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 4
1 Современное состояние производства стеновой керамики 9
1.1 Сырьевые материалы и анализ факторов формирующих основу
процессов формования и сушки керамических масс 9
1.2 Особенности структурообразования керамических масс в
процессе обжига 14
1.3 Состояние использования отходов промышленности в
производстве керамических изделий 19
1.4 Анализ производства стеновой керамики методом полусухого
прессования 23
Выводы 26
2 Характеристика сырьевых материалов и методы исследования
27
2.1 Характеристика применяемых сырьевых материалов 27
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований 33
2.2.1Методы исследования структуры и фазовых превращений
керамических масс 33
2.2.2Методика исследования физико-химических и физико-
механических свойств керамических масс 33
3 Состав, структура и свойства композиции лессовидный суглинок
– зола ТЭЦ –волластонитсодержащий шлак 37
3.1 Разработка составов и исследование трехкомпонентной
керамической композиции 37
3.2 Влияние температуры обжига на изменения физико-механических
свойств образцов на основе разработанных композиции
керамических масс 40
3.3 Исследование процессов структурообразования в керамической
композиции 57
4 Исследование и разработка технологических параметров
производства стеновой керамики на основе трехкомпонентной
керамической композиции 64
4.1 Влияние влажности на формовочные свойства керамической
композиции 64
4.2 Влияние давления прессования на технологические и
физико-механические свойства сырца 67
4.3 Влияние фракционного состава на формовочные свойства
керамической композиции 71
4.4 Разработка рационального режима обжига изделий 79
5 Опытно-промышленное испытание и освоение технологии
полусухого прессования на основе разработанной керамической
композиции и технико-экономическая эффективность
82
5.1 Опытно-промышленное освоение технологии полусухого
прессования на основе композиции лессовидный суглинок – зола
ТЭЦ – волластонитсодержащий шлак 82
5.2 Технико-экономическая эффективность стеновой керамики на
основе разработанной керамической композиции 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 94
ПРИЛОЖЕНИЯ 105
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...10500С).
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 высококвалифицированного 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 волластонитсодержащего 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 волластонитсодержащего
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 100-1500С, 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 10000 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 20070339.1 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 10000С 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.
В технологии керамических стеновых материалов с окончанием формовки
завершается существенный производственный этап. Однако изделия в этом
состоянии не обладают еще теми свойствами, которые необходимы при их
использовании. Для достижения необходимой стойкости и прочности,
отформованные изделия сушатся и обжигаются [29].
Доминирующее влияние на сушку отформованных изделий оказывает
влагосодержание. Чем больше формовочная влажность, тем дольше
продолжительность сушки.
В технологии стеновой керамики на основе глин процесс сушки является
весьма ответственным этапом, т.к. от этого зависит качество полуфабриката.
Неправильно подобранный режим сушки приведет к появлению трещин в
отформованных изделиях, что отражается на поведении структурообразования
при последующем обжиге изделий.
По этому исследованию процессов сушки керамических масс на основе
различных глин направлены работы многих ученых. П.А. Ребиндер создал науку
о формах связи влаги с материалом в технологии сушки. Она основана на
энергетическом принципе связи влаги с поверхностью твердого тела. Мерой
энергии связи является впервые введенный М.Поляни адсорбционный потенциал.
Л.М. Никитина показала, что в гигроскопической области адсорбционный
потенциал по абсолютной величине равен химическому потенциалу [30], который
является потенциалом переноса не только адсорбционно-, но и осмотически- и
капиллярно-связанной влаги.
Для всей области сушки материала, включая влажное и гигроскопическое
состояние тела, введен единый потенциал переноса влаги, определяемый
экспериментально, который А.В.Лыков [31] назвал потенциалом масса- переноса
или влагопереноса, а В.Н. Богославский - потенциалом влажности.
Значительные исследования в области влажностного состояния капиллярно-
пористых материалов проведены Л.Б.Цимнерманисом [32], предлагающим ввести
термин “потенциал оводнения” как единый энергетический потенциал переноса.
Предложенный Л.Б.Цимнерманисом энергетический потенциал переноса является
существенным вкладом в дальнейшее развитие теории влажностного состояния
тела.
Удаление влаги из сырья в процессе сушки сопровождается уменьшением его
размеров, называемый воздушной усадкой. Многочисленные работы [33, 34, 35-
40], посвященные вопросу изучения усадочных свойств капиллярно-пористых тел
и, в частности керамических масс, во многом не раскрыли физической сущности
этого явления. Одни авторы [36, 38] считают, что усадка происходит за счет
капиллярных сил, вызванных удалением влаги макро- и микрокапилляров. Другие
[34, 35] придерживаются коллоидной теории, по которой усадка происходит
вследствие высыхания студенистой массы.
Третьи [41, 42] склонны принять наличие обоих механизмов усадки. Кроме
указанных сил по мере удаления влаги возрастает роль ван-дер-ваальсовых сил
взаимодействия между частицами твердой фазы.
В работе [43] дается подтверждение капиллярной теории усадки и
разработан новый метод уменьшения усадки материалов за счет ввода
незначительного количества паров ПАВ в поток теплоносителя.
По мнению Сайбулатова С.Ж. динамика процесса усадки делится на 2
периода: период усадки, соответствующий выделению усадочной воды и период
замедленной усадки, характеризующиеся переходом от выделения усадочной к
выделению поровой воды.
Сложность процесса сушки керамических масс постоянно привлекало
внимание исследователей, по оценке сушильных свойств.
Впервые коэффициент чувствительности к сушке Кr предложила З.А. Носова
[34]. Кроме того, А.С.Беркман и И.Г.Мельникова показали, что глина с Kr0,5
также высокочувствительна к сушке [44].
А.Ф. Чижский предложил другой способ определения коэффициента
чувствительности [45], пригодный для высокочувствительных к сушке глин и не
требующий применения объемомера.
Другая методика А.Ф. Чижского [45], заключающаяся в определении
времени, в течение которого на образце появятся трещины при тепловом
облучении, полнее учитывает динамику сушки.
Все эти перечисленные методы исследования сушильных свойств
керамической массы основываются на определении показателя, характеризующего
неравномерность поля влажностей в изделии.
Основным технологическим требованием производства стеновой керамики
является недопущение образования трещин из-за неравномерной усадки по
толщине изделия и перепада влажностей на внутренней и внешней поверхностях.
Изучению механизма и условии возникновения трещин и способов борьбы с ними
посвящено значительное число работ [45, 46, 47, 48] тем не менее, острота
проблемы сохраняется по сей день.
Результаты исследования последних лет направлены в основном на
улучшение сушильных свойств масс истощением [49], дегидратированием глин
[50], их пароувлажнением [51], прогревом [52], вакуумированием [53],
добавкой в глину гипса [53,54], золы [55], ПАВ, орошением мундштука
влагозадерживающими составами [56], накаткой сырца [57], введением
электролитов [58], созданием пародепрессионных пленок [59].
Теоретически и практически установлено, что сушка керамических изделий
пластического формования отличается большой сложностью и связан со
значительными затратами энергоносителей (газ, уголь, мазут).
Поэтому в условиях энергетического кризиса особую актуальность
приобретает синтез составов малочувствительных к сушке керамических масс и
разработка интенсивных режимов сушки изделий, позволяющие сократить
длительность сушки и снизит затраты на энергоносители.
1.2 Особенности структурообразования керамических масс
в процессе обжига
Характер изменений, претерпеваемых глинами при нагревании, определяется
наличием в материале тех или иных глинистых минералов и примесей.
Превращение нагреваемых глин может быть разделено на четыре этапа:
низкотемпературную и высокотемпературную дегидратацию, перестройку решетки
и высокотемпературные изменения.
Фазовые превращения в глинах начинаются при температуре 6000С. Они
связаны с аморфизацией глинистого вещества. При температуре 6000С глинистые
минералы теряют кристаллизационную воду. Обожженный при температуре 8000С и
выше материал представляет собой изотропную массу, в которой встречаются
отдельные стекловидные участки.
Образования новых соединений за счет взаимодействия оксидов железа с
глиноземом и кремнеземом происходит при температуре обжига выше 10000С.
В течение последнего столетия процессы превращения глинистых минералов
при нагревании исследовали отечественные и зарубежные ученые. Большинство
из них считают, что в результате обезвоживания глинистого минерала
каолинита образуется метакаолинит:
Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O ( Al2O3*SiO2 + 2H2O
Например, П.П.Будников процессы, происходящие в каолинах при
нагревании, схематически излагает так. На первой стадии обжига главным
образом в интервале температур 500-5500С происходит обезвоживание каолина
по реакции Al2O3 * 2SiO2 ( ( Al2O3 + 2SiO2
В интервале температур 800-9000С метакаолинит распадается на оксиды с
сохранением первоначальной формы каолинита. В интервале температур 950-
10000С происходит кристаллизация (- глинозема, сопровождающаяся
значительным экзотермическим эффектом. При дальнейшем нагревании до 1150-
12500С оксиды Al2O3 и 2SiO2 взаимодействуют с образованием муллита и
свободного кремнезема в виде кристобалита по реакции
3Al2O3 * 6SiO2 ( Al2O3*2SiO2 + 4SiO2
Образование кристаболита сопровождается небольшим экзотермическим
эффектом.
Относительно природы экзотермического эффекта при 900-10500С имеются
противоречивые мнения. Некоторые из них первый экзотермический эффект
связывают с кристаллизацией (- глинозема. Другие считают, что он вызван
кристаллизацией муллита. Второй экзотермический эффект при температурах
1150-13900С большинство ученых относят за счет образования муллита.
Вид продуктов, образующихся выше температуры экзотермического эффекта
(муллит, (-глинозем, шпинель, кристобалит, стекло), определяется
дисперсностью и структурными характеристиками исходного глинистого минерала
и продуктов его обезвоживания, а также наличием примесей.
Обычно составляющие глину оксиды колеблется в существенных пределах к
реакции, происходящие при термообработке будут укладываться в ту или иную
систему. Поэтому необходимо рассмотреть каждую из этих систем в
отдельности.
Наибольшего внимания заслуживает система Al2O3 - SiO2, в которой
имеется кристаллическое соединение 3Al2O3*2SiO2 называемое муллитом.
Состав муллита может изменяться от 3Al2O3*2SiO2 до 2Al2O3*SiO2 и
образовывать непрерывный ряд твердых растворов с Al2O3.
Между муллитом с различным содержанием Al2O3 существует различие.
Муллит с содержанием 71,68% Al2O3 называется (-муллитом, а с более высоким
- (-муллитом. С повышением температуры муллит может поглощать возрастающие
количества глинозема; из расплава кристаллизуется только 2Al2O3*SiO2.
В системе CaO - Al2O3, согласно последним исследованиям [60, 61]
известны соединения: CaO*Al2O3 ; CaO*2Al2O3; 3CaO*Al2O3; CaO*6Al2O3;
12CaO*7Al2O3. В этой системе независимо от исходного соотношения между
оксидами первичным соединением является CaO*Al2O3 [60, 62].
Соединения 3CaO*Al2O3 и 12CaO*7Al2O3 при температуре 13800С образует
эвтектику.
Согласно термодинамическим расчетам [63] в системе CaO - Al2O3 при
соотношении исходных компонентов 1:1 устойчивым и первичным является
монокальциевый алюминат.
Термодинамический анализ реакции при соотношении компонентов CaO :
Al2O3, равном 3:1, 12:7, 1:1, 1:2, показывает, что первичным соединением в
любом случае является CaO : 2Al2O3. Однако оно устойчиво только при
соотношении компонентов 1:2.
Наибольший интерес с точки зрения использования высококальциевых
отходов промышленности, представляет система CaO - SiO2 (рисунок 1). Как
видно из приведенной диаграммы, в системе существует четыре химических
Рисунок 1 - Система CaO - SiO2
соединения: метасиликат кальция - CaO*SiO2 (CS), трехкальциевый дисиликат -
3Ca*2SiO2 (C3S2 ), двухкальциевый силикат - 3CaO*SiO2 (C2S). Минералы этой
системы встречаются во многих силикатных материалах - портландцементном
клинкере, огнеупорах, шлаках черной металлургии и других в виде минералов
ранкинита 3CaO*2SiO2, бредегита (- 2CaO*SiO2, ларнита (-2CaO*SiO2,
псевдоволластонита (- CaO*SiO2, волластонита (- CaO*SiO2.
В системе имеется область образования двух несмешивающихся жидкостей,
возникающих при плавлении смесей, содержащих от 0,6 до 28% СаО.
Понижение температуры плавления смесей начинается от 28% и
заканчивается при 37% СаО.
Метасиликат кальция CaO*SiO2 (CS) которая образуется при более низких
температурах (8700С) существует в виде двух модификаций: ( CS
(псевдоволластонит) и ( CS (волластонит) - низкотемпературная модификация,
которая при 11250С обратимо переходит в (-CS:
11250С 15440С
( CaO*SiO2 (((( ( CaO*SiO2 (((( расплав
Термодинамика твердофазовых реакции в системе CaO - SiO2 изучалась в
работах [63, 64, 65].
По данным [66] термодинамическая стабильность фаз по отношению к оксиду
кальция возрастает в ряду (-CS(C3S2((-C2S, а по отношению к кремнезему (-
C2S(C3S2((-CS.
Вышеперечисленные исследования ученых являются базовыми для изучения
процессов структурообразования различных керамических масс.
Процессы связанные с фазовыми превращениями в керамических массах
весьма сложны и многообразны.
Исследованию процесса спекания силикатных материалов, в том числе и
керамических, посвящены фундаментальные и широко известные работы советских
[67, 68-70] и зарубежных авторов [71-73].
Рассматривая процесс спекания с общих позиций необходимо отметить, что
в теории и технологии керамики различают спекание в твердой фазе,
протекающее в отсутствии жидкости и жидкостное спекание. Характер и
закономерности этих процессов различны.
Впервые в начале 50-х годов Я.И.Френкелем и Б.Я.Пинесом разработаны
теории кинетики спекания в твердой фазе [74-76], которые получили
дальнейшее развитие в исследованиях отечественных и зарубежных ученых [77-
79].
Процессы спекания в твердой фазе характеризуются переносом вещества с
образованием и ростом контактов между частичками и изменением количества и
формы пор [80]. Перенос вещества может осуществляться в результате вязкого
течения по Я.И.Френкелю, объемной диффузии по Б.Я.Пинесу, поверхностной
самодиффузии, пластического течения и других процессов обусловленных
изменениями поверхностной энергии вещества при нагревании. При этом полнота
протекания твердофазовых реакций зависит от величины и формы частичек и
дефектов в кристаллической решетке [81].
С повышением температуры возрастает объемная диффузия и появляется
жидкая фаза за счет образования легкоплавких эвтектик, что значительно
интенсифицирует процесс спекания.
Образовавшийся расплав имеет микрогетерогенное строение [82] и
выполняет роль связки зерен. Кроме того образовавшаяся жидкая фаза
способствует выкристаллизации новых кристаллических фаз.
Исследованию процессов термического разложения глинистых минералов и
природы реакции муллитообразования посвящены работы П.Н.Земятченского,
В.И.Вернадского, П.П.Будникова, А.И.Августиника, И.А.Булавина,
Г.В.Куколева, А.С.Бережного, О.П.Мчедлов-Петросяна, Х.О.Геворкяна,
А.С.Гинзбурга и других ученых.
Физико-химические данные и опыт этих исследований, свидетельствует о
том, что традиционными факторами интенсификации химических технологий
являются температура, давление, концентрация реагентов, химические добавки,
атомно-молекулярная кристаллизация и др.
Интенсифицируя термические процессы обжига керамики, следует иметь в
виду, что реакции непосредственного взаимодействия между твердыми
веществами сырьевой смеси протекают медленно и обычно не доходят до конца.
В тонких порошкообразных шихтах они идут интенсивнее, но все, же медленно.
В достижении необходимых температур немаловажную роль играют способы
подвода теплоты, конструкции печи, физические свойства обжигаемых
материалов, как теплоемкость и теплопроводность, а также термические
эффекты кристаллизации.
Многие исследователи утверждают, что выделяющаяся при реакций в
экзотермических процессах, может оказаться достаточной нагрева смеси до
температур плавления исходных веществ или только их эвтектик с
образующимися соединениями или примесями. С учетом этого следует создавать
ресурсосберегающие технологии керамики.
В последнее время внимание многих ученых направлено на разработку
топливо- и энергосберегающих технологий производства строительной керамики.
Это стало возможным благодаря использованию комплексных добавок, вводимых в
массы с целью снижения температуры обжига, повышения физико-механических
свойств изделий и долговечности в эксплуатации.
Таким образом, несмотря на различие составов масс, и свойств исходного
сырья, можно вывести общие закономерности и механизмы формирования
керамических материалов, среди которых наиболее важными являются [83]:
а) термическое разложение исходных компонентов;
б) полиморфные и модификационные превращения входящих в состав масс
материалов;
в) процессы растворения твердых частиц смеси в расплаве, образующемся
при обжиге изделий;
г) химическое взаимодействие между компонентами смеси;
д) процессы, происходящие на границе раздела твердой и жидкой фаз;
е) образование новых кристаллических соединений.
1.3 Состояние использования отходов промышленности
в производстве керамических изделий
Использование промышленных отходов в строительной отрасли является
частью решения важнейшей проблемой современности - охране и очистки от
загрязнения окружающей среды [84].
Ряд научно-исследовательских работ, проведенных отечественными и
зарубежными учеными, свидетельствует о том, что одним из рациональных
направлений комплексного использования зол, шлаков и вскрышных пород
является применение их в производстве строительных материалов и, в
частности стеновой керамики.
Многие исследователи [85-88], изучив возможность применения золы ТЭЦ в
производстве кирпича, отмечают, что при введении ее в формовочные шихты в
качестве отощающей добавки повышается прочность кирпича на 1-2 марки,
увеличивается морозостойкость, а также использование золы позволяет снизить
расход опилок, шамота, вводимых в шихту или полностью их заменять.
При этом авторы [88] указывают, что в некоторых случаях действие
добавки золы идентично, а иногда даже эффективнее дегидратированной глины
вследствие увеличения прочности черепка.
Изучая, возможность использования зол ТЭЦ и отходов углеобогащения
установили [89], что золы с содержанием горючих веществ менее 10%
рассматривается как отощающая добавка, более как выгорающая.
Во ВНИИстроме им. Будникова исследовать золы Томской и Кемеровской ТЭС,
содержащие небольшое количество остатков топлива, как сырье для
производства стеновых обжиговых материалов [90,91]. В качестве упрочняющих
добавок применялись: растворимое стекло, фосфатная связка, полученная на
основе ортофосфорной кислоты экстракционного производства, пластичные глины
и отходы углеобогащения [91, 92, 93].
На кафедре керамики и стекла Киевского политехнического института под
научным руководством А.В.Ралко проведено исследование процессов
формирования керамических изделий на основе золы Трипольской ГРЭС и
жидкого стекла, изучены их свойства [94].
Более 10 лет исследования, проведенные в университете Западная Виргиния
(США), разработан процесс изготовления керамических стеновых изделий из
золы уноса [95]. Завод по производству кирпича из золы-уноса фирмы
“International Brich Tile Co LTD” Эдмонд (Канада) введен в эксплуатацию в
начале 1972 г. Методом полусухого прессования и обжига изготовляется кирпич
различных расцветок.
Фирмой “Tekoledy Corp” (США) проводились опыты по изготовлению кирпича
из различных промышленных отходов, таких как летучая зола, литейные пески,
асбестовые отходы, топочные шлаки и др.[96].
Алматинским НИИСтромпроектом с 1973 г. были осуществлены комплексные
исследования по разработке и освоению технологии новых видов керамических
стеновых изделий, названных ”золокерам” [97-112].
За основу разработанной технологии принят пластический способ
формования с использованием в качестве пластифицирующей добавки глиняного
порошка.
Великобританией запатентован способ изготовления кирпича из зол ТЭС с
добавкой в шихту одного или нескольких минеральных связующих. Состав
сырьевой смеси содержит 95,5 % золы, 4,2% глины и 0,3% дикстрина [113].
Температура обжига кирпича 1150оС. Кирпич имеет предел прочности при сжатии
6-11 МПа.
Особенности применения никелевых граншлаков Урала и Казахстана в
составах глиняного кирпича исследованы В.Ф.Тумашовым [114].
На Харьковском керамическом заводе получены плитки для полов 200х200х11
мм высокого качества.
В НИИстройкерамике (Московская обл.) исследовано применение фосфорных
шлаков в технологии производства в технологии производства фасадных
керамических плиток. Плитки из массы, содержащей 85% глины и 15% шлака,
после обжига при максимальной температуре 1050оС покрываются глазурью и
обжигаются при температуре 1000-1010оС. Морозостойкость плиток более 200
циклов, водопоглощение 7,5%.
В Алма-Атинском НИИстромпроекте проведены работы по получению
семищелевых керамических камней с использованием литого фосфорного шлака
Джамбульского завода двойного суперфосфата [115]. В качестве основного
сырья использована пластичная глина монтмориллонитового состава
Акмолинского месторождения и суглинок из карьера Кустанайского кирпичного
завода.
Оптимальный состав сырьевой смеси подбирался экспериментальным путем,
варьируя соотношения глинистого сырья и шлака.
В научно-исследовательской лаборатории строительных материалов ТарГУ
им.Х.Дулати проводились комплексные работы по созданию технологических
основ получения стеновой керамики, легких заполнителей для бетонов и
стеклокристаллических материалов из местных сырьевых материалов и отходов
промышленности.
В результате проведенных исследований получены изделия, обладающие
улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами
[116-121].
При этом авторы предполагают двоякую роль шлака в повышении прочности
изделий: в роли плавня, который способствует увеличению количества жидкой
фазы, а также в роли армирующего компонента, благодаря игольчатому строению
псевдоволластонита.
В Ташкентском НИИстромпроекте параллельно проводились работы по
разработке составов керамических масс для получения высокопрочной лицевой
керамики на основе фосфорных шлаков. Чимкентского завода фосфорных солей
[116]. В качестве пластифицирующей добавки использовали каолиновую глину
Ангренского месторождения.
В институте химии АН Узбекистана под руководством М.Н.Набиева проведены
исследования по использованию фосфорных шлаков с целью получения
керамических плиток [117].
П.И.Боженовым и др. [119] разработана безглинистая масса для
изготовления строительной керамики: облицовочного кирпича, облицовочной
плитки, керамических блоков и труб. Масса содержит масс.% 20-60 фосфорного
шлака, 40-80 отходы обогащения боратовой руды. Изделия из предлагаемых масс
имеют высокую прочность при сжатии 710-1260 кгсм2 и низкую температуру
обжига 900оС.
В Японии для производства керамических плиток используется масса,
состоящая из 30% глины, 45% каолинита и 25% фосфорного шлака [120].
В 1980 году в Алма-Атинском НИИстромпроекте проведены исследования
шлаков электротермо-фосфорного производства с целью их использования в
качестве сырья для керамических стеновых изделий [122]. В работе
использованы шлаки Чимкентского производственного объединения ”Фосфор”,
глина Ангренского и суглинок Чимкентского месторождений. Шлак использовали
в тонкомолотом виде. Массу готовили пластическим способом. Содержание
фосфорного шлака в шихте для формования лабораторных образцов составляло 70-
85%, а глины Ангренского месторождения - 15-30%. Обожженные образцы при 950-
1050оС имеют следующие показатели свойств: усадка воздушная 2,8-3%, огневая
1,8-2,4%. водопоглощение 9,8-13,3%, предел прочности при сжатии 37,8-58
МПа.
В настоящее время имеется опыт использования фосфорных шлаков при
производстве дренажных труб [123].
В Ташкентском НИИстромпроекте для производства облицовочных плит
использована сырьевая смесь, содержащая мас.%: шлак фосфорного производства
40-45, бой плиток 3-6, сода кальцинированная 0,5-1,0, глина гидрослюдисто-
каолинитовая 51,5-54,5. Сушку плиток осуществляли по скоростному режиму при
240оС до остаточной влажности 0,2-0,4%, обжиг плиток при температуре 820-
840оС. Водопоглощение плиток составляет 11,8-13,9% [124].
В работе С.А.Садыковой [125] изучалась возможность кристаллизации
анортитоволластонитовых фаз в керамическом черепке из конгломератных смесей
на основе лессовидных суглинок Средней Азии с добавкой фосфорного шлака
Чимкентского завода фосфорных солей и глины Ангренского месторождения.
Содержание фосфорного шлака в исследуемых образцах менялось от 10% до
30%, содержание Ангренской глины 10-15%.
Зачастую в качестве корректирующих добавок наряду с природными
материалами используют крупнотоннажные отходы различных производств.
Многими исследователями доказана [126-130] эффективность использования
в технологии керамики добавок - плавней, материалов широко распространенных
в природе, перлита, нефелинсодержащих пород, полевых шпатов, пегматитов,
т.е. материалов содержащих щелочные окислы.
В зависимости от назначения и свойств изделий и исходных материалов, в
частности глинистых, процесс спекания можно ускорить, введя в состав масс
материалов, содержащих оксид кальция [130, 131].
Активность оксида кальция в массах оценивается исходя из конкретных
условий формирования структуры изделий, принятой технологии производства и
вида изделий. В составе легкоплавких глин карбонат кальция в
тонкодисперсном состоянии действует как сильный плавень, соответствующий не
только понижению температуры плавления глины, но и резко сокращающий
интервал спекания [130].
В зернистом состоянии карбонат кальция является вредной примесью, резко
снижающий качество изделий.
В последнее время теория и практика керамического производства
располагает ряд принципов улучшения структуры изделий за счет использования
кальциевосиликатных смесей.
Одним из перспективных направлений является использование природного
или искусственного волластонита.
Ввод в плиточные массы 20% волластонита уменьшает усадку при сушке и
обжиге почти в два ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
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 4
1 Современное состояние производства стеновой керамики 9
1.1 Сырьевые материалы и анализ факторов формирующих основу
процессов формования и сушки керамических масс 9
1.2 Особенности структурообразования керамических масс в
процессе обжига 14
1.3 Состояние использования отходов промышленности в
производстве керамических изделий 19
1.4 Анализ производства стеновой керамики методом полусухого
прессования 23
Выводы 26
2 Характеристика сырьевых материалов и методы исследования
27
2.1 Характеристика применяемых сырьевых материалов 27
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований 33
2.2.1Методы исследования структуры и фазовых превращений
керамических масс 33
2.2.2Методика исследования физико-химических и физико-
механических свойств керамических масс 33
3 Состав, структура и свойства композиции лессовидный суглинок
– зола ТЭЦ –волластонитсодержащий шлак 37
3.1 Разработка составов и исследование трехкомпонентной
керамической композиции 37
3.2 Влияние температуры обжига на изменения физико-механических
свойств образцов на основе разработанных композиции
керамических масс 40
3.3 Исследование процессов структурообразования в керамической
композиции 57
4 Исследование и разработка технологических параметров
производства стеновой керамики на основе трехкомпонентной
керамической композиции 64
4.1 Влияние влажности на формовочные свойства керамической
композиции 64
4.2 Влияние давления прессования на технологические и
физико-механические свойства сырца 67
4.3 Влияние фракционного состава на формовочные свойства
керамической композиции 71
4.4 Разработка рационального режима обжига изделий 79
5 Опытно-промышленное испытание и освоение технологии
полусухого прессования на основе разработанной керамической
композиции и технико-экономическая эффективность
82
5.1 Опытно-промышленное освоение технологии полусухого
прессования на основе композиции лессовидный суглинок – зола
ТЭЦ – волластонитсодержащий шлак 82
5.2 Технико-экономическая эффективность стеновой керамики на
основе разработанной керамической композиции 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 94
ПРИЛОЖЕНИЯ 105
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...10500С).
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 высококвалифицированного 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 волластонитсодержащего 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 волластонитсодержащего
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 100-1500С, 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 10000 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 20070339.1 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 10000С 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.
В технологии керамических стеновых материалов с окончанием формовки
завершается существенный производственный этап. Однако изделия в этом
состоянии не обладают еще теми свойствами, которые необходимы при их
использовании. Для достижения необходимой стойкости и прочности,
отформованные изделия сушатся и обжигаются [29].
Доминирующее влияние на сушку отформованных изделий оказывает
влагосодержание. Чем больше формовочная влажность, тем дольше
продолжительность сушки.
В технологии стеновой керамики на основе глин процесс сушки является
весьма ответственным этапом, т.к. от этого зависит качество полуфабриката.
Неправильно подобранный режим сушки приведет к появлению трещин в
отформованных изделиях, что отражается на поведении структурообразования
при последующем обжиге изделий.
По этому исследованию процессов сушки керамических масс на основе
различных глин направлены работы многих ученых. П.А. Ребиндер создал науку
о формах связи влаги с материалом в технологии сушки. Она основана на
энергетическом принципе связи влаги с поверхностью твердого тела. Мерой
энергии связи является впервые введенный М.Поляни адсорбционный потенциал.
Л.М. Никитина показала, что в гигроскопической области адсорбционный
потенциал по абсолютной величине равен химическому потенциалу [30], который
является потенциалом переноса не только адсорбционно-, но и осмотически- и
капиллярно-связанной влаги.
Для всей области сушки материала, включая влажное и гигроскопическое
состояние тела, введен единый потенциал переноса влаги, определяемый
экспериментально, который А.В.Лыков [31] назвал потенциалом масса- переноса
или влагопереноса, а В.Н. Богославский - потенциалом влажности.
Значительные исследования в области влажностного состояния капиллярно-
пористых материалов проведены Л.Б.Цимнерманисом [32], предлагающим ввести
термин “потенциал оводнения” как единый энергетический потенциал переноса.
Предложенный Л.Б.Цимнерманисом энергетический потенциал переноса является
существенным вкладом в дальнейшее развитие теории влажностного состояния
тела.
Удаление влаги из сырья в процессе сушки сопровождается уменьшением его
размеров, называемый воздушной усадкой. Многочисленные работы [33, 34, 35-
40], посвященные вопросу изучения усадочных свойств капиллярно-пористых тел
и, в частности керамических масс, во многом не раскрыли физической сущности
этого явления. Одни авторы [36, 38] считают, что усадка происходит за счет
капиллярных сил, вызванных удалением влаги макро- и микрокапилляров. Другие
[34, 35] придерживаются коллоидной теории, по которой усадка происходит
вследствие высыхания студенистой массы.
Третьи [41, 42] склонны принять наличие обоих механизмов усадки. Кроме
указанных сил по мере удаления влаги возрастает роль ван-дер-ваальсовых сил
взаимодействия между частицами твердой фазы.
В работе [43] дается подтверждение капиллярной теории усадки и
разработан новый метод уменьшения усадки материалов за счет ввода
незначительного количества паров ПАВ в поток теплоносителя.
По мнению Сайбулатова С.Ж. динамика процесса усадки делится на 2
периода: период усадки, соответствующий выделению усадочной воды и период
замедленной усадки, характеризующиеся переходом от выделения усадочной к
выделению поровой воды.
Сложность процесса сушки керамических масс постоянно привлекало
внимание исследователей, по оценке сушильных свойств.
Впервые коэффициент чувствительности к сушке Кr предложила З.А. Носова
[34]. Кроме того, А.С.Беркман и И.Г.Мельникова показали, что глина с Kr0,5
также высокочувствительна к сушке [44].
А.Ф. Чижский предложил другой способ определения коэффициента
чувствительности [45], пригодный для высокочувствительных к сушке глин и не
требующий применения объемомера.
Другая методика А.Ф. Чижского [45], заключающаяся в определении
времени, в течение которого на образце появятся трещины при тепловом
облучении, полнее учитывает динамику сушки.
Все эти перечисленные методы исследования сушильных свойств
керамической массы основываются на определении показателя, характеризующего
неравномерность поля влажностей в изделии.
Основным технологическим требованием производства стеновой керамики
является недопущение образования трещин из-за неравномерной усадки по
толщине изделия и перепада влажностей на внутренней и внешней поверхностях.
Изучению механизма и условии возникновения трещин и способов борьбы с ними
посвящено значительное число работ [45, 46, 47, 48] тем не менее, острота
проблемы сохраняется по сей день.
Результаты исследования последних лет направлены в основном на
улучшение сушильных свойств масс истощением [49], дегидратированием глин
[50], их пароувлажнением [51], прогревом [52], вакуумированием [53],
добавкой в глину гипса [53,54], золы [55], ПАВ, орошением мундштука
влагозадерживающими составами [56], накаткой сырца [57], введением
электролитов [58], созданием пародепрессионных пленок [59].
Теоретически и практически установлено, что сушка керамических изделий
пластического формования отличается большой сложностью и связан со
значительными затратами энергоносителей (газ, уголь, мазут).
Поэтому в условиях энергетического кризиса особую актуальность
приобретает синтез составов малочувствительных к сушке керамических масс и
разработка интенсивных режимов сушки изделий, позволяющие сократить
длительность сушки и снизит затраты на энергоносители.
1.2 Особенности структурообразования керамических масс
в процессе обжига
Характер изменений, претерпеваемых глинами при нагревании, определяется
наличием в материале тех или иных глинистых минералов и примесей.
Превращение нагреваемых глин может быть разделено на четыре этапа:
низкотемпературную и высокотемпературную дегидратацию, перестройку решетки
и высокотемпературные изменения.
Фазовые превращения в глинах начинаются при температуре 6000С. Они
связаны с аморфизацией глинистого вещества. При температуре 6000С глинистые
минералы теряют кристаллизационную воду. Обожженный при температуре 8000С и
выше материал представляет собой изотропную массу, в которой встречаются
отдельные стекловидные участки.
Образования новых соединений за счет взаимодействия оксидов железа с
глиноземом и кремнеземом происходит при температуре обжига выше 10000С.
В течение последнего столетия процессы превращения глинистых минералов
при нагревании исследовали отечественные и зарубежные ученые. Большинство
из них считают, что в результате обезвоживания глинистого минерала
каолинита образуется метакаолинит:
Al2O3 * 2SiO2 * 2H2O ( Al2O3*SiO2 + 2H2O
Например, П.П.Будников процессы, происходящие в каолинах при
нагревании, схематически излагает так. На первой стадии обжига главным
образом в интервале температур 500-5500С происходит обезвоживание каолина
по реакции Al2O3 * 2SiO2 ( ( Al2O3 + 2SiO2
В интервале температур 800-9000С метакаолинит распадается на оксиды с
сохранением первоначальной формы каолинита. В интервале температур 950-
10000С происходит кристаллизация (- глинозема, сопровождающаяся
значительным экзотермическим эффектом. При дальнейшем нагревании до 1150-
12500С оксиды Al2O3 и 2SiO2 взаимодействуют с образованием муллита и
свободного кремнезема в виде кристобалита по реакции
3Al2O3 * 6SiO2 ( Al2O3*2SiO2 + 4SiO2
Образование кристаболита сопровождается небольшим экзотермическим
эффектом.
Относительно природы экзотермического эффекта при 900-10500С имеются
противоречивые мнения. Некоторые из них первый экзотермический эффект
связывают с кристаллизацией (- глинозема. Другие считают, что он вызван
кристаллизацией муллита. Второй экзотермический эффект при температурах
1150-13900С большинство ученых относят за счет образования муллита.
Вид продуктов, образующихся выше температуры экзотермического эффекта
(муллит, (-глинозем, шпинель, кристобалит, стекло), определяется
дисперсностью и структурными характеристиками исходного глинистого минерала
и продуктов его обезвоживания, а также наличием примесей.
Обычно составляющие глину оксиды колеблется в существенных пределах к
реакции, происходящие при термообработке будут укладываться в ту или иную
систему. Поэтому необходимо рассмотреть каждую из этих систем в
отдельности.
Наибольшего внимания заслуживает система Al2O3 - SiO2, в которой
имеется кристаллическое соединение 3Al2O3*2SiO2 называемое муллитом.
Состав муллита может изменяться от 3Al2O3*2SiO2 до 2Al2O3*SiO2 и
образовывать непрерывный ряд твердых растворов с Al2O3.
Между муллитом с различным содержанием Al2O3 существует различие.
Муллит с содержанием 71,68% Al2O3 называется (-муллитом, а с более высоким
- (-муллитом. С повышением температуры муллит может поглощать возрастающие
количества глинозема; из расплава кристаллизуется только 2Al2O3*SiO2.
В системе CaO - Al2O3, согласно последним исследованиям [60, 61]
известны соединения: CaO*Al2O3 ; CaO*2Al2O3; 3CaO*Al2O3; CaO*6Al2O3;
12CaO*7Al2O3. В этой системе независимо от исходного соотношения между
оксидами первичным соединением является CaO*Al2O3 [60, 62].
Соединения 3CaO*Al2O3 и 12CaO*7Al2O3 при температуре 13800С образует
эвтектику.
Согласно термодинамическим расчетам [63] в системе CaO - Al2O3 при
соотношении исходных компонентов 1:1 устойчивым и первичным является
монокальциевый алюминат.
Термодинамический анализ реакции при соотношении компонентов CaO :
Al2O3, равном 3:1, 12:7, 1:1, 1:2, показывает, что первичным соединением в
любом случае является CaO : 2Al2O3. Однако оно устойчиво только при
соотношении компонентов 1:2.
Наибольший интерес с точки зрения использования высококальциевых
отходов промышленности, представляет система CaO - SiO2 (рисунок 1). Как
видно из приведенной диаграммы, в системе существует четыре химических
Рисунок 1 - Система CaO - SiO2
соединения: метасиликат кальция - CaO*SiO2 (CS), трехкальциевый дисиликат -
3Ca*2SiO2 (C3S2 ), двухкальциевый силикат - 3CaO*SiO2 (C2S). Минералы этой
системы встречаются во многих силикатных материалах - портландцементном
клинкере, огнеупорах, шлаках черной металлургии и других в виде минералов
ранкинита 3CaO*2SiO2, бредегита (- 2CaO*SiO2, ларнита (-2CaO*SiO2,
псевдоволластонита (- CaO*SiO2, волластонита (- CaO*SiO2.
В системе имеется область образования двух несмешивающихся жидкостей,
возникающих при плавлении смесей, содержащих от 0,6 до 28% СаО.
Понижение температуры плавления смесей начинается от 28% и
заканчивается при 37% СаО.
Метасиликат кальция CaO*SiO2 (CS) которая образуется при более низких
температурах (8700С) существует в виде двух модификаций: ( CS
(псевдоволластонит) и ( CS (волластонит) - низкотемпературная модификация,
которая при 11250С обратимо переходит в (-CS:
11250С 15440С
( CaO*SiO2 (((( ( CaO*SiO2 (((( расплав
Термодинамика твердофазовых реакции в системе CaO - SiO2 изучалась в
работах [63, 64, 65].
По данным [66] термодинамическая стабильность фаз по отношению к оксиду
кальция возрастает в ряду (-CS(C3S2((-C2S, а по отношению к кремнезему (-
C2S(C3S2((-CS.
Вышеперечисленные исследования ученых являются базовыми для изучения
процессов структурообразования различных керамических масс.
Процессы связанные с фазовыми превращениями в керамических массах
весьма сложны и многообразны.
Исследованию процесса спекания силикатных материалов, в том числе и
керамических, посвящены фундаментальные и широко известные работы советских
[67, 68-70] и зарубежных авторов [71-73].
Рассматривая процесс спекания с общих позиций необходимо отметить, что
в теории и технологии керамики различают спекание в твердой фазе,
протекающее в отсутствии жидкости и жидкостное спекание. Характер и
закономерности этих процессов различны.
Впервые в начале 50-х годов Я.И.Френкелем и Б.Я.Пинесом разработаны
теории кинетики спекания в твердой фазе [74-76], которые получили
дальнейшее развитие в исследованиях отечественных и зарубежных ученых [77-
79].
Процессы спекания в твердой фазе характеризуются переносом вещества с
образованием и ростом контактов между частичками и изменением количества и
формы пор [80]. Перенос вещества может осуществляться в результате вязкого
течения по Я.И.Френкелю, объемной диффузии по Б.Я.Пинесу, поверхностной
самодиффузии, пластического течения и других процессов обусловленных
изменениями поверхностной энергии вещества при нагревании. При этом полнота
протекания твердофазовых реакций зависит от величины и формы частичек и
дефектов в кристаллической решетке [81].
С повышением температуры возрастает объемная диффузия и появляется
жидкая фаза за счет образования легкоплавких эвтектик, что значительно
интенсифицирует процесс спекания.
Образовавшийся расплав имеет микрогетерогенное строение [82] и
выполняет роль связки зерен. Кроме того образовавшаяся жидкая фаза
способствует выкристаллизации новых кристаллических фаз.
Исследованию процессов термического разложения глинистых минералов и
природы реакции муллитообразования посвящены работы П.Н.Земятченского,
В.И.Вернадского, П.П.Будникова, А.И.Августиника, И.А.Булавина,
Г.В.Куколева, А.С.Бережного, О.П.Мчедлов-Петросяна, Х.О.Геворкяна,
А.С.Гинзбурга и других ученых.
Физико-химические данные и опыт этих исследований, свидетельствует о
том, что традиционными факторами интенсификации химических технологий
являются температура, давление, концентрация реагентов, химические добавки,
атомно-молекулярная кристаллизация и др.
Интенсифицируя термические процессы обжига керамики, следует иметь в
виду, что реакции непосредственного взаимодействия между твердыми
веществами сырьевой смеси протекают медленно и обычно не доходят до конца.
В тонких порошкообразных шихтах они идут интенсивнее, но все, же медленно.
В достижении необходимых температур немаловажную роль играют способы
подвода теплоты, конструкции печи, физические свойства обжигаемых
материалов, как теплоемкость и теплопроводность, а также термические
эффекты кристаллизации.
Многие исследователи утверждают, что выделяющаяся при реакций в
экзотермических процессах, может оказаться достаточной нагрева смеси до
температур плавления исходных веществ или только их эвтектик с
образующимися соединениями или примесями. С учетом этого следует создавать
ресурсосберегающие технологии керамики.
В последнее время внимание многих ученых направлено на разработку
топливо- и энергосберегающих технологий производства строительной керамики.
Это стало возможным благодаря использованию комплексных добавок, вводимых в
массы с целью снижения температуры обжига, повышения физико-механических
свойств изделий и долговечности в эксплуатации.
Таким образом, несмотря на различие составов масс, и свойств исходного
сырья, можно вывести общие закономерности и механизмы формирования
керамических материалов, среди которых наиболее важными являются [83]:
а) термическое разложение исходных компонентов;
б) полиморфные и модификационные превращения входящих в состав масс
материалов;
в) процессы растворения твердых частиц смеси в расплаве, образующемся
при обжиге изделий;
г) химическое взаимодействие между компонентами смеси;
д) процессы, происходящие на границе раздела твердой и жидкой фаз;
е) образование новых кристаллических соединений.
1.3 Состояние использования отходов промышленности
в производстве керамических изделий
Использование промышленных отходов в строительной отрасли является
частью решения важнейшей проблемой современности - охране и очистки от
загрязнения окружающей среды [84].
Ряд научно-исследовательских работ, проведенных отечественными и
зарубежными учеными, свидетельствует о том, что одним из рациональных
направлений комплексного использования зол, шлаков и вскрышных пород
является применение их в производстве строительных материалов и, в
частности стеновой керамики.
Многие исследователи [85-88], изучив возможность применения золы ТЭЦ в
производстве кирпича, отмечают, что при введении ее в формовочные шихты в
качестве отощающей добавки повышается прочность кирпича на 1-2 марки,
увеличивается морозостойкость, а также использование золы позволяет снизить
расход опилок, шамота, вводимых в шихту или полностью их заменять.
При этом авторы [88] указывают, что в некоторых случаях действие
добавки золы идентично, а иногда даже эффективнее дегидратированной глины
вследствие увеличения прочности черепка.
Изучая, возможность использования зол ТЭЦ и отходов углеобогащения
установили [89], что золы с содержанием горючих веществ менее 10%
рассматривается как отощающая добавка, более как выгорающая.
Во ВНИИстроме им. Будникова исследовать золы Томской и Кемеровской ТЭС,
содержащие небольшое количество остатков топлива, как сырье для
производства стеновых обжиговых материалов [90,91]. В качестве упрочняющих
добавок применялись: растворимое стекло, фосфатная связка, полученная на
основе ортофосфорной кислоты экстракционного производства, пластичные глины
и отходы углеобогащения [91, 92, 93].
На кафедре керамики и стекла Киевского политехнического института под
научным руководством А.В.Ралко проведено исследование процессов
формирования керамических изделий на основе золы Трипольской ГРЭС и
жидкого стекла, изучены их свойства [94].
Более 10 лет исследования, проведенные в университете Западная Виргиния
(США), разработан процесс изготовления керамических стеновых изделий из
золы уноса [95]. Завод по производству кирпича из золы-уноса фирмы
“International Brich Tile Co LTD” Эдмонд (Канада) введен в эксплуатацию в
начале 1972 г. Методом полусухого прессования и обжига изготовляется кирпич
различных расцветок.
Фирмой “Tekoledy Corp” (США) проводились опыты по изготовлению кирпича
из различных промышленных отходов, таких как летучая зола, литейные пески,
асбестовые отходы, топочные шлаки и др.[96].
Алматинским НИИСтромпроектом с 1973 г. были осуществлены комплексные
исследования по разработке и освоению технологии новых видов керамических
стеновых изделий, названных ”золокерам” [97-112].
За основу разработанной технологии принят пластический способ
формования с использованием в качестве пластифицирующей добавки глиняного
порошка.
Великобританией запатентован способ изготовления кирпича из зол ТЭС с
добавкой в шихту одного или нескольких минеральных связующих. Состав
сырьевой смеси содержит 95,5 % золы, 4,2% глины и 0,3% дикстрина [113].
Температура обжига кирпича 1150оС. Кирпич имеет предел прочности при сжатии
6-11 МПа.
Особенности применения никелевых граншлаков Урала и Казахстана в
составах глиняного кирпича исследованы В.Ф.Тумашовым [114].
На Харьковском керамическом заводе получены плитки для полов 200х200х11
мм высокого качества.
В НИИстройкерамике (Московская обл.) исследовано применение фосфорных
шлаков в технологии производства в технологии производства фасадных
керамических плиток. Плитки из массы, содержащей 85% глины и 15% шлака,
после обжига при максимальной температуре 1050оС покрываются глазурью и
обжигаются при температуре 1000-1010оС. Морозостойкость плиток более 200
циклов, водопоглощение 7,5%.
В Алма-Атинском НИИстромпроекте проведены работы по получению
семищелевых керамических камней с использованием литого фосфорного шлака
Джамбульского завода двойного суперфосфата [115]. В качестве основного
сырья использована пластичная глина монтмориллонитового состава
Акмолинского месторождения и суглинок из карьера Кустанайского кирпичного
завода.
Оптимальный состав сырьевой смеси подбирался экспериментальным путем,
варьируя соотношения глинистого сырья и шлака.
В научно-исследовательской лаборатории строительных материалов ТарГУ
им.Х.Дулати проводились комплексные работы по созданию технологических
основ получения стеновой керамики, легких заполнителей для бетонов и
стеклокристаллических материалов из местных сырьевых материалов и отходов
промышленности.
В результате проведенных исследований получены изделия, обладающие
улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами
[116-121].
При этом авторы предполагают двоякую роль шлака в повышении прочности
изделий: в роли плавня, который способствует увеличению количества жидкой
фазы, а также в роли армирующего компонента, благодаря игольчатому строению
псевдоволластонита.
В Ташкентском НИИстромпроекте параллельно проводились работы по
разработке составов керамических масс для получения высокопрочной лицевой
керамики на основе фосфорных шлаков. Чимкентского завода фосфорных солей
[116]. В качестве пластифицирующей добавки использовали каолиновую глину
Ангренского месторождения.
В институте химии АН Узбекистана под руководством М.Н.Набиева проведены
исследования по использованию фосфорных шлаков с целью получения
керамических плиток [117].
П.И.Боженовым и др. [119] разработана безглинистая масса для
изготовления строительной керамики: облицовочного кирпича, облицовочной
плитки, керамических блоков и труб. Масса содержит масс.% 20-60 фосфорного
шлака, 40-80 отходы обогащения боратовой руды. Изделия из предлагаемых масс
имеют высокую прочность при сжатии 710-1260 кгсм2 и низкую температуру
обжига 900оС.
В Японии для производства керамических плиток используется масса,
состоящая из 30% глины, 45% каолинита и 25% фосфорного шлака [120].
В 1980 году в Алма-Атинском НИИстромпроекте проведены исследования
шлаков электротермо-фосфорного производства с целью их использования в
качестве сырья для керамических стеновых изделий [122]. В работе
использованы шлаки Чимкентского производственного объединения ”Фосфор”,
глина Ангренского и суглинок Чимкентского месторождений. Шлак использовали
в тонкомолотом виде. Массу готовили пластическим способом. Содержание
фосфорного шлака в шихте для формования лабораторных образцов составляло 70-
85%, а глины Ангренского месторождения - 15-30%. Обожженные образцы при 950-
1050оС имеют следующие показатели свойств: усадка воздушная 2,8-3%, огневая
1,8-2,4%. водопоглощение 9,8-13,3%, предел прочности при сжатии 37,8-58
МПа.
В настоящее время имеется опыт использования фосфорных шлаков при
производстве дренажных труб [123].
В Ташкентском НИИстромпроекте для производства облицовочных плит
использована сырьевая смесь, содержащая мас.%: шлак фосфорного производства
40-45, бой плиток 3-6, сода кальцинированная 0,5-1,0, глина гидрослюдисто-
каолинитовая 51,5-54,5. Сушку плиток осуществляли по скоростному режиму при
240оС до остаточной влажности 0,2-0,4%, обжиг плиток при температуре 820-
840оС. Водопоглощение плиток составляет 11,8-13,9% [124].
В работе С.А.Садыковой [125] изучалась возможность кристаллизации
анортитоволластонитовых фаз в керамическом черепке из конгломератных смесей
на основе лессовидных суглинок Средней Азии с добавкой фосфорного шлака
Чимкентского завода фосфорных солей и глины Ангренского месторождения.
Содержание фосфорного шлака в исследуемых образцах менялось от 10% до
30%, содержание Ангренской глины 10-15%.
Зачастую в качестве корректирующих добавок наряду с природными
материалами используют крупнотоннажные отходы различных производств.
Многими исследователями доказана [126-130] эффективность использования
в технологии керамики добавок - плавней, материалов широко распространенных
в природе, перлита, нефелинсодержащих пород, полевых шпатов, пегматитов,
т.е. материалов содержащих щелочные окислы.
В зависимости от назначения и свойств изделий и исходных материалов, в
частности глинистых, процесс спекания можно ускорить, введя в состав масс
материалов, содержащих оксид кальция [130, 131].
Активность оксида кальция в массах оценивается исходя из конкретных
условий формирования структуры изделий, принятой технологии производства и
вида изделий. В составе легкоплавких глин карбонат кальция в
тонкодисперсном состоянии действует как сильный плавень, соответствующий не
только понижению температуры плавления глины, но и резко сокращающий
интервал спекания [130].
В зернистом состоянии карбонат кальция является вредной примесью, резко
снижающий качество изделий.
В последнее время теория и практика керамического производства
располагает ряд принципов улучшения структуры изделий за счет использования
кальциевосиликатных смесей.
Одним из перспективных направлений является использование природного
или искусственного волластонита.
Ввод в плиточные массы 20% волластонита уменьшает усадку при сушке и
обжиге почти в два ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- 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
