Застосування вуглецевих нанотрубок в агломератах рудного дрібняка для підвищення механічної міцності

Реферат: Винахід стосується застосування вуглецевих нанотрубок в агломератах рудного дрібняка для підвищення механічної міцності. Винахід також стосується способу одержання рудних агломератів, які мають підвищену механічну міцність в результаті застосування вуглецевих нанотрубок. UA 111378 C2 (12) UA 111378 C2 UA 111378 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ЗАСТОСУВАННЯ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК В АГЛОМЕРАТАХ РУДНОГО ДРІБНЯКА ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ МЕХАНІЧНОЇ МІЦНОСТІ Даний винахід стосується застосування вуглецевих нанотрубок в агломератах рудного дрібняка для підвищення їх механічної міцності. Даний винахід також стосується способу одержання рудних агломератів, які мають підвищену механічну міцність, і продуктів агломерування, які мають вуглецеві нанотрубки. РІВЕНЬ ТЕХНІКИ У цей час нанотехнологія об'єднує в собі декілька галузей досліджень, головним чином техніку, хімію, фізику і біологію. Різноманітні інноваційні продукти, основані на матеріалах нанометричного масштабу, вже впроваджені в промисловості і вийшли на світовий ринок. Технологія вуглецевих нанотрубок внаслідок їх чудових механічних, електричних і термічних характеристик в цей час є однією з найактуальніших тим для вивчення в багатьох науководослідних групах в світі. Ці особливі властивості зумовлюються комбінацією розміру і структури нанотрубок. Вони являють собою кристалічні структури, які мають циліндричну геометричну форму з нанометричним діаметром, що складаються тільки з атомів вуглецю. Можливості використання вуглецевих нанотрубок незліченні, і варіанти застосування, які зараз розглядаються, стосуються зміцнення матеріалів. На основі такого сценарію можливостей даний винахід стосується застосування вуглецевих нанотрубок з метою підвищення механічної міцності агломерованих продуктів. Фізична міцність продуктів агломерування руд являє собою одну з основних якісних вимог для металургійних реакторів і впливає безпосереднім чином на продуктивність і вартість процесу. Технологія вуглецевих нанотрубок відкриває широку область можливостей для використання на шляхах агломерування рудного дрібняка, діючи для створення композитної сітчастої структури, яка, нарівні з іншими характеристиками, надає продуктам агломерування високої механічної міцності. У прототипі представлені різноманітні технології холодного агломерування руд. Ці технології основуються на агломеруванні рудного дрібняка з використанням зв'язувальних засобів, таких як цемент, вапняковий розчин, органічні зв'язувальні матеріали і залишки переробки карбонатів. У поєднанні з цими зв'язувальними засобами присутні деякі добавки, щоб прискорювати тверднення агломератів і поліпшувати їх фізичні властивості. У ряді патентних документів показана технологія агломерування промислових залишків після виробництва сталі й металургійної промисловості, з використанням, крім інших добавок, рідкого силікату натрію. Однак про застосування вуглецевих нанотрубок як армуючого матеріалу для силікатної матриці з метою підвищення механічної міцності продуктів агломерування не повідомляється. Патентний документ US2002152839 описує формовані вироби, що містять дисперсні залізовмісні матеріали, такі як котуни, брикети і тому подібні, з достатньою міцністю, щоб витримувати температури аж до щонайменше 1000 °C. Вони можуть бути одержані з використанням повністю гідратованого цементу з високим вмістом оксиду алюмінію як зв'язувального матеріалу. Міцність котунів при підвищених температурах може бути додатково підвищена додаванням невеликих кількостей бентоніту, пірогенного кремнезему або інших придатних додаткових цементуючих матеріалів і суперпластифікатору. Патентний документ US2005061207 описує самовідновні холоднозв'язані котуни, які включають залізорудний концентрат, вуглецевмісний відновник і тонкодиспергрований клінкер портландцементу зі спеціальними характеристиками як зв'язувальний матеріал. Компоненти об'єднані один з одним з утворенням суміші. Котуни виходять, коли суміш вміщують в дисковий грудкувач або обертовий барабан і додають воду. Даний винахід зводить до мінімуму деякі з проблем одержання агломератів, такі як: необхідність в додаванні великих кількостей зв'язувальних засобів; низька механічна міцність агломератів, одержаних холодним зв'язуванням; утворення великої кількості дрібних частинок при транспортуванні і обробці; утворення великої кількості дрібних частинок в результаті теплового удару і забруднення небажаними елементами, що походять з певних зв'язувальних засобів. Даний винахід зводить до мінімуму необхідність в дозуванні зв'язувальних засобів різноманітних типів, не вносить ніяких нових забруднюючих домішок (за винятком вуглецю, який розглядається як сприятливий для агломерату), значно підвищує механічну міцність агломерату, знижує утворення дрібних частинок при транспортуванні і обробці і дозволяє використовувати цей продукт в реакторах, які повинні завантажуватися високоміцною сировиною. Нижченаведена таблиця порівнює даний винахід з традиційним технологічним підходом, акцентуючи основні відмінності: 60 1 UA 111378 C2 Традиційні технології Низька механічна міцність Склад з декількома зв'язувальними засобами Процеси з високими енергозатратами Висока вартість зв'язувальних засобів Зв'язувальні засоби з різноманітними забруднюючими домішками (залишками) Низька міцність при контакті з водою Низька механічна міцність при високих температурах Немає свідоцтв про технологію, в якій використовуються 100 % сировинних матеріалів для котунів без дроблення 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Даний винахід Швидке тверднення при висушуванні з температурами між 150 і 200 °C Тільки один або два зв'язувальних засоби Процес з низькими витратами на енергію Помірна вартість Тільки SiО2, Nа2О і С Помірна міцність у разі контакту з водою Висока механічна міцність при високих температурах Продукт, одержаний з 100 % натуральної сировини для котунів (без процесу розмелювання) або з подрібненням (при бажанні) ДОКЛАДНИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ Даний винахід буде детальніше описаний на основі наведених нижче креслень. Фігури показують: Фігура 1 показує взаємозв'язок між кількістю вуглецевих нанотрубок (з відношенням до кількості зв'язувального засобу) і міцністю на стиснення продукту агломерування. Фігура 2а показує механічну міцність висушених котунів в першому варіанті виконання. Фігура 2b показує підвищення механічної міцності на стиснення відносно кількості вуглецевих нанотрубок, використаних для одержання зразків згідно з першим варіантом виконання. Фігура 3а показує механічну міцність висушених котунів у другому варіанті виконання. Фігура 3b показує підвищення механічної міцності на стиснення відносно кількості вуглецевих нанотрубок, використаних для одержання зразків згідно з другим варіантом виконання. Фігура 4 показує механічну міцність вологих котунів в порівнянні з висушеними котунами. ЦІЛІ ВИНАХОДУ Даний винахід стосується застосування вуглецевих нанотрубок в агломератах рудного дрібняка для підвищення механічної міцності, що включає стадії, в яких: диспергують вуглецеві нанотрубки в матриці механічним перемішуванням або з використанням пристрою для ультразвукової обробки; проводять механічне змішування з рудою; і виконують агломерування. У доповнення даний винахід стосується способу одержання рудних агломератів, які мають високу механічну міцність, що включає стадії, на яких: диспергують вуглецеві нанотрубки в матриці; одержують суміш (додаванням зв'язувального засобу до інших компонентів суміші); проводять гранулювання або брикетування або екструдування; просівають котуни/брикети; проводять висушування; і просівають. Крім того, даний винахід стосується агломерованого продукту, що включає рудний дрібняк, матрицю, яка містить зв'язувальний засіб і вуглецеві нанотрубки, і при необхідності інші добавки. Крім того, даний винахід стосується застосування вуглецевих нанотрубок в агломератах рудного дрібняка з метою підвищення їх механічної міцності. Крім того, рудний дрібняк може бути вибраний із залізорудного дрібняка, дрібних частинок нікелевої руди, дрібних частинок марганцевої руди і їх суміші. ДОКЛАДНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ Дослідження, яке привело до даного винаходу, складалося з п'яти етапів: (i) диспергування вуглецевих нанотрубок в матриці (зв'язувальному засобі); (ii) приготування сумішей з вказаних вуглецевих нанотрубок і сировинних матеріалів для одержання агломерованих продуктів; (iii) вимірювання міцності вказаних агломерованих продуктів; (iv) визначення характеристик вказаних агломерованих продуктів традиційними способами охарактеризування матеріалів; і 2 UA 111378 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (v) оцінка поведінки вказаних агломерованих продуктів в процесах гранулювання, спікання і відновлення. На першому етапі вуглецеві нанотрубки були дисперговані в матриці (зв'язувальному засобі) механічним перемішуванням або з використанням пристрою для ультразвукової обробки. Після диспергування було проведене механічне змішування з рудою і подальшим агломеруванням. Вуглецеві нанотрубки додані в кількості, яка варіювала до 5 %. Вуглецеві нанотрубки можуть бути одержані будь-яким способом, вже відомим для цієї мети. Сформовані продукти являють собою агломерати, нікелевої і/або марганцевої залізної руди, що містять (або ні) вугілля, коксовий дрібняк, нафтовий кокс, вапняк, різноманітні залишки і зв'язувальні матеріали. Ці продукти одержані способами гранулювання (продукт: котуни) або брикетування (продукт: брикети) з використанням натуральної і/або подрібненої сировини для котунів з і/або марганцевих і/або нікелевих залізних руд, без необхідності в отвердженні при високих температурах. У методології одержання агломератів переважно використовують рідкий силікат натрію (SiO2/Na2O в молярному відношенні від 2,15 до 3,90) як основний зв'язувальний засіб. Його нагрівають до температури близько 60 °C і потім додають до суміші. Рідкий силікат натрію додають до сумішей рудного дрібняка і флюсуючих матеріалів до вмісту між 1,5 і 4,5 %. Вуглецеві нанотрубки переважно вводять в силікат в пропорціях, які можуть варіювати до 5 %. Диспергування вуглецевих нанотрубок може бути виконане механічним перемішуванням або з використанням обладнання для ультразвукової обробки. Після диспергування вуглецевих нанотрубок в матриці (зв'язувальному засобі, який являє собою силікат натрію) в процес змішування залучають всі інші необов'язкові компоненти, з подальшим гранулюванням в дисковому/барабанному пристрої, або брикетуванням. Одержані продукти, тобто котуни або брикети, просівають і піддають сушильній обробці при температурах між 150 і 200 °C. Продукти виявляють високу механічну міцність в стані відразу після сушіння або в умовах високої вологості в порівнянні з продуктами, які не містять вуглецеві нанотрубки. Згідно з фігурою 1, можна підтвердити приріст міцності агломерованого продукту з холодним отвердженням, в який додані невеликі кількості вуглецевих нанотрубок. Було виявлено і продемонстровано на вищезгаданій фігурі, що застосування 0,01 % вуглецевих нанотрубок (відносно кількості зв'язувального засобу) в суміші руди і зв'язувального засобу підвищує міцність на стиснення агломерату більше ніж на 50 % в порівнянні з контрольним зразком, тобто без присутності нанотрубок. Необов'язково інші добавки, такі як маніоковий і кукурудзяний крохмаль, а також кремнезем з частинками мікронних розмірів (залишок, затриманий на пиловловлюючих фільтрах, що використовуються у виробництві металевого кремнію), можуть бути застосовані в поєднанні зі зв'язувальним засобом для поліпшення якості продукту. Маніоковий/кукурудзяний крохмаль може бути використаний в пропорції між 0,5 і 1,0 %, підвищуючи міцність і придушуючи утворення дрібних частинок в результаті стирання продукту. Кремнезем з частинками мікронного розміру може бути об'єднаний з силікатом натрію або може являти собою єдиний зв'язувальний матеріал з концентраціями в межах діапазону 0,3 %-1,0 %, без збитку механічної міцності продукту. Технологічна схема одержання цих продуктів передбачає наступні окремі операції: 1. Диспергування вуглецевих нанотрубок в матриці (зв'язувальному засобі). 2. Приготування суміші: додавання зв'язувального засобу до інших компонентів суміші. 3. Гранулювання за допомогою диска (або барабана) або брикетування. 4. Просіювання котунів/брикетів. 5. Висушування в конвеєрній печі при температурі, яка варіює від 150 °C до 200 °C. 6. Просіювання. Застосування даного винаходу швидше є великомасштабним, оскільки воно забезпечує можливість виготовлення агломератів з сировинних матеріалів для котунів і залишків, марганцевої і нікелевої залізної руди, з фізичними і металургійними якісними характеристиками, придатними для використання в процесах агломерування (спікання і гранулювання) і відновлення (доменна піч, реактор прямого відновлення і т. д.). Тому даний винахід може бути застосований в горнодобувній і сталеплавильній промисловості. Можливість одержання агломератів холодним шляхом з виконанням агломерування вихідної сировини для котунів з хорошою хімічною якістю могло б бути важливою альтернативою, здатною створити комерційні і стратегічні переваги, такі як: (i) поширення вихідної сировини для котунів на дешевші матеріали, які не мають фізичних і хімічних якісних характеристик; 3 UA 111378 C2 5 10 (ii) можливість проведення робіт в межах гірничодобувного розрізу (агломераційна шихта/сировина для котунів); (iii) задоволення потреби в агломераційній шихті, яка в цей час не постачається; і (iv) головним чином формування ринку при більшій кількості сировинних матеріалів для котунів, які не знаходять попиту, крім того, стимулювання виробництва котунів і самовідновних брикетів з високою міцністю на стиснення при високих температурах, придатних до використання у відновних реакторах. Випробування Щоб підтвердити підвищення механічної міцності (або міцність на стиснення) агломератів в результаті додавання вуглецевих нанотрубок, були проведені деякі випробування/аналізи, як представлено нижче. Оцінка додавання вуглецевих нанотрубок в лужний силікат натрію - випробування 01 Обговорювана характеристика являє собою підвищення механічної міцності. Випробуваним складом є: 15 Компонент Сировина для котунів Нафтовий кокс Вапняк Силікат натрію (SiO2/Na2O=2,15) Крохмаль Органічний зв'язувальний матеріал Дрібні частинки