автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Разработка технологических основ получения фарфора из некондиционного фосфатного сырья

' * >............На правах рукописи

УДК 541.1:661.2+552.1

•Дунсебасва Куралан Кулсабаровиа

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИИ ФАРФОРА ИЗ НЕКОНДИЦИОННОГО ФОСФАТНОГО О >Я

05.17.01-технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Алматы 1998

Работа выполнена в лаборатории неорганического синтеза Института химических наук им. А.Б. Бектурова Министерства науки-Академии наук Республики Казахстан.

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Казова Р.А. кандидат технических наук. Джурумбаев А.И. Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Арынов К.Т.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сайбулатов С.Ж. доктор технических наук Бержанов Д.С..

Ведущая организация: КазНТУ

Защита состоится " " 1998 г. в N часов на

заседании диссертационного совета Д 53.39.03 при Институте химических наук им. А.Б. Бектурова МН-АН РК по адресу: 480100, г. Алматы, ул. Ш. Уалиханова, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХН им. А.Б. Бектурова

Автореферат разослан "/J? "ШХЯЬрЛ- 1998 г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета, /)М

кандидат технических наук, доцент С' Чернякова P.M.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время в республике имеется широкая как природная, так и техногенная сырьевая база для производства яовых неорганических материалов в частности, фарфора, ггеклокристаллических материалов. Нередко техногенное сырье :одержит основного целевого компонента значительно больше, чем природное. Одним из таких отходов является фосфоритная мелочь, образующаяся в процессе термической подготовки сырья при производстве желтого фосфора. В отвалах фосфорных заводов юга Казахстана накоплено около 5,5 млн т фосфоритной мелочи. Фосфоритная мелочь по содержанию Р2О5 не уступает товарной руде, поэтому утилизация ее имеет огромное народнохозяйственное значение как с экономической, так и с экологической точек'зрения.

Одним из вариантов решения данной проблемы является вовлечение некондиционного фосфатного сырья Каратау в фарфоровое производство республики, которое основано на привозном сырье. Использование природных и синтетических фосфатов в фарфоровом производстве позволит расширить сырьевую базу, снизить температуру обжига и улучшить физико-механические свойства.

Качество фарфора зависит от качества применяемого сырья и поэтому требует особую подготовку и чистоту сырья. При обжиге керамической массы присутствие карбонатов способствуют газовыделению, что отрицательно сказывается на микроструктуре. В связи с этим содержание карбонатов в сырье для фарфора должно быть минимальным и температура декарбонизации не выше 1000°С. Содержание Ре203 не больше 0,1%

Имеются работы по использованию природных фосфатов для получения фарфора. Однако отсутствуют данные по использованию синтетических фосфатов, недостаточно сведений по очистке фосфатов от таких примесей как карбонаты, "красящие оксиды" - РегОз и др.

В связи с вышеизложенным, получение из некондиционного фосфатного сырья очищенных от примесей фосфатов кальция и разработка технологии получения фарфора на их основе являются одним из актуальных задач, требующих своего решения.

Цель работы: Настоящее исследование посвящено разработке технологических основ получения фарфора с применением синтетических фосфатов, полученных при переработке некондиционного фосфатного сырья. В связи с этим необходимо исследование процессов декарбонизации фосфоритов в случае применения природных фосфатов, а также обогащение некондиционных фосфоритов Каратау,

предусматривающее получение фосфатов кальция с минимальны! содержанием примесей. Необходимы исследования взаимодействия системе, содержащей синтетический фосфат и природные минераль изучение поведения минералов при нагревании в фосфатно-силикатны системах, формирования структуры фарфора в процесс высокотемпературных взаимодействий природных минералов синтетическим фосфатом.

В связи с вышеизложенным в задачи исследования входило:

- изучение процесса декарбонизации Аксайского и Туйесайског месторождений и определение оптимальных услови. декарбонизирующего обжига;

- разработка технологических основ получения фосфатного концентрат из некондиционных фосфоритовых руд Каратау, с последующи! получешем из него чистой экстракционной фосфорной кислоты.

- изучения условий получения очищенного от "красящих оксидов дикальцийфосфата из фосфорнокислых растворов;

- построение полной диаграммы состав-свойство изотермического разрез 1200°С для системы СаНРО^Юг- А^^С^ОН^ методом симплекс решетчатого планирования эксперимента и выявление закономерносте] взаимодействия в системе;

-диаграммный анализ физико-механических свойств образцов систем! СаНРО^Юг А12Я;205(0Н)4;

- разработка технологии получения фарфора. Научная новизна состоит в следующем:

- разработаны технологические основы и схема получения фарфора на основе осажденных фосфатов кальция: температура ]230°С, продолжительность выдержки 1 час;

-получено обобщенное уравнение, описывающее слияние совокупности факторов на степень декарбонизации фосфоритов;

- разработаны физико-химические и технологические основы обогащения фосфоритов путем селективного разделения основного фосфатного вещества фосфоритов от минералов-примесей; осаждения фосфатов кальция из фосфорнокислых растворов;

-выполнен анализ модели взаимодействия в системе СаНР04 - БЮг А1281205(0Н)4 с построением диаграммы состав-свойство изотермическоп разреза 1200°С, с выявлением образования упрочняющих минерало: анортита и муллита;

-определены закономерности взаимодействия в бинарных системах СаНР04- БЮг; ЙЮ2-А128!205(0Н),!; Са1ПЮгЛЬ8ьСМ01-Г). на изотермическом разрезе 1200°С.

Положения диссертации, вынесенные на защит)':

- метод анализа обобщенной модели процесса декарбонизирующего обжига и оптимизации технологических параметров;

- моделирование диаграммного анализа в фосфатно-силикатных системах с построением диаграммы состав-свойство, изотермического разреза 1200°С системы СаНР04-8Ю2-АЬ51205(0Н)4;

- метод диаграммного анализа физико-механических свойств материалов;

- разработка технологии получения фарфора на основе синтетических фосфатов кальция.

Практическая ценность. Разработаны технологические основы переработки некондиционного фосфатного сырья на фосфаты кальция, которые используются в качестве сырья для получения фарфора. Разработан метод диаграммного анализа физико-механических свойств готового продукта. На основе анализа областей диаграмм состав-свойство системыСаНР04- БЮг- А^гС^ОН^ с наиболее высокими показателями разработаны способы получения фарфора с использованием синтетического дикальцийфосфата. Проведены опытные испытания получения фарфора на основе фосфатов кальция.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной конференции "С11етга\Уп VIII" (Москва, 1992, сентябрь); на конференции молодых ученых Института химических наук им. А.Б. Бектурова МП-АН РК (Алматы, 1998, май); на научно-технической конференции "Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск, 1998, сентябрь)

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения и приложения. Во введении показана актуальность темы, :формулированы цель и задачи работы. В первой главе рассмотрены и эбобщены литературные сведения по переработке некондиционного фосфатного сырья, характеристике сырья и применению фосфатов для получения фарфора. В литературе недостаточно сведений по очистке фосфатного сырья от вредных примесей для производства фарфора. Этсутствугот систематические исследования по использованию шнтетического фосфата. По данным проведенного литературного анализа дано обоснование выбранного направления исследования. Во второй главе приведены характеристики объектов исследования и методы исследования паимо,!действий в многокомпонентных системах. Третья глава посвящена пучению процесса декарбонизации фосфоритов Аксайского и Гуйесайского месторождений с применением матрицы планирования симико-технологического эксперимента. Определены оптимальные ■словия процесса обжига декарбонизации

В четвертой главе представлены технологические основы получения фосфоритового концентрата обогащением некондиционных фосфоритов Каратау разбавленными минеральными кислотами, основанные на селективном разделении минералов. Обогащенная руда позволяет получить чистую экстракционную фосфорную кислоту, а также качественное сырье для получения фарфора. Изучены условия получения очищенного от "красящих оксидов" дикальцийфосфата из фосфорнокислых растворов. В пятой главе исследовано взаимодействие е системе дикальцийфосфат-кварц-каолин. Построена полная диаграмм«: состав-свойство, изучены термические превращения минералов в системс и физико-механические свойства продуктов. Также приведены результата исследований получения фарфора на основе обожженных фосфоритов Шестая глава посвящена результатам укрупненно-лабораторных 1 опытно-промышленных испытаний. В седьмой главе представлен; предварительная технико-экономическая оценка использованш синтетического фосфата в фарфоровой промышленности. В заключент представлен анализ полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1.Исходные вещества и методы исследования

При выполнении работы в качестве объектов исслсдовани использовали фосфориты и минералы состав который приведен в таблиц 1

Таблица 1

Компоненты Фосфориты Минералы

Аксай, мас.% Туйесай, мас.% фос.мелочь,мас.% каолин, мас.% кварц, мас.%

1 2

р2о5 19,23 20,04 14,93 19,70 - -

СаО 32,21 35,43 . 33,26 30,58 - 0,4

МсО 2,78 1,18 3,19 1,56 - -

Ге203 0,25 1,01 1,05 0,89 - -

А1203 1,77 2,82 0,74 0,58 39,2 -

бюг 20,87 24,53 38,41 25,46 45,4 98,9

С 2,59 2,52 - 2,5 - -

р 2,63 2,37 2,73 1,8 - -

п. П. 11 10,04 8,11 5,11 7,09 - -

Физико-химический анализ исходного сырья и полученных образщ выполнен с применением методов физико-химического анализ рентгенофазового, кристаллооптического, ДТА, ИК-спектроскопи Опыты проводили в лабораторной печи (рис.1).При исследоваш

Лабораторная установка для обжига материала

6. РН0-250

Рисунок I

8.

взаимодействий в многокомпонентных системах использовали метод симплекс-решетчатого планирования эксперимента.

2.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ФОСФОРИТОВ

Использование природных фосфатов в производстве фарфора требует предварительной подготовки сырья, декарбоннзирующсго обжига.

В связи с этим в работе изучены условия термохимической обработки фосфоритов Аксайского и Туйесайского месторождений. Опыты по обжигу окатышей фосфоритов проводили в лабораторной печи (рис.1)

Изучено влияние на степень декарбонизации гранулировашюго фосфорита различных факторов. Опыты проводили по матрице планирования экспериментов. Уровни факторов показаны в таблице 1. Критерием полноты протекай™ процесса обжига окатышей является степень декарбонизации фосфорита . Предварительно тонкоизмельченный фосфорит окатывали на лабораторном чашевом грануляторе.

Т а б л и ц а 2

Уровни (1-5) изучаемых факторов

Фактор 1 2 3 1 4 5

Температура Хь 0 С 750 850 950 1050 1150

Класс окатышей Х2> мм 7 10 12 15 20

Тонина помола Х3 , % 70 75 60 85 90

Продолжительность Х4| 2 4 10 20 30

мин.

Изучено влияние температуры обжига (X;), класса окатышей (Х2), тонины помола (Хз) ( содержание фракции - 0,63 мм) и продолжительности (Х4) на степень декарбонизации фосфорита. В табл.2 приведено распределение уровней факторов в соответствии с планом матрицы. После аппроксимации частных уравнений рассчитаны степени декарбонизации для каждого уровня.

Получены частные зависимости, описывающие влияние отдельных факторов на степень декарбонизации (рис.2):

У1=0,80155ХГ3,485 10"4Х,2 - 363,22; (1)

У2=5,427 Х2-0,1809Х22 + 39,92 ; (2)

Уз- 4,005Х3 - 2,2225 Ю"2 Х32 -101,2; (3)

У4 = 1 - е "°'73 2Хч (4)

где Уь У2. .степень декарбонизации, %; X,, Х2... изучаемые факторы.

Частные функции анализировали на значимость. Функция X 2 незначима. Таким образом, класс окатышей в изучаемом интервале фактора слабо влияет на степень декарбонизации фосфорита.

На основании частных функции (1)- (4) получено обобщенное уравнение по методу , описывающее влияние всех изучаемых факторов на степень декарбонизации фосфоритов. Причем незначимая функция Х2 заменяется в обобщенном уравнении на значение генерального среднего. Обобщенное уравнение имеет вид:

Уоб = 1/ 75,342 (0,80 1 55X1 - 3,485 Ю-4 X,2 - 363,22) (4,0005Х3 - 2,2225 10" 2Х32-

- 101,2) [ 100( 1-е-°'752Хч )], (5)

где У„б - степень декарбонизации, %; Хь Х2... - факторы; генеральное среднее массива экспериментальных дашпых 75,34%.

Полученная модель достаточно точно описывает процесс декарбонизирующего обжига окатышей аксайского фосфорита.

Анализ частных зависимостей показал, что температура обжига, его продолжительность - сильнодействующие факторы. При увеличении класса гранул зависимость изменяется неоднозначно. Максимальная степень декарбонизации достигается при обжиге окатышей диаметром 15 мм.

Влияние продолжительности описывается характерной кинетической закономерностью: вплоть до 10 мин степень превращения довольно интенсивно возрастает, затем несколько стабилизируется, достигая 76% ( рис. 1) Повышение содержания дисперсной фракции (- 0,063 мм) заметно проявляется до 80 %, затем наблюдается стабилизация.

На основании обобщенного уравнения (5) определены оптимальные условия обжига : температура - 1125°С, класс окатышей - 15 мм, содержание дисперсной фракции ( 0,063 мм) - 70 %, продолжительность -30 мин. При этом степень декарбонизации составляет 98,5 %.

Помимо фосфоритов Аксайского месторождения исследован фосфорит месторождений Туйесай . Опыты по обжигу, проведены по плану-матрице ( табл.1). По аналогии с- Аксайским фосфоритом изучаемый образец окатывали на чашевом грануляторе и обжигали в печи (рис.1)

Для Туйесайского фосфорита задавались идентичные с Аксайским уровни факторов ( табл.1). Данные обработаны на основе единой методологии с получением математических моделей, анализ которых позволил определить оптимальные условия термохимической обработки окатышей фосфоритов Туйесайского месторождения.

Аналитические выражения частных функций, описывающих влияние отдельных факторов на степень декарбонизации окатышей изучаемых фосфоритов, а также расчетные значения частных зависимостей показаны в табл.2. На рисунке2 приведены частные функции и для Туйесайского фосфорита.

а - температурь; б - продолжительности в - класса окатышей г - тонины помола

Рисунок 2

ТаблицаЗ

Расчетные зпачения частных функций на различных уровнях (1- 5)

Функция 1 2 3 4 5

Аксайский

У, =0,80155X1- 3,485 10"4Х,2-3 63,22; (1) 41,9 66,3 83,7 94,18 97,67

У2= 5,427Х2- 0,1809X2^ + 39,92; (2) 69,04 76,10 78,99 80,62 76,1

У3 = 4,0005Х3-2,2225 10"2Х32 - 101,2; (3) 69,51 73,40 76,18 77,84 78,40

У4= 1- е ■°'752ХчЗД ; Я-.0,93 (4) 59,72 66,70 75,67 81,89 85,19

Туйесайский

У, = 0,8733Х] - 3,797 10'4Х12-404,85; (6) 36,54 63,15 82,11 93,50 97,30

У2 = 5,28Х2 - 0,176Х22 + 39,8; (7) 68,14 75,0 77,82 79,4 75,0

У3 = 2,4885Х3-1,3825 Ю"2 Х32 -37,09; (8) 69,36 71,79 73,51 74,55 74,89

У* = 1 - е"0,7743Х°'Ж ; К. = 0,9* (9) 60,88 67,94 76,94 83,10 86,33

Обобщенное уравнение имеет вид: Уоб=1/74,76(0,87331ХГ3,797 10"4Х,2 -404,85)(2,4885ХГ 1,3825 10"2 Х32-

37,09 ) [( 1 - е 0,7743Хч ) 100]; (9)

Значение коэффициента корреляции указывает на близость полученных уравнений функциональным.

Анализ частных функций показал, что наиболее сильнодействующим являются температура , тонина помола ( содержание фракции - 0,063 мм) и продолжительность обжига.

Анализ обобщенных уравнений (5)- (9) позволил определить оптимальные условия термохимической подготовки фосфоритов : температура 1050-1100°С , продолжительность 20-30 мин, класс окатышей 15-18 мм, тонина помола 70-75 % ( содержание фракции - 0,063 мм). Степень декарбонизации 98-99%. В основном, условия обжига идентичны, за исключением температуры обжига.

З.КИСЛОТНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ФОСФОРИТОВ

Подготовка фосфатного сырья термическим путем связано с большими энергозатратами, а также не предусматривает очистку от соединений железа. В связи с этим нами рассматривалась кислотная переработка бедных и забалансовых руд бассейна Каратау.

В данном разделе работы рассматривается два способа фосфоритовы руд Каратау на фосфаты кальция:

. 1 .Обогащение бедной фосфоритовой руды ( табл. 1 ) за счет отделени фосфатной части руды от минералов для дальнейшей переработк фосфатного концентрата в фосфаты кальция.

2..Синтеза очищенного дикальцийфосфата из фосфорнокислог раствора в процессе осаждения.

3.1. Переработка бедной фосфоритовой руды на фосфат кальция.путем обогащения В данном случае отделение примесей от фосфатной части достигаете путем селективного разделения.

Исследование оптимальных условий проведения процесс обезмагнивания бедных и забалансовых фосфоритовых руд Каратау, применением разбавленных минеральных кислот (НЫОз, НгЯО^ НС показали, что для максимального извлечения соединений магния в раствс с сохранением фосфатной части в твердой фазе, необходим поддерживать рН раствора,близкое к 2, температуру нагрева не ниже 6( С, норму кислоты в % от стехиометрического количества 120 % продожителыюсть введения добавок кислоты к смеси не менее 30 мин) (рис.3).

Как видно из таблицы ( табл.4), самое высокое обогащение руд происходит при обработке ее азотной кислотой. Таблица 4

Зависимость степени обогащения фосфоритов от вида взятой кислоты

Компоненты Исходная руда, мас.% Фосфатный концентрат, мас.%

Н2804 НС1 | НЫ03

р203 14,93 19,7 21,8 22,53

СаО 33,26 25,37 29,48 28,57

МвО 3,19 1,16 1,12 0,85

Степень обогащен. - 31,95 46,01 50,90

Проведенные исследования показали., что путем однократне обработки фосфорита разбавленными минеральными кислотами мож! добиться, соблюдая оптимальные условия обезмагнивания, значительно) обогащения фосфорита. Таким образом, разработанные автором даннс диссертационной работы условия обезмагнивания позволяй перерабатывать бедное и забалансовое некондиционное сырье, имеют* пентаоксид фосфора в пределах 15-24 % , и получать на его осно! обогащенные руды, содержащие от 20 до 27 % Р7О5.

Условия разложения фосфатного концентрата в лабораторнь условиях соответствовали технологическим параметрам промышленнь

Зависимости степени обогащения от:

зо /¿*? ¡го то ¡во С, %

а - рН растзора б - продолжительности з - нормы кислоты г - температуры

¿57

Рисунок 3

систем по производству ЭФК в стандартном дигидратном режт температура 75°С; концентрация серной кислоты 75 масс.%; отношен Ж:Т = 3:1; время -6 часов.

В результате получена 22-30 % экстракционная фосфорная кисло' содержащая незначительное количество примесей.

Для получения дикальцийфосфата экстракционную фосфорн) кислоту нейтрализовали до рН 7,0 оксидом кальция, смесь выдерживала при температуре 80°С в течение б часов. Полученный осадок промы. горячей водой в соотношении Ж:Т = 25:1.

3.2. Изучение услоыш получении очищенного дикальцийфосфата процессе ослждснии

В данном разделе приводятся результаты исследования услов очистки от "красящих оксидов" (Fc203) дикальцийфосфата в процес осаждении из фосфорнокислого раствора . Для этого использов фосфорнокислый раствор, полученный при азотнокислотном разложен: следующего состава масс. %: Р205 -10,94; Fe203 -0,29; СаО -28,24; MgC 1,18; А1203-0,18.

Данные, полученные при осаждении фосфата кальция известков! молоком из фосфорнокислог о раствора показывают (рис.4), что основн масса соединений железа осаждается в интервале рН 2,9-4 Максимальное количество соединений алюминия осаждается при рН 2,9 до 3,7.

С целью очистки от "красящих" оксидов, осаждение фосфата кальц из фосфорнокислого раствора проведенов две стадии. На первой стад: нейтрализация проводигся до значения рН 4,0, химический cocí который приведен в табл.5.

Т а б л и ц а 5

Зависимость состава продуктов от значений рН

Значения осаждения рН Химический состав, масс.%

Fe203 АЬОз СаО р2о5 F

2,9 - 4,0 0,28 0,15 23,39 11,8 0,54

4,2 - 6,0 0,03 0,05 40,7.8 49,2 0,06

без очистки 0,79 0,45 40,1 48,2 0,94

2,0 - 6,0

В дальнейшем нейтрализация проводилась при промежуточном зь чении рН 4,2-6,0. В таблице 5 для сравнения приведен химический сост продуктов, полученных при разных значениях рН, и химический сост продукта без предварительной очистки. Как видно из данных таблицы 5 результате очистки фосфорнокислого раствора методом повторна осаждения при разных значениях рН получен - дикальцийфосф;

Зависимость влияния рН раствора на осаждение компонентов

Рисунок 4

приемлемый по содержанию "красящих" оксидов качестве исходно! сырья для фарфора.

Рентгенофазовый и ИК-спектроскопические анализы получении продукта подтвердили, соответствие его дикаль'цийфосфату.

4.1. Получение фарфоровой массы с применением термообработанных фосфоритов

С целью использования термообработанного фосфорита в фарфорово! массе разработали шихту следующего состава, мас.%: каолин Алексеевский 41,0; глинаВеселовская 11,0; кварцевый песок Дарбазинский; полевой шпат Белогорский 3,0; глинозем Павлодарский 2,0; термообработанный фосфорит 16,0.

Керамико-тсхнологические характеристики разработаннь! фарфоровых масс в основном соответствуют показателям масс Капчагайского фарфорового завода. Вместе с тем, образцы 1 фосфоритсодержащих масс характеризуются повышенным пределе прочности при изгибе в воздушно-сухом состоянии, а также низким значениями усадки по сравнению с образцами из массы завода.

Образцы для испытания изготавливали методом пластичной формовк на Капчагайском фарфоровом заводе и обжигали в лабораторных печг при температуре при 1200-1250°С по режимам, принятым для обжи1 хозяйственно-бытового фарфора.

Полученный черепок обладает следующими физико-механическим свойствами: общая усадка 10,5%, прочность 78,2 МПа, водопоглощеш 0,07%

Физико-механические характеристики фосфатсодержащей массы пр обжиге 1230°С не уступают характеристикам базовой массы, а общ: усадка снижается на 4-4,5 %.

4.2.Взанмодействия в системе СаНРО^ -БЮг - АЬ^гО^ (ОН)4 нр

температуре 1200°С.

Проведено исследование взаимодействия в системе дикальцийфосфа' каолин-кварц при 1200°С. Впервые рассматривается система, в состг которой входят природные минералы и синтетический фосфат.

Для изучения системы и построения полной диаграммы соста свойство использовали метод симплексных решеток. По матрш планирования было проведено 15 экспериментов, независимые п ременные представлены содержанием того или иного минерала в систем (X] -СаНР04 ; Х2 -8Ю2; Х3- АЬ281205(0Г1)4). В таблице 6 показана матрш планирования экспериментов и распределение компонентов по уровням кодовом масштабе (доли единицы).Модель четвертой степей

описывающая влияние состава на прочность образцов в системе дикальцийфосфат-кварц-каолйн имеет вид:

У = 519X1+6X2+405X3- 784Х1Х2+1171Х1Хз+765Х2Хз-585Х1Х2(Х,-Х2)+556Х1Хз(Х,-Хз)- 1935Х2Хз(Х2-Хз) - 43Х,Х2(ХгХ2)2 + 1446Х,Х3(ХГ Х3)2 -495 Х2Х3(Х2-Х3)2 - 15035Х,2Х2Х3 + 19049Х,Х22Х3 + 1055,5Х,Х2Хз2

(10)

Таблнцаб

Матрица планирования системы днкяльцпйфосфат-кварц-каолнн

№ Состав смеси, % Прочность, ' кг/см2

ДКФ кварц каолш!

1. 100 0 0 519

2. 0 100 0 6

3, 0 0 100 405

4. 50 50 0 67

5. 50 0 50 755.

6. 0 50 50 397

7. 75 • 25 0 187

8. 25 75 0 40

9. 75 0 25 830

10. 25 0 75 669

11. 0 75 25 45

12. 0 25 75 607

13. 50 25 25 390

14. 25 50 25 447

15. 25 25 50 625

Получена диаграмма состав-свойство. На рисунке 5 показан изотермический разрез 1200°С.

Максимальная прочность 830 кг/см2 наблюдается в бинарной системе СаНР04 -А1281205(0Н)4 при соотношении 70 :30- 80:20 (%). (рис.6).

В области максимальной прочности в трехкомпонентной системе, где образец по реологическим свойствам совпадает с свойствами фарфора, максимум прочности 676 кг/см2 соответствует следующему составу: дикальцийфосфат - 20%, кварц - 20%, каолин - 60%.

В этой области в продуктах взаимодействия методом рентгенофазового анализа выявлено образование минерала анортита СаА^БйОв , муллита А1203 38102, которые придают прочность образцам, также обнаружены рефлексы, характерные для кварца, дифосфата кальция.

Рисунок 5

Диаграммы состав-свойство бинарных систем:

а-СаНРО^-5^ ; б- СаНРО^ - Я1£&(<>Н)Ч Рисунок 6

В таблице 7 показаны индивидуальные соединения, котор: идентифицируются в различных областях диаграммы в процес взаимодействия. В области упрочнения изучаемой системы с болыш содержанием каолина наблюдается образование анортк

(А120зСа028Ю2) и муллита (3 А1203 28Ю2), а в области с меныш значением прочности, анортит находится в подчиненном количестве ч уменьшается содержание связующих минералов. Таблица 7

Фазообразованне па диаграмме состав-свойство

№ Содержание, % Фазовый состав продукта

п/п СаНР04 бю2 А128Ь03(0Н)4

1. 20 20 60 СаА^Аг, 3 А1203 28Ю2; Са2Р207; БЮ2

2. 40 50 10 Са2Р207; БЮ2; СаА1281208 в подчинен, кол-ве

3. 20 70 10 Са2Р207; 8Ю2; СаА1281208; в подчинен, кол-ве

Рассмотрено взаимодействие в бинарных системах, входящих тройную: дикальцийфосфат -кварц -каолин : СаНР04 -8Ю2; 81' А1281205(ОН)4; СаШ'04-А128;205(0Н), при 1200°С.

В системе СаНР04 -Si02 (рис.6,а) с увеличением содержания квар значения прочности снижаются.

В системе 8Ю2- А128ь05(0] 1)4 прочность возрастает при соотношеи 8Ю2: А1281205(0Н)4 20:80-5-10:90 (рис.6,б).

Взаимодействие протекает по схеме: А1203 28Ю22Н20+8Ю2->АЬ03 38Ю2+Н2ОТ

В системе СаНР04 -А1281203(011)4 максимальная прочность 830 кг/( наблюдается при соотношении СаНР04 : А1281205(0Н), =70 :30- 80:20 (с (рис.6, в)

Наиболее высокая прочность 820-830 кг/см" достигается в систс СаНР04 -А1281205(ОН)4 за счет образования алюмосиликата калы СаА^^Оз . Взаимодействие с образованием этого соединения протек; по схеме:

СаНР04 + А128ь05(0Н)4 -> Са А128ь08 +Са2Р207 +2 Н2ОТ Таким образом, изучение взаимодействия в бинарных систел показало, что максимальная прочность обусловлена образована ашомосиликатного минерала А1203Са028 Ю2- аноргита. Фазообразоваь этого минерала соответствует 1200°С и это способствует снижен температуры обжига фарфора па 100°С.

Технологическая схема получения фарфора

Рисунок 7

Определен оптимальный состав смеси в трехкомпонентной системе, при котором зафиксирована наибольшая прочность.

На основании результатов исследовании трехкомпонентной системы СаНР04 -8Ю2 - М^гОг (ОН)4 при температуре 1200°С разработана сырьевая смесь для получения низкотемпературного фарфора следующего состава, мас.%.: дикальцийфосфат -19, кварцевый песок- 29, каолин- 43, глина 9, утельный череп -3. Технологическая схема получения фарфора, включающей дикальцийфосфат представлена на рисунке.

В результате проведенного опытно-промышленного испытания получены фарфоровые изделия. Физико -механические свойства полученных образцов: температура обжига 1230°С, общая усадка 9 %, водопоглощение 0,01%, прочность при сжатии 82 МПа, белизна 85%, термостойкость Ютсплосмен.

Выводы

1.В результате изучения процесса декарбонизации фосфоритов Аксайского и Туйесайского месторождения с помощью матрицы планирования:

■ получены частные зависимости влияния температуры, продолжительности обжига, тонины помола и класса материала на степень декарбонизации; на основании частных функций получено обобщенное уравнение,-" описывающее влияние всех изучаемых факторов на степень декарбонизации, анализ которого позволил определить оптимальные условия процесса;

■ оптимальные параметры обжига фосфоритов для Аксайского месторождения: температура 1125°С, тонина помола 70%, продолжительность 30 мин, класс окатышей 20 мм; для Туйесайского месторождения: температура1050°С, тонина помола 80%, продолжительность 30 мин, класс окатышей 15 мм.

2. При обогащении некондиционных фосфоритов Каратау разбавленными минеральными кислотами НС1, НгБО^НГЧОз установлены:

■ оптимальные условия обезмагнивания бедных и забалансовых руд: рН, близкое к 2, норма кислоты 120% от стехиометрии, температура 60°С, продолжительность введения кислоты не менее 30 минут.

3. Получен очищенный дикальцийфосфат из фосфорнокислого раствора двойным осаждением при разных значениях рН: 2,9-4,4 и 4,2-6,0.

4. Изучено взаимодействие в системе дикальцийфосфат -кварц-каолин при 1200 °С.

■ построена полная диаграмма состав-свойство изотермического разреза 1200°С для системы СаНР04-8Ю2- АЬЗ'^Оз^Н^ методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента;

■ выявлены закономерности взаимодействия в вышеуказанной системе;

■ диаграммный анализ физико-механических свойств образцов системы CaHP04-Si02- Al2Si205(0H)4;

5. Разработана технология получения фарфора с использованием :интетического (осажденного) фосфатов кальция.

)сновные положения диссертационной работы изложены в следующих губликациях:

1 .Арынов К.Т., Нуралиева С.К., Дуйсебаева К.К. Технология получения фарфора // Сб.трудов Госстроя КазССР " Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов". 1990. С.76-80.

2.Арынов К.Т., Хайдаров Т., Дуйсебаева К.К. Технология получения фарфора с применением местного сырья // Сб. трудов Ииженерн. Академии PK "Наука.Техника.Технология". 1993.С.57-59.

3.Казова P.A., Хайдаров Т.Б., Дуйсебаева К.К. и др. Исследование ' термических превращений фосфоритов в процессе обжига // Тр.ИХН

АН КазССР. 1991. Т.74. С.3-13.

4.Дуйсебаева К.К., Арынов К.Т., Айтымбетов Н.Ш. Методы очистки фосфорнокислых растворов // Деп. КазгосИНТИ. 19.12.95. № 6540-Ка95.

5.Дуйсебаева К.К., Казова P.A., Арынов К.Т., Джурумбаев А.И. Получение и очистка фосфатов кальция из некондиционных фосфоритовых руд Каратау.// Изв. МН-АН PK. Сер.хим.. 1998, № 2. С.62-66.

6. Дуйсебаева К.К., Казова P.A., Арынов К.Т., Джурумбаев А.И. Фосфаты кальция в керамике // Изв. МН-АН PK. Сер.хим. 1998, №2. С.52-61.

. Дуйсебаева К.К., Арынов К.Т., Джурумбаев А.И. Использование синтетических фосфатов в фарфоровом производстве // Международ, конф. " КЭМРОН -VIII". Москва.1992. Тезисы докладов. С.49. . Дуйсебаева К.К., Казова P.A., Каипова З.К., Джурумбаев А.И. Неорганические материалы на основе дикальцийфосфата // Научно-техническая конференция "Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов" .Обнинск, 1998. Тезисы докладов. С.25-26.

9. Дуйсебаева К.К., Ланцман Б.Ш. Диаграмма состав-свойство системы CaHP04-Si02-AI2Si205(0H)4// Конференция молодых ученых. Алматы, 1998. Тезисы докладов. С.

Дуйсебаева Дуралай Кулсабырцызы

Калдыв; фосфориттерден алынган фосфаттардыц нег131нде фарфор алу технологисы.

Техника гыльшдары кандидаты дэрежесхн аду ушхн дайындалган диссертация

Реаюые

..... Диссертациялыц жумыста цалдыц жутац Царатау фосфориттершен

кальций фосфаттарын енд1ру-*зне алынган фосфаттардыц негШнде куйдхру.температурасн. здеттвг1ден темен фарфор алу. мэселес1 царалд ... . . Жутац.фосфориттерд} евддруде термох.иниялыц ецдеу жэне байыту процесстердхц оптималды .жардайы К0рсет1лд1. .

............Сиипдекстторлы жоспарлау эдгстмен дикальцкйфосфат-кварц-каолк

жуйел.ер!.»ерттелш, .^урам-к;асиет. толнц.диаграш«асы_^урылды.. Диаграи ыалыч ..»ерттеудщ квмег1ыеи..жуйе15ураушыларднц эрекеттесу.«аадилигы белг1лен1п,*уйеде.ец тв.аандг-зат. ту»1лет!н-аймац.аныцталди. Жуйед анортит жэ.не .муллит-сияцты мннералд&рдыц туз1лу1 алынган аатца те-

а1мд1Л1к.цасиет..беред1..... . ............. ......

.. Дурамнна. еинтетикалиц фосфат К1рет1н фарфор алу технологидлыц схемасы керсетглдт.

SUMMARY

Workinq out of the teehnoloqieal principles of the obtaininq porcelain from nonconlition phosphate raw materials

Dissertation work is devoted guestions of process noncondition phosphate raw materials on the calcium phosphate and workinq out of the technoloqy production of porcelain on their principles.

Determined optimum conditions of process noncondition phosphate raw materials by method of thermochemical and dressinq. By method of the simplex lattice planninq are studied system CaHP04 - Si02 -Al2Si205(0H)4 and forminq of the full diaqram composition - property. Revealed a conformity to natural laws of interaction components in system, determined field of strenqtheninq by diaqram analysis.

Established formation of minerals - fixinq such as anortite and mullite which added the solidity for specimens ( samples).

Considered the interaction in the binary systems too.

Fulfilled the teehnoloqieal scheme on principles of synthetic phosphates.