Способ утилизации фторангидрита

Способ утилизации фторангидрита

Реферат

Изобретение относится к технологиям утилизации едких продуктов переработки минеральных концентратов и рекомендуется к применению в процессах с участием сернокислотной их обработки.

Известен способ утилизации, включающий разбавление фторангидрита, выходящего из печи, 20-30%-ной добавкой шлака с последующим использованием полученного вяжущего в дорожном полотне или в составе мелких стеновых блоков /RU 2046097 С1/. Недостатком указанного способа является использование в смеси компонента с повышенным, 4-9%, содержанием хрома. Кроме того этот вид шлака не относится к распространенным видам отходов и поэтому его применение связано с существенными затратами на его дальнее транспортирование.

Известен способ утилизации фторангидрита, включающий нейтрализацию остатков кислоты в составе продукта известью, которую вводят в 28-73%-ном избытке от стехиометрического количества, дальнейшее разбавление полученной смеси 10-30% добавкой отвального фторгипса и последующей грануляцией полученной трехкомпонентной смеси /RU 2171791 С1/. Недостатком данного способа следует считать использование больших количеств извести и влажного фторгипса, отбираемого из шламохранилища, что усложняет и удорожает процесс нейтрализации, а также затрудняет утилизацию ее продукта ввиду низкой прочности и водостойкости гранул.

Техническими задачами изобретения являются:

- упрощение и удешевление технологии утилизации фторангидрита, повышение прочностных свойств продукта утилизации и расширение области его применения.

Указанная задача решается путем введения в состав фторангидрита дисперсного электросталеплавильного шлака в количестве 5-85% от массы исходного фторангидрита и грануляции полученной смеси.

Опытную проверку заявляемого способа осуществляли на фторангидрите Полевского криолитового завода, содержащем разное количество серной кислоты, с использованием вспомогательных материалов, наименование и химический состав которых приведен в табл.1.

Химический состав использованных материалов

Таблица 1
Наименование компонента	Содержание оксидов, мас.%
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3
Шлак сталеплавильный	15,14	27,16	0,86	43,27	5,93	4,70
Печной фторангидрит	2,06	-	-	40,15	-	56,93
Отвальный фторгипс	3,47	4,45	2,00	37,53	0,53	45,82

Для оценки уровня нейтрализации кислоты в составе фторангидрита использовали косвенный показатель в виде прочности на сжатие шлакогипсового вяжущего, поскольку его величина обратно пропорциональна содержанию кислоты во фторангидрите. Показатель прочности оценивали на образцах-таблетках диаметром 28 и высотой 20 мм, сформованных на тесте полужесткой консистенции. Полученные образцы хранились в воздушно-влажных условиях. Непосредственно перед испытанием они высушивались, а затем испытывались на прочность по сжатию.

Таблица 2
Способ нейтрализации	Условия и результат нейтрализации	Гранулированный продукт
Т, °С	H2SO4, мас.%	τнейтр, сут	r, %	W,%	ρн, г/дм3	Rсж, МПа
По прототипу	350	0,70	>6	5	8	900	5
Заявляемый	95-100	0,40	1	-	5	1460	10

τ_нейтр, сут - длительность процесса нейтрализации в сутках; r (ретур) - количество фракции размером до 1,25 мм, необходимое для получения гранул заданной крупности; W, % - влажность полученных гранул; ρ_н, г/см³ - насыпная плотность гранул; R_сж, МПа - предел прочности гранул при сжатии их в цилиндре.

В табл.2 сравниваются результаты заявляемого способа нейтрализации и прототипа. Количество шлака, используемого для нейтрализации, составляло 1 часть на 9 частей ангидрита. При нейтрализации по прототипу в состав смеси кроме извести дополнительно вводили 30% отвального фторгипса, отобранного из отвала.

Из представленного следует, что в сравнении с прототипом процесс нейтрализации исходной смеси возможен при пониженной температуре. При этом в 6 раз сокращается продолжительность процесса нейтрализации, а остаток кислоты в продукте значительно ниже.

В табл.3 содержатся данные по составу и прочностным свойствам образцов таблеток, полученных на продукте по заявляемому способу нейтрализации в зависимости от количества шлака, использованного для нейтрализации фторангидрита.

Таблица 3
Содержание шлака, мас.%	10	25	50	70	85
Водопотребность смеси, %	10,5	20	15	45	35,5
Предел прочности при сжатии, МПа, 7 суток	2,20	9,40	10,90	23,30	18,10

Из представленного в таблице следует, что прочность брикетов в значительной степени определяется содержанием шлака. С увеличением содержания шлака с 10 до 50% прочность образцов увеличивается примерно в 5 раз, а для 70-85% она возрастает в 10 раз. Исходя из указанного, целесообразно использовать смеси с 10-20% содержанием шлака как добавку, регулирующую сроки схватывания портландцемента. При более высоком содержании шлака гранулированную смесь целесообразно использовать как пористый заполнитель для легких бетонов, а также в качестве комплексной гипсошлаковой добавки в составе портландцемента, одновременно заменяющей гипсовый камень и доменный гранулированный шлак. Содержание шлака менее 5 и более 85% нецелесообразно, так как прочность брикетов в указанном интервале максимальна и достаточна как при использовании гранул в качестве заменителя гипса в составе цемента (5-30% шлака), так и для замены щебня в составе бетона (30-85% шлака).

В табл.4 сравниваются результаты испытания фторангидритовых гранул в качестве добавки, регулирующей сроки схватывания цемента с гипсовым камнем, традиционной добавкой, и гранулами, полученными по прототипу. Во всех составах содержание SO₃ составляло 2,5%. Помол цемента, включающего 20% доменного гранулированного шлака, осуществляли в одинаковых условиях. Полученные цементы испытывали по ГОСТ 310.1-3-76 и ГОСТ 310.4-81.

Таблица 4
Вид гипсового компонента	% в цементе	Sуд, м2/кг	В/Ц, %	Сроки схватывания	Rизг/Rсж, МПа
начало	окончание	пропарка	28 сут
Гипсовый камень	5,7	304	25,2	3 час 45 мин	4 час 50 мин	4,9/29,8	6,9/49,4
Гранулы по прототипу	5,0	311	25,7	5 час 25 мин	6 час 15 мин	4,7/28,7	6,8/51,7
Гранулы по заявляемому способу	4,2	485	28,8	5 час 20 мин	8 час 30 мин	4,2/26,5	6,8/50,5

S_уд, м²/кг - величина удельной поверхности цемента; * - по прототипу. Величина В/Ц соответствует тесту нормальной густоты. Количество сталеплавильного шлака в гранулах составляет 30%. Из табл.4 следует, что фторангидритовые гранулы с добавкой сталеплавильного шлака в составе портландцемента являются полноценным заменителем гипсового камня. При этом доля клинкера в составе по заявляемому способу ниже на количество шлака, содержащегося в гранулах, то есть в этом случае обеспечивается некоторое удешевление цемента.

Гранулы на основе фторангидрита и 70% шлака размером 8-10 мм твердели в воздушно-влажных условиях в течение 7 суток, а затем использовались как заполнитель в составе бетона в сочетании с кварцевым песком и цементом М400Д20 при водоцементном отношении 0,5. Насыпная плотность гранул составила 1100 г/л, средняя плотность - 1,57 г/см³, а точеная прочность 30-70 кг/гранулу. Бетонную смесь формовали в образцы-кубы с ребром 70 мм, твердевшие в нормальных условиях 7 суток. В контрольном составе гранулы заменяли гранитным щебнем фракции 5-10 мм. В качестве мелкого заполнителя использовали песок с модулем крупности 2,5. Из смеси указанного состава формовали образцы с ребром 70 мм, твердевшие во влажных опилках. В табл.5 содержатся результаты по составам и прочностным свойствам бетонов на шлакогипсовых гранулах.

Таблица 5
№	Состав бетонов, кг/м3	В/В	Свойства бетона
цемент	щебень	гранулы	песок	ρ, г/л	Rсж 7с, МПа	Rсж 28с, МПа
1	300	1200	-	600	0,5	2250	5,6	11,9
2*	300	-	900	600	0,5	1650	2,2	4,9
3	300	-	900	600	0,5	1950	5,1	10,8
4	400	-	900	500	0,5	1950	20,7	35,2
* - по прототипу

Из представленного следует, что фторангидритовые гранулы, полученные по заявляемому способу, пригодны как заполнитель для получения облегченных бетонов плотностью ниже 2000 кг/м³, что существенно расширяет область их возможного эффективного применения. В сравнении с прототипом прочность бетона на данных гранулах при равном расходе цемента вдвое выше.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет обеспечить более эффективную нейтрализацию кислотной составляющей фторангидрита, а полученный гранулированный продукт отличается улучшенными потребительскими свойствами - ускоренным твердением и повышенной прочностью. В том случае, когда гранулы применяются для регулирования сроков схватывания цемента возможно уменьшить долю клинкера в составе цемента на количество шлака, содержащегося в гранулах. Когда гранулы используются как искусственный заполнитель, то на их основе возможно получение высокопрочного бетона марки М300 - состав 4, табл.5. Высокие скорость твердения и показатель прочности фторангидрита с добавкой композиции, вероятно, обусловлены присутствием в составе электроплавильного шлака алюминатов кальция, которые, как известно, обеспечивают аналогичные показатели у глиноземистого цемента. Благодаря добавке шлака гранулы на основе фторангидрита можно использовать в материалоемких направлениях в качестве заменителя природного гипса - как регулятора сроков схватывания в составе портландцемента и как заменителя щебня в составе строительного бетона.

Использование изобретения позволит не только упростить и удешевить нейтрализацию фторангидрита, но также значительно увеличить объем утилизации фторангидрита, который на текущий момент не превышает нескольких процентов. Это позволит существенно снизить потери пространства под их отвальное складирование.

Способ утилизации фторангидрита, включающий введение в его состав компонента, содержащего известь с целью нейтрализации сернокислотной составляющей, грануляцию полученной смеси с последующим применением гранул в производстве строительных материалов, отличающийся тем, что в качестве компонента, содержащего известь, используют дисперсный электросталеплавильный шлак в количестве от 5 до 85% от массы фторангидрита.