CN103328384B - γ-2CaO·SiO2的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种可得到纯度高、且工业上的生产率高、品质稳定的产品的γ-2CaO·SiO2的制造方法。其特征在于,对以CaO和SiO2为主要成分、CaO/SiO2的摩尔比为1.8~2.2、1000℃加热后Al2O3与Fe2O3的总含量小于5质量%、原料的粒度按150μm通过率计为90质量%以上的物质进行造粒,将经造粒的原料在回转窑中在燃烧温度1350℃~1600℃下烧成,粉化后的40μm通过率为85%以上,所述回转窑的烧成带的内面使用了自镁-尖晶石砖、Al2O3含有率为85质量%以上的铝质砖、碳化硅质砖、镁-尖晶石灰浆以及Al2O3含有率为85质量%以上的铝质灰浆构成的组中选择的至少1种以上的砖或者灰浆。
Description
技术领域
本发明主要涉及可用作水泥掺合料的γ-2CaO·SiO2的制造方法。
背景技术
关于水泥·混凝土的耐久性,与以前相比受到了更大的关注。本发明人等为了显著提高水泥·混凝土的耐久性,提出了使用γ-2CaO·SiO2作为水泥掺合料(コンクリート工学年次論文集、vol.26、No.1,2004年)。通过将γ-2CaO·SiO2作为水泥掺合料活用,对抑制会引起混凝土结构体早期劣化的中性化、盐害有大的効果。因此,对γ-2CaO·SiO2的利用寄予了大的期待。
为了活用γ-2CaO·SiO2,需要确定其工业上的制造方法。然而,对于γ-2CaO·SiO2的合成方法,虽然有研究层面的见解,但实际情况是,对于工业上的制造方法并没有怎么进行研究。而且,大量且连续地制造γ-2CaO·SiO2的方法等同于完全没有。
目前为止,作为γ-2CaO·SiO2的制造方法,提出了以下方法:相对于石灰质原料与硅酸质原料的混合物100重量份,添加石墨粉末、无定形碳粉末0.5重量份~5重量份,将其在窑尾的氧浓度为3%以下的回转窑中烧成的方法(专利文献1)。然而,该方法在原料中加入了碳,因此存在烧成后的制造物中残留有碳,或烧成温度变高时因石灰质原料与碳的反应而副产有碳化钙(Calcium carbide)的问题。如果残留碳,则作为水泥掺合料利用时,减水剂、高性能减水剂被碳吸附,给流动性带来不良影响。副产有碳化钙时,如果与水接触,则产生易燃性的乙炔气体,因此从安全性的角度,有时处理变困难。
另外,专利文献1的方法中,从作为γ-2CaO·SiO2生成的基准的粉化现 象来判断的γ-2CaO·SiO2的纯度也并非足够高。具体而言,作为表示粉化的程度的指标,对40μm的通过率进行测定,最大也只有80%左右。由此,专利文献1的方法作为γ-2CaO·SiO2的工业制造方法来说并不充分。
最近,关于γ-2CaO·SiO2的制造方法,强烈要求开发可得到更高纯度、且工业上的生产率高、品质稳定的产品的合理的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭61-256913号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明涉及γ-2CaO·SiO2的制造方法,提供一种可得到更高纯度、且工业上的生产率高、品质稳定的产品的合理的方法。
用于解决问题的方案
本发明人等进行了各种研究,结果发现,通过将选定特定的原料并制成特定的粒度的材料造粒,并用在烧成带中使用了特定的砖、特定的灰浆(mortar)的回转窑进行烧成,生成了γ-2CaO·SiO2。
本发明以以下构成为要点。
(1)一种γ-2CaO·SiO2的制造方法,所述γ-2CaO·SiO2的40μm通过率为85%以上,所述方法中,对以CaO和SiO2为主要成分、CaO/SiO2的摩尔比为1.8~2.2、1000℃加热后的Al2O3与Fe2O3的总含量小于5质量%、粒度按150μm通过率计为90质量%以上的原料进行造粒,将经造粒的原料在回转窑中在燃烧温度1350℃~1600℃下烧成,所述回转窑的烧成带的内面使用了自镁-尖晶石砖、Al2O3含有率为85质量%以上的铝质砖、碳化硅质砖、镁-尖晶石灰浆以及Al2O3含有率为85质量%以上的铝质灰浆构成的组中选择的至少1 种以上的砖或者灰浆。
(2)根据上述(1)所述的制造方法,其中,上述回转窑在烧成带的砖中使用镁-尖晶石砖。
(3)根据上述(1)所述的制造方法,其中,上述回转窑在烧成带的砖中使用Al2O3含有率为85质量%以上的铝质砖。
(4)根据上述(1)所述的制造方法,其中,上述回转窑在烧成带的砖中使用碳化硅质砖。
(5)根据上述(1)所述的制造方法,其中,上述回转窑在烧成带的砖中使用涂布有镁-尖晶石灰浆的砖。
(6)根据上述(1)所述的制造方法,其中,上述回转窑在烧成带的砖中使用涂布有Al2O3含有率为85质量%以上的铝质灰浆的砖。
(7)根据上述(1)~(6)任一项所述的制造方法,其中,原料的CaO/SiO2的摩尔比为1.85~2.15。
(8)根据上述(1)~(7)任一项所述的制造方法,其中,1000℃加热后的原料含有小于2质量%的Fe2O3。
(9)根据上述(1)~(8)任一项所述的制造方法,其中,原料具有按100μm通过率计为90质量%以上的粒度。
(10)根据上述(1)~(9)任一项所述的制造方法,其中,使用水/原料的质量比为(0.1~0.3)/1的水来造粒。
(11)根据上述(1)~(10)任一项所述的制造方法,其中,在1400℃~1500℃的燃烧温度下烧成。
(12)根据上述(1)、(5)~(10)任一项所述的制造方法,其中,回转窑的烧成带的砖表面的灰浆的厚度为5mm~10mm。
(13)根据上述(1)~(12)任一项所述的制造方法,其中,边将经造粒的原料连续地供给至回转窑的烧成带,边连续地从回转窑取出烧成物。
(14)一种水泥掺合料,其含有根据上述(1)~(13)任一项所述的制造方法得到的γ-2CaO·SiO2。
发明的效果
根据本发明的γ-2CaO·SiO2的制造方法,可以合理地制造纯度高、且工业上的生产率高、品质稳定的γ-2CaO·SiO2。
具体实施方式
本发明中的份、%只要没有特别的规定就以质量基准表示。
本发明所述的γ-2CaO·SiO2是指,以CaO和SiO2为主要成分的化合物中的硅酸二钙(2CaO·SiO2)的一种。硅酸二钙中存在α型、α′型、γ型、γ型。本发明涉及γ型的硅酸二钙。
本发明中,使用CaO原料与SiO2原料作为主要成分。主要成分是指,优选原料中的CaO和SiO2的总含量为优选70%以上、更优选90%以上,其以外的成分的含量尽可能少。
作为CaO原料,可以使用:碳酸钙、氢氧化钙、或者氧化钙。作为SiO2原料,可以选定:硅石微粉、粘土、硅粉(silica fume)、飞尘(fly ash)、非晶质二氧化硅、其它自各产业副产的二氧化硅质的物质。
本发明中,优选对杂质的存在进行限定。具体而言,在1000℃加热后的原料中,自CaO原料、SiO2原料混入的Al2O3、Fe2O3的总和需要小于5%。Al2O3、Fe2O3的总和更优选小于4%,最优选小于3%。尤其,对于Fe2O3的含量,在1000℃加热后的原料中,优选小于2%,更优选小于1.5%,最优选小于1%。Al2O3、Fe2O3的总和相对于1000℃加热后的原料未小于5质量%时,容易生成β-2CaO·SiO2,γ-2CaO·SiO2的纯度变差。特别是由于Fe2O3的影响大,因此优选:在Al2O3与Fe2O3的总和相对于1000℃加热后的原料小于5质量%的基础上,Fe2O3的含量相对于1000℃加热后的原料小于2质量%。Fe2O3的含量相 对于1000℃加热后的原料小于1.5质量%时,品质稳定性格外高。
CaO原料与SiO2原料的配合比例需要调节至原料的CaO/SiO2的摩尔比为1.8~2.2。原料的CaO/SiO2的摩尔比小于1.8时,副产有α型的硅灰石或硅钙石(Rankinite),γ-2CaO·SiO2的含有率变低。原料的CaO/SiO2的摩尔比超过2.2时,副产有3CaO·SiO2、游离石灰,γ-2CaO·SiO2的含有率依然变低。原料的CaO/SiO2的摩尔比优选为1.85~2.15。
CaO原料与SiO2原料的粒度需要调节至150μm通过率为90%以上、即150μm的筛下物为90%,更优选调节至100μm通过率为90%以上、即100μm的筛下物为90%。原料的粒度未细小至前述范围时,γ-2CaO·SiO2的纯度变差。具体而言,有游离石灰、不溶解残留成分变多的倾向。
本发明中,为了促进γ-2CaO·SiO2的生成,优选对经调配的原料进行造粒。造粒是指将经调配的原料成型为丸子状的操作。进行造粒使粒度的范围为优选1mm~50mm、优选10mm~30mm。作为造粒的方法,可以举出:在圆盘型的转鼓中投入原料与水进行造粒的方法、在模具中加入原料进行加圧成形的所谓的使用造粒机的方法等。造粒时使用的水的使用量,按(水/原料)的质量比计优选为(0.1~0.3)/1,更优选为(0.15~0.25)/1。水的使用量小于0.1/1时,经造粒的原料容易崩解,在回转窑中烧成时,有时无法充分地进行烧成反应。另外,水的使用量超过0.3/1时,经造粒的原料中的水分过多,依然容易崩解,在回转窑中烧成时,有时无法充分地进行烧成反应。由于原料中包含大量水,因此,为了使其蒸发,需要多的烧成能量,因而不仅不经济,另外,环境负荷也大,因此不优选。
本发明中,在回转窑中对造粒后的原料进行烧成。对于其温度,需要在燃烧温度1350℃~1600℃下进行烧成,更优选为1400℃~1550℃,特别优选为1400℃~1500℃。燃烧温度小于1350℃时,γ-2CaO·SiO2的纯度变差。具体而言,有游离石灰、不溶解残留成分变多的倾向。相反,燃烧温度超过1600℃ 时,有时熔融而在窑内粘挂有结皮,作业变困难,能量消耗大,不经济。需要说明的是,本发明所述的燃烧温度是指窑内的最高温度。通常,窑内的最高温度位于自燃烧器伸出的火焰(火焰的形状)的前方附近。
回转窑的烧成带的内面使用的砖、灰浆的材质很重要。本发明中,使用自下述(1)~(5)构成的组中选择的至少1种以上的砖或者灰浆。
(1)镁-尖晶石砖
(2)JIS R2305所规定的铝质砖中,Al2O3含有率为85%以上、优选为96%以上的铝质砖
(3)JIS R2011所规定的碳化硅质砖
(1)~(3)以外的砖有时难以稳定地制造γ-2CaO·SiO2而混杂有β-2CaO·SiO2。
(4)镁-尖晶石灰浆
(5)Al2O3含有率为85%以上、优选为96%以上的铝质灰浆
本发明中,将上述灰浆用于烧成带时,上述(4)或(5)以外的灰浆有时难以稳定地制造γ-2CaO·SiO2而混杂有β-2CaO·SiO2。
这些灰浆优选涂布于回转窑的烧成带的砖的表面而使用。对涂布在砖上的灰浆的使用条件没有特别的限制,优选灰浆的厚度为5mm~10mm。水相对于灰浆成分优选为(0.15~0.2)/1。
另外,上述砖以及灰浆均优选用于水泥回转窑且无铬。
本发明中,对于回转窑中的烧成气氛,优选在氧浓度为10体积%~21体积%的氧/氮的混合气体中、大气中、或者包含10体积%~21体积%的氧的燃烧气体中,更优选在12体积%~16体积%中。烧成时间优选为1小时~5小时,进一步优选为2小时~4小时。回转窑的旋转速度优选为400rpm~800rpm,更优选为500rpm~700rpm。
本发明的γ-2CaO·SiO2的制造方法优选为利用分批烧成的分批制造方法 或者利用连续烧成的连续制造方法,从生产率的观点出发,更优选为连续制造方法。在这里,连续制造方法是指边将经造粒的原料连续地供给至回转窑的烧成带,边连续地从回转窑取出烧成物的制造方法。
连续制造方法中,从生产率的观点出发,经造粒的原料在回转窑的最高温度带中的滞留时间优选为30分钟~180分钟,进一步优选为50分钟~150分钟。
本发明中,在烧成后进行冷却操作,对冷却条件没有特别的限制,只要不进行特殊的骤冷操作即可。具体而言,采用按照一般的波特兰水泥熟料(portland cement clinker)的冷却条件的方法即可,在回转窑烧成后,在大气环境下通过冷却器等进行冷却即可。
根据本发明的γ-2CaO·SiO2的制造方法,可以得到粉化后的40μm通过率为85%以上、即纯度高的γ-2CaO·SiO2。另外,根据本发明的γ-2CaO·SiO2的制造方法,可以得到粉化后的40μm通过率为90%以上、进而95%以上的产品。
实施例
接着,通过实施例以及比较例对本发明进行更具体的说明,但本发明不应限于以下实施例而解释。
“实验例1”
配合下述的CaO原料、SiO2原料、Al2O3成分以及Fe2O3成分,制备如表1所示CaO/SiO2的摩尔比为2.0、1000℃加热后的Al2O3含量与Fe2O3含量不同的各种配方的原料。将这些原料在造粒机(三菱重工业公司制、多孔板造粒机MG-180:多孔板直径1800mm、深度450mm)中,在水/原料的质量比为0.2/1的条件下进行造粒使得粒度为10mm~40mm,利用如表1所示变更了烧成带内面的材质的回转窑,在1450℃下进行烧成。将对烧成后的样品进行评价而得到的结果一并记载于表1中。
<回转窑>
实验例中使用的回转窑为内径1m、长度20m的圆筒状。对于回转窑的烧成带的内面的耐火物的材质,使用下述(1)~(5)所述的砖(厚度50mm)或者在砖的表面涂布有灰浆的砖。
烧成带的材质(1):镁-尖晶石砖(市售品)
烧成带的材质(2):Al2O3含有率90%的铝质砖(市售品)
烧成带的材质(3):碳化硅质砖(市售品)
烧成带的材质(4):在Al2O3含有率60%、SiO2含有率40%的硅铝砖的表面,以水/灰浆成分质量比0.17/1、厚度7mm的条件涂布有镁-尖晶石灰浆的砖。
烧成带的材质(5):在Al2O3含有率60%、SiO2含有率40%的硅铝砖的表面,以水/灰浆成分质量比0.17/1、厚度7mm的条件涂布有Al2O3含有率为90质量%的铝质灰浆的砖。
<使用材料>
CaO原料:石灰石微粉。CaO为55.4%、MgO为0.37%、Al2O3为0.05%、Fe2O3为0.02%以及SiO2为0.10%,灼烧失重(1000℃)为43.57%,未检出碳成分。150μm通过率为97.0%,100μm通过率为91.9%。
SiO2原料:硅石微粉。CaO为0.02%、MgO为0.04%、Al2O3为2.71%、Fe2O3为0.27%、SiO2为95.83%以及TiO2为0.23%,未检出碳成分。灼烧失重(1000℃)为0.51%,150μm通过率为95.1%,100μm通过率为90.3%。
Al2O3成分:工业用三氧化二铝。纯度99%以上。
Fe2O3成分:工业用氧化铁。纯度99%以上。
水:自来水。
<测定方法>
化合物的鉴定:利用粉末X射线衍射法对化合物进行鉴定。
化学成分的定量:根据JIS R5202对Al2O3成分、Fe2O3成分、游离石灰、 不溶解残留成分进行分析。
粉化的程度:根据40μm通过率进行评价。
[表1]
S:Strong、检测到强的衍射峰。
γ-C2S;γ-2CaO·SiO2、β-C2S:β-2CaO·SiO2
根据表1可以知道,相对于1000℃加热后的原料,自CaO原料、SiO2原料混入的Al2O3、Fe2O3的总和需要小于5质量%(mass%)。Al2O3、Fe2O3的总和更优选为4质量%以下,最优选为3质量%以下。尤其,相对于1000℃加热后的原料,Fe2O3的含量优选为2质量%以下,更优选为1.5质量%以下,最优选 为1质量%以下。相对于1000℃加热后的原料,Al2O3、Fe2O3的总和未小于5质量%时,容易生成β-2CaO·SiO2,γ-2CaO·SiO2的纯度变差。另外,通过在烧成带中使用镁-尖晶石砖、Al2O3含有率90%的铝质砖、碳化硅质砖、镁-尖晶石灰浆、Al2O3含有率为90质量%的铝质灰浆,可以稳定地制造纯度高的γ-2CaO·SiO2。
“实验例2”
除了将原料的CaO/SiO2的摩尔比固定为2.0、Fe2O3含量固定为0.3%、Al2O3含量固定为1.7%,将烧成带的砖、灰浆变更为下述的(5)~(12)以外,与实验例1同样地进行。结果示于表2。
<使用材料>
烧成带的材质(5):Al2O3含有率95%铝质砖(市售品)
烧成带的材质(6):Al2O3含有率85%的铝质砖(市售品)
烧成带的材质(7):在Al2O3含有率60%、SiO2含有率40%的硅铝砖的表面,以水/灰浆成分质量比0.17/1、厚度7mm的条件涂布有Al2O3含有率95%的铝质灰浆(YOTAI公司制M-AW)的砖
烧成带的材质(8):在Al2O3含有率60%、SiO2含有率40%的硅铝砖的表面,以水/灰浆成分质量比0.17/1、厚度7mm的条件涂布有Al2O3含有率85%的铝质灰浆(YOTAI公司制M-A)的砖
烧成带的材质(9):Al2O3含有率45%、SiO2含有率55%的硅铝砖(市售品)
烧成带的材质(10):MgO含有率85%的镁砖(市售品)
烧成带的材质(11):在Al2O3含有率60%、SiO2含有率40%的硅铝砖的表面,以水/灰浆成分质量比0.17/1、厚度7mm的条件涂布有Al2O3含有率80%、SiO2含有率20%的硅铝灰浆(YOTAI公司制M-WAG)的砖
烧成带的材质(12):在Al2O3含有率60%、SiO2含有率40%的硅铝砖的 表面,以水/灰浆成分质量比0.17/1、厚度7mm的条件涂布有MgO含有率95%的镁灰浆的砖
[表2]
S:Strong、检测到强的衍射峰。
γ-C2S:γ-2CaO·SiO2
根据表2可以知道,通过在烧成带使用Al2O3含有率为85质量%以上的铝质砖、或者铝质灰浆,可以稳定地制造纯度高的γ-2CaO·SiO2。使用本发明以外的砖、灰浆时,难以稳定地制造γ-2CaO·SiO2,生成β-2CaO·SiO2。
“实验例3”
除了将原料的CaO/SiO2的摩尔比固定为2.0、Fe2O3含量固定为0.3%、Al2O3含量固定为1.7%,如表3所示变更原料的粒度以外,与实验例1同样地进行。结果示于表3。
[表3]
S:Strong、检测到强的衍射峰。
γ-C2S:γ-2CaO·SiO2
根据表3可以知道,需要将CaO原料与SiO2原料的粒度调节至150μm通过率为90%以上,更优选调节至100μm通过率为90%以上。原料的粒度未细小至前述范围时,γ-2CaO·SiO2的纯度变差,游离石灰、不溶解残留成分变多。
“实验例4”
除了如表4所示变更CaO原料与SiO2原料的CaO/SiO2摩尔比以外,与实验例3同样地进行。结果示于表4。
[表4]
S:Strong、检测到强的衍射峰。W:Weak、检测到弱的衍射峰。
γ-C2S:γ-2CaO·SiO2,α-CS:α-CaO·SiO2,C3S:3CaO·SiO2
根据表4可以知道,需要将CaO原料与SiO2原料的配合比例调节至原料的CaO/SiO2的摩尔比为1.8~2.2。原料的CaO/SiO2的摩尔比不在该范围内时,有时γ-2CaO·SiO2的纯度变差。
“实验例5”
除了如表5所示变更燃烧温度以外,与实验例3同样地进行。结果示于表5。
[表5]
S:Sttong、检测到强的衍射峰。W:Weak、检测到弱的衍射峰。
γ-C2S:γ-2CaO·SiO2,α-CS:α-CaO·Si02
根据表5可以知道,需要在燃烧温度为1350℃~1600℃的条件下烧成,更 优选为1400℃~1550℃。燃烧温度小于1350℃时,γ-2CaO·SiO2的纯度变差。相反,燃烧温度超过1600℃时,熔融而在窑内粘挂有结皮,作业变困难,混杂有β-2CaO·SiO2。
“实验例6”
除了如表6所示变更造粒时的(水/原料)的质量比以外,与实验例3同样地进行。结果示于表6。
[表6]
S:Strong、检测到强的衍射峰。W:Weak、检测到弱的衍射峰。
γ-C2S:γ-2CaO·Si02,α-CS:α-CaO·SiO2
根据表6可以知道,对于造粒时使用的水的使用量,优选按水/原料比计 为10质量%~30质量%,更优选为15质量%~25质量%。水的使用量小于10质量%时,经造粒的原料容易崩解,在回转窑中烧成时无法充分地进行烧成反应。另外,水的使用量超过30质量%时,经造粒的原料中的水分过多,依然容易崩解,在回转窑中烧成时无法充分地进行烧成反应。
产业上的可利用性
本发明的γ-2CaO·SiO2的制造方法可以得到纯度高、且工业上的生产率高、品质稳定的产品,因此可广泛利用。
另外,将2011年1月21日申请的日本特许申请2011-010964号、2011年6月10日申请的日本特许申请2011-130285号、2011年6月10日申请的日本特许申请2011-130361号、2011年8月5日申请的日本特许申请2011-172226号以及2011年9月14日申请的日本特许申请2011-200645号的说明书、权利要求书以及摘要的全部内容引用于此,作为本发明的说明书公开的内容而采用。
Claims (13)
1.一种γ-2CaO·SiO2的制造方法,所述γ-2CaO·SiO2的40μm通过率为85%以上,所述方法中,对以CaO和SiO2为主要成分、CaO/SiO2的摩尔比为1.8~2.2、1000℃加热后Al2O3与Fe2O3的总含量小于5质量%、粒度按150μm通过率计为90质量%以上的原料进行造粒,将经造粒的原料在回转窑中在燃烧温度1350℃~1600℃下烧成,所述回转窑的烧成带的内面使用了自镁-尖晶石砖、Al2O3含有率为85质量%以上的铝质砖、碳化硅质砖、镁-尖晶石灰浆以及Al2O3含有率为85质量%以上的铝质灰浆构成的组中选择的至少1种以上的砖或者灰浆。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其中,所述回转窑在烧成带的砖中使用镁-尖晶石砖。
3.根据权利要求1所述的制造方法,其中,所述回转窑在烧成带的砖中使用Al2O3含有率为85质量%以上的铝质砖。
4.根据权利要求1所述的制造方法,其中,所述回转窑在烧成带的砖中使用碳化硅质砖。
5.根据权利要求1所述的制造方法,其中,所述回转窑在烧成带的砖中使用涂布有镁-尖晶石灰浆的砖。
6.根据权利要求1所述的制造方法,其中,所述回转窑在烧成带的砖中使用涂布有Al2O3含有率为85质量%以上的铝质灰浆的砖。
7.根据权利要求1~6任一项所述的制造方法,其中,原料的CaO/SiO2的摩尔比为1.85~2.15。
8.根据权利要求1~6任一项所述的制造方法,其中,1000℃加热后的原料含有小于2质量%的Fe2O3。
9.根据权利要求1~6任一项所述的制造方法,其中,原料具有按100μm通过率计为90质量%以上的粒度。
10.根据权利要求1~6任一项所述的制造方法,其中,使用水/原料的质量比为(0.1~0.3)/1的水来造粒。
11.根据权利要求1~6任一项所述的制造方法,其中,在1400℃~1500℃的燃烧温度下烧成。
12.根据权利要求1、5、6的任一项所述的制造方法,其中,回转窑的烧成带的砖表面的灰浆的厚度为5mm~10mm。
13.根据权利要求1~6任一项所述的制造方法,其中,边将经造粒的原料连续地供给至回转窑的烧成带,边连续地从回转窑取出烧成物。
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