Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ БАЗАЛЬТОВОГО СЫРЬЯ

Изобретение относится к способам плавления базальтового сырья с одновременной оптимизацией его состава для целей получения базальтовых волокон или каменного литья - петрургии.

Базальт - магматическая горная порода, основу которой, 50-70 масс.%, 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 CaFe[Si₂O₆]); оливин - твердые растворы форстерита Mg₂[SiO₄] и фаялита Fe₂[SiO₄]; магнетит FeO·Fe₂O₃ и другие минералы.

Известен способ получения минерального волокна из природных материалов базальтовой группы RU 2118300, 1998, в котором расплавленную стекломассу выдерживают в стабилизирующей секции плавильной печи для удаления пузырьков газа и пены, а затем в фидере для усреднения состава стекломассы. Недостатком этого способа является то, что химический состав стекломассы определяется химическим составом исходного сырья, что не позволяет расширить области возможного применения базальта отдельно взятого месторождения.

Так как химический состав базальтов в зависимости от месторождения колеблется в широких пределах, мас.%: SiO₂ - 43÷58; Al₂О₃ - 11÷20; СаО - 7÷14; MgO - 4÷14; FeO+Fe₂О₃ - 8÷16; Na₂О - 1÷5, получить волокна или камнелитные изделия с заданными потребительскими свойствами не всегда представляется возможным.

Поэтому для производства базальтовых волокон либо камнелитных изделий, как правило, требуется оптимизация состава исходного сырья.

Известен способ оптимизации состава базальтового расплава путем создания определенной среды, окислительной или восстановительной, в плавильном агрегате (И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М.: Металлургия, 1972 г, стр.24).

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

Наиболее близким по технической сущности является способ плавления базальтового сырья, описанный в патенте RU 2149841, 2000, С 03 В 37/06 (прототип): "Способ получения минераловатных изделий из базальтосодержащих пород и технологическая линия для его осуществления". Согласно прототипу способ включает дробление исходной базальтовой породы известного химического состава, подогрев ее, загрузку в электродуговую печь с углеродными электродами, плавление с перегревом на 50-250°С выше температуры плавления, стабилизацию расплава до его усредненного состава, частичный отбор придонного слоя, а оставшийся расплав стекломассы сливают через фильеру для раздува на волокно. В случае необходимости в измельченную базальтовую породу вводят дополнительно различные добавки из доломита, извести, глины, суглинка, соды и других веществ.

Существенным недостатком этого способа является то, что при плавлении горных пород в электродуговых печах с углеродными электродами происходят побочные восстановительные процессы, приводящие к неконтролируемому смещению равновесия между Fe₂O₃ и FeO (И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М.: Металлургия, 1972 г, стр.136). Таким образом, при частичном отборе придонного слоя осуществляется слив лишь восстановленного железа, т.е. указанный способ плавления не позволяет направленно оптимизировать соотношения других компонентов в оставшемся расплаве.

Оптимизацию состава расплава по прототипу проводят путем введения различных добавок - подшихтовки, что является вторым недостатком. Доломит и известь относятся к числу тугоплавких добавок, которые создают технологические трудности при плавлении, требуют выдержки расплава при повышенных температурах и непрерывного перемешивания. Глины и суглинки обладают непостоянством химического состава, многокомпонентностью и коротким литейным интервалом. Собственно подшихтовка является дополнительным ресурсо- и энергозатратным технологическим процессом.

Еще одним недостатком прототипа является перегрев расплава на 50-250°С выше температуры плавления, что требует дополнительных энергозатрат.

Изобретение направлено на изыскание способа плавления базальтового сырья с одновременной комплексной многовариантной оптимизацией его состава для целей производства базальтовых волокон или изделий каменного литья с заданными потребительскими свойствами, расширение области возможного применения базальта отдельно взятого месторождения, а также создание ресурсо- и энергосберегающей технологии оптимизации состава базальтового сырья.

Технический результат достигается тем, что предложен способ плавления базальтового сырья, включающий дробление исходной базальтовой породы известного химического состава, подогрев ее, загрузку в плавильную печь, плавление, частичный отбор придонного слоя расплава, стабилизацию оставшегося расплава и его подачу в сливное устройство, при этом согласно изобретению плавление базальтового сырья проводят при температуре 1200-1300°С, выдерживают расплав в течение 1-2 часов при указанной температуре для протекания процесса гравитационной дифференциации расплава на легкую и тяжелую фракции, частично отбирают поверхностный слой легкой, придонный слой тяжелой или обеих фракций в количествах, необходимых для создания в расплаве оптимальных соотношений компонентов, стабилизацию оставшегося расплава осуществляют поднятием температуры плавления на 50-100°С и перемешиванием.

Интервал температуры плавления базальтового сырья обусловлен тем, что до температуры 1200°С наблюдается лишь размягчение минеральных фаз базальта, а поднятие температуры выше 1300°С экономически нецелесообразно.

Продолжительность процесса гравитационной дифференциации определяется как минералогическим составом исходной базальтовой породы, так и температурным режимом плавления и составляет 1-2 часа. Отбор легкой и/или тяжелой фракций иногда проводят в условиях динамического неравновесия процесса гравитационной дифференциации расплава, в таком случае для уточнения количества отбораемых фракций, возможно, что на стадии гравитационной дифференциации расплава дополнительно проводят количественную оценку поверхностного слоя легкой фракции на содержание оксидов кремния, алюминия, кальция и натрия, а придонного слоя тяжелой фракции на содержание оксидов железа.

Температурный режим стабилизации оставшегося расплава обусловлен необходимостью снижения его вязкости при сохранении целостной структуры основных минералов базальта. Перемешивание ускоряет процесс получения расплава усредненного состава для подачи в сливное устройство.

Целесообразно, что плавление базальтового сырья проводят также в окислительной или в восстановительной среде.

Природные базальты характеризуются тем, что в процессе их генезиса отдельные оксиды SiO₂; Al₂О₃; CaO; MgO и др. вошли в их составов в виде минералов: альбита, анортита, авгита, оливина, магнетита и др. При плавлении эти минералы переходят по отдельности из одной фазы в другую (Джигирис Д.Д., Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. М.: Теплоэнергетик, 2002 г., стр.91).

При температуре, близкой к температуре плавления, расплав базальта имеет много общего с кристаллическим веществом. Даже при перегреве на 200-250°С расплав не претерпевает радикальных изменений ни в типе структурных единиц, ни в характере их расположения, ни в природе сил межчастичного взаимодействия (Б.Х.Хан и др. Затвердевание и кристаллизация каменного литья. К.: Наукова думка, 1969, стр.5-6). Таким образом, при гравитационной дифференциации расплава состав легкой и тяжелой фракции представлен минералами, химический состав которых, в свою очередь, принято характеризовать содержанием элементов в оксидной форме.

Выполненные нами термодинамическое моделирование и экспериментальное исследование процессов плавления базальтов различных месторождений России показали, что в интервале температур 1200-1300°С расплав состоит в основном из альбита, анортита, авгита, оливина и магнетита. Среднее содержание этих минералов следующее, вес.%: альбит 30, анортит 30, авгит 26, оливин 2, магнетит 12. Плотность перечисленных минералов соответственно равна, г/см³: 2,38-2,62; 2,70-2,76; 3,23-3,52; 3,22-3,57 и 5,21-5,30. Исходя из значений плотностей основных составляющих расплав условно можно разделить на две фракции: легкую, поверхностный слой которой состоит из альбита и анортита, и тяжелую, придонный слой которой состоит из магнетита.

На чертеже представлено распределение минералов базальтового сырья по глубине расплава в процессе гравитационной дифференциации.

Как видно из чертежа, отбор поверхностного слоя легкой фракции позволяет оптимизировать состав расплава по оксидам кремния, алюминия, кальция и натрия, а отбор придонного слоя тяжелой фракции - по оксидам железа.

Для целей производства базальтовых волокон плавление целесообразно проводить в окислительной среде, увеличивая тем самым содержание Fe₂О₃, что позволяет снизить температуру верхнего предела кристаллизации и уменьшить вероятность взаимодействия расплава с материалом платинородиевых питателя и фильер (Джигирис Д.Д., Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. М.: Теплоэнергетик, 2002 г., стр.92-93).

Восстановительную среду, в которой железо представлено в основном в виде FeO, обычно используют в петрургии для получения лучших физико-механических свойств расплава (И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев. Основы петрургии. М.: Металлургия, 1972 г., стр.24).

Данные по регулированию относительного содержания в расплаве оксидов двух- и трехвалентного железа приведены в Таблице.

Процесс плавления базальтового сырья предпочтительно проводят в наиболее эффективных ванных регенеративных печах непрерывного действия. В качестве топлива используют природный газ, мазут или их смесь. Воздух в печь подается принудительно и регулировкой его подачи возможно создание соответствующей окислительной среды. Контролируемую восстановительную среду создают добавлением коксового газа или водорода.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Исходное базальтовое сырье известного химического и минералогического составов подвергают дроблению в соответствии с требованиями плавильного агрегата, подогревают отходящими топочными газами, загружают в печь и на стадии плавления при температуре 1200-1300°С выдерживают в расплавленном состоянии в течение 1-2 часов для протекания процесса гравитационной дифференциации расплава на легкую и тяжелую фракции с последующим частичным отбором поверхностного слоя - легкой, придонного слоя - тяжелой или обеих фракций в предварительно рассчитанных количествах, необходимых для создания в расплаве оптимальных соотношений компонентов для получения волокон или изделий каменного литья. Оставшийся расплав стабилизируют поднятием температуры до 1250-1400°С и перемешиванием, после чего подают в выработочную часть при производстве волокон либо в копильник для разливки в формы в случае каменного литья.

С целью изменения относительного содержания Fe²⁺и Fe³⁺плавление проводят либо в окислительной, либо в восстановительной среде.

Технические средства, обеспечивающие возможность получения технического результата изобретения, следующие. Оптимизацию состава проводят в тех же плавильных печах, в которых впоследствии расплав из бассейна печи поступает в выработочную часть либо в копильник. Отбор поверхностного слоя легкой и придонного слоя тяжелой фракций производят из бассейна печи. Оптимизация является комплексной, т.к. в результате может изменяться содержание более чем одного компонента расплава. Многовариантность обеспечивается возможностью изменять взаимные соотношения компонентов базальтового сырья определенного месторождения для достижения различных качественных показателей.

Наиболее пригодны для производства каменного литья базальты с коэффициентом кислотности К в пределах 1,5-1,8 (Е.Н.Граменицкий и др. Экспериментальная и техническая петрология. М.: Научный мир, 2000, стр.129), а для базальтовых волокон в интервале 2,0-2,4.

Расчет коэффициента кислотности К проводят по содержанию оксидов методом А.Н.Заварицкого и А.С.Гинсберга, по которому К=SiO₂+Al₂О₃/СаО+MgO+FeO+Fe₂O₃+Na₂O.

Ниже приведены примеры осуществления способа плавления базальтового сырья месторождения "Булатовское", Архангельской области.

Пример 1. 100 кг базальтового сырья, содержащего, вес.%: SiO₂ - 48,61; Al₂О₃ - 16,83; СаО - 12,69; MgO - 5,15; FeO - 4,89; Fe₂O₃ - 8,28; Na₂O - 3,55 и имеющего коэффициент кислотности 1,89, плавят при температуре 1280°С, выдерживают расплав в течение 1-го часа для протекания процесса гравитационной дифференциации, затем отбирают поверхностный слой легкой фракции в количестве 12 кг, чем достигается получение расплава с коэффициентом кислотности 1,69, содержание в котором основных компонентов, вес.%: SiO₂ - 47,60; Al₂О₃ - 15,29; СаО - 13,06; MgO - 5,85; FeO - 5,56; Fe₂О₃ - 9,41; Na₂O - 3,23. Полученный оптимизированный по составу и стабилизированный расплав пригоден для производства изделий каменного литья, предназначенных для защиты оборудования от коррозионного износа.

Пример 2. 100 кг базальтового сырья, содержащего, вес.%: SiO₂ - 48,61; Al₂О₃ - 16,83; СаО - 12,69; MgO - 5,15; FeO - 4,89; Fe₂O₃ - 8,28; Na₂O - 3,55 и имеющего коэффициент кислотности 1,89, плавят при температуре 1300°С, выдерживают расплав в течение 1-го часа для протекания процесса гравитационной дифференциации, затем отбирают придонный слой тяжелой фракции в количестве 6 кг, чем достигается получение расплава с коэффициентом кислотности 2,29, имеющим содержание основных компонентов вес.%: SiO₂ - 51,71; Al₂О₃ - 17,91; CaO - 13,50; MgO - 5,48; FeO - 3,22; Fe₂О₃ - 4,40; Na₂O - 3,78. Полученный оптимизированный по составу и стабилизированный расплав пригоден для производства ультра- и супертонких волокон.

Пример 3. 100 кг базальтового сырья, содержащего, вес.%: SiO₂ - 48,61; Al₂О₃ - 16,83; CaO - 12,69; MgO - 5,15; FeO - 4,89; Fe₂О₃ - 8,28; Na₂O - 3,55 и имеющего коэффициент кислотности 1,89, плавят при температуре 1250°С, выдерживают расплав в течение 1,5 часов для протекания процесса гравитационной дифференциации, затем отбирают поверхностный слой легкой фракции в количестве 12 кг и придонный слой тяжелой фракции в количестве 8 кг, чем достигается получение расплава с коэффициентом кислотности 2,25, имеющим содержание основных компонентов, вес.%: SiO₂ - 52,36; Al₂О₃ - 16,83; CaO - 14,36; MgO - 6,44; FeO - 3,01; Fe₂О₃ - 3,45; Na₂O - 3,55. Полученный оптимизированный по составу и стабилизированный расплав пригоден для производства базальтовой ваты.

Пример 4. 100 кг базальтового сырья содержащего, вес.%: SiO₂ - 48,61; Al₂О₃ - 16,83; CaO - 12,69; MgO - 5,15; FeO - 4,89; Fe₂О₃ - 8,28; Na₂O - 3,55 и имеющего коэффициент кислотности 1,89, плавят при температуре 1200°С в окислительной среде, для создания которой на 1 кг базальтового сырья подают 1,41 вес.% кислорода воздуха, при этом FeO практически полностью переходит в Fe₂О₃. Расплав выдерживают в течение 2-х часов для протекания процесса гравитационной дифференциации, затем отбирают поверхностный слой легкой фракции в количестве 12 кг и придонный слой тяжелой фракции в количестве 10 кг, чем достигается получение расплава с коэффициентом кислотности 2,39, имеющим содержание основных компонентов, вес.%: SiO₂ - 53,37; Al₂О₃ - 17,14; CaO - 14,64; MgO - 6,56; Fe₂О₃ - 4,67; Na₂O - 3,62. Полученный оптимизированный по составу и стабилизированный расплав пригоден для производства непрерывных волокон.

Пример 5. 100 кг базальтового сырья, содержащего, вес.%: SiO₂ - 48,61; Al₂О₃ - 16,83; CaO - 12,69; MgO - 5,15; FeO - 4,89; Fe₂O₃ - 8,28; Na₂О - 3,55 и имеющего коэффициент кислотности 1,89, плавят при температуре 1220°С в восстановительной среде, для создания которой на 1 кг базальтового сырья подают 0,08 вес.% водорода, при этом Fe₂O₃ практически полностью переходит в FeO. Расплав выдерживают в течение 2-х часов для протекания процесса гравитационной дифференциации, затем отбирают поверхностный слой легкой фракции в количестве 12 кг, чем достигается получение расплава с коэффициентом кислотности 1,74, имеющим содержание основных компонентов, вес.%: SiO₂ - 48,05; Al₂О₃ - 15,45; CaO - 13,19; MgO - 5,90; FeO - 14,15; Na₂O - 3,26. Полученный оптимизированный по составу и стабилизированный расплав пригоден для производства изделий каменного литья, предназначенных для защиты оборудования от абразивного износа.

Предлагаемый способ плавления базальтового сырья позволяет провести комплексную многовариантную оптимизацию и получить состав с заданными физико-химическими свойствами, необходимыми для производства различных видов базальтовых волокон или изделий каменного литья. Создается возможность исключить дорогостоящий процесс подшихтовки, достичь оптимального соотношения FeO:Fe₂O₃, снизить ресурсо- и энергозатраты и расширить область возможного применения базальтового сырья отдельно взятого месторождения.