 7,0-27,0

апатит 2,0-8,0

сфен 1,5-5,0

титаномагнетит 2,0-5,0.

3. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве газообразователя берут мел и сажу или графит в соотношении 4,8-8,5:1.