В работе приведены результаты исследования получения каустического магнезита путем обжига породы Савинского месторождения
магнезит, магнезиальное вяжущее, каустический магнезит, периклаз, термическая обработка
Магнезиальное вяжущее и материалы на его основе обладают высокими прочностными характеристиками, приближающимися по своим значениям к природным материалам. Но что еще важнее, в отличие от природных материалов, магнезиальный цемент имеет аномально высокие показатели по прочности на растяжение и изгиб (до 20 МПа и выше), что связано с особенностями затвердевшего магнезита, в котором присутствуют кристаллизующиеся в виде волокон оксихлориды магния. Волокнистые кристаллы не только повышают прочность цемента, но и действуют как армирующий материал. Материалы на основе магнезиального вяжущего обладают очень высокой, в отличие от других вяжущих, адгезией не только к минеральным, но и к органическим веществам. Из-за высокой плотности материала, малой щелочности и присутствия в составе магнезиальных цементов минерала бишофита органические заполнители в них не гниют, что обеспечивает устойчивость к образованию плесени и грибка. При использовании магнезиального вяжущего в строительных смесях, особенно с добавками силикатов магния, образуется плотный беспоровый материал, обладающий высокой износостойкостью, масло- и бензостойкостью и водонепроницаемостью.
В Иркутской области расположено крупнейшее в мире месторождение магнезита с объёмом руды, превышающим 2 млрд. тонн. По оценке экспертов, этого хватит на то, чтобы снабжать минералом Россию в ближайшие 100-150 лет.
Сырье Савинского месторождения представлено наиболее чистыми разновидностями магнезитов. По качеству магнезит Савинского месторождения превосходит известный в России и за рубежом Саткинский магнезит на Урале. Савинские магнезиты содержат в среднем (для сортов I, II и III): MgO – 46,26 %; CaO – 0,56 %; SiO2 – 1,50 %; R2O3 – 1,51 %; п.п.п. – 50,24 % [1]. Отличительной особенностью этих магнезитов является высокое содержание оксида магния и низкое – оксида кальция, что обуславливает высокое качество огнеупорных изделий.
Основное направления использования магнезита – получение ценного огнеупора – периклаза. В процессе производства порода подвергается тепловой обработке при температуре 1200-1500 ºС.
В строительном производстве из природного магнезита получают материал – каустический магнезит, обладающий свойствами вяжущего.
Магнезит обжигают с целью получения окиси магния. При обжиге магнезит разлагается согласно уравнению:
MgCO3=MgO+CO2.
Одновременно разлагаются сопутствующие магнезиту другие карбонаты:
CaCO3=CaO+CO2; FeCO3=FeO+CO2.
Термическая диссоциация МgСО3 начинается при температуре 350 ºС и с достаточной скоростью проводится при температуре 640-660 ºС. СаСО3 начинает диссоциировать уже при температуре 825 ºС. Полное удаление CO2 из магнезита достигается при температуре 1000-1100 ºС. Температурный режим обжига зависит от того, какое назначение имеет в дальнейшем получаемая окись магния.
Магнезит для получения магния по силикотермическому способу должен обжигаться при температуре 1000-1100 ºС с целью полного удаления углекислоты и влаги, которые в этом случае являются вредными примесями к окиси магния. Если окись магния предназначается для получения магния по углетермическому способу, магнезит обжигают при температуре 1200-1500 ºС.
Обжиг магнезита для получения окиси магния, предназначенной для хлорирования с целью получения безводного хлористого магния, должен производиться при температуре, не превышающей 700-800 ºС. Повышение температуры обжига, снижает химическую активность окиси магния и ухудшает показатели процесса ее хлорирования. Так, например, каустический магнезит, который, согласно ГОСТ 1216-41, получают обжигом магнезита при температуре выше температуры диссоциации и ниже температуры спекания (700-1100 ºС), обладает значительно меньшей химической активностью, чем окись магния, полученная обжигом магнезита при температуре 750-800 ºС [2].
Магнезит каустический получают либо обжигом природного магнезита MgCO3 при температуре выше температуры его разложения (диссоциации) и ниже температуры спекания, либо путем улавливания пыли, образующейся при производстве периклазового порошка. Причём технологический процесс сопровождается получением не только основного продукта – огнеупора, но и значительным количеством попутного каустического магнезита, как отхода производства. Так, на пример, на крупнейшем заводе по производству магнезиальных огнеупорных изделий на основе спеченного периклаза ОАО «Комбинат Магнезит» (г. Сатка Челябинской области) на вращающихся обжиговых печах производят свыше 1 млн. тонн спеченного периклаза и 500 тысяч тонн пыли улавливается в циклонах и электрофильтрах, которая утилизируется в виде порошков магнезиальных каустических, соответствующих стандарту [3]. При обжиге природных магнезитов максимальная гидравлическая активность образующегося каустического магнезита достигается в диапазоне температур 650-900 ºС, при более высоких температурах активность падает, а при температуре 1400 ºС и выше образуется «намертво обожженный» магнезит, практически не проявляющий вяжущих свойств.
Каустический магнезит, получаемый в процессе низкотемпературного (Т=850 ºС) обжига природного сырья имеет преимущество перед «пылеуносом» по содержанию активного MgO в конечном продукте. В результате декарбонизации MgCO3 при низких и умеренных температурах образуется свободный оксид магния, отличающийся от периклаза более низкими показателями преломления, увеличенными параметрами кубической элементарной ячейки и более низкой плотностью. Именно такой оксид магния (каустический магнезит) используется в качестве вяжущего вещества, которое при затворении раствором MgCl2 способно быстро твердеть и набирать прочность на воздухе.
Как было сказано природный магнезит Савинского месторождения отличается от наиболее известной Саткинской породы. Поэтому представляется целесообразным провести изучение режимов обжига местного сырья с целью получения каустического магнезита, отвечающего требованиям к вяжущему веществу.
Исходным сырьём является тонко измельченный магнезит Савинского месторождения из мельниц Восточно-Сибирского завода огнеупоров. Обжиг проводился в муфельной печи. Параметры обжига приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика управляемых параметров обжига
|
Параметр |
Обозначение |
Ед. измерения |
Диапазон изменения |
|
Температура обжига |
tо |
ºС |
600-850 |
|
Время обжига |
|
минут |
60-240 |
Температура обжига контролировалась термометром сопротивления ТСМ гр.23. Время обжига определялось с момента набора расчётной температуры.
В качестве параметра, характеризующего эффективность процесса обжига принималось процентное содержание в конечном продукте окиси магния MgO (определялось в заводской химической лаборатории ВСЗО) – 
.
Исследования проводились по методике рационального планирования многофакторных экспериментов [4] с использование симметричного двухфакторного плана 5х5. По результатам опытов составлена модель технологического процесса получения каустического порошка из природного материала Савинского месторождения в виде уравнения приближённой регрессии (1):
. (1)
Модель (1) адекватна экспериментальным данным при дисперсиях адекватности 
и воспроизводимости 
. Критическое значение критерия Фишера с степенями свободы 
19 и 
50 при доверительной вероятности 0,95 составляет 
. Расчётное значение критерия составляет 
0,78.
На рисунке 1 представлена графическая интерпретация модели (1).
а) б)
Рисунок 1 – Содержания окиси магния в продукте обжига природного магнезита
Количественное содержание окиси магния в конечном продукте значительно зависит от температуры обжига породы. Если принять за предельно допустимое содержание окиси магния, с которого обеспечиваются вяжущие свойства на удовлетворительном уровне в 75 %, то обозначенный уровень стабильно достигается при любом времени обжига, если он ведётся при температуре свыше 820 ºС. Снижение температуры требует более продолжительного процесса обжига. Так тепловая обработка при низкой температуре в 650 ºС приводит к требуемому качеству вяжущего только если процесс длится не менее 3 часов, а повышение температуры до 770 ºС сокращает этот процесс до 2,5 часов. Высокотемпературный обжиг (свыше 800 ºС) для достижения тех же показателей достаточно проводить за время менее 1 часа. Влияния каждого технологического параметра на динамику достижения максимального значения концентрации MgO (от минимального уровня) можно проследить по графику, представленному на рисунке 2.
Процесс получения каустического магнезита длится менее часа при высокой температуре и дальнейшая обработка породы практически не улучшает долю MgO. При сравнительно низких температурах декарбонизация происходит менее интенсивно и занимает продолжительное время.
а) б)
Рисунок 2 – Максимальное увеличение доли MgO в продукте от предельного роста температуры – а) и времени обжига – б)
1. Пальгова, А.Ю. Обзор мировых запасов магнезиального сырья / А. Ю. Пальгова. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 3 (83). — С. 193-196.
2. Крамар, Л.Я., Черных, Т.Н., Орлов, А.А., Трофимов, Б.Я. Магнези-альные вяжущие из природного сырья. – Челябинск: «Искра-Профи». 2012. – 146 с.
3. Российская Федерация. Стандарты. ГОСТ 1216-87 «Порошок магнезитовый каустический».
4. Вознесенский, А.В. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях/ А.В. Вознесенский. – М.: Финансы и статистика, 1981. – 263 с.
