BRPI0614705A2 - composição, rocha hìbrida, processo para converter material residual em uma rocha hìbrida, e, aparelho para formar rocha hìbrida - Google Patents

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BRPI0614705A2
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Ross Guenther
James L Wood
Carl E Frahme
Ian I Chang
Robert D Villwock
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Ceramext Llc
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Abstract

COMPOSIçãO, ROCHA HìBRIDA, PROCESSO PARA CONVERTER MATERIAL RESIDUAL EM UMA ROCHA HIBRIDA, E, APARELHO PARA FORMAR ROCHA HIBRIDA. A invenção diz respeito a composições de rocha híbrida sintética, artigos de fabricação e processos relacionados que empregam materiais de partida de resíduo mineral, tais como rejeitos de mina, rocha de lavra de mina, cinza, escória, finos de pedreiras e limos, para produzir artigos de fabricação de valor e produtos, que são caracterizados por características fisicas e estruturais superiores, incluindo baixa porosidade, baixa absorção, maior resistência e durabilidade, e plasticidade retida. Os materiais resultantes são composicionalmente e quimicamente distintos de materiais de rocha sintética convencionais, demonstrado pela análise de microssonda eletrónica de varredura, e são usados em uma ampla variedade de aplicações, particularmente com relação a construção comercial e residencial.

Description

COMPOSIÇÃO, ROCHA HÍBRIDA, PROCESSO PARA CONVERTERMATERIAL RESIDUAL EM UMA ROCHA HÍBRIDA, E, APARELHOPARA FORMAR ROCHA HÍBRIDA"
CAMPO DA INVENÇÃO
A invenção seguinte está no geral voltada para composições derocha híbrida sintetizada de matéria, artigos de fabricação e processosrelacionados que empregam como material de partida rejeitos de mina, rochade lavra de mina, cinza, escória, finos de pedreira, limos e materiais deresíduos minerais similares. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA
O processamento de área degradada por mineração e demineral residual, até agora, não são indústrias inéditas. Existem inúmerossistemas, processos e métodos para realizar limpeza ambiental de mineração,e para a fabricação de produtos úteis a partir de matérias-primas compostasbasicamente de constituintes de minerais residuais.
A patente U.S. 3.870.535 revela um método de tratar refugosde mina de carvão para produzir material cimentoso, que é auto endurecido àpressão atmosférica, e pode ser usado como carga estrutural, material parabase de rodovias ou, alternativamente, como uma barreira consolidada deagregados para impedir penetração de percolação e contaminação de águasuperficial resultante. O método envolve tratar rejeitos de mineração decarvão provenientes de processos de extração de carvão com calcário (paraneutralizar o ácido sulfurico), ou calcário e um material pozolânico, tal comocinza volante, para reagir à pressão atmosférica pelo menos por diversos dias,na presença de umidade com íons sulfato que foram liberados dos rejeitos e,em alguns casos, também reagir com produtos de ferro solúveis nos rejeitos.Os produtos reivindicados são misturas de refugos de mina de carvão econcentrações estequiometricamente distintas de calcário, água e cinzavolante. Os produtos da invenção são em geral da variedade 3CaO, AI2O3,3CaS04, 30-32H20 ou 3CaO, Al2O3, CaSO4 e 10-12H20. Dados de teste depermeabilidade para amostras de produtos indicaram que a permeabilidadediminuiu depois do término de um período de cura de sete dias a 100 0F (37,8°C). Da mesma forma, dados de tensão compressiva indicaram que aresistência compressiva do material, medida em PSI, aumentou com oaumento do tempo de cura. Informação detalhada relativa à densidade eplasticidade da composição não é revelada. Entretanto, a composição é pornatureza cimentosa, e, portanto, de aplicação e utilidade potencial limitada.Desvantagens bem conhecidas associadas com produtos a base de cimentoincluem alta porosidade e instabilidade estrutural em decorrência deflutuações de temperatura e clima.
A patente U.S. 5.286.427 revela um método de realizarlimpeza ambiental, produzindo materiais de construção estrutural usandomaterial de rejeito de rejeitos de mina. O método envolve prover instalaçõespara produzir o material de construção estrutural; prover matérias-primas paraproduzir o material de construção, as matérias-primas compreendendo rejeitosde mina não processados (com um grau de material adequado para usoimediato) como um substituto de areia de sílica processada, mas cimento depó de alumínio; analisar os rejeitos de mina para determinar a composição equantidades percentuais em peso de outras matérias-primas presentes;preparar uma lama a partir dos rejeitos de mina e combinar a lama com outrasmatérias-primas para formar uma lama concentrada; ajustar as quantidades deoutras matérias-primas de acordo com as quantidades percentuais em pesodeterminadas nos rejeitos de mina; e processar a lama concentrada através dainstalação provida, incluindo uma etapa final de cura que produz o materialestrutural de construção. Por causa da reação química que ocorre no estágiode lançamento, a lama da produção muda de uma forma fluida para umaforma quase sólida do material de construção. A forma quase sólida expande-se e ajusta-se à forma de um molde e facilita o corte em unidades menoresantes da cura. O cimento aerado autoclavado, produzido e reivindicado, temutilidade limitada em virtude de a composição não ter plasticidade e serportanto incapaz de reforma subseqüente eficiente. Informação a respeito dapermeabilidade, porosidade e tempo de cura do material exigidos não érevelada. Conforme declarado anteriormente, desvantagens bem conhecidasassociadas com cimento incluem alta porosidade e instabilidade estrutural emdecorrência de flutuações de temperatura e clima.
A patente U.S. 6.825.139 revela uma composição cristalina,um produto policristalino, um artigo de fabricação e um processo relacionadoque utiliza cinza de carvão como material de partida. O processo envolvemisturar partículas de cinza de carvão com pelo menos um agente deformação de vidro e pelo menos um catalisador de cristalização, fundir estacombinação para formar uma mistura e resfriar a mistura resultante até atemperatura ambiente para formar um produto policristalino não porosohomogêneo compreendendo SiO2, Al2O, CaO, Fe2O3, TiO2, MgO, Na2O,Li2O, CeO2, ZrO2, K2O, P2O5, Cr2O3, ZnO e MnO2. Os produtospolicristalinos são materiais policristalinos obtidos de composições de vidropor meio de cristalização catalítica e consistindo de uma a diversas fasesmineralógicas cristalinas distribuídas uniformemente na fase vidro restante. Aavaliação da microestrutura, revelada por microscopia eletrônica, mostrouuma estrutura vidro-cerâmica densa com as dimensões dos cristais deaproximadamente 1 mícron. A composição mineralógica da composição,demonstrada por difração de raios-X, revelou que a fase cristalinapredominante é amortita, ao passo que as fases cristalinas adicionais incluemalbita e dissilicato de lítio. A densidade do vidro foi determinada em 2.720kg/m ; a porosidade menor que 0,02 %; e a tensão de dobramento foi até 150MPa. Entretanto, a composição é aquecida a temperaturas que exigem adiçãode pelo menos um catalisador de cristalização para realizar as várias fasescristalinas, e até o ponto em que a composição, artigo e processocorrespondente são relativamente trabalhosos e propensos a imprecisões, casoocorram erros durante a adição do catalisador.
O processamento em volume de material mineral mineradorelativamente homogêneo também resultou na criação de inúmeros produtosde azulejos/ladrilhos cerâmicos de variada qualidade e durabilidade. Porexemplo, cerâmicas convencionais produzidas pelo processamento demisturas de constituintes minerais naturais e misturas podem ser classificadas,de acordo com seu teor de vidro, como não vítrea, semi-vítrea e vítrea.Cerâmica não vítrea, das quais Dal-Tile é um exemplo, é em geral fabricadade argila, talco e minerais de carbonatos, e tem absorção de água maior que 7%. Não são usados minerais fundentes tal como feldspato nessascomposições. Dal-Tile não vítrea deste tipo tem uma absorção de água de 13-14 %, medida pela ASTM C373. Este tipo de azulejo/ladrilho virtualmentenão tem teor de vidro, e obtém sua integridade estrutural a partir de reações deestado sólido e sinterização. Cerâmica semi-vítrea, da qual Balmor é umexemplo, em geral têm um certo teor de vidro e absorção de águacorrespondente entre cerca de 4 % e cerca de 7 %. Este é um produto de corpovermelho, sua cor por causa de seu teor de ferro natural. Tais corpos sãogeralmente feitos de misturas de terra contendo argila que contêm quartzo efeldspato natural. Este último age como um agente fundente para produziruma fase líquida durante a queima, a dita fase líquida convertendo em vidrodurante o resfriamento. Cerâmica vítrea, incluindo azulejo/ladrilho deporcelana, da qual Granitifiandre Kashimir White é um exemplo, tem menosde 4 % de absorção de água. Verdadeiros produtos de porcelana tipicamentetêm valores de absorção de água menores que cerca de 0,5 %. Esses materiaissão basicamente produzidos a partir de matérias-primas de argila caolinita,quartzo e feldspato. Eles têm um alto teor de vidro (tipicamente 20-30 %), esão também caracterizados pela falta de fases cristalinas que precipitaram dafase líquida durante o resfriamento. Eles geralmente contêm mineral mulita(3ΑΙ2Ο3 - 2S1O2) formado a temperaturas de queima elevadas a partir dadecomposição do estado sólido da matéria-prima caolinita.
Materiais de azulei o/ladrilho cerâmico não vítreos comercialmentedisponíveis
A figura 1 é uma imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura do azulejo/ladrilho cerâmico comercialnão vítreo fabricado pela Dal-Tile™. Esta imagem BSE ilustra amicroestrutura mineralógica típica deste azulej o/ladrilho cerâmico não vítreodominado por partículas floculadas discretas (1 e 2) que são cimentadas(sinterizadas) sem matriz de vidro aparente. Os espectros da análisemicroquímica de raios-X de Energia Dispersiva (EDX) das partículasfloculadas dominante mostram uma composição química de magnésio-silicato. Esta composição corresponde ao mineral "enstatita" (Mg0-Si02)identificado na análise de difração de raios-X (XRD) feita nesta amostra deazulej o/ladrilho cerâmico. A fase mineral enstatita não "cresce" ou cristalizade uma fase líquida, uma vez que não existe nenhuma, mas, em vez disso, foiformada como um mineral de substituição de estado sólido pseudo-amorfo dealta temperatura para um material de carga de alimentação talco amplamenteoriginal. Talco é um mineral de silicato de magnésio hidratadoMg3Si4OlO(OH)2.
Bordas de reação de cor clara (branca) (3) envolvem vazios(pretos), alguns dos quais contêm partículas parcialmente dissolvidas (4).
Análise EDX indica que as bordas (3) possuem uma composição química desilicato de magnésio e alumínio que corresponde ao mineral cordierita (MgO-AI2O3-S1O2) detectado por análise XRD. As partículas parcialmentedissolvidas no centro de alguns dos vazios têm uma composição química deóxido de magnésio típica de periclásio. A abundância deste material MgO foimuito baixa para ser detectável em análise XRD.
Partículas angulares secundárias (5) com uma composiçãoquímica de sílica correspondem à composição de quartzo (Si02) detectadacomo um componente secundário neste azulejo/ladrilho cerâmico por análiseXRD.
Os espaços vazios abundantes (pretos) ilustram a altaporosidade deste material de azulejo/ladrilho cerâmico não vítreo (6). Aausência de matriz vítrea significativa neste material causa pouco contrato deligação grão na matriz (7). Ambas essas propriedades físicas contribuem paramaior absorção de água, menor dureza e menor módulo de ruptura (MOR -uma medida da resistência mecânica) determinado para este azulejo/ladrilhocerâmico.
Materiais de azulejo/ladrilho cerâmico semi-vítreo comercialmente disponível
A figura 2 é uma imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura do azulejo/ladrilho cerâmico comercialsemi-vítreo da Balmor™. A figura 2 ilustra a microestrutura mineralógicatípica deste azulejo/ladrilho cerâmico semi-vítreo de grãos minerais primáriosparcial ou completamente dissolvidos. Análises EDX desses grãos deminerais revelaram as composições químicas, que são correlacionadas comminerais específicos identificados por análise XRD como constituintes destematerial de azulejo/ladrilho. Esses incluem potássio-feldspato (10), feldspatoplagioclásio (11, quartzo (12) e goetita (Fe(OH)2) (13).
Esses grãos de minerais primários são cimentados por umamatriz de vidro amorfa semi-contínua. A análise microquímica EDX de duasáreas de matriz vítrea (14 e 15) mostra que as razões particulares dos cátionsK, Na e Ca nas duas áreas vítreas parecem ser similares às duas composiçõesde feldspato adjacentes (comparar 10 com 14 e 11 com 15). Esta similaridadeindica que composições de vidro podem variar com relação à composição decátions, e são afetadas pelos constituintes de cátions específicos dentro dosgrãos de minerais adjacentes que se fundem ou dissolvem para formar omaterial da matriz de vidro.A figura 2 revela que a matriz vítrea deste azulejo/ladrilhocerâmico semi-vítreo é semi-contínua, resultando em um grau moderado deporosidade retida 16. Esta porosidade é amplamente desconectada, mas nãocompletamente, resultando em menores propriedades de absorção de água. Osgrãos primários não são completamente ligados (17) na matriz vítrea, quecausa uma redução na durabilidade e dureza do material.
A figura 2 também não mostra minerais cristalitos secundáriosna matriz vítrea. Não está indicada evidência de que novas fases mineraiscristalinas se precipitaram da fase líquida durante o processo de resfriamento.Materiais de azuleio/ladrilho cerâmico vítreos comercialmente disponíveis
A figura 3 é a imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura do azulejo/ladrilho cerâmico vítreoGranitifiandre Kashmir White. Esta imagem BSE ilustra a microestruturamineralógica típica deste azulejo/ladrilho cerâmico vítreo composto de restosde grãos primários parcialmente dissolvidos. A análise microquímica de EDXde alguns desses grãos está correlacionada com a análise XRD para confirmarque a mineralogia deste azulejo/ladrilho cerâmico é dominada por quartzo(20), feldspato plagioclásio (21) e zircônio (22).
A figura 3 revela que os contornos de grão de quartzoapresentam evidência de significativa dissolução (20), ao passo que os grãosde feldspato são fundidos ou dissolvidos de severamente a completamente(21). Os grãos de zircônio secundários foram evidentemente uma mistura paraatingir a textura fundida no corpo do azulejo/ladrilho de porcelana (superfície22). A matriz vítrea parece ser contínua, deixando somente uns poucos vaziosou poros isolados e produzindo baixas propriedades de absorção de água (23).
A figura 3 também não apresenta minerais cristalinossecundários aparentes na matriz vítrea e sugere que nenhum tal mineralsecundário formou-se da fase líquida. Entretanto, mulita - um mineralformado por transformação de estado sólido - foi identificada na análiseXRD. Em virtude de sua forma cristalina acicular típica e tamanho departícula muito pequeno, sua presença nesta cerâmica não foi positivamenteidentificada na análise BSE. O peso atômico total (densidade) da mulita podeser bastante similar ao da matriz de vidro, tornado-a indistinta do vidro.
Conforme discutido antes, ineficiências envolvendo métodosconvencionais de processar minerais residuais tais como rejeitos de mina e aslimitações estruturais e composicionais inerentes em produtos cerâmicosconvencionais - particularmente com relação a porosidade e absorção de águacorrespondente, menor dureza e baixo módulo de ruptura - demonstram queexiste uma dupla necessidade de: (1) uma estratégia efetiva e eficiente paradar fim a rejeitos minerais, tais como rejeitos de mina a baixo custo e altasegurança; e (2) um material de rocha sintética vítrea não argilosa de baixocusto e facilmente fabricado com características superiores e até entãocoletivamente indisponíveis, incluindo baixa porosidade; impermeabilidadesem vitrificação; alta plasticidade para esterilização subseqüente; e altaresistência e durabilidade. A invenção revelada aborda essas duplasnecessidades simultaneamente.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Esforços com relação a rejeitos de mina e área degradada pormineração têm evocado enormes preocupações ambientais dentro e fora dosEstados Unidos. Rejeitos são produtos residuais que permanecem em áreas decontenção jogados fora para receber água depois que os metais foramextraídos de um local particular, e consistem primariamente de rocha residualcontendo uma variedade de minerais formadores da rocha, incluindo comogrupos constituintes principais sílica cristalina, feldspato e minerais de argila;com grupos constituintes secundários incluindo carbonatos, sulfatos, sulfetose micas. Problemas de poluição associados com rejeitos de mina relacionadosà integridade estrutural e estabilidade de áreas de contenção de rejeitos e osimpactos potenciais caso ocorra falha na contenção. No centro dessaspreocupações está a poluição potencial de rejeitos de mina na terra e na águasuperficial, e correspondentemente como tal poluição potencial afeta aspessoas que vivem nas proximidades imediatas de áreas de contenção derejeitos.
A necessidade de estratégias efetivas de área degradada pormineração, e disposição segura de resíduos de minas potencialmenteperigosos, é da mesma forma amplamente reconhecida nas indústrias demineração e ambientais. Não existe dúvida de acordo com as leis de que adisposição de rejeitos de minas de uma maneira segura, oposto a tentarcontinuamente sua contenção, seja desejável, tanto de um ponto de vista desegurança ambiental quanto econômico. Similarmente, outros materiais deresíduos minerais aumentam similarmente as preocupações de contaminaçãoambiental, e a necessidade de sua disposição segura e efetiva é tambémbastante reconhecida.
Já na Mesopotâmia antiga, pesquisadores localizaram o queeles acreditam ser placas de rochas basálticas formadas de detritos sílico-argilosos. Acredita-se que os habitantes usaram a rocha basáltica como umcomponente principal na região com uma variedade de propósitos, incluindocerâmica, arquitetura, materiais de escrita, objetos de técnica e ferramentas.
Em estudos simulados para recriar a rocha basáltica a partir de detritos sílico-argilosos, pesquisadores puderam aproximar a composição e textura da rochabasáltica usando detritos sílico-argilosos de aluvião local como material departida, e aquecendo o material em uma faixa de temperatura definida por umperíodo de tempo prolongado. A rocha basáltica resultante foi caracterizadapor cristais de clinopiroxeno combinado embutido em uma matriz vítrea, comrestos de matéria-prima de partida tanto aparecendo raramente comocompletamente ausente da rocha basáltica final. A rocha basáltica foi maisprovavelmente de resistência limitada, já que ela não teve uma microestruturaagregada. Por causa da presença observada de muitos poros grandes, algunsde até 3 mm, o basalto teve alta absorção de água, provavelmente bem alémde 7 %.
Em exemplos mais recentes de materiais residuais, cinzavolante e cinza tipo detrito da queima de carvão para energia elétrica sãoresíduos bastante incombustíveis formados de minerais inorgânicos nocarvão. Aproximadamente centenas de milhões de toneladas são produzidas acada ano somente nos Estados Unidos. Cinza volante e cinza tipo detrito sãotambém produzidas em incineradores de lixo e usinas de energia de biomassa.Materiais de resíduos minerais de escória resultam de operações deprocessamento de metal. Operações de escavação e dragagem geralmenteproduzem materiais residuais de silicatos, tais como finos ou lamas, que têmque ser jogados fora de uma maneira segura.
Materiais minerais relativamente puros (argila caolinita,feldspato, quartzo, talco, etc.) têm sido convencionalmente usados parafabricar uma variedade de materiais cerâmicos com variadas composições egraus de qualidade. Conforme previamente descrito, azulejo/ladrilho Dal-Tilenão vítreo, Balmor Tile semi-vítreo e Granitifiandre Kashmir White vítreorepresentam alguns deles. Entretanto, esses e um vasto arranjo de outrosprodutos cerâmicos convencionais (azulejo/ladrilho cerâmico, louças dejantar, etc.) são tipicamente fabricados por métodos que baseiam-se naplasticidade e ligação (no estado não queimado) da argila - geralmentecaolinita - e em geral usam matérias-primas relativamente puras. Conformepreviamente declarado, cerâmicas convencionais também demonstraminúmeras características indesejáveis, incluindo porosidade e absorção deágua de moderada a alta, baixa dureza e resistência, e a ausência de formaçãode cristalitos secundários mediante resfriamento, que contribui paradurabilidade do produto. Também, na fabricação de cerâmicas convencionais,uma preocupação considerável é posta na qualidade e pureza dos ingredientesda matéria-prima. Adicionalmente, contaminantes nas matérias-primas podemcausar considerável dano na qualidade do produto convencional em termos deintegridade estrutural e defeitos nas propriedades cosméticas.Surpreendentemente, o processo e a composição do requerente são tolerantesa concentrações mais altas de muitos materiais que são consideradoscontaminação na fabricação de cerâmicas convencionais. Tais materiaisincluem ferro, magnésio, manganês, enxofre e seus compostos.
Existe a necessidade na indústria de limpeza ambiental dedesenvolver uma estratégia efetiva e eficiente para recuperação de minas,disposição de rejeitos de mina depois que a extração de mineral na mina tiverterminado, disposição da rocha de lavra de mina, disposição de cinza volantee cinza tipo detrito de usinas de energia ou incineradores, disposição deescória e disposição de finos ou detritos sílico-argilosos. Existe umanecessidade igualmente significativa na indústria de rocha sintética deproduzir um azulejo/ladrilho vítreo de baixa absorção facilmente fabricado ede baixa porosidade de uma maneira barata e relativamente rápida.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A invenção do requerente fornece uma composição cristalina ede vidro derivada do processamento de rejeitos brutos de mina e materiaisresiduais similares, que pode ser usada para criar artigos valiosos defabricação e produtos para uma ampla variedade de usos, particularmente,mas sem limitação, na indústria de construção comercial e residencial, porexemplo, como piso, parede, telhas, tijolos, blocos, revestimento exterior,painéis, ladrilhos, bancadas, agregados para base de rodovia e outrosmateriais de construção. A composição exclusiva compreende uma faseclasto, uma fase vidro e uma fase cristalina. A dita fase clasto compreendeadicionalmente grãos minerais, grãos de mineralóides, esférulas de vidro, oufragmentos de rocha, e qualquer um dos quais pode ter sido parcialmentefundido, ou parcialmente dissolvido, ou parcialmente transformado por reaçãoquímica. A dita fase vidro fornece uma matriz que é cimentada junto com osclastos. A fase cristalina é completamente encoberta pela fase vidro queformou-se pelo crescimento a partir da fase líquida. A composição exclusivade clastos fundida por uma única fase vidro, que compreende adicionalmenteuma fase cristalina recém-formada, é caracterizada por uma estrutura debrecha agregada microscópica (rocha sintética/matriz de vidro) comcaracterísticas físicas estruturais superiores, incluindo baixa porosidade, baixaabsorção, maior resistência e durabilidade, retenção de plasticidade parafacilitar a subseqüente esterilização para processamento inicial, e atributosquímicos facilmente discerníveis, em comparação com materiais de rochasintética convencionais, demonstrado pela análise de microssonda eletrônicade varredura.
A fase vidro (matriz de vidro) é criada em-decorrência dafusão parcial de uma suíte de constituintes minerais brutos originais, que podeincluir feldspato, quartzo e materiais minerais encontrados em uma amplavariedade de tipos de rochas, e que podem adicionalmente estar presentescomo grãos minerais individuais (monominerálicos) ou como fragmentos derocha (poliminerálicos). Depois de um período de fusão ideal, a matriz devidro resultante é resfriada por um período de resfriamento ideal e, durante operíodo de resfriamento, minerais de silicato e não silicato exclusivos comvariadas proporções de ferro, magnésio, cálcio e enxofre se cristalizam dafase líquida para formar pequenos cristalitos distribuídos por toda a matriz devidro. De forma importante, os cristalitos secundários recém-formadosincluem compostos de silicato, tectossilicato e sulfatos que não estãopresentes na matéria-prima de partida, e não são encontrados em cerâmicascomercialmente disponíveis da mesma maneira. Ocasionalmente, algunsdesses minerais podem ser encontrados em cerâmicas comercialmentedisponíveis; entretanto, esses minerais não são cristalitos secundáriosformados de uma fase fundida, mas, em vez disso, são restos do da matéria-prima de partida. Os minerais específicos formados nos materiais cerâmicosdo requerente são afetados pela composição química exclusiva dos materiaisda carga de alimentação de mineral residual, tais como rejeitos, cinza, etc.
Inossilicatos são minerais de silicato de cadeia simples ecadeia dupla. O grupo piroxeno de inossilicatos compreende silicatos decadeira ferromagnesiana não hidratado de cadeia simples. O grupo anfibolode inossilicatos compreende silicatos de cadeia ferromagnesiana hidratada decadeia dupla. Wollastonita é um mineral de silicato de cálcio no grupoinossilicato.
Tectossilicatos são minerais de silicato de estrutura, incluindominerais tais como quartzo e o grupo feldspato. Feldspato plagioclásio é umasérie de solução sólida de minerais de feldspato com variadas quantidades desódio e cálcio.
Minerais de sulfato são um grupo de minerais contendoenxofre. Gesso e anidrida são sulfatos de cálcio, com anidreto formando aforma desidratada e gesso a forma hidratada.
Piroxenos, particularmente enstatita e hipersteno (a versãocontendo ferro de enstatita), bem como augita, diopsida, bronzita e pigeonita,não estão convencionalmente presentes em matérias-primas de partida, e nãoforam detectados em cerâmicas semi-vítreas ou porcelana. Em vez disso,piroxenos foram detectados, por meio de análise de difração de raios-X(XRD) e análise de microssonda eletrônica de varredura (microssonda)usando um espectrômetro de raios-X de energia dispersa (EDS), somente emcerâmicas de alta porosidade, tal como a cerâmica não vítrea Dal-Tilesupradiscutida. Entretanto, análise de microssonda revela que esses piroxenosna cerâmica não vítrea têm uma morfologia que indica aos versados natécnica que eles são o resultado de reações químicas de estado sólido, em vezde cristalização a partir de uma fase fundida. Ao contrário, anfíbolos,particularmente na forma de hornblenda, foram detectados em materiaisbrutos de rochas de minas, mas não no material processado, em virtude deesses compostos não sobreviverem ao processamento a alta temperatura emdecorrência de desidratação e degradação da ligação durante o processo deaquecimento.
Wollastonita e plagioclásio são ingredientes comuns dealgumas cerâmicas convencionais não vítreas para se conseguir tipos epropriedades específicos de cerâmica. Entretanto, wollastonita e plagioclásionão foram detectados usando análise de microssonda e técnicas de EDS comouma fase recém-cristalizada em cerâmicas convencionais, em vez disso, elesaparecem como grãos minerais primários sinterizados.
Anidrita e/ou gesso não encontram-se convencionalmentepresentes em matérias-primas de partida e não foram detectadas em cerâmicasnão vítreas, semi-vítreas ou vítreas convencionais.
As composições e artigos do requerente compreendem tantofragmentos de rejeitos originais bem como fases minerais recém-formadas,que torna-as composicionalmente distintas não somente do material de partidabruto de rejeitos de mina, mas, de forma mais importante, de composições derocha sintética convencionais e artigos de fabricação correspondentes. Umadistinção composicional chave entre o material bruto de partida, composiçõese artigos do requerente, e composições de rocha sintética convencionais é apresença ou ausência de minerais de inossilicato, especificamente piroxenos,wollastonita, tectossilicatos, especificamente feldspato plagioclásio, esulfatos, especificamente anidrita. Conforme apresentado com mais detalhes aseguir, as composições e artigos do requerente contêm inossilicatos piroxeno,plagioclásio recém-formado, wollastonita e anidrita, que até então não foramdetectadas em materiais de rocha sintética vítrea de baixa porosidade.Minerais de piroxeno específicos que podem formar nesta rocha sintéticapodem incluir, mas sem limitações, um ou mais dos seguintes: augita,diopsida, hipersteno, pigeonita, bronzita e enstatita.
Além do mais, a invenção do requerente emprega umaestratégia de aquecimento e resfriamento exclusiva, que eliminacompletamente a necessidade da adição de catalisadores de recristalização.
Ou seja, o aquecimento matéria-prima a uma temperatura na qual parte doscomponentes, senão todos eles, da matéria-prima começa fundir pelo menosparcialmente. Nessas temperaturas, uma fase líquida é criada que pode escoarpara revestir partículas agregadas individuais, ligá-las umas nas outras, epreencher os espaços vazios. A fase líquida pode também começar dissolvermaterial sólido adicional. Mediante referência a taxas razoavelmente fora dolimite de têmpera, esta fase líquida pode cristalizar parcialmente sem anecessidade de adição de aditivos de nucleação, em virtude de, por causa dafusão parcial, já existirem superfícies sólidas presentes para iniciar acristalização. Pressão mecânica para comprimir o material na temperaturapode ajudar distribuir a fase líquida entre as várias superfícies sólidas eaumentar a ligação. Vácuo para remover gás dos espaços vazios pode ajudareliminar a resistência ao enchimento dos vazios com a fase líquida.
Tipicamente, os primeiros componentes da matéria-prima a serliqüefeitas são partículas de vidro ou feldspatos, muitos dos quais seliqüefazem a temperaturas de aproximadamente 1.050 a 1.300 graus C.
Preferivelmente, a matéria-prima compreende vidro ou feldspato que torna-selíquido a temperaturas na faixa de 1.100 a 1.200 graus C. O resfriamento apartir dessas temperaturas ocorre a uma temperatura baixa o bastante parapermitir que ocorra a recristalização, preferivelmente, cerca de 1 a 50 graus Cpor minuto, mais preferivelmente cerca de 5 a 20 graus C por minuto, e acimade tudo preferivelmente cerca de 10 graus C por minuto, quando oresfriamento começa da temperatura de pico para os primeiros cem graus deresfriamento. O resfriamento a uma velocidade máxima de 10 graus C porminuto é também especialmente preferido à medida que o material passa pelafaixa de temperatura de 600 a 500 graus C, para evitar fratura por causa demudança de volume associada da transição de fase beta para alfa de qualquerquartzo que possa estar presente no material.
Nas modalidades e exemplos da presente invenção seguinte,uma quantidade de rejeitos de mina, por exemplo, Historie Idaho-MarylandMine Tailings ("HDVÍT") contendo tanto fragmentos de rocha e grãos deminerais individuais, são aquecidos em uma câmara de formação até umatemperatura ideal, preferivelmente na faixa de 1.100 a 1.200 graus C, e dessaforma parcialmente fundidos em um período de tempo ideal, preferivelmentecerca de 0,5 a 6 horas. Durante o processo de fusão parcial, a matéria-primaHIMT é simultaneamente exposta a modificação de pressão, quepreferivelmente é a aplicação de força mecânica no material na faixa de 1 a200 psi (0,01 a 1,38 MPa), e que pode adicionalmente também ser a aplicaçãode vácuo para reduzir a pressão absoluta para a faixa de cerca de 1 a 600 mbara fim de remover fase gasosa intersticial.
O aquecimento da matéria-prima HIMT com modificação depressão resulta em uma matriz parcialmente fundida, que é então resfriadanaturalmente em um período de tempo ideal. Durante o período deresfriamento, cristalitos de mineral recém-formados com variadas proporçõesde silício, alumínio, ferro, magnésio, cálcio e enxofre cristalizam a partir damatéria-prima inicial fundida para formar pequenos cristalitos distribuídos portoda a matriz de vidro. Conforme previamente declarado, a invenção nãoemprega catalisadores de cristalização ou agentes de nucleação adicionadospara facilitar o processo de cristalização.
Os minerais cristalizados recém-formados que ocorrem namatriz de vidro compreendem uma combinação de minerais do grupopiroxeno, grupo feldspato plagioclásio e grupo sulfato. As característicasmorfológicas dos minerais recém-cristalizados indicam seu crescimentosecundário a partir da parte fundida de matéria-prima inicial, oposto a formaruma reação de vidro de estado sólido. Mais notavelmente, esses indicadoresde crescimento secundário incluem tamanho no geral uniforme, morfologiacristalina e composição uniforme do mineral recém-formado em toda a matrizde vidro.
Em uma modalidade, a invenção fornece uma composiçãopolicristalina impermeável não porosa vítrea compreendendo uma quantidadede clastos, uma quantidade de matriz de vidro, e uma quantidade de pelomenos uma fase cristalina secundária. Os ditos clastos compreendem grãos deminerais simples, tais como quartzo, ou fragmentos de rocha, ou fragmentosde vidro não fundido, ou grãos de mineralóides. A dita matriz de vidro édistribuída entre os clastos, ligando a eles e enchendo praticamente todo oespaço intersticial. A dita pelo menos uma fase cristalina secundária é contidana matriz de vidro, e compreende cristais formados de uma massa fundidacom uma composição mineral selecionada do grupo que consiste em mineraisferromagnesianos, piroxenos (por exemplo, clinopiroxeno, ortopiroxeno,augita, diopsida, hipersteno, pigeonita, bronzita, enstatita), ilmanita, rutilo,wollastonita, cordierita e anidrita.
Em uma modalidade, a invenção fornece um método paraprocessar rejeitos de mina, resultando em uma composição policristalinaimpermeável não porosa vítrea. O dito método compreende secar ao ar umamostra de rejeitos de mina até menos que 3 % de umidade; classificar osrejeitos de mina para remover material maior que 516 mícrons; e calcinar osrejeitos de mina no ar a aproximadamente 900 graus C. Os rejeitos de minasão então mecanicamente compactados em um tubo com uma pressãoaproximada de 350 psi (2,41 MPa) a uma temperatura aproximada de 1.130graus C por aproximadamente 60 horas, e subseqüentemente resfriada a umavelocidade de aproximadamente 1 a 3 graus C por minuto, formando a ditacomposição, compreendendo uma fase clasto, uma fase vidro, e pelo menosuma fase cristalina. A dita fase clasto compreende grãos de minerais simples,tal como quartzo, ou fragmentos de rocha. A dita fase clasto é distribuídaentre a dita fase clasto, ligando a partículas clasto e enchendo praticamentetodo o espaço intersticial em volta. A dita pelo menos uma fase cristalina écontida na dita fase vidro, e compreende cristais formados de uma massafundida com uma composição mineral consistente com minerais selecionadosdo grupo què consiste em bronzita, augita e pigeonita.
Em uma outra modalidade, a invenção fornece um métodopara processar rejeitos de mina, resultando em uma composição policristalinaimpermeável não porosa vítrea. O dito método compreende secar ao ar umaamostra de rejeitos de mina até menos que 3 % de umidade; classificar osrejeitos de mina para remover material maior que 516 mícrons; e calcinar osrejeitos de mina ao ar a aproximadamente 900 graus C. Os rejeitos de minasão então mecanicamente compactados em um tubo com uma pressãoaproximada de 300 psi (2,07 MPa) a uma temperatura aproximada de 1.140graus C por aproximadamente 6 horas, e subseqüentemente resfriados a umavelocidade de aproximadamente 10 a 20 graus C por minuto, formando a ditacomposição, compreendendo uma fase clasto, uma fase vidro e pelo menosuma fase cristalina. A dita fase clasto compreende grãos de minerais simples,tal como quartzo, ou fragmentos de rocha. A dita fase vidro é distribuída entrea dita fase clasto, ligando nas partículas de clasto e enchendoaproximadamente todo o espaço intersticial em volta. A dita pelo menos umafase cristalina é contida na dita fase vidro e compreende cristais formados deuma massa fundida com uma composição mineral consistente com mineraisselecionados do grupo que consiste em bronzita, augita, pigeonita, anidrita eilmanita.
Em uma outra modalidade, a invenção fornece um métodopara processar rocha metavulcânica de lavra de mina resultando em umacomposição policristalina impermeável não porosa vítrea. O dito métodocompreende secar ao ar uma amostra da rocha de desenvolvimento até menosque 3 % de umidade; classificar a rocha de desenvolvimento em uma peneirade 516 mícrons. Pó de rocha de desenvolvimento é então processada noaparelho descrito na patente U.S. 6.547.550 (Guenther) a uma temperatura deaproximadamente 1.160 graus C, com pressão mecânica oscilando entreaproximadamente 30 psi e 160 psi (0,21 e 1,1 MPa) por um período de tempo,em uma atmosfera de vácuo parcial por aproximadamente 60 minutos, esubseqüentemente resinada a uma velocidade aproximada de 5 a 15 graus Cpor minuto, formando a dita composição, compreendendo uma fase clasto,uma fase vidro e pelo menos uma fase cristalina. A dita fase clastocompreende clastos poliminerálicos e monominerálicos. A dita fase clasto édistribuída entre a dita fase clasto, ligando nas partículas clasto e enchendopraticamente todo o espaço intersticial em volta. A dita pelo menos uma fasecristalina é contida na dita fase vidro e compreende cristais formados de umamassa fundida com uma composição mineral consistente com mineraisselecionados do grupo que consiste em augita, pigeonita, magnemita eilmanita.
Em uma outra modalidade, a invenção fornece um métodopara processar cinza volante de carvão, resultando em uma composiçãopolicristalina impermeável não porosa vítrea. O dito método compreendesecar ao ar uma amostra da cinza volante de carvão até menos que 3 % deumidade; classificar a cinza volante de carvão com uma peneira de 516mícrons; e em seguida calcinar a cinza volante de carvão. A cinza volante decarvão é então mecanicamente compactada a uma pressão aproximada de 300psi (2,07 MPa) em um tubo a uma temperatura aproximada de 1.115 graus Cpor aproximadamente 10 horas, e subseqüentemente resfriada a umavelocidade aproximada de 10 a 20 graus C por minuto, formando a ditacomposição, compreendendo uma fase clasto, uma fase vidro e pelo menosuma fase cristalina. A dita fase clasto compreende clastos remanescente dosconstituintes da carga de alimentação inicial. A dita fase vidro é distribuídaentre a dita fase clasto, ligando a partículas clasto e enchendoaproximadamente todo o espaço intersticial em volta. A dita pelo menos umafase cristalina é contida na dita fase clasto e compreende cristais formados deuma massa fundida com uma composição mineral consistente com mineraisselecionados do grupo que consiste em wollastonita, feldspato plagioclásio,anidrita e sulfato de cálcio.
Em uma outra modalidade, a invenção fornece um método deprocessar materiais residuais selecionados do grupo que consiste em rejeitosde mina, rocha residual, resíduos de finos de pedreira, limos, cinza volante,cinza tipo detrito, cinza de carvão, cinza de incinerador, cinza de madeira, eescória, resultando em uma composição policristalina impermeável nãoporosa vítrea. O dito método compreende submeter os materiais residuais aum aparelho de classificação; transferir os materiais residuais do dito aparelhode classificação para uma câmara rotativa aquecida para transformaçãoquímica; transferir os materiais residuais da dita câmara rotativa aquecidapara uma segunda câmara aquecida opcionalmente fixa com um vácuo;transferir os materiais residuais da dita segunda câmara aquecida para umaterceira câmara aquecida posicionada dentro de um elemento de aquecimento;aplicar pressão nos materiais residuais na dita terceira câmara aquecida,formando uma rocha híbrida; extrusar a dita rocha híbrida em um dispositivode matriz e remover a dita rocha híbrida da dita terceira câmara aquecida parasubseqüente uso ou modificação adicional.
Os benefícios, vantagens e surpreendentes descobertas dapresente invenção são, resumidamente, notáveis. Primeiro, e mais importante,uma descoberta surpreendente com relação à invenção do requerente é apresença de inossilicatos de piroxeno na composição final e artigoscorrespondentes. Até então, compostos minerais piroxeno não foramdetectados em materiais de rocha sintética de baixa absorção de baixaporosidade vítreos tais como os da presente invenção do requerente. Em vezdisso, piroxenos foram detectados apenas convencionalmente em materiaisnão vítreos altamente porosos.Também surpreendente é o fato de que a invenção dorequerente atinge máxima cristalização sem a adição de catalisadores decristalização ou outros agentes de nucleação. A matéria-prima na invenção dorequerente não é aquecida além de seu ponto de fusão, mas, em vez disso, éfundida apenas parcialmente, que preserva sítios de núcleos de cristalização jápresentes na matriz de vidro. Ao contrário, composições de rocha sintéticaconvencional têm que empregar catalisadores de cristalização para facilitar aformação de cristal em virtude de as matérias-primas correspondentes seremaquecidas acima de seu ponto de fusão e completamente fundidas em umestado homogêneo durante o processamento, que destrói sítios de cristalizaçãopotenciais. A catalisação de cristalização convencional é necessária paraprover um sítio para cristalização.
Também uma outra descoberta surpreendente relativa àinvenção do requerente é que a matriz de vidro da invenção podecompreender várias quantidades de vidro, mas que, com menos deaproximadamente 20 % de vidro, a composição atinge a impermeabilidade.Materiais de rocha sintética pouco permeáveis ou não permeáveisconvencionais exigem um alto teor de vidro para atingir a impermeabilidade.
A invenção também tem a vantagem de prover composições dematéria compreendendo partículas cristalinas com uma matriz líquida deligação de vidro, que permite que as composições mantenham umaquantidade significativa de plasticidade a alta temperatura, diferente deazulejo/ladrilho de argila. Com este nível de plasticidade saliente, ascomposições podem, enquanto inicialmente aquecidas ou reaquecidas, serprensadas, laminadas ou injetadas em outras formas e uma variedade deprodutos úteis depois da preparação inicial. Por exemplo, versões de grão finodas composições sólidas podem ser prensadas em agregados e pedrasredondas para uma variedade de usos de construção, incluindo para uso emcimento, base de estrada e pedras de pavimentação. Alternativamente,abrasivos normalmente conhecidos, tais como carboneto de sílica, quartzo egranada, podem ser adicionados à composição para subseqüente uso emblocos de jateamento de areia e rodas de esmeril.
Uma outra vantagem da presente invenção é que ascomposições de sólidos e os artigos correspondentes de fabricação sãoimpermeáveis sem a necessidade de vitrificação. A impermeabilidade dainvenção é diretamente relacionada com o fato de que, diferente de materiaisde rocha sintética convencionais, a composição e os artigos contémessencialmente zero porosidade aberta, por causa da estrutura de matriz devidro contínua que envolve cristalitos distribuídos em toda ela. Com aexceção de certos produtos de argila baratos vítreos raros, tal como porcelana,rocha sintética convencional e produtos cerâmicos exigem vitrificação paraatingir a impermeabilidade.
Conforme notado previamente, a invenção do requerentecontém virtualmente zero porosidade aberta, que resulta em artigos menosporosos e mais impermeáveis, comparados com materiais cerâmicosconvencionais. Surpreendentemente, vazios (poros fechados) podem serinduzidos na invenção do requerente para resultar em material tipo construçãode menor peso, sem comprometer as características impermeáveis dainvenção.
Outros aspectos e alternativas ou modalidades preferidas dainvenção existem. Esses ficarão aparentes com o transcorrer da especificação.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
A figura 1 é uma micrografia obtida de análise de microssondaeletrônica de varredura de azulejo/ladrilho cerâmico não vítreocomercialmente disponível (Dal-Tile).
A figura 2 é uma micrografia obtida por análise demicrossonda eletrônica de varredura de azulejo/ladrilho cerâmico semi-vítreocomercialmente disponível (Balmor).A figura 3 é uma micrografia obtida por análise demicrossonda eletrônica de varredura de azulejo/ladrilho cerâmico vítreocomercialmente disponível (Granitifiandre, Kashmir White).
A figura 4 é uma micrografia obtida por análise demicrossonda eletrônica de varredura de um artigo de fabricação resultante dométodo do requerente de processamento de rejeitos de mina, incluindo umailustração da composição do artigo.
A figura 5 é uma micrografia obtida por análise demicrossonda eletrônica de varredura de um artigo de fabricação resultante dométodo do requerente de processamento de rejeitos de mina, incluindo umailustração da composição do artigo.
A figura 6 é uma micrografia obtida por análise demicrossonda eletrônica de varredura de um artigo de fabricação resultante dométodo do requerente de processar rocha de lavra de mina, incluindo umailustração da composição do artigo.
A figura 7 é uma micrografia obtida por análise demicrossonda eletrônica de varredura de um artigo de fabricação resultante dométodo do requerente de processamento de cinza volante de carvão, incluindouma ilustração da composição do artigo.
A figura 8 é um fluxograma esquemático que representa umaparelho e método de processamento de materiais minerais residuais.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Primeira Modalidade
Esta modalidade é um aparelho e um processo para processarrejeitos de mina que emprega uma escala de resfriamento lenta, que resulta nacomposição do requerente e artigos de fabricação correspondentes.Tabela 1. Composição de alguns dos materiais de alimentação<table>table see original document page 25</column></row><table>
EXEMPLO 1
Uma amostra de rejeitos da mina de ouro Idaho-Marylan, coma composição geral mostrada na tabela 1, foi seca ao ar até menos de 3 % deumidade e classificada para remover material maior que 516 mícrons (30mesh). O material de rejeitos brutos foi calcinado ao ar a 900 graus C. Após acalcinação, o material, sem aditivos, foi mecanicamente compactado usandoum aríete a uma pressão de aproximadamente 350 psi (2,41 MPa) em um tubode processo de carboneto de silício ligado por nitreto a uma temperatura de1.130 graus C por um período de tempo prolongado, aproximadamente 60horas nessa temperatura. O material foi então resfriado lentamente, a umataxa de 1 a 3 graus C por minuto, formando um material híbrido de rochasintética, que foi então removido do tubo de processo. Os corpos de prova domaterial híbrido de rocha sintética tiveram um módulo de ruptura médio decerca de 85 PMa (12.320 psi) e uma absorção de água média de cerca de 0,3%, determinada pelo método ASTM C373. Outros dados resultantes estãomostrados na tabela 2.
Tabela 2. Propriedades físicas de materiais híbridos de rocha sintéticaexemplares<table>table see original document page 26</column></row><table>
A figura 4 é uma imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura deste material híbrido de rejeitos derocha sintética de carga de alimentação de rejeitos de mina da IdahoMaryland. A figura 4 ilustra as três fases características típicas damicroestrutura mineralógica exclusiva deste material de rocha sintética. Essastrês fases incluem clastos (grãos primários remanescentes parcialmentedissolvidos da carga de alimentação de rejeitos); uma fase vidro derivada dafusão parcial dos grãos minerais primários; e uma fase cristalina secundáriacomposta de cristalitos de dimensões similares que ocorrem na fase vidro. Osúltimos minerais secundários cristalizaram a partir da fase líquida antes doresfriamento e formação da fase vidro. A figura 4 mostra um grão de quartzoprimário remanescente com bordas redondas indicando dissolução de seuscontornos de grão anteriormente angulares (31). A fusão praticamentecompleta da maioria dos constituintes minerais primários dos componentes decarga de alimentação original tal como feldspato deixa pouca evidência de suaexistência nesta rocha sintética sem ser área matizada que retêm a assinaturaquímica da mineralogia de origem (32).
A fase vidro (33) com uma composição de aluminossilicatocontém quantidades traços de cátions tais como potássio, cálcio, sódio,magnésio e ferro (33). Análise microquímica EDS do vidro em toda acerâmica indica que a composição do vidro é heterogênea e varia com relaçãoà razão alumínio:silício, bem como o teor de cátion traços (34).
O cristalito recém-formado (secundário) compreende a fasecristalina desta rocha sintética. O maior tempo de processamento resultou emcristalitos secundários compreendendo 40-50 % do volume deste material. Oscristalitos aparecem em duas morfologias reconhecíveis, cada uma comcomposições químicas distintas, determinadas por EDS. Alguns cristalitosaparecem em formas de reticulado e esqueleto estreito e ocorrem de formaúnica e em agrupamentos (35). Cristalitos desta morfologia possuemuniformemente uma composição química na maior parte similar às espéciesde bronzita de piroxeno com alto magnésio, mas baixos teores de cálcio eferro (35). O tamanho dos cristalitos em forma de reticulado varia de 1 a 3 μιηde largura e de 5 a 25 μπι de comprimento.
A outra morfologia comum de cristalitos é uma forma deblocos equante que ocorres similarmente de maneira simples e emagrupamentos (36). Esta última morfologia de cristalitos é associada comrazões cálcio para ferro, similares às variedades de augita ou pigeonita depiroxeno com alto teor de cálcio, mas baixo teor de ferro. O tamanho dessescristalitos em blocos varia de 4 a 15 μιη.
A fase vidro contínua neste material de rocha sintética deixavazios isolados bastante espaçados com pouca ou nenhuma comunicaçãoentre eles, resultando em valores de absorção muito baixos (37).
Segunda Modalidade
Esta modalidade é um método de processamento de rejeitos demina que emprega uma escala de resfriamento rápida, que resulta nacomposição do requerente e artigos de fabricação correspondentes.
EXEMPLO 2
Uma amostra de rejeitos da mina de ouro Idaho-Maryland,com a composição geral mostrada na tabela 1, foi seca ao ar até menos de 3 %de umidade e classificada para remover material maior que 516 mícrons (30mesh). O material de rejeitos brutos foi calcinado ao ar a 900 graus C. Após acalcinação, o material, sem aditivos, foi mecanicamente compactado usandoum aríete a uma pressão de aproximadamente 300 psi (20,7 MPa) em um tubode processo de carboneto de silício ligado com nitreto a uma temperatura de1.140 graus C, com um tempo de permanência de aproximadamente 6 horas àtemperatura. O material foi então extrusado em uma matriz retangular (15,2por 1,3 cm) com um comprimento da face da parte alta de 3,5 cm, esubseqüentemente resfriado a uma velocidade de cerca de 10 a 20 graus C porminuto, formando um material híbrido de rocha sintética. Os corpos de provado material híbrido de rocha sintética resultante tiveram um módulo deruptura médio de cerca de 42 MPa (6.060 psi) e uma absorção de água médiade cerca de 3,2 %, determinada pelo método ASTM C373. Outros dados estãomostrados na tabela 2.
A figura 5 mostra a imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura do material híbrido de rocha sintéticaresultante. A figura 5 ilustra as três fases características típicas damicroestrutura mineralógica exclusivo deste material de rocha sintética. Essastrês fases incluem clastos (grãos primários remanescentes parcialmentedissolvidos da carga de alimentação de rejeitos); uma fase vidro derivada dafusão parcial dos grãos de mineral primário; e uma fase cristalina secundáriacomposta de cristalitos de dimensões similares envelopados na fase vidro. Osúltimos minerais secundários cristalizaram a partir da fase líquida durante oresfriamento, provavelmente antes da formação da fase vidro. A figura 5mostra um grão de quartzo primário remanescente com bordas redondasindicando dissolução de seus contornos de grão inicialmente angulares (41).
A fusão praticamente completa da maior parte dos constituintes mineraisprimários dos componentes da carga de alimentação original deixa poucaevidência de sua existência nesta rocha sintética.
A fase vidro (42) com uma composição de aluminossilicatocontém quantidades traços de cátions tais como potássio, cálcio, sódio,magnésio e ferro (42). Análise microquímica EDS do vidro através dacerâmica indica que a composição de vidro é heterogênea e varia com relaçãoà razão alumínio:silício, bem como o teor de cátions traços (43).
Quatro fases cristalinas secundárias recém-formadas sãoaparentes neste material de rocha sintética incluindo dois tipos de piroxenodistintos, anidrita e ilmanita. Cristalitos de piroxeno aparecem em duasmorfologias, cada qual com distintas composições químicas, determinadas porEDS. Uma morfologia de cristalito de piroxeno é uma forma de reticuladoestreito (44). Os piroxenos tipo reticulado possuem uniformemente umacomposição química mais similar a espécies de bronzita com altos teores demagnésio, mas baixos teores de cálcio e ferro (44). Os tamanhos doscristalitos variam de 1,5 a 3 μπι de largura e de 5 a 50 μιτι de comprimento. Omenor tempo de processamento para produzir este material (em relação aoexemplo 1) impediu o desenvolvimento de agrupamentos complexos doscristalitos. Outros cristalitos de piroxeno ocorrem com uma morfologia tipoblocos equantes (45). Este último tipo de piroxeno ocorre simplesmente ouem agrupamentos simples. Esta última morfologia dos cristalitos de piroxenoé associada com as razões de cálcio para ferro similares a variedades de augitaou pigeonita com altos teores de cálcio, mas baixos teores de ferro. Oscristalitos tipo bloco variam de 1 a 5 μηι.
Enxofre nesta rocha sintética combinou com cálcio paraformar agrupamentos de cristalitos de anidrita (46). Cristalitos individuais nosagrupamentos variam de 2 a 7 μιτι de tamanho.
Pequenos cristalitos de dimensões similares de ilmanita (óxidode ferro e titânio) de 1 a 5 μιτι de tamanho a parecem aleatoriamentearranjados na matriz vítrea (47).
A fase vidro contínua neste material de rocha sintética deixapoucos vazios, e amplamente isolados espaçados (48) com pouca ou nenhumacomunicação entre eles, resultando em valores de absorção muito baixos.
Terceira Modalidade
Esta modalidade é um método de processamento de rocha delavra de mina metavulcânica que emprega um programa de resfriamentorápido, que resulta na composição do requerente e artigos de fabricaçãocorrespondentes.
EXEMPLO 3
Um compósito de amostra de perfuração de núcleo retirada derocha metavulcânica (andesita, dacita, diabase e outras) da mina Idaho-Marylan ("rocha de desenvolvimento") foi seca ao ar até menos de 3 % deumidade, e triturada até um tamanho fino o bastante para passar 100 % emuma peneira de 516 mícrons (30 mesh). O pó da rocha de desenvolvimentoteve uma composição mostrada na tabela 1. O pó da rocha dedesenvolvimento, sem aditivos, foi processado em um aparelho descrito napatente U.S. 6.547.550 (Guenther) a uma temperatura de 1.160 graus C, comuma pressão mecânica oscilando entre cerca de 160 psi e 30 psi (1,1 a 0,21MPa) com um período de oscilação de 10 minutos, em uma atmosfera devácuo parcial (cerca de 170 mbar de pressão absoluta), com um tempo depermanência de cerca de 60 minutos antes de extrusão do tampão consolidadode material híbrido de rocha sintética. Após a extrusão, o tampão foi resfriadoa uma velocidade de cerca de 5 a 15 graus C por minuto. Os corpos de provado material híbrido de rocha sintética resultante tiveram um módulo deruptura médio de cerca de 64 MPa (9.280 psi) e uma absorção de água médiade cerca de 0,8 %, determinada pelo método ASTM C373. Outros dadosresultantes estão mostrados na tabela 2.
A figura 6 é a imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura do material de rocha sintética resultanteda carga de alimentação de rocha de desenvolvimento da Idaho Maryland. Afigura 6 ilustra as três fases características típicas da microestruturamineralógica exclusivo deste material de rocha sintética que coletivamentecompreendem um arranjo agregado (ou brecha). Essas três fases incluemgrãos primários remanescentes parcialmente dissolvidos dos constituintes decarga de alimentação metavulcânico original; uma fase vidro derivada dafusão parcial dos grãos minerais primários; e fases cristalinas secundáriascompostas de cristalitos de dimensões similares envelopados na fase vidro. Osúltimos minerais secundários cristalizaram a partir da fase líquida durante oresfriamento, provavelmente antes da formação da fase vidro. A figura 6mostra inúmeros grãos remanescentes de uma variedade de constituintesprimários que formam uma fração de clastos relativamente grosseira. Essesgrãos de lítico primários incluem fragmentos de rocha metavulcânicapoliminerálica (51) e grãos de mineral monominerálicos (52). Mineraisespecíficos que ocorrem tanto em grãos monominerálicos compostos de umúnico mineral quanto em fragmentos de rocha poliminerálicos compostos demúltiplos minerais incluem feldspato plagioclásio (53); piroxeno (54); e osrestantes de clorita degradada (55). Outros minerais primários herdados dosconstituintes da carga de alimentação que também ocorrem, apesar de nãoilustrados na figura 6, incluem esfeno, quartzo e hematita.
A fusão parcial de feldspato (53) que ocorre na carga dealimentação metavulcânica contribui para a formação de uma fase fundidaque criou uma matriz de vidro mediante resfriamento (56). As margens dosgrãos de feldspato redondas indicam dissolução ou fusão de seus contornos degrãos inicialmente angulares. A fase vidro (56) com uma composição dealuminossilicato contém quantidades traços de cátions, tais como potássio,cálcio, sódio, magnésio e ferro. Análise microquímica EDS do vidro em todaa cerâmica indica que a composição de vidro é heterogênea e varia em relaçãoà razão alumínio:silício, bem como o teor de cátion traço (57).
A figura 6 ilustra a formação da fase cristalina secundária quecristalizou a partir da fase líquida. Agrupamentos de cristalitos de piroxenoaparecem em vários locais envelopados pela fase vidro (58). Os cristalitos depiroxeno individuais nos agrupamentos possuem uma morfologia tipo blocosequante com razões de cálcio para ferro similares às variedades augita epigeonita. Outros minerais secundários que cristalizaram a partir da faselíquida, porém não ilustrados na figura 6, incluem magemita (grupo espinélio)e ilmanita (óxido de ferro e titânio).
A fase vidro contínua deste material de rocha sintéticaenvelopa praticamente toda a margem de grãos dos clastos, resultando emvazios isolados bem espaçados (59). Existe pouca ou nenhuma comunicaçãoentre os vazios isolados, resultando em valores de absorção muito baixosdeterminados para este material híbrido de rocha sintética.
O atributo estrutural exclusivo deste material de rocha sintéticaé a microestrutura mineralógica de brecha agregada criada pelos trêscomponentes importantes que inclui: 1) os clastos remanescentes primários,2) a fase vidro, e 3) a fase de cristalitos secundários. Este arranjo estrutural debrecha agregado de componentes (ou constituintes) cria uma fortemicroestrutura mineralógica agregada com propriedades superiores deresistência e durabilidade exclusivas deste material de rocha sintética.
Quarta Modalidade
Esta modalidade é um método de processar cinza volante decarvão empregando uma escala de resfriamento acelerada, que resulta nacomposição do requerente e artigos de fabricação correspondentes.
EXEMPLO 4
Material de cinza volante de carvão foi obtido de uma usinaelétrica de carvão, especificamente Valmy Train 2 em Winnemucca, NV. Acomposição da matéria-prima está mostrada na tabela 1. O material foi secoao ar até menos de 3 % de umidade, e classificado para passar 100 % em umapeneira de 516 mícrons (malha 30). Após calcinação, o material de cinzavolante de carvão calcinado sem aditivos foi mecanicamente compactadousando um aríete a uma pressão de aproximadamente 300 psi (2,07 MPa) emum tubo de processo de carboneto de silício ligado por nitreto a umatemperatura de 1.115 graus C, com um tempo de permanência deaproximadamente 10 horas na temperatura. O material foi então extrusado emuma matriz cilíndrica, e subseqüentemente resfriado a uma velocidade decerca de 10 a 20 graus C por minuto, formando um material híbrido de rochasintética. Corpos de prova do material híbrido de rocha sintética resultantetiveram um módulo de ruptura médio de cerca de 57 MPa (8.230 psi) e umaabsorção de água média de cerca de 0,7 %, determinada pelo método ASTMC373. Outros dados resultantes estão mostrados na tabela 2.
A figura 7 é uma imagem eletrônica retrodispersa (BSE) demicrossonda eletrônica de varredura do material de rocha sintética fabricado apartir de carga de alimentação de material residual de cinza volante de carvão.A figura 7 ilustra as três fases características típicas da microestruturamineralógica exclusiva deste material de rocha sintética que coletivamente-compreende um arranjo estrutural agregado. Essas três fases incluem clastosde grãos primários remanescentes parcialmente dissolvidos dos constituintes15 de carga de alimentação de cinza volante original; uma fase vidro derivada dafusão parcial dos grãos de mineral primário e cinza volante; e fases cristalinassecundárias compostas de cristalitos de dimensões similares envelopados nafase vidro. Os últimos minerais secundários cristalizaram a partir da faselíquida durante o resfriamento, provavelmente antes da formação da fase20 vidro. A figura 7 mostra grãos remanescentes de constituintes primários quepermanecem nesta rocha sintética, incluindo quartzo (61) e esférulas de vidrode cinza volante (62).
A fusão parcial de esférulas de vidro de cinza volante - oconstituinte dominante da carga de alimentação - criou uma fase fundida que25 formou uma matriz de vidro contínua mediante resfriamento (63). A fasevidro (63) com uma composição de aluminossilicato contém quantidadestraços de cátions, tais como potássio, cálcio, sódio, magnésio e ferro. Análisemicroquímica EDS do vidro em toda a cerâmica indica que a composição dovidro é heterogênea e varia com relação à razão de alumínio:silício, bemcomo o teor de cátions traços (64).
A figura 7 ilustra a formação de até quatro fases cristalinassecundárias que cristalizaram a partir da fase líquida durante o processo deresfriamento. Essas fases cristalinas secundárias incluem: agrupamentos decristalitos de wollastonita (65), alguns dos quais nuclearam nos grãos dequartzo primário remanescente (61); cristalitos de feldspato plagioclásio deforma reticulada (66) e piroxeno (67) aleatoriamente distribuídos na fasevidro; e cristalitos de anidrita tipo bloco (sulfato de cálcio) não mostrados nafigura 7. A fase anidrita é um componente principal deste material de rochasintética e serve como um receptáculo principal para o enxofre que foi umconstituinte dominante do material residual de cinza volante de carvão.
Cristalitos de wollastonita individuais variam de tamanho de 1a 6 μιη. Os cristalitos de plagioclásio em forma reticulada e piroxeno variamde 1 a 5 μιη de largura e 2 a 15 μπι de comprimento. Os maiores fenocristaisde anidrita tipo bloco têm um tamanho que pode ser resolvido commicroscopia de luz polarizada, com tamanhos típicos variando de 10 a 70 μηι.
A fase vidro contínua deste material de rocha sintéticaenvelopa toda a parte de grão dos grãos de minerais primários e secundários,resultando em poucos ou nenhum vazio (68). O espaço vazio predominantenesta rocha sintética foi herdado e associado com as esférulas de cinza volanteprimária (69). Existe pouca ou nenhuma comunicação entre qualquer dosvazios isolados resultantes dos valores de absorção muito baixos,determinados para este material de rocha sintética.
O atributo estrutural exclusivo deste material de rocha sintéticaé a microestrutura mineralógica de brecha agregada criada pelos trêscomponentes importantes que inclui: 1) os clastos remanescentes primários,que, neste exemplo, incluem grãos minerais e grãos mineralóides, tais comoesférulas de cinza volante, 2) a fase vidro, e 3) a fase de cristalito secundária.O desenvolvimento de agrupamentos dos cristalitos de wollastonita grandescristalizados em torno de grãos de quartzo primário contribui para a fração deagregados grosseiros (65). Este arranjo estrutural de brecha agregada decomponentes (ou constituintes) cria uma forte microestrutura mineralógicaagregada com superiores propriedades de resistência e durabilidade exclusivasdeste material de rocha sintética.
Quinta Modalidade
Esta modalidade é um método de processamento de materiaisminerais residuais, tais como rejeitos de mina, cinza, escória, limos esimilares, que resulta na composição e artigos de fabricação correspondentesdo requerente.
Referindo-se à figura 8, matéria-prima para fabricação derocha híbrida sintética 100 pode ser, por exemplo, rejeitos de mina, rocharesidual, finos de pedreira, limos, cinza volante, cinza tipo detrito, cinza decarvão, cinza de incinerador, ou misturas desses materiais entre si ou commateriais de alimentação cerâmica pura, tais como argila, feldspato, quartzo,talco e similares. Materiais residuais de silicato são particularmente bemadequados para uso como matéria-prima. Matéria-prima 100 é distribuída aoaparelho de classificação 120, que tem uma saída para partículas de tamanhomaior 122 com um tamanho maior que um tamanho da abertura da peneirapredeterminado, e que tem adicionalmente uma saída 123 para partículas demenores tamanhos 124, com um tamanho menor que um tamanho da aberturada peneira predeterminado. Partículas com maior tamanho 122 podem serrecicladas para o aparelho de classificação 120 por meio de um processo detrituração (não mostrado), ou jogadas fora.
Partículas de menor tamanho de matéria-prima 124 sãotransferidas para uma tremonha 131 da calcinação rotativa 130. O sem-fim dealimentação 137 é acionado, por exemplo, pelo motor 136, e matéria-primaparticulada é assim levada para um cilindro rotativo aquecido 132. O Cilindro132 é aquecido por qualquer dos vários meios, incluindo, mas sem limitações,aquecedores de resistência elétrica, queimadores de gás, e calor exausto ouresidual de outros processos. O acionamento 138 gira o cilindro 132, que podeter uma superfície interna lisa, ou, alternativamente, pode ter uma superfícieque é corrugada ou de outra forma grosseira, por exemplo, com saliências,para fornecer um meio para o material ser repetidamente levantado e solto àmedida que ele move através do cilindro. O cilindro 132 é inclinado a umângulo raso em relação à horizontal a fim de conduzir lentamente o pó emdireção ao conjunto de descarga 133. A calcinação 130 tem opcionalmenteentrada de gás 135 para a adição de ar ou outros gases e liberar ar 134 para aremoção de produtos de combustão ou outros produtos da decomposiçãogasosa. A calcinação 130 é operada a temperaturas abaixo do ponto em que omaterial começa amolecer e sintetizar,- mas a temperaturas elevadas tais que omaterial seja pré-aquecido e seco. Outras transformações químicas úteispodem ser realizadas na calcinação, incluindo, mas sem limitações,combustão de materiais orgânicos, conversão de minerais hidratados emóxidos desidratados, dessulfuração, decomposição de carbonatos e similares.A temperatura de processo para cada uma dessas operações varia, mas fica emgeral na faixa de 100 a 1.000 graus C.
O material particulado calcinado 139 sai a uma temperaturanesta faixa, preferivelmente cerca de 800 a 1.000 graus Celsius, e passa pelaválvula 140 para a tremonha 150. A válvula 140 pode ser fechada parafornecer uma vedação hermética a vácuo entre a tremonha 150 e a calcinação130. Preferivelmente, a válvula 140 é uma válvula rotativa de alta temperaturaque pode escoar continuamente material por ela, mantendo ainda umdiferencial de pressão.
A tremonha 150 é de preferência termicamente isolada, ou,alternativamente, provida com uma fonte de calor para manter a temperaturado material particulado. A saída de vácuo 151 pode ser provida para conexãoao vácuo 152. O vácuo remove gás aprisionado e intersticial do materialparticulado e contribui para a produção de material de rocha híbrida sintéticasem vazios de uma etapa de extrusão subseqüente. Vácuo pode tambémreduzir a oxidação de minerais e pode aumentar a variedade ou nível decristalização no produto resultante.
A abertura de flange 161 da tremonha 150 é conectada naalimentação 160 na abertura do flange 161. A alimentação 160 pode funcionarcomo um aríete de ação alternada, ou com um sem-fim, ou como ambos. Osem-fim 162 é rotacionado pelo eixo 163 e acionamento 164, levando assimmaterial de rocha híbrida sintética particulado diretamente para o cilindro daextrusora 180. Todo o conjunto sem-fim/acionamento pode mover-seaxialmente, por exemplo, por meio de aríete hidráulico 165, movendoaxialmente no cilindro hidráulico 166 por causa da pressão criada pela bombaou unidade de energia hidráulica 167. O movimento axial do sem-fim 162também transfere material particulado para o cilindro da extrusora 180.
Um ciclo operacional típico para usar tanto os aspectos dosem-fim como do aríete da invenção juntos é o seguinte. Com pouca ounenhuma força, talvez uma força para trás do aríete hidráulico 165, oacionamento 164 gira o sem-fim 162, que transfere material particulado parao cilindro da extrusora 180. Quando o espaço disponível no cilindro daextrusora 180 é cheio com material particulado recém-transferido, oacionamento 164 é desativado, e o sem-fim 162 pára de girar. O aríete 165 éentão energizado pela unidade de potência 167 para fornecer uma força axialno sem-fim 162, que, por sua vez, empurra o material no cilindro da extrusora180. O material é transferido axialmente para baixo no cilindro da extrusora180 desta maneira por uma distância predeterminada. Uma vez que a ditadistância predeterminada tenha sido atingida, a força aplicada pelo aríetehidráulico é reduzida, e o ciclo pode ser repetido.
O cilindro da extrusora 180 pode ser construído de ummaterial com excelente resistência a altas temperaturas, boa condutividadetérmica, resistência aceitável e excelente resistência a molhagem ou reaçãocom materiais a ser processados na extrusora. Preferivelmente, o cilindro daextrusora 180 é construído de carboneto de silício (SiC). Maispreferivelmente, o cilindro da extrusora 180 é construído de carboneto desilício ligado por nitreto (SiN-SiC), por exemplo, material Advancer™disponível pela St. Gobain Industrial Ceramics.
O cilindro da extrusora 180 é comprimido entre a alimentação160 e a cruzeta 190 e suportado dentro do forno 170. O forno 170 fornececalor, por exemplo, por aquecedores de resistência elétrica ou por combustãode gás, e é preferivelmente um projeto de tubo dividido para facilitar amanutenção, e também preferivelmente tem múltiplas zonas de controle detemperatura ao longo de seu comprimento. O forno 170 fornece calor paraaumentar a temperatura do cilindro da extrusora 180 o bastante para fundir,sinterizar, fundir parcialmente ou de outra forma obter a vitrificação desejadado material dentro dele.
Dentro do cilindro da extrusora 180, material particuladoalimentado pela alimentação 160 é transferido axialmente em direção à matrizdo redutor 181 e aquecido, dessa forma consolidando e vitrificando o materialparticulado em material de rocha híbrida sintética pelo menos parcialmentefundido.
A matriz redutora 181 conectada na extremidade do cilindro daextrusora 180 fornece uma resistência ao fluxo do dito material de rochahíbrido sintético pelo menos parcialmente fundido e assim aumenta a pressãonecessária aplicada pelo aríete 165 para transferir o material, provendo ummecanismo para consolidação do material. A matriz com faces altas opcional182 conectada na extremidade da matriz redutora 180 pode aumentar aindamais a resistência ao fluxo. Na ausência da matriz com faces altas 182, pode-se utilizar um espaçador, por exemplo, um pequeno comprimento adicional docilindro, similar ao cilindro da extrusora 180. Na extremidade de descarga daextrusora, ou seja, onde a matriz com faces altas ou espaçador sai do forno170, um anel isolante 183 feito de material resistente termicamente isolante,preferivelmente zircônia, é colocado. O anel isolante 183 minimiza acondução de calor do forno para a cruzeta 190, e é capturado em uma aberturarebaixada dentro da cruzeta 190.
A cruzeta 190 é uma chapa rígida que permite passagem deproduto de rocha híbrida sintética extrusada 130 por um furo no centro,provendo ainda compressão mecânica ao anel isolante 183, matriz com facesaltas 182, matriz redutora 181 e cilindro da extrusora 180. a cruzeta 190 ésuportada por uma pluralidade de molas rígidas 191, cada qual reagindo auma célula de carga 192 montada em um suporte rígido fixo.
O produto rocha híbrida sintética extrusado 130 sai da matrizcom faces altas 182, passa pelo anel isolante 183 e cruzeta 190, e é suportadoe transferido por uma pluralidade de rolos 201 dentro das câmaras aquecidas200 e 220. a temperatura nas câmaras aquecidas 200 e 220 é mantida demaneira tal que o material de rocha híbrida sintética extrusado 230 permaneçadeformável o bastante para ser cortado pelas tesouras 210 anexadas nosatuadores 212. Depois do corte, o material de rocha híbrida sintéticaextrusado 220 pode ser removido da câmara aquecida 220 e resinado porvários meios para disponibilizar produtos úteis. Alternativamente, o materialde rocha híbrida sintética extrusado 230 pode ser transferido para operaçõessubseqüentes, tais como prensa, conformação, laminação, moldagem ouvitrificação a uma alta temperatura, usando dessa forma eficientemente ocalor no material.

Claims (78)

1. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende, emcombinação, uma mistura fundida que tem:uma fase clasto;uma fase vidro; epelo menos uma fase cristalina,em que a dita pelo menos uma fase cristalina compreendecristalitos recém-formados dispersos na dita fase vidro.
2. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitosque têm composições químicas consistentes com elementos dos seguintesgrupos minerais: piroxeno, feldspato plagioclásio, wollastonita ou grupossulfatos de minerais.
3. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitosque têm concentrações de cálcio, magnésio e ferro consistentes comcomposições químicas que particularizam os elementos do grupo piroxeno deminerais.
4. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitosque têm composição química consistente com elementos do grupo piroxenode minerais que têm a composição química (Mg,Fe MSiiO6].
5. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitosque têm composição química consistente com elementos do grupo piroxenode minerais que têm a composição química(Ca,Na,Mg,Fe2+,Mn,Fe3+,Al,Ti)2[(Si,Al)206].
6. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitosque têm composição química consistente com elementos do grupo piroxenode minerais que têm a composição química(Mg,Fe2+Ca)(mg,Fe2+)[Si206].
7. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitosque têm composição química consistente com elementos do grupo piroxenode minerais que têm a composição química Ca(Mg,Fe)[SÍ2C>6].
8. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende CaSO4anidro.
9. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalina compreende cristalitos-que têm características morfológicas ripadas consistentes com elementos dogrupo piroxeno de minerais.
10. Composição de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalinacompreende cristalitos que têm características morfológicas maciças equantesconsistentes com elementos do grupo piroxeno de minerais.
11. Composição de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalinacompreende cristalitos que ocorrem tanto sozinhos como em agrupamentos.
12. Composição de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a dita fase vidro é heterogênea e compreendealumínio, silício e concentrações menores de cátions.
13. Composição de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a dita fase clasto é parcialmente dissolvida ecompreende clastos primários remanescentes derivados dos constituintes dacarga de alimentação original; e em que a dita pelo menos uma fase cristalinacompreende cristalitos secundários recém-formados de uma massa fundida.
14. Composição de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma fase cristalinacompreende cristalitos que têm composição química consistente comelementos do grupo piroxeno de minerais que têm as composições químicas(MgjFe2+MSi2O6] e (CajNa,Mg,Fe2+Mn,Fe3+,Al,Ti)2[(Si5Al)2O6].
15. Composição de acordo com a reivindicação 14,caracterizada pelo fato de que a dita fase clasto é parcialmente dissolvida ecompreende grãos primários remanescentes derivados dos constituintes dacarga de alimentação original; e em que a dita pelo menos uma fase cristalinacompreende cristalitos secundários recém-formados de uma massa fundida.
16. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende,em combinação, uma mistura fundida que tem:uma fase clasto;uma fase vidro heterogênea compreendendo alumínio, silício equantidades menores de cátions; euma pluralidade de fases cristalinas recém-formadas,em que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas édispersa na dita fase vidro e compreende cristalitos que têm composiçãoquímica consistente com os elementos do grupo piroxeno de minerais que temas composições químicas (Mg5Fe )2[Si2O6],(Ca,Na5Mg5Fe2+5Mn,Fe3+,Al,Ti)2[(Si,Al)206], (CaSO4) e (FeTiO3).
17. Composição de acordo com a reivindicação 16,caracterizada pelo fato de que a dita fase clasto é parcialmente dissolvida emcompreende clastos primários remanescentes derivados dos constituintes dacarga de alimentação original; eem que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadascompreende cristalitos secundários recém-formados de uma massa fundida.
18. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende,em combinação, uma mistura fundida que tem:uma fase clasto;uma fase vidro heterogênea compreendendo alumínio, silício equantidades menores de cátions; euma pluralidade de fases cristalinas recém-formadas,em que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas édispersa na dita fase vidro e compreende cristalitos que têm concentrações deconstituintes consistentes com os elementos do grupo piroxeno de mineraisque têm as composições químicas (Mg5Fe XtSi2O6],(Mg,Fe2+)(Mg,Fe2+XSi2O6], (CaSO4) e (FeTiO3).
19. Composição de acordo com a reivindicação 18,caracterizada pelo fato de que a dita fase clasto é parcialmente dissolvida ecompreende clastos primários remanescentes derivados dos constituintes dacarga de alimentação original;em que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadascompreende cristalitos secundários recém-formados de uma massa fundida.
20. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende,em combinação, uma mistura fundida que tem:clastos remanescentes;uma fase vidro; euma pluralidade de fases cristalinas recém-formadas,em que a dita pluralidade de fases cristalinas recém formadascompreende cristalitos dispersos na dita fase vidro.
21. Composição de acordo com a reivindicação 20,caracterizada pelo fato de que os ditos clastos remanescentes sãomonominerálicos e poliminerálicos.
22. Composição de acordo com a reivindicação 20,caracterizada pelo fato de que os ditos clastos remanescentes compreendem osminerais feldspato plagioclásio, piroxeno e cloreto degradado.
23. Composição de acordo com a reivindicação 20,caracterizada pelo fato de que a dita fase vidro é heterogênea e compreendealumínio, silício e quantidades menores de cátions.
24. Composição de acordo com a reivindicação 23,caracterizada pelo fato de que os ditos cátions compreendem, em combinação,potássio, cálcio, sódio, magnésio e ferro.
25. Composição de acordo com a reivindicação 20,caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas compreende cristalitos que têm composição química consistentecom elementos do grupo piroxeno de minerais com as composições químicas(Ca,Na,Mg,Fe2+,Mn,Fe3+,Al,Ti)2[(Si,Al)206] e (Mg,Fe2+Ca)(Mg,Fe2+)[Si2O6].
26. Composição de acordo com a reivindicação 20,caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas compreende cristalitos que têm características morfológicas maciçasequantes com composição química consistente com elementos do grupopiroxeno de minerais com as composições químicas(Ca,Na,Mg,Fe2+,Mto5Fe3+,Al,Ti)2[(Si,Al)206]e (Mg,Fe2+Ca)(Mg,Fe2+)[Si206).
27. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende,em combinação, uma mistura fundida que tem:grãos de mineralóides e de mineral de quartzo e cinzaremanescente;uma fase vidro; euma pluralidade de fases cristalinas recém-formadas;em que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadascompreende cristalitos dispersos na dita fase vidro.
28. Composição de acordo com a reivindicação 27,caracterizada pelo fato de que a dita fase vidro é heterogênea e compreende,em combinação, alumínio, silício e quantidades menores de cátions.
29. Composição de acordo com a reivindicação 27,caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas compreende cristalitos com composição química consistente com acomposição química (CafSiOa]).
30. Composição de acordo com a reivindicação 27,caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas compreende cristalitos de feldspato plagioclásio de forma ripada.
31. Composição de acordo com a reivindicação 27,caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas compreende cristalitos de piroxeno.
32. Composição de acordo com a reivindicação 27,caracterizada pelo fato de que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadas compreende cristalitos que têm a composição química (CaSC>4).
33. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende,em combinação, uma mistura fundida que tem:grãos de mineralóide e mineral remanescentes de quartzo ecinza;uma fase vidro; euma pluralidade de fases cristalinas recém-formadas,em que a dita pluralidade de fases cristalinas recém-formadascompreende cristalitos que têm uma composição química (CafSiOs]),cristalitos de feldspato plagioclásio de forma ripada, cristalitos de piroxeno, ecristalitos que têm a composição química (CaSO4).
34. Rocha híbrida, caracterizada pelo fato de que é formadapelo processo de:reciclar material residual selecionado do grupo que consisteem refiigos de mina, cinza volante, cinza tipo detrito, escória, finos depedreiras, ou limos; esubmeter os materiais de rejeito a pressão; esubmeter os materiais de rejeito a calor;por meio do que os materiais de rejeito convertem a uma rochahíbrida com característica de absorção de água menor que 7%.
35. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 34,caracterizada pelo fato de que a dita rocha híbrida tem absorção de águamenor que 4%.
36. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 34,caracterizada pelo fato de que a dita rocha híbrida tem absorção de águamenor que 1%.
37. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 34,caracterizada pelo fato de que a dita rocha híbrida tem absorção de águamenor que 0,5%.
38. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 34,caracterizada pelo fato de que o material residual é distribuído a um aparelhode classificação para separar partículas de refugo de menor tamanho e demaior tamanho dos rejeitos de mina a ser processados.
39. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 38,caracterizada pelo fato de que, depois da classificação, o material residual étransferido para uma câmara rotativa aquecida.
40. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 39,caracterizada pelo fato de que o material residual na dita câmara rotativaaquecida passa por transformação química.
41. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 40,caracterizada pelo fato de que a dita transformação química do materialresidual compreende secagem, pré-aquecimento, combustão, desidratação,dessulfuração, decomposição e similares.
42. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 40,caracterizada pelo fato de que o material residual sai da dita câmara rotativaaquecida e passa por uma válvula antes de entrar em uma segunda câmaraaquecida.
43. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 42,caracterizada pelo fato de que a dita válvula é rotativa e capaz de deixarpassar continuamente o material residual, mantendo simultaneamente umgradiente de pressão.
44. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 42,caracterizada pelo fato de que um vácuo é aplicado no material residual nadita segunda câmara aquecida.
45. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 42,caracterizada pelo fato de que o material residual sai da dita segunda câmaraaquecida e é transferido adiante para uma terceira câmara aquecidaposicionada dentro de um elemento de aquecimento.
46. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 45,caracterizada pelo fato de que pressão é aplicada no material residual na ditaterceira câmara aquecida por um período de tempo predeterminado.
47. Rocha híbrida de acordo com a reivindicação 46,caracterizada pelo fato de que a dita rocha híbrida passa por um dispositivo dematriz e é removida da dita terceira câmara aquecida para uso subseqüente,ou, alternativamente, encaminhada para câmaras aquecidas terminais paramodificação adicional.
48. Processo para converter material residual em uma rochahíbrida, em que o material residual é selecionado do grupo que consiste emrejeitos de mina, cinza volante, cinza tipo detrito, escória, finos de pedreiras,ou limos, caracterizado pelo fato de que a absorção de água é menor que 7%,as etapas incluindo:pressurizar os rejeitos de mina;aquecer os rejeitos de mina; eformar um artigo de fabricação útil, embora deformável.
49. Processo de acordo com a reivindicação 48, caracterizadopelo fato de que o material residual é aquecido e pressurizado dentro de umacâmara aquecida a uma temperatura otimizada com uma quantidade otimizadade pressão por um período de tempo otimizado.
50. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que o material residual é aquecido e pressurizado dentro da ditacâmara aquecida a uma temperatura de aproximadamente 1.130 graus C porum período de tempo de aproximadamente 60 horas.
51. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que, durante o aquecimento, o material residual é pressurizado auma pressão de aproximadamente 350 psi (2,41 MPa).
52. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que o material residual é resfriado a uma velocidade aproximadade 1 a 3 graus por minutos.
53. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que o material residual é aquecido e pressurizado dentro da ditacâmara aquecida a uma temperatura de aproximadamente 1.140 graus C porum período de tempo de aproximadamente 6 horas.
54. Processo de acordo com a reivindicação 53, caracterizadopelo fato de que, durante o aquecimento, o material residual é pressurizado auma pressão de aproximadamente 300 psi (2,07 MPa).
55. Processo de acordo com a reivindicação 53, caracterizadopelo fato de que o material residual é resfriado a uma velocidade aproximadade 10 a 20 graus por minuto.
56. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que o material residual é aquecido e pressurizado dentro da ditacâmara aquecida a uma temperatura de aproximadamente 1.160 graus C porum período de tempo de aproximadamente 60 minutos.
57. Processo de acordo com a reivindicação 56, caracterizadopelo fato de que, durante o aquecimento, o material residual é pressurizado auma pressão oscilante entre aproximadamente 30 psi e 160 psi (0,21 MPa e-1,1 MPa).
58. Processo de acordo com a reivindicação 56, caracterizadopelo fato de que o material residual é resfriado a uma velocidade deaproximadamente 5 a 15 graus C por minuto.
59. Processo de acordo com a reivindicação 57, caracterizadopelo fato de que o material residual é submetido à dita pressão oscilante emum ambiente de vácuo parcial.
60. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que o material residual é aquecido e pressurizado dentro da ditacâmara aquecida a uma temperatura de aproximadamente 1.115 graus C porum período de tempo de aproximadamente 10 horas.
61. Processo de acordo com a reivindicação 60, caracterizadopelo fato de que, durante o aquecimento, o material residual é pressurizado auma pressão de aproximadamente 300 psi (2,07 MPa).
62. Processo de acordo com a reivindicação 60, caracterizadopelo fato de que o material residual é resfriado a uma velocidade deaproximadamente 10 a 20 graus C por minuto.
63. Processo de acordo com a reivindicação 49, caracterizadopelo fato de que a dita rocha híbrida é extrusada em uma matriz paraconsolidar a dita rocha híbrida, formando assim um artigo de fabricação útil.
64. Rocha híbrida, caracterizada pelo fato de que seucomponente constituinte primário de rejeitos de mina é modificado de forma aapresentar menor absorção de água em virtude de a matriz de vidro na qual oscristalitos estão distribuídos.
65. Rocha híbrida, caracterizada pelo fato de que seucomponente constituinte primário de rejeitos de mina, ou materiais residuaisde silicato são selecionados do grupo que consiste em rocha de lavra de mina,cinza volante, cinza tipo detrito, escória, finos de pedreiras ou limos;a dita rocha híbrida sendo formada reciclando rejeitos de minaou os materiais residuais de silicato, e submetendo os rejeitos de mina oumateriais residuais de silicato a pressão, e submetendo os rejeitos de mina oumateriais residuais de silicato a calor, de forma a apresentar baixa absorção deágua.
66. Rocha híbrida, caracterizada pelo fato de que compreendeuma fase granular parcialmente dissolvida compreendendo, em combinação:rejeitos de mina remanescentes;uma fase vidro; euma fase cristalina distribuída na dita fase vidro;por meio do que a dita rocha híbrida apresenta baixa absorçãode água.
67. Rocha híbrida, caracterizada pelo fato de que seucomponente constituinte de rejeitos de mina ou materiais residuais de silicatosão selecionados do grupo que consiste em rocha de lavra de mina, cinzavolante, cinza tipo detrito, escória, finos de pedreiras ou limos;uma fase vidro; epelo menos uma fase cristalina distribuída na dita fase vidro;a dita rocha híbrida sendo formada pela recirculação derejeitos de mina ou dos materiais residuais de silicato, e submetendo osrejeitos de mina ou materiais residuais de silicato a pressão, e submetendo osrejeitos de mina ou materiais residuais de silicato a calor, para apresentarbaixa absorção de água.
68. Aparelho para formar rocha híbrida, caracterizado pelofato de que compreende, em combinação:um dispositivo para pré-aquecer materiais residuais de silicatoselecionados do grupo que consiste em rejeitos de mina, rocha de lavra demina, cinza volante, cinza tipo detrito, escória, finos de pedreiras, ou limos;um dispositivo para alimentar materiais residuais de silicato a uma câmaraaquecida; um dispositivo para aquecer a dita câmara aquecida; e umadispositivo para distribuir rocha híbrida de plástico de uma saída da ditacâmara aquecida.
69. Aparelho de acordo com a reivindicação 68, caracterizadopelo fato de que o dito dispositivo para pré-aquecer materiais residuais desilicato compreende uma câmara rotativa aquecida mantida a umatemperatura ideal para pré-aquecer e secar os materiais residuais de silicatosem fundir os materiais residuais de silicato.
70. Aparelho de acordo com a reivindicação 69, caracterizadopelo fato de que a dita câmara rotativa aquecida situa-se em um ângulootimizado para facilitar o condução dos materiais residuais de silicato emdireção a um conjunto de descarga.
71. Aparelho de acordo com a reivindicação 69, caracterizadopelo fato de que a dita câmara rotativa aquecida é opcionalmente fixa comuma entrada de gás e suspiro para a respectiva entrada e remoção de ar, gasese similares.
72. Aparelho de acordo com a reivindicação 69, caracterizadopelo fato de que a dita temperatura ideal da dita câmara rotativa aquecida éaproximadamente 800 a 1.000 graus C.
73. Aparelho de acordo com a reivindicação 68, caracterizadopelo fato de que o dito dispositivo para alimentar materiais residuais desilicato na dita câmara aquecida compreende uma prensa de capacidade duplaacionada por força axial ou rotacional.
74. Aparelho de acordo com a reivindicação 73, caracterizadopelo fato de que o dito conjunto de prensa é acionado por força hidráulica.
75. Aparelho de acordo com a reivindicação 68, caracterizadopelo fato de que o dito dispositivo para aquecer a dita câmara aquecidacompreende montar a dita câmara aquecida em um elemento de aquecimentoque envolve substancialmente a dita câmara aquecida.
76. Aparelho de acordo com a reivindicação 75, caracterizadopelo fato de que o dito elemento de aquecimento compreende um desenho detubo dividido e é construído com múltiplas zonas de temperatura nele todo.
77. Aparelho de acordo com a reivindicação 75, caracterizadopelo fato de que o dito elemento de aquecimento fornece calor por meio deaquecedores de resistência elétrica, combustão de gás e similares.
78. Aparelho de acordo com a reivindicação 68, caracterizadopelo fato de que o dito dispositivo para distribuir rocha híbrida de plástico deuma saída da dita câmara aquecida compreende um dispositivo de resistênciade pressão para consolidar o dito material de rocha híbrida de plástico; e umdispositivo de matriz com uma abertura que permite que o dito material derocha híbrida de plástico passe através dela.
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