NO127003B - - Google Patents

Description

Kunststein og fremgangsmåte ved fremstilling av samme.

Oppfinnelsen angår meget hard, slitesterk, syre-, base-

og varmebeståndig kunstig magmatisk stein, og en fremgangsmåte-til fremstilling av samme.

Naturlig magmatisk stein blir brukt som råmaterialer'i' stadig okende mengder i forskjellige industrigrener. Spesielt innen bygningsindustrien og dén kjemiske industri til bygnings- og maskin-irigeniorf ormål, f. eks. dekkstein, etc'.

En ulempe for fremstilling av naturlig magmatisk" stein er at den eneste metode for fremstilling er kutting og skjæring.

Den meget harde, slitesterke, syre- og basebestandige magmatiske stein, beholder sin fordelaktige fysikalske og<;>kjemiske egenskaper også'under smeltnlng og stopning, eller rettere etter en rekrystallisasjon, og egner seg derfor godt til fremstilling av former, ror, og stopeartikler av forskjellige former. De naturlige magmatiské steiner har blitt fremstilt ved knusing og smelting ved egnede hoytemperaturer, videre blitt smeltestopt i form, krystallisert og kjolt etterpå. Til dette formål ble hovedsakelig forskjellige typer av basalter benyttet. Disse produkter er kjent i handelen som "smeltede basalter".

Produkter fremstilt av smeltede basalter blir brukt til mange formål. En kjent fremstillingsmåte av naturlig magmatiské steiner (basalt, diabase, basanltt,fonolitt etc.) består i folgende: det vundne, råmateriale blir knust til en kornstorrelse på 20 - 60 mm og smeltes i ovner av forskjellige typer ved en temperatur mellom 1200 og l<l>+00°C - avhengig av stenens kjemiske sammensetning. Smeiten får stå og blir siden stopt. Etter stoping og forming, gjennomgår materialet en varmebehandling ved et temperaturområde på 1000 - 700°C, i en gjennomgangsovn, og blir sakte kjolt ned - vanligvis i lopet av en periode på 20 - 22 timer. Det som vanligvis kjennetegner produkt-ene (heller, ror, former) fremstilt ved hjelp av de kjente prosesser, er at deres struktur er mikro-cryptokrystallinsk, i visse tilfelle delvis glassaktig. Den siste egenskap svekker imidlertid deres fordelaktige fysikalsk-kjemiske egenskaper.

Anstrengelser som tar sikte på å nyttiggjore seg materialer fra avfallshaugene som hoper seg opp i store mengder i nærheten av varmekraftverk, slagget, flyasken, og asken dannet av disse kraft-verk, har vært kjent i lang tid. Ikke desto mindre har disse anstrengelser ennu ikke gitt brukbare resultater. Slagget eller flyasken etc. dannet ved varmekraftverkene, kan benyttes til fremstilling av hydraulisk sement, som tilsats til betong, som fyllmateriale til prefabrikerte bygningselementer, eller til veifundamenter. Men på grunn av den lave pris på vekt av sluttproduktet, kan disse produkter bare bli solgt i begrenset omfang.

Et mål med denne oppfinnelse er fremstilling av kunstig magmatisk stein fra råmaterialer som hittil betraktes som avfall. Kunststein produsert fra materialer i avfallshauger, fra slagg produsert av varmekraftverk, fra flyaske kan benyttes som verdifullt råmateriale i bygnings- og kjemisk industri.

Meget harde,, slitesterke, syre-, base- og. vårmebetandige kunstige magmatiské stein i henhold til oppfinnelsen, har en sammensetning som vesentlig består av: h5 - 60 vektfo Si0o, 15 - ^0 vekt$ trivalente (Al, FeJ ) metalloxyder, idet minst h- 0 vekt% av nevnte oxyd er Fe20^, 10 - 20 vekt^ divalente oxyder og 1 - 5 vekt$ alkalimetalloxyder hvis sammensetning vesentlig domineres av krystallforbindelser med en storrelse på 2 -. 20 /om og et krystallisasjonstemperaturområde på 1200 - 900°C, idet krystallforbindelsene vesentlig består av 55 - 75 vekt$ labradoritt-feltspat dannet av albitt^Q^jj anorittgQ^Q, 5 - 15 vekt% monoklin pyroxen, 1-10 vekt% rombisk pyroxen inneholdende magnesium, 5-25 vekt% oxyder som vesentlig har spinellstruktur, og Fe202~modifikasjoner.

Fremgangsmåten ved fremstilling av meget hard, slitesterk syre-, base-, varmebestandig, kunstig magmatisk stein, er karakterisert ved at et utgangsmateriale med smeltepunkt under 1500°C, fremkommet ved brenning av steinkull og/eller flyaske, og/eller materiale fra kullgruvenes avfallshauger, smelter og at sammensetningen deretter justeres ved at tilsatsstoffer iblandes slik at det oppnås en sammensetning som vesentlig består av ^5 - 60 vekt% Si02, 15 - ■+0 vekt% trivalent (Al, Fe^<+>) metalloxyder, idet minst k0 vekt$ av nevnte oxyd er FepO^, og 10 - 20 vekt% divalente oxyder og 1 - 5 vekt$ alkalimetalloxyder, hvoretter smeiten opprettholdes i et temperaturområde på 1500°C til 1350°C, og at denne, etter fjerning av inneværende gass, stopes i et temperaturområde fra 1350-1200°C og krystalliseres i et temperaturområde fra 1200°C til 900°C i lopet av 0,5 - ^ timer på en slik måte at krystallforbindelser dannes, idet disse krystallforbindelser vesentlig består av 55 - 70 vekt% labradoritt-f eltspat (plagioklas) dannet av albitt^Q_1+Q-anortittgQ_^Q, 5-10 vekt% monoklin pyroxen, 1-10 vekt% rombisk pyroxen inneholdende magnesium, 2-25 vektjj? oxyder med spinellstruktur og Fe202~modifikasjoner, og at krystallisasjonsvarmebehandlingen utfores ved en konstant eller gradvis synkende temperaturgradient, hvoretter den krystalliserte smelte kjoles med en hastighet på 80 - 20°C/t, hvorved det erholdes en kunstig stein med hovedsakelig krystallinsk struktur hvor krystallenes kornstbrrelse er omkring 2 - 20 f^ m.

Råmaterialet benyttet til fremstilling av den kunstige stein, blir smeltet ved hjelp av tilfort varme og/eller ved utnyttelse

av den utviklede varme ved forbrenning av råmaterialets brennbare substanser. Benyttes steinkull som kilde for råmaterialet, blir

dette brent i en syklon (slaggsmeltning)-ovn, og de nodvendige tilsatsstoffer for sikring av den kunstige steins riktige sammensetning, blir tilsatt steinkullet for eller etter det er satset i forbrenningskammeret. Siden blir smeiten innfort fra ovnen direkte i steinfrem-stlllingsprosessen....

For å justere råmaterialets riktige kjemiske sammensetning, tilsettes stoffer, hovedsakelig i finmalt tilstand. Disse tilsatsstoffene kan være stein, mineraler, i spesielle tilfeller uorganiske forbindelser i oxydform.

I tilfeller der råmaterialene er mettet med aluminiumoxyd, tilsettes fluor- og carbonatholdige substanser, slik som fluoritt (cryolitt), videre calcium-, magnesium-, natrium-, eller kaliumcarbonat, ankeritt, sideritt, rodslam fra bauxittproduksjonen, eller mangancarbonatmalm. Folgende magmatiské eller sedimentære steiner var gunstig som tilsatssoffer: wehrlitt, fonolitt, granitt, aplitt, tuff, videre dolomitt, kalksten, marmor, sandstein og carbonat og magnesiumoxydmalm.

Krystallisasjonstemperatur-gradienten blir kontrollert på en slik måte at smeiten holdes innen et temperaturområde på 1200 - 900°C, ved en fast eller gradvis synkende temperatur, inntil de krystaller av blandingen som krystalliserer ved en gitt temperatur, er godt separert.

De fysikalske, mekaniske og kjemiske egenskaper til den kunstige stein, kan bli variert innen vide grenser. Smeiten kan lett stbpes og formes,"hovedsakelig blir steinheller og stopegjenstander av annen form stopt. Oppskjæring av blokkene er således overflodig. Steinheller, stopt på denne måten, har en glatt overflate, de er polerbare, og det er derfor ingen grunn til å male råmaterialet. Produktet kan nyttes som dekkstein uten å poleres. Et fordelaktig trekk av oppfinnelsen er at startmaterialet er hovedsakelig verdilost materiale, eller av meget liten verdi. Det er av meget stor okonomisk verdi at områder som er okkupert av slagg-, flyaske- og avfallshauger kan bli frigjort, deres verdi er betydelig, spesielt i tett befolkede industriområder.

Oppfinnelsen er, på den ene side, basert på den iakttagelse at den kjemiske sammensetning av slagget, eller flyasken, eller asken fremkommet ved brenning av kull i varmekraftverk, og materialet i avfallshaugene, i mange henseende er lik visse "ultra-basic-mag-mati-ske" steiner. På den annen side er det iakttatt at man ved rik-tig justering av den kjemiske sammensetning og viskositet av smeiten og ved passende valg av krystallisasjonsbetingelsene,.kan frem-stille kunstig magmatiské. steiner meget nær opptil naturlig magmatisk stein.

Fremgangsmåten ved fremstilling av kunstige magmatiské steiner i henhold til oppfinnelsen, forklares i detalj i det folgende: Til å begynne med blir råmaterialet smeltet. Utgangsmaterialet er dannet av råmaterialet og tilsatsstoffene. Hvis råmaterialet ikke inneholder brennbare bestanddeler, blir den samlede bland-ing smeltet ved hjelp av tilfort varme. Ved en gunstig -utforming av den fremlagte oppfinnelse, kan råmaterialet og tilsatsstoffene smeltes ved hjelp av dan varme som utvikles når de brennbare bestanddeler i råmaterialet forbrennes. Både ytre og indre varme kan nyttes for å smelte blandingen.

Smelteprosessen, kan utfores ved hjelp av forskjellige teknologiske metoder, avhengig av slaggsmeltens temperatur og fysikalske tilstand etter at de brennbare bestanddeler i kullet er brent.

Hvis steinkull blir brent i en slaggsmeltningsovn, forlater slagget, beregnet til. råmateriale, ovnen allerede i smeltet tilstand. I dette tilfelle trengs ingen videre varme til smelteprosessen. Avhengig av tilsatsstoffenes korrosive egenskaper, blir de blandet til steinkullet i ovnens forbrenningskammer enten for satsing, eller direkte i forbrenningskammeret,' og/eller til slagg-smelten når denne forlater ovnen. For tilsatsstoffer som er prakt-isk talt noytrale med hensyn til korrosjon, er det fordelaktig å tilsette disse sammen med steinkullet fordi man på denne måten sikrer deres jevne fordeling i hovedmassen. I dette tilfellet blir tilsatsstoffene satset i ovnen blandet med pulverisert kull.

I henhold til en annen utforming blir tilsatsstoffene tilsatt steinkullet i forbrenningskammeret satsvis eller alt på en gang. Det er fordelaktig,å blande tilsatsstoffer med korroderende' egenskaper til smeiten når denne forlater ovnen. Hvis man ved brenning, av steinkullet benytter en ovn, hvorfra slagget, flyaskeri, eller asken forlater ovnen ved en lavere temperatur, blir det; dan-nede stoff smeltet ved hjelp av tilfort varme, hvåretter tilsats-stof f ene blir blandet enten til råmaterialet eller smelter.;

Ofte forlater slagget, som benyttes som startmateriåle, ovnen ved relativt hoye temperaturer, men i fast tilstand. Dette er tilfellet når f.eks. en syklonovn med bevegelig rist blir benyttet og hvor startmaterialet er slagg som forlater ovnen ved en temperatur på 800- 1000°C. Dette slagget blir oppvarmet.i ovnen ved ytterligere tilfort varme, og av den varmeenergi slagget inneholder.

Lignende forhold råder når flyaske på omlag 100°C blir benyttet som startmateriåle. Ved hjelp av egnede varmebehandlings-metoder kan smeltingen av startmaterialet utfores med minst mulig varmeenergiforbruk. Til en del, eller hele startmaterialmengden, eller tilsatsstoffmengden, kan materialet fra kullgruvenes avfallshauger benyttes. Dette materialet blir varmet opp ved hjelp av tilfort varme, slik at den varmemengde som utvikles ved forbrenning av de brennbare deler av avfallet utgjor den resterende del av den nodvendige varmeenergi til smeltingen. I dette tilfellet favoriseres forbrenningen av innblåsning av luft.

Tilsatsstoffene spiller en avgjorende rolle hvis smeltetemperaturen, smeltenes viskositet og krystallisasjonstemperaturen må senkes. Til senkning av smelteviskositeten er innholdet av fluor-og carbonat viktig, fordi man ved hjelp av slike tilsatsstoffer, kan senke smelteviskositeten selv i et slikt temperaturområde hvor storkning av smeiten er ufordelaktig.

Det er mulig, uten å si at det avhenger av den kjemiske sammensetning av startmaterialet,. i industriell praksis å variere sammensetning og mengde av tilsatsstoffene, innen vide grenser. Hvis, f.eks. star.tmaterialets aluminiuminnhold er relativt hoyt, foregår krystallisasjonen ugunstig, eller tilsatsstoffene mangler, dannes krystaller som virker ugunstig på sluttproduktets egenskaper, f.eks. hardhet, syrefasthet, eller en ugunstig overflate.dannes.

I disse tilfeller er det viktig å tilsette stoffer som inneholder

Ca og Na, fordi disse sikrer dannelsen av noytrale plagloklaser,

og dannelsen av mullitt, som virker ugunstig på sluttproduktets egenskaper, blir eliminert. Det er fordelaktig å substituere det relativt lett smeltbare rhyolitt-tuff for den manglende mengde av silicondioxyd. Alkaliinnholdet kan kontrolleres ved iblanding av fonolitt, Ca-innholdet ved tilsats av kalkstein, Ca- og Mg-innholdet ved tilsats av dolomitt.

Blandingen blir smeltet og satset i en såkalt kondisjon-eringsovn, hvor det får henstå i et temperaturområde på 1500 -1350°C. Hensikten med dette trinn er i forste rekke å fjerne de gassaktige. substansene, som forurenser smeiten. Det tungtflytende stopbare materiale blir deretter formet. Til forming kan forskjellige metall-urgiske metoder benyttes, f.eks. stopeforming, rulling, eller trek-king. Etter stoping og forming er det fordelaktig å krystallisere smeiten ved en forutbestemt temperaturgradient. Tilslutt blir det krystalliserte produkt kjolt i lopet av kontrollert tid. Den kjemiske sammensetning av den kunstige stein, fremstilt i henhold til oppfinnelsen, kan profittberegnes ved å ta hensyn til startmateri-alets kjemiske sammensetning, og den anvendte varmebehandling. Sluttproduktets krystalline sammensetning stemmer godt overens med de be-regnede verdier. Strukturen på den kunstige stein viser en meget nær likhet med de naturlige magmatiské steiner med tilnærmet lik kjemisk sammensetning.

De mekaniske karakteristika til steinheller fremstilt ved hjelp av nevnte prosess, er folgende:

De fysikalske og kjemiske egenskaper til den kunstige stein, kan varieres innen.vide grenser. Smeiten er lett stopbar og formbar, steinheller kan stopes av smeiten og utnyttes direkte. Stopbarheten til den kunstige stein, er en ekstra fordel sammenlignet med naturlig ..stein som må utvinnes ved hjelp ay mineringsmetoder, og hen-., siktsmessig bearbeides bare ved hjelp av kostbare og trettende metoder hvor store tap må forutsettes. Den kunstige steins overflate er glatt og polerbar, formaling av startmaterialet er unodvendig. Produktet kan benyttes som. dekkst.ein uten å bli polert..

I det-fSigende blir eksempler på fremstillingsmetoden i henhold til oppfinnelsen, illustrert:

Eksempel 1

Til flyaske som inneholder ^9,0 vekt# Si02, 17, 5% ^- 2°y 19,3 vekt# Fe203, 2,2 vekt# MgO, 7,7 vektjg CaO, 2,0 vekt# Na20, 2,7 vekt# SO^, ble det tilsatt 5 vekt# bauxitt. Blandingen ble smeltet ved 1300°C, det fikk stå ved 1350 - 1360°C. Etter stSping og forming ble det krystallisert i ISpet av 3 timer ved 1150°C og etter krystallisasjonen ble det krystalline materiale kjolt med en hastighet på 80-60°C/t. Den gjennomsnittlige kornstorrelse på det krystalline produkt var omkring 5 - 20|0m.

Eksempel 2

Til flyaske som hadde en sammensetning lik Eksempel 1, ble 5 vekt# bauxitt og 5 vekt$ sedimentær stein inneholdende leirholdig mangancarbonat tilsatt. Blandingen ble smeltet ved 1320°C, det fikk stå ved 1350°C, etter stSping og forming ble det krystallisert i ISpet av 3 timer ved 1150°C og siden ble materialet kjSlt med en hastighet på 100 - 50°C/t. Den gjennomsnittlige kornstSr-reise på produktet var omkring 2-20 jUm.

Eksempel 3

Til flyaske angitt i Eksempel 1, ble 5 vekt$ sedimentær stein inneholdende leirholdig mangancarbonat tilsatt. Blandingen ble smeltet ved 1250 - 1300°C, det fikk stå ved 1320 - 1350°C. Det ble krystallisert i ISpet av 3 timer ved "1150 - 1120°C og kjSlt i ISpet av 18. timer. KornstSrrelsen til en gjennomsnittsdel av det fullkomment krystallinske produkt var omkring 5-15 /*m.

Eksempel k

Til flyaske som inneholder 55,8 vekt# Si02, 30,3 vekt# av A120^, 7,2. vekt# Fe^, 2,1 vekt% MgO, 3,1 vektjTCaO, 1,0 vekt% Na20 og 0,8 vekt# S0^ ble det tilsatt 10 vekt# limonittisk kalkstein, 3 vekt# natriumcarbonat og 2 vekt% sedimentære steiner inneholdende leiraktig mangancarbonat. Blandingen ble smeltet ved ll+00°C, det fikk stå i nSdvendig tid ved lMf0°C, etter stoping og forming ble det krystallisert i ISpet av en.time ved 1200°C og deretter kjSlt mellom 1200 - 1000°C med en hastighet på 100°C/t, og under 1000°C med en hastighet på 80 - 50°C/t. Den overveiende del av produktet hadde en mikrokrystallinsk struktur.

Claims (6)

1. Sterk, slitesterk, syre-, base- og varmebestandig, kunstig magmatisk stein, karakterisert ved at den består av <1>+5 - 60 vekt% Si02, 15 - lf0 vekt# trivalente (Ai, Fe<3+>) metalloxyder, idet minst hO vekt$ av nevnte oxyd er Fe20^, 10 - 20 vekt$ divalente oxyder og 1 - 5 vekt% alkalimetalloxyder hvis sammensetning vesentlig domineres av krystallforbindelser med en storrelse på 2 - 20/x-m og et krystallisasjonstemperaturområde på 1200 - 900°C, idet krystallforbindelsene vesentlig består av 55 - 75 vekt$ labradoritt-feltspat dannet av albitt^Q^Q-<a>norittgQ^Q, 5-15 vekt% monoklin pyroxen, 1-10 vekt% rombisk pyroxen inneholdende magnesium, 5-25 vekt% oxyder som vesentlig har spinellstruktur, og FepO^-modifikasjoner.

2. Fremgangsmåte ved fremstilling av kunstig magmatisk stein ifolge krav 1, karakterisert ved at et utgangsmateriale med smeltepunkt under 1500°C, fremkommet ved brenning av steinkull og/eller flyaske, og/eller materiale fra kullgruvenes avfallshauger, smeltes og at sammensetningen deretter justeres ved at tilsatsstoffer iblandes slik at det oppnås en sammensetning som vesentlig består av h$ - 60 vekt% Si02, 15 - lf0 vekt% trivalente (Al, Fe<3+>) metalloxyder, idet minst *f0 vekt% av nevnte oxyd er Fe20^, og 10 - 20 vekt% divalente oxyder og 1 - 5 vekt$ alkalimetalloxyder, hvoretter smeiten opprettholdes i et temperaturområde på 1500°C til 1350°C, og at denne, etter fjerning av inneværende gass, stopes i et temperaturområde fra 1350 - 1200°C og krystalliseres i et temperaturområde fra 1200°C til 900°C i lopet av 0,5 - h timer på en slik måte at krystallforbindelser dannes, idet disse krystallforbindelser vesentlig består av 55 - 70 vekt% labradoritt-feltspat (plagioklas) dannet av albitt^Q ^Q-anortitt^Q_^Q, 5-10 vekt% monoklin pyroxen, 1-10 vektfo rombisk pyroxen inneholdende magnesium, 2-25 vekt# oxyder med spinellstruktur og FepO^-modifikasjoner, og at krystalli-sas jonsvarmebehandlingén utfores ved en konstant eller gradvis synkende temperaturgradient, hvoretter den krystalliserte smelte kjoles med en hastighet på 80 - 20°C/t, hvorved det erholdes en kunstig stein med hovedsakelig krystallinsk struktur hvor- krystallenes kornstorrelse er omkring 2-20 /tm.

3- Fremgangsmåte ifølge krav 2, når det som utgangsmateriale anvendes forbrenningsrester fra kull, karakterisert ved at det tilsettes stoffer til kullet som er egnet til å sikre den riktige kjemiske sammensetning av den kunstige stein foretas for eller etter at kullet satses i forbrenningskammeret i en slaggsmeltningssyklonovn, og at det smeltede slagg ledes direkte inn i fremstillingsprosessen av den kunstige stein.

4. Fremgangsmåte ifolge krav 2, karakterisert ved at de for justering av den kunstige stein riktige kjemiske sammensetning nodvendige tilsatsstoffer, slike som stein, mineraler, eller uorganiske komponenter i form av oxyder tilsettes i finmalt tilstand.

5. Fremgangsmåte ifolge krav 2, karakterisert ved at stoffer inneholdende F-, Cl- eller carbonat, slike som f.eks. cryolitt, fluoritt, eller calcium-, magnesium-, natrium- eller kaliumcarbonat, videre ankeritt, sideritt, kalkstein, dolomitt, magnesiumcarbonatmalm og rodslam fremkommet fra aluminiumproduksjonen tilsettes smeiten når utgangsmaterialet er rikt på aluminiumoxyd, for således å nedsette smeltetemperaturen, smeltens viskositet og krystal-lisas jons temperatur.

6. Fremgangsmåte ifolge krav 2, karakterisert ved at det som tilsatsstoffer anvendes magmatiské eller sedimentære stein-arter, som f.eks. wehrlitt, fenolitt, granitt, aplitt, tuff, dolomitt, kalkstein, marmor, sandstein, eller mangancarbonat- og oxydmalm. <1>• Fremgangsmåte ifolge krav 2, karakterisert ved at krystallisasjonstemperaturgradienten justeres innen temperatur-området fra 1200 - 900°C, ved at smeiten holdes ved konstant temperatur, ved konstant synkende temperatur, eller ved trinnvis synkende temperatur inntil de krystallforbindelser av blandingen som krystalliserer ved en gitt temperatur, er fullt ut utkrystallisert.