6.2. Изучение взаимодействия кислых кремнегелевых растворов с нефелином

Изучение вязкостно-прочностных характеристик нефелин-гелевых смесей проводили с использованием гелей, полученных при обработке нефелина 12,5–15%-ной серной кислотой, и заполнителя - нефелинового концентрата. Получаемые смеси характеризуются вначале постепенным (в течение 4-5 минут), а затем резким, почти трехкратным возрастанием вязкости, причем это нарастание протекает практически в течение одной минуты (рис. 36).

Необходимые соотношения объемов геля и нефелина определяли следующим образом. В стакан с мешалкой заливали определенное количество геля и вводили при перемешивании необходимое количество нефелина. После 2-х минут перемешивания смесь выливали в мерные цилиндры диаметром 30 мм и высотой 25 мм. По истечении 2-3 минут наблюдалось осаждение нефелина и содержимое расслаивалось. В нижней зоне концентрировалась сгущенная суспензия, в верхней - чистый гель. Полное исчезновение слоя геля наблюдалось при соотношении нефелин-гель равном 1.8-2.0. Однако такие смеси плохо перемешиваются и практически не обладают текучестью. Оптимальным можно считать отношение 1 : 1.25 – 1.5. При таком соотношении в смесь можно дополнительно вводить отсевы щебеночного производства.

Использование в качестве заполнителя кондиционного нефелинового концентрата при наличии на ОАО «Апатит» громадного количества нефелинсодержащих отходов – хвостов апатитовой флотации, с экономической точки зрения нецелесообразно, тем более, что в хвостах апатитовой флотации (ХАФ) содержание нефелина всего на 20-30% меньше, чем в концентрате.

Проведенными нами опытами установлено, что при использовании ХАФ в качестве заполнителя соотношение между твердой и жидкой фазами останется практически таким же, как и при использовании нефелинового концентрата. Как отмечено выше, одним из определяющих факторов, влияющих на скорость схватывания кремнегелевых, смесей является содержание кремнезема в исходных растворах. Нами проведена серия опытов по определению скорости схватывания смесей с использованием растворов, полученных путем

Рис. 36.

обработки нефелина 10, 12, 15%ной серной кислотой при стехиометрически необходимом ее количестве, что позволило (табл. 28.) изменять содержание SiO₂ в единице объема раствора. Растворы смешивались с нефелиновым концентратом или ХАФ при объемном соотношении жидкой и твердой фаз, равном 1:1,5. Установленная зависимость скорости схватывания смесей приведена на рис.37.

Как видно из рисунка, забоечные смеси, приготовленные с использованием продуктов разложения нефелина 15%ной H2SO4, твердеют почти в два раза быстрее, чем смеси, приготовленные с использованием продуктов разложения нефелина 10%-ной кислотой. При использовании в качестве заполнителей нефелинсодержащих материалов (нефелинового концентрата, ХАФ, отсевов щебеночных производств) значительную роль играет кислотность (рН) кремнезолевых растворов, т.к. свободная кислота неизбежно должна взаимодействовать с нефелином, содержащимся в материалах наполнителей. Для определения влияния кислотности на продолжительность схватывания смесей

Рис. 37. Зависимость времени схватывания от концентрации серной кислоты использованной для вскрытия нефелина

кремнезолевых растворов и заполнителей были проведены специальные исследования влияния этого фактора. Опыты проводились на кремнезоле, имеющем рН – 0,5-2,5, полученном путем обработки нефелина 15%-ной серной кислотой. Кислотность геля регулировалась изменением нормы кислоты, использованной при разложении.

На рис. 38 приведен график, характеризующий изменение продолжительности схватывания смесей от кислотности используемого геля при разных соотношениях нефелин  кремнезоль. Как видно из данных рисунка 38, смеси наиболее устойчивы против желатинизации в интервале рН= 1,3-1,7. Отклонение кислотности в ту или иную сторону от этой величины увеличивает склонность кремнеземсодержащих растворов к полимеризации (желатинизации). При приготовлении забоечной смеси это свойство может быть использовано для регулирования скорости схватывания полученных составов.

Скорость схватывания нефелиновых кремнезолей зависит также от температуры компонентов забоечного состава в момент приготовления смеси и температуры в скважине.

	Для изучения влияния этого фактора использовались кремнезоли, приготовленные с использованием 15%-ной кислоты при 100%-ном ее расходе. Смеси готовились при объемном отношении нефелиновый концентрат : кремнезоль, равном 1,5:1. Опыты показали, что с уменьшением температуры смеси ниже 50С скорость полимеризации и схватывания смеси резко снижается (рис. 39). Известно, что взаимодействие нефелина с кислотами вследствие экзотермичности реакции
Рис. 38. Зависимость времени схватывания от рН геля
	сопровождается повышением температуры реакционной смеси. При смешении же кремнезолей, практически не содержащих свободной серной кислоты, с нефелином наблюдается лишь очень незначительное повышение температуры. Так, при смешении геля, полученного в указанных выше режимах, с нефелиновым концентратом при 50С приводит к повышению температуры смеси всего на 0,80С, что практически не влияет на скорость схватывания. Изменений прочностных характеристик забоечной смеси в этом случае не наблюдается.
Рис. 39. Зависимость времени схватывания от температуры смеси.

Но и увеличение расхода серной кислоты при приготовлении кремнезоля до 150% от теоретически необходимой нормы и использование таких кремнезолей при приготовлении забоечных смесей в тех же условиях приводит к повышению температуры всего на 1-2⁰С. Прочность образцов при этом увеличивается на 3-5%.

В связи с этим можно сделать вывод о нецелесообразности резкого увеличения кислотности кремнезолей, т.к. это потребует практически бесполезного повышения расхода серной кислоты – наиболее дорогого компонента смеси, что неизбежно повысит стоимость забоечных составов.

Обобщая полученные результаты по изучению динамики схватывания смесей, можно рекомендовать следующие условия их приготовления:

• для изготовления смесей целесообразно использовать кремнезоли приготовленные с использованием 12-15%-ной серной кислоты при ее расходе 90-110% от стехиометрически необходимой нормы на растворение Al₂O₃, Na₂O, K₂O;

• в качестве тонкодисперсного наполнителя смесей целесообразно использовать хвосты апатитовой флотации при объемном соотношении жидкой и твердой фаз от 1:1,2 до 1:1,5.