Стеновая керамика полусухого прессования в композиции лессовидный суглинок – зола ТЭЦ – волластонитсодержащий шлак

Научно-исследовательский и проектный институт строительных материалов ТОО «НИИСтромпроект»

УДК 666. 712 На правах рукописи

Шакешев Бекбулат Темержанович

Стеновая керамика полусухого прессования в композиции лессовидный суглинок - зола ТЭЦ - волластонитсодержащий шлак

05. 23. 05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

член корр. НИА РК, доктор технических наук, профессор

Монтаев Сарсенбек Алиакбарұлы

Республика Казахстан

Алматы, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Актуальность работы. Стратегия “Казахстан - 2030“ указывает на необходимость комплексного развития национальной экономики, гармоничного сочетания сырьевых и обрабатывающих отраслей. Развитие строительной индустрии на базе новейших достижений науки и техники относится к основным задачам концепции инновационной и индустриальной политики Республики Казахстан.

Реализация этой задачи неразрывно связано с внедрением новых технологий и разработок в области строительных материалов, ориентированные на использовании местных сырьевых ресурсов. В широкой номенклатуре различных видов строительных материалов особое место занимает производство строительного керамического кирпича, одновременно выполняющие функции ограждающих, несущих и в качестве лицевого слоя при возведении наружных и внутренних стен зданий и сооружений.

В настоящее время сырьевая база существующих кирпичных заводов Республики Казахстан ориентирована на использование лессовидных суглинков и лессов, значительные запасы которых имеются почти во всех областях республики и выпуск изделий производится, в основном, по методу пластического формования.

Однако запесоченность и высокое содержание карбонатов лессовидных суглинков в ряде случаев не позволяет использовать их даже для производства обыкновенного глиняного кирпича, отличающегося не только низкими физико-механическими свойствами, но и выцветами растворимых солей, ограничивающими его применения в строительстве объектов различного назначения.

Поэтому растущий спрос на качественный керамический кирпич, в том числе и лицевого, покрывается за счет импорта готовой продукции из Российской Федерации, Башкортостана, Узбекистана что, в конечном счете, приводит к удорожанию себестоимости возводимого строительного объекта.

Современные тенденции развития стройиндустрии по критерию рационального природопользования требует научного подхода по дальнейшему обеспечению производства строительных материалов доступными сырьевыми ресурсами, снижению трудозатрат и энергоресурсов.

Сырьевой базой для производства стеновой керамики в Республики Казахстан служит месторождения суглинков, которые имеются почти во всех областях. Именно на эти сырьевые ресурсы ориентированы существующие кирпичные заводы.

Керамический кирпич имеет значительные преимущества перед силикатным кирпичом и бетонными изделиями. Во-первых, они имеют лучшие теплопроводные свойства, чем бетон и силикатный кирпич, во-вторых, область применения керамического кирпича несколько шире из-за их водостойкости, а так же стойкости их к различным агрессивным средам. Кроме того, керамический кирпич считается самым экологически чистым продуктом за счет использования чистого глинистого природного сырья.

В настоящее время одним из острых проблем производства керамического кирпича являются большая ресурсо- и энергоемкость и низкие прочностные показатели готовых изделий. Из-за нестабильности химического состава суглинков при обжиге изделий не полностью протекают процессы минерално- и структурообразования даже при высоких температурах обжига (Т= 1000 . . . 1050 ⁰ С) .

В результате топливно-энергетические ресурсы тратятся на выпуск некачественных продукций, а чтобы покрыть эти затраты промышленники вынуждены поднимать цены на готовую продукцию низкого качества.

В связи с изложенными следует искать другие пути решения проблемы - изыскания новых источников сырья способствующих созданию армированной каркасной структуры и повышению активности взаимодействия компонентов смеси при условии снижения температуры спекания.

Вопрос ресурсосбережения в производстве строительной керамики должна решаться в комплексе рационального использования природных ресурсов, отходов промышленности и охраны окружающей среды.

Разнообразие вторичных сырьевых ресурсов - многотоннажных отходов промышленности, по химическому и минералогическому составу подчас не уступающих добываемому из недр земли сырью, а иногда по технологическим кондициям и превосходящих его требует подхода к эффективному использованию этих ресурсов в строительстве.

Значительный источник вторичных ресурсов на юге Казахстана это золы и шлаки энергетического, химического и металлургического комплексов, в отвалах которого находится более 1, 2 млрд. т. этого технического сырья.

До сего времени в хозяйственный оборот вовлекается только десятая часть зол и шлаков, менее 4% фосфогипса и отходов углеобогащения, а отходы горнопромышленного комплекса остаются нетронутыми.

Применения этих техногенных продуктов и дешевых сырьевых ресурсов в производстве строительной керамики являются частью решения комплексного использования минерального сырья, проблемы сохранения и очистка от загрязнения окружающей среды. Для решения поставленной задачи требуется создание новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, позволяющие максимально использовать отходы промышленности и выпускать конкурентоспособные изделия в мировом рынке.

Цель и задачи исследований: Разработка ресурсо- и энергосберегающей технологии производства стеновой керамики на основе композиции лессовидный суглинок - зола ТЭЦ-волластонитсодержащий шлак.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать рациональные составы трехкомпонентной керамической композиции для производства керамического кирпича методом полусухого прессования с использованием лессовидного суглинка Чаганского месторождения, золы ТЭЦ и шлака;

- исследовать влияние температуры обжига на изменение физико-механических свойств образцов на основе разработанных составов композиции;

- установить закономерности структурно- и фазообразования керамической композиции в зависимости от температуры обжига;

- исследовать и разработать рациональные технологические параметры производства стеновой керамики на основе трехкомпонентной керамической композиции;

- провести опытно-промышленные испытания и освоение технологии полусухого прессования на основе разработанной керамической композиции и технико-экономические расчеты их эффективности.

Научная новизна работы:

- научно обоснованы составы и способы получения качественной стеновой керамики на основе лессовидного суглинка в сочетании золы ТЭЦ с волластонитсодержащим шлаком и установлены их оптимальные соотношения с учетом физических, химико-минералогических характеристик составляющих компонентов, а также доминирующих факторов каждого технологического передела производства изделий по способу полусухого прессования;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения полифракционного состава керамической композиции, достигнутого за счет оптимизации фракции золы и шлака естественной гранулометрии, что позволило упростить технологический процесс их помола и устранить запрессовку воздуха, способствующие получению бездефектного сырца на стадии формования;

- установлена отличительная особенность, определяющая влияние компонентов на процесс структурообразования керамических композиций с кристаллизацией низкотемпературной формы волластонита с параллельной поризацией шлакового стекла и горением органических частей золы ТЭЦ, обеспечивающих пористый, прочный, малоусадочный структурный каркас, улучшающих прочностные, теплопроводные и другие эксплуатационные свойства изделий.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработаны оптимальные составы керамической композиции на основе низкокачественных суглинков и отходов промышленности по методу полусухого прессования;

- применение предлагаемых технических решений позволяет снизить температуру обжига на 100-150 ⁰ С, повысить прочность готовой продукции на 25-30% и сократить продолжительность обжига на 3-5 ч;

- результаты исследования внедрены в производственных условиях ТОО «Building Materials Company», г. Уральск, ЗКО;

- экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет ∼ 50 млн. тенге при производстве 28 млн. шт. усл. кирпича в год (по ценам 2008 г. )

Апробация работы и публикации

Разработанные составы и способ получения керамического кирпича апробированы на базе действующего кирпичного завода полусухого прессования ТОО «Building Materials Company» г. Уральск, ЗКО. Выпущена опытная партия в количестве 1 штук керамического кирпича, изделия которой демонстрировались на международных выставках в г. Уральск 2007г., 2008г.

Основные результаты доложены на 9 научно-практических конференциях, форумах регионального и международного уровней, в том числе: Международной научно-практической конференции «Индустриально-инновационное развитие - основа устойчивой экономики Казахстана» (Шымкент, 2006 г. ) ; Республиканской научно-теоретической конференции «Сейфуллинские чтения - 3», посвященной 50-летию основания КазГАТУ им. С. Сейфуллина ( Астана, 2007 г. ) ; Международной научно-практической конференции «Строительство-2007» (Ростовский государственный строительный университет. г. Ростов РФ. 2007 г. ) ; Международной научно-практической конференции «Экономические аспекты развития народного хозяйства Западного Казахстана» (ЗКАТУ им. Жангир хана, г. Уральск. 2007 г. ) ; Международной научно-практической конференции «ПЕНОБЕТОН-2007» (Петербургский государственный университет путей сообщения, г. Санкт-Петербург РФ, 2007 г. ) ; Международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников «VII Сатпаевские чтения» (ПГУ им. С. Торайгырова, г. Павлодар, 2007 г. ) ; Форуме Научных идей в рамках «Неделя индустрии Атырау» (г. Атырау, 04-06. 04. 2007 г. ) ; Международной научно-практической конференции « Проблемы архитектуры и строительства в современном мире: образование, наука, производство» (Алматы, 2007 г. ) ; Международной научно-практической конференции «Экономическое, социальное и культурное развитие Западного Казахстана: история и современность», посвященной 180- летию Оружейной Палаты Букеевского ханства (ЗКАТУ им. Жангир хана, г. Уральск. 2008 г. )

Публикации . По материалам работы опубликовано 16 работ включая 5 статей в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю МОН РК, 1 предварительный патент на изобретение №20619 от 15. 01. 2009, бюл. №1 по заявке 2007/0339. 1 от 12. 03. 2007.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, содержит 113 страниц машинописного текста, 48 рисунка, 23 таблиц, список использованных источников из 165 наименований.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты оптимизации составов трехкомпонентной керамической композиции и влияния температуры термообработки на изменение физико-механических свойств образцов;

- основные закономерности изменения процессов минерало- и фазообразования керамических композиций в процессе термообработки;

- исследование и разработка рациональных технологических режимов и параметров производства стеновой керамики полусухого прессования на основе трехкомпонентной керамической композиции;

- результаты опытно-промышленного внедрения и технико-экономической оценки предлагаемых технических решений.

1 Современное состояние производства стеновой керамики

1. 1 Сырьевые материалы и анализ факторов, формирующих основу

процессов формования и сушки керамических масс

В исследованиях многих ученых отмечены, что можно найти условия и возможности применения некондиционных легкоплавких глин и глиносодержащих пород, ранее считавшихся непригодными, для получения того или иного вида керамических строительных материалов.

Для изготовления стеновых материалов наиболее широкое применение нашли распространенные легкоплавкие глины, суглинки и лёссы [1, 2], аргиллиты [3], алевролиты [4] и легкоплавкие глинистые сланцы [2-5] .

Применение этих видов сырья в производстве стеновой керамики стало возможным за счет введения добавок, регулирующих свойства формовочных смесей и свойства готовой продукции, также изменения технологии подготовки сырья [6-13] . Карбонатную глину Метеховского месторождения использовали в смеси с марганцевым флотоконцентратом (15%) и кварцевым песком (15%) [8] . При этом получили лицевой кирпич светло-коричневого цвета марок 200-250 с морозостойкостью более 50 циклов.

В работе [9, 13] суглинки использовали в смеси с ваграночными шлаками. В результате, брак при сушке кирпича уменьшился на 50%, марка кирпича повысилась с 75 до 120. После обжига при температуре 1000 ⁰ С снизилось содержание кварца и увеличилось количество волластонита и анортита.

Легкоплавкие глинистые сланцы применяли в смеси с отходами угледобычи или золы в количестве 5% [5] . Лессовидные суглинки использовали в смеси с различными добавками. Добавка смеси беложгущейся глины (10%) и осадка фильтрпрессов сахарного производства (2-3%) способствовала повышению пластических свойств масс и обеспечила получение кирпича марок 100-125 с морозостойкостью более 15 [14] .

Структурообразование керамических материалов начинается на стадии формования [15] .

Принципиально существует три категории способов формования:

а) Керамическая масса переводится в жидкое состояние и формуется литьем;

б) Пластическое формование, при котором масса должна обладать значительной пластичностью и соответствующей консистенцией;

в) Полусухим прессованием формуются керамические массы с низким содержанием воды.

Согласно анализа состояния вопросов по данному направлению в работе [13] выделяет четыре технологических вариантов формования керамических стеновых материалов:

- формование пластического бруса с последующей его резкой на изделия;

- формование пластического бруса из масс пониженной влажности (так называемое жесткое формование) ;

- формование изделий в формах из вязко-текучих масс - так называемая «ручная формовка машинным способом»;

- прессование изделий из полусухих масс.

Основным требованием для всех способов формования является однородность изделия, которая определяет поведение отформованных изделий при сушке, обжиге и физико-химические свойства конечного продукта.

При производстве строительной керамики способ литья и формование изделий в формах из вязко-текучих масс - так называемая «ручная формовка машинным способом» неприемлемы из-за трудоемкости и высокой продолжительности технологического цикла. В связи с изложенным, рассмотрим процессы структурообразования при пластическом и полусухом способе формования.

Структурообразование в системе глина-вода является базовым при формовании изделий пластическим способом. Согласно работам А. П. Ребиндера и др. [16, 17, 18, 19] дисперсии глин в воде образуют коагуляционные структуры. При этом частицы глины связаны вандерваальсовскими силами через прослойки среды.

Остаточные прослойки водной среды в контактах частиц определяют относительную подвижность или пластичность и ползучесть при малых напряжениях сдвига.

Особенностью коагуляционных глиняных структур являются их своеобразные высокоэластические свойства, напоминающие свойства полимеров. Эти медленно развивающиеся и медленно спадающие после разгрузки, обратимые по величине деформации сдвига характерны не для самих частиц глины, а для образованной ими пространственной сетки с тонкими прослойками жидкой среды по участкам контакта [20] .

Прочность коагуляционных глиняных структур, образующихся в слабо концентрированных суспензиях, определяется числом контактов сцепления или числом свободных частиц, возникающих при самопроизвольном диспергировании глины. Кроме того, прочность структуры падает с увеличением толщины прослоек воды. Это приобретает особое значение в глиняных массах, где значительные площади контакта возникают по плоскостям спайности. В таких массах при неизменном характере структуры прочностные характеристики вначале резко падают с увеличением влагосодержания [20] . Такое падение прочности является адсорбционным эффектом и вызвано образованием поверхностной диффузией и утолщением слоев воды между частичками глины.

Вводя добавки различного рода электролитов, поверхностно-активных веществ и защитных коллоидов для изменения взаимодействия воды с глиной, можно управлять явлениями пептизации и коагуляционного сцепления и, следовательно, структурно-механическими свойствами глинистых масс, облегчая это управление различными механическими воздействиями.

Процесс пластической обработки и формования керамических масс состоит в общем случае из разрушения начальной структуры посредством ее дробления и измельчения, составления шихты и ее увлажнения, смешивания, переминания, вакуумирования массы и завершается оформлением изделия.

Сущность этого процесса во многом зависит от количества затворяемой воды т. к. от содержания последнего зависит однородность в объеме и получения изделия определенного качества.

В большинстве случаев процесс обработки керамических масс протекает в условиях недостаточного количества воды, определяющих неполное развитие гидратных оболочек иммобилизованной воды. Вследствие этого керамическая масса не приобретает прочность, упругость, пластичность и вязкость.

Недостаточное количество воды, значительное развитие молекулярных вандерваальсовских сил сцепления и преобладание адсорбционной воды затрудняют равномерное ее распределение и усреднение структурно-механических свойств во всем объеме системы.

Для равномерного распределения влаги и общей ее гомогенизации керамических масс требуется длительное перемешивание и переминания.

Поэтому исследования многих ученых [20, 21, 22, 23, 24, 25] посвящены по определению основных параметров процесса обработки керамических масс - оптимальной влажности и величины допустимых ее колебаний.

Таким образом, процесс структурообразования масс на стадии формования пластическим способом в системе глина-вода зависит от содержания затворяемой воды и механических способов их обработки. При этом процесс формовки осуществим только в случае, когда основным компонентом керамических масс является глина.

Поэтому для решения задач комплексного использования минерального сырья и отходов промышленности в технологии керамики способ пластического формования недостаточно приемлемо.

С этой точки зрения один из прогрессивных методов формования сырьевых смесей является способ полусухого прессования, которая характеризуется рядом преимуществ перед пластическим [15, 26]

- использование непластичных компонентов

- строгое соблюдение размеров изделия

- возможность автоматизации процесса прессования

- исключение длительной сушки.

Глина и вода, которые составляют основу пластической обработки, на стадии формования полусухим способом могут служить только в качестве технологической связки пресспорошков.

Исследованиям процессов прессования керамических масс посвящены немногочисленные работы отечественных и зарубежных ученых [27, 28] . Согласно этим исследованиям при полусухом прессовании керамических порошков процессы уплотнения частиц сопровождаются следующими изменениями качественных характеристик. В начале сжатия происходит перемещение частиц преимущественно в направлении действия прессующего усилия с образованием “мостиков” или “арок” на местах контакта, т. е. особенностью начальной стадии прессования является упорядочение расположения частиц с увеличением координационного числа каждой частицы [27] .

Вторая стадия прессования происходит с разрушением арок или мостиков многообразным движением частиц и включает их раздвигание вклинивающими зернами, взаимное скольжение и различные повороты [28] . При этом достигается устойчивое положение структурных элементов и существенное возрастание плотности их укладки.

При достижении некоторой степени уплотнения дальнейшее сжатие порошка обуславливает уплотнение сжимаемой системы с существенной деформацией структурных элементов и носит необратимый или обратимый упругий характер.

Однородность структуры в теле прессовок достигается оптимизацией давления прессования, гранулометрического состава и влажности пресспорошков.

Однако разработка технологических параметров прессования масс требует индивидуального подхода к используемым сырьевым материалам.

---

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.

• Информатика
• Банковское дело
• Оценка бизнеса
• Бухгалтерское дело
• Валеология
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Религия
• Общая история
• Журналистика
• Таможенное дело
• История Казахстана
• Финансы
• Законодательство и Право, Криминалистика
• Маркетинг
• Культурология
• Медицина
• Менеджмент
• Нефть, Газ
• Искуство, музыка
• Педагогика
• Психология
• Страхование
• Налоги
• Политология
• Сертификация, стандартизация
• Социология, Демография
• Статистика
• Туризм
• Физика
• Философия
• Химия
• Делопроизводсто
• Экология, Охрана природы, Природопользование
• Экономика
• Литература
• Биология
• Мясо, молочно, вино-водочные продукты
• Земельный кадастр, Недвижимость
• Математика, Геометрия
• Государственное управление
• Архивное дело
• Полиграфия
• Горное дело
• Языковедение, Филология
• Исторические личности
• Автоматизация, Техника
• Экономическая география
• Международные отношения
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда