Технология и свойства стеновой керамики на основе лессовидных суглинков с применением механоактивированных композиционных добавок

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА СТЕНОВОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ЛЕССОВИДНЫХ СУГЛИНКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДОБАВОК

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Нариков Канат Амангелдиевич

Республика Казахстан

Алматы 2010

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Монтаев С.А.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Жугинисов М.Т.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Мусаев Т.С.

кандидат технических наук Жакипбеков Ш.К.

Ведущая организация:

Казахский национальный технический университет им. К. Сатпаева

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследова-тельского и проектного института строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») по адресу: 050057, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. А. Куатбаев

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие строительной индустрии на базе новейших достижений науки и техники относится к основным задачам концепции инновационной и индустриальной политики Республики Казахстан. керамика прессование суглинок лессовидный

При большом разнообразии современных энергосберегающих стеновых материалов керамический кирпич всегда сохраняет свои позиции благодаря сочетанию ценных свойств. Основной тенденцией в отрасли керамических стеновых изделий является повышение эффективности производства за счет ввода новых мощностей с передовыми современными технологиями, а также совершенствования технологии и оборудования, вовлечения в процесс добавок различного назначения. Производство керамических изделий связано со значительным расходом природных ресурсов. Уменьшить их расход и тем самым способствовать охране природы можно, заменяя такие материалы различным техногенным сырьем и отходами промышленного производства.

Повышение пустотности и пористости изделий стеновой керамики необходимо для улучшения теплозащитных функций ограждающих конструкций зданий. Особенно это актуально в настоящее время в связи с ужесточением требований по термическому сопротивлению ограждения.

Работа выполнена в соответствии с программой по жилищному строительству, а также тематическим планом ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» во исполнение Послания Президента Республики Казахстан Н.А.Назарбаева о «…реализации программы жилищного строительства».

Целью диссертационной работы явилась разработка ресурсо- и энергосберегающей технологии и исследование свойств стеновой керамики полусухого прессования на основе лессовидных суглинков с использованием механоактивированной композиционной добавки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать рациональные составы керамической композиции с механоактивированными добавками для производства стеновой керамики на основе лессовидного суглинка методом полусухого прессования;

- исследовать влияние удельной поверхности механоактивированных комплексных добавок на изменение физико-механических свойств керамического черепка на основе разработанных составов;

- исследовать влияние температуры обжига на изменение физико-механических свойств керамических образцов, содержащих механактивированные композиционные добавки;

- установить закономерности структуро- и фазообразования в керамических массах с механоактивированными композиционными добавками в зависимости от температуры обжига;

- исследовать и разработать рациональные технологические режимы производства стеновой керамики с механоактивированными композиционными добавками;

- провести опытно-промышленные испытания и освоение технологии полусухого прессования с использованием лессовидных суглинков и механоактивированных композиционных добавок.

Научная новизна работы:

- разработана эффективная технология и установлена реальная возможность комплексного использования лессовидных суглинков в композиции совместно с механоактивированным доменным гранулированным шлаком и углем для создания качественной стеновой керамики по способу полусухого прессования. Новизна разработанных технологических решении подтверждена инновационным патентом РК (№62476);

- установлено, что интенсификация спекания керамического черепка при комплексном присутствии глинистых минералов, содержащихся в лессовидных суглинках и механоактивизированных композиционных добавок в системе доменный гранулированный шлак-уголь, обусловлена ускорением как твердофазовых, так и жидкофазовых процессов за счет образующихся легкоплавких эвтектик, а также за счет активной кристаллизации тонкодисперсного доменного гранулированного шлака с образованием высококальциевых минералов типа волластонита и анортита;

- установлена закономерность образования структуры и фазового превращения в керамической композиции в системе лессовидный суглинок-механоактивированная композиционная добавка в процессе обжига, которая заключается в том, что совместное присутствие в составе керамической массы тонкодисперсных частиц доменного гранулированного шлака и угля способствует снижению средней плотности, воздушной и огневой усадки, а также обеспечивает высокие прочностные характеристики стеновой керамики в области низких температур. При этом разработаны необходимые технологические условия, способствующие образованию прочной и пористой структуры керамического черепка не только за счет армирующих кристаллических фаз шлака, но и параллельного интенсивного выгорания тонкодисперсного угля.

Практическая ценность и реализация работы:

- Предложены новые оптимальные составы керамической композиции на основе низкокачественных суглинков и отходов промышленности для производства качественной стеновой керамики по способу полусухого прессования;

- применение предлагаемых технологических решений позволяет снизить максимальную температуру обжига на 100-150⁰С, повысить прочность готовой продукции на 25-30%, снизить среднюю плотность 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 39 млн. тенге при производстве 28 млн. шт. усл. кирпича в год.

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.

Основные результаты доложены на 8 научно-практических конференциях, форумах регионального и международного уровней. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты оптимизации научно-обоснованных составов керамической композиции, содержащей механоактивированную композиционную добавку, и влияния температуры термообработки на закономерности изменения физико-механических свойств образцов;

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

- исследование и разработка рациональных технологических режимов и параметров производства лицевой стеновой керамики полусухого прессования на основе лессовидного суглинка, содержащей механоактивированные композиционные добавки;

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений, содержит 120 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 28 таблиц, список использованных источников из 152 наименований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Анализ производства стеновой керамики с использованием лессовидных суглинков

В создание и развитие теории и практики керамических материалов значительный вклад внесли известные ученые А.И. Августиник, П.П. Будников, В.А. Балкевич, И.С. Кайнарский, У.Д. Кингери, Г.В. Куколев, П.А. Ребиндер, С.П. Ничипоренко, А.А. Балакирев, М.И. Роговой, В.Ф. Павлов, Г.Н. Масленникова, А.С. Садунас, С.Ж. Сайбулатов, С.Т. Сулейменов, Ж.Т. Сулейменов, А.В. Ралко, И.М. Пиевский, М.С. Белопольский, А.А. Новопашин, Н.Г. Чумаченко, М.К. Кулбеков, К.А. Нурбатуров, С.А. Монтаев и др.

В связи с дефицитом высококачественных глин одной из важнейших задач является возможность использования низкосортного, широко распространенного во всех регионах страны глинистого сырья без ущерба для качества конечного продукта. Решение этой задачи требует модификации добавками и использования различных видов активации сырья, которые в определенной степени способствуют повышению качества. В процессе механической активации минеральное сырье подвергается интенсивному механическому воздействию в измельчителях-активаторах, где минеральные частицы не только измельчаются, но и претерпевают сложные структурные изменения. В результате этих изменений сырье аккумулирует значительную часть приложенной механической энергии и становится более реакционноспособным в различных технологических процессах. Выбор с точки зрения рационального использования, измельчающих аппаратов в качестве механоактиваторов имеет большое значение.

Существуют множество способов механической активации путем тонкого измельчения глинистого сырья, например, помол в шаровых и вибрационных мельницах. В шаровых мельницах периодического действия можно измельчать материалы сухим и мокрым способами. На наш взгляд механическая активация сырьевых компонентов именно на указанном помольном оборудовании имеет позитивную перспективу с точки зрения практической реализации их непосредственно в производственных условиях, так как это оборудование отлично зарекомендовало себя в технологии производства цемента, силикатного кирпича, а также при производстве различных видов безобжиговых вяжущих веществ. Исходя из объективных аналитических исследований, для проведения экспериментальных работ выбрали шаровую мельницу как наиболее широко распространенный и доступный вид механоактиватора.

Для решения задач комплексного использования минерального сырья и отходов промышленности в технологии керамики способ пластического формования недостаточно приемлем. Производства изделий методом полусухого прессования, включающая в себя, как правило, первичную подготовку и дозировку сырьевых материалов, сушку, помол, рассев, доувлажнение и смешивание пресс порошка, прессование, сушку и обжиг изделий на печной вагонетке, характеризуется рядом недостатков и преимуществ. Исходя из этого, на сегодняшний день намечены следующие пути получения высококачественных керамических изделий равноплотной структуры из повсеместно распространенного полиминерального глинистого сырья методом полусухого прессования. Это:

- разработка специальных технологических приемов переработки сырья в зависимости от его структурно-механических свойств;

- получение более плотных пресс порошков заданного гранулометри-ческого состава и пофракционной влажности;

- подбор оптимального состава шихты, обеспечивающего получение спекшегося черепка высокого качества;

- прессование изделий из пресс порошков влажностью ниже критической, обеспечивающей целостность прессовок при скоростных режимах сушки и обжига;

- подбор и разработка прессующих устройств, режимов прессования.

Ограниченность запасов качественного глинистого сырья в Республике Казахстан требует научно-обоснованного подхода по рациональному использованию этих сырьевых ресурсов в композиции с механоактивированными композиционными добавками, включающими отходы промышленности для производства качественной и конкурентоспособной продукции.

2. Исследуемые материалы и методы оценки их свойств

В качестве основного сырья для разработки механоактивированной композиционной добавки использован доменный гранулированный шлак Карагандинского металлургического завода АО «Алселор Миттал Темиртау» (г. Темиртау). Доменный гранулированный шлак представляет собой зернистый материал серого цвета. Модуль крупности 3,9 - 4,1.

Гранулометрический состав шлака характеризуется соотношениями фракций, показанными в таблице 1.

Таблица 1 - Гранулометрический состав доменного гранулированного шлака

Диаметр отверстий сита, мм	2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	менее 0,14
Остаток на сите, %	14-17	35-37	26-30	14-17	2-5	2-4

Химический состав доменного гранулированного шлака Карагандинского металлургического комбината представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Химический состав доменного гранулированного шлака

Наименование сырья	Содержание оксидов, мас.%
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	FеО	MgO	SO3	Na2O	K2O	CO2	TiO2	ShO	п.п.п.
Шлак доменный гранулированный Карагандинского металлургического завода	40,62	16,24	0,19-0,52	42,11	0,43	5,33-10,39	1,66	0.36-1,5	0,42-1,32	-	0,62-0,88	0.11-1,37	0,92

Резкое охлаждение шлакового расплава в процессе грануляции обусловливает в основном его стекловидное строение. Содержание стеклофазы в них составляет 65-97%. Закристаллизованная часть шлака в основном представлена псевдоволластонитом CaO·SiO₂ c показателями светопреломления

Ng=1,6520,0015; Np=1,6080,0015.

В естественном состоянии шлаки рентгеноаморфны.

Изучение макроструктуры доменного гранулированного шлака (рисунок 1) показало, что частицы шлака в естественном виде пронизаны микро - и макропорами.

Результаты РФА гранулированного доменного шлака (ГДШ), обожженного при 800, 900 и 1000 ⁰С, показывают, что во всех образцах основными кристаллическими фазами являются мелилит, анортит и в-кристобалит.

С увеличением температуры обжига наблюдается увеличение количества всех кристаллических фаз, о чем свидетельствует рост интенсивности дифракционных максимумов. Кроме того, наблюдаются дифракционные пики усиленной интенсивности, характерные для волластонита.

Суглинок Чаганского месторождения содержит до 12% монтмориллонитового компонента, находящегося в форме смешаннослойных образований с гидрослюдой и каолинитом. Из кристаллических фаз в глине также содержатся кварц d/n=4,23; 3,34; 1,974; 1,813; 1,538*10^-10м, полевой шпат d/n=3,18; 2,286*10^-10 м, кальцит d/n=3,02; 2,018; 1,912*10^-10м и гематит d/n=1,839; 1,686; 1,590*10^-10м. По содержанию Al₂O₃ суглинок относится к группе кислого сырья, а по огнеупорности - к легкоплавким, по содержанию Fe₂O₃ - к сырью с высоким содержанием красящих оксидов (таблица 3).

Рисунок 1 - Макроструктура доменного гранулированного шлака Карагандинского металлургического комбината

Таблица 3 - Химический состав суглинка Чаганского месторождения ЗКО

Наименование сырья	Содержание оксидов, мас.%
	SiO2	Al2O3	TiO2	CaO	MgO	Fe2O3	P2O5	F	SO3	CO2	Na2O	K2O	п.п.п.
Суглинок чаганский	52,58	12,25	-	12,0	2,13	5,10	-	-	2,57	-	3,60	-	9,78

Число пластичности суглинка составляет - 11,5. В качестве второго компонента для создания механоактивированной композиционной добавки использовали уголь Карагандинского угольного бассейна, который является основным в Казахстане по добыче коксующихся углей. Цвет угля изменяется от бурого до интенсивно черного, блеск от матового до стеклянного, твердость по шкале Мооса- от 1 до 5, плотность - от 0,92 до 1,7г/см³. Угли Карагандинского бассейна характеризуются теплотой сгорания на горючую массу от 8000 до 8300 ккал/кг.

Для оценки свойств образцов и проведения детальных исследований применяли стандартные методики, современные приборы и оборудование.

Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре ДРОН-3 при СиК и Со - излучениях. Чувствительность методов составляет 1-2 %.

Дифференциально-термический анализ (ДТА) осуществляли на дериватографе Q-150ОД до температуры 1000 °С. Скорость подъема температуры 5 °С в мин.

Петрографические исследования выполнены на оптических микроскопах МИН-8 и МИН-9 (проходящий и отраженный свет) в шлифах спеченных образцов и иммерсионных жидкостях.

Исследование микроструктуры керамических композиций выполнено на растровом электронном микроскопе JSM-6390LV и на приборе JEM-6610LA (фирма JEOL, Япония).

Аналитические исследования элементных составов проводились на рентгеновском дифрактометре XґPert PRO (Япония).

Определение чувствительности сырьевых смесей к сушке производили по методу М.С. Белопольского.

Измерение теплопроводности образцов производилось с помощью измерителя теплопроводности ИТ-л- 400. Диапазон измерений в интервале температур 173-423°К. Предел допускаемой погрешности ±10%.

Испытание морозостойкости образцов производили по ГОСТ 7025-78. Обжиг образцов-цилиндров диаметром 5, высотой 5 см и балочек (4x4x16 см) проводили в специальной электрической муфельной печи. Обжиг натурных изделий проводили в специальной электрической печи. Определение комплекса физико-механических свойств образцов выполнялось по стандартным методикам.

3. Состав, структура и свойства лицевого керамического кирпича с использованием лессовидных суглинков и механоактивированных композиционных добавок

Одним из эффективных технологических приемов производства качественных керамических изделий является введение различных тонкомолотых добавок. При этом до сих пор остаются малоизученными керамические сырьевые системы, содержащие композиционные добавки. В связи с этим проведены комплексные исследования керамических масс на основе лессовидных суглинков в композиции с механоактивированными композиционными добавками с учетом специфических свойств конкретных сырьевых материалов и во взаимосвязи доминирующих факторов каждого технологического передела (предварительная подготовка сырья, формование, сушка, обжиг).

В качестве исследуемых сырьевых материалов были выбраны лессовидный суглинок Чаганского месторождения Западно-Казахстанской области как основное глинистое сырье, а для создания композиционной механоактивированной добавки выбран доменный гранулированный шлак и уголь. Для достижения поставленной задачи сначала сырьевые материалы дозировали согласно матрице планирования эксперимента, подготовка композиционной добавки доменный гранулированный шлак - уголь подвергали механической активации путем совместного помола в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности 1500-2000 см²/г.

Для установления функциональных зависимостей свойств образцов от состава с целью их оптимизации использовали математический метод планирования.

Основные факторы варьирования исследуемых факторов в керамической композиции: лессовидный суглинок - композиционная добавка (доменный гранулированный шлак - уголь) приведены в таблице 4 и на рисунке 3.

Таблица 4 - Основные факторы варьирования исследуемых факторов в керамической композиции

Наименование исследуемых факторов	Код	Уровни варьирования
		-1,41	-1	0	+1	+1,41
Содержание суглинка, мас.%	Х1	95,0	90,0	85,0	75,0	65,0
Содержание композиционной механактивированной добавки, %	Х2	5,0	10,0	15,0	25,0	35,0

Реализация рототабельного плана второго порядка для двух переменных позволила получить математическую модель зависимости свойств от состава в виде полного квадратного уравнения:

W₉₅₀- Водопоглошение

W₉₅₀=9,572+0,121Х+0,157У-4,195е-4Х²-0,005ХУ-3.439е-4У²

Z_R950 - Прочность

Z_R=12.649+0,006х+0,14у-2,682е-4Х²+0,004ХУ-0,007У²

R_p950- Плотность

R_p=1635.78+2,686х-10,671у+0,003Х²-0,003ХУ+0,13У²

Анализ изменения исследуемых свойств образцов от содержания композиционной добавки позволил оптимизировать составы керамической массы. За оптимальные составы керамической композиции принимали смеси обладающие высокими показателями исследуемых свойств. Этим требованиям соответствуют составы керамической массы, находящиеся в области, ограниченной следующими предельными концентрациями компонентов, мас %: лессовидный суглинок 80,0-85,0; механоактивированная композиционная добавка 15,0-20,0. Как показывают результаты исследования, с повышением содержания механоактивированного гранулированного доменного шлака и угля за счет уменьшения содержания лессовидного суглинка наблюдается увеличение прочности при сжатии и изгибе, а также морозостойкости. При этом чем больше удельная поверхность молотой композиции, тем выше показатели указанных исследуемых свойств. Например, увеличение прочности при сжатии и изгибе с изменением удельной поверхности от 800 до 2000см²/г составляет от 10,1до 17,2МПа и от 2,8 до 5,1МПа соответственно. Следует отметить, что увеличение прочности при сжатии и изгибе в целом составляет более 50 %. С увеличением удельной поверхности композиционной смеси наблюдается существенное увеличение морозостойкости. Сравнительный анализ изменения этих свойств по сравнению с образцами на основе чистых суглинков общее показал, что увеличение прочности при сжатии составляет 60%, при изгибе 80%, а увеличение морозостойкости составляет от 15 циклов до 50 циклов, т.е. в среднем в 3,5 раза.

а) - водопоглощение; б) - прочность;

в) - средняя плотность

Рисунок 3 - Изменение физико-механических свойств образцов, обожженных при 950 ^ОС в зависимости от состава композиции

Что касается изменений средней плотности, то несмотря на то, что увеличивается удельная поверхность вводимой композиционной добавки, предполагающая повышение средней плотности образцов из-за увеличения плотности упаковки сырьевой системы в целом, наблюдается существенное снижение показателей средней плотности термообработанных образцов на основе исследуемой керамической композиции. Снижение средней плотности по сравнению с показателями средней плотности образцов на основе чистых суглинков составляет от 1850 до 1710 кг/м³, что составляет около 8%, то есть масса 1м³ изделия на основе исследуемых образцов легче сравниваемых на 120-140 кг.

Это подтверждается и снижением массы полнотелого кирпича от 4,3 до 3,2 кг. Увеличение удельной поверхности вводимой комплексной добавки способствовало также повышению показателей водостойкости по сравнению с образцами на основе чистых суглинков от 0,7 до 0,92. А сравнение изменения показателей водопоглощения показывает, что повышение удельной поверхности композиции приводит к незначительному снижению их показателей и находится в пределах 13,8-13,1%.

Широкий спектр изменений физико-механических свойств исследуемой керамической композиции с введением тонкомолотых композиционных добавок по сравнению со свойствами образцов на основе чистых суглинков свидетельствует о сложных структурных изменениях и преобразованиях в пробах.

Поэтому детальное их исследование представляет научно-практический интерес с точки зрения разработки оптимальных соотношений сырьевых компонентов, создания эффективных технологических приемов на стадиях подготовки сырья, перемешивания и формования. Это также необходимо для выбора рациональных режимов сушки и термообработки, достижения необходимых технологических условий образования кристаллических и минеральных фаз, обеспечивающих получение стеновой керамики с требуемыми эксплуатационными свойствами и низкими энергетическими затратами.

Сравнение микроструктур образцов на основе чистых суглинков и композиции с добавлением механоактивированного доменного гранулированного шлака и угля показало кардинальные различия их структуры. Как показывают электронные снимки, микроструктура образцов на основе чистых суглинков представлена в основном спеченными частицами глинистых минералов.

По результатам рентгенофазового анализа в пробе наблюдаются рефлексы таких минералов, как кварц d/n=4,23; 3,34;1,974;1,813; 1,538*10^-10м, полевой шпат d/n=3,18; 2,286*10^-10м, кальцит d/n=3,02; 2,018; 1,912*10ⁿ и гематит d/n=1,839; 1,686; 1,590*10^-10м..

В минерально-фазовом составе нет резких изменений. Термообработанные образцы даже до 1000^оС хорошо поляризуют свет и сохраняют свое первоначальное микроскопическое строение, то есть образование новых кристаллических соединений не наблюдается за исключением соединений, окрашивающих обожженную массу в красный цвет.

Комплексный и сравнительный анализ микроструктуры, изменения и распределения основных силикатообразующих химических элементов в керамических массах показывает, что введение механоактивированных композиционных добавок в виде доменного гранулированного шлака и угля с различными удельными поверхностями (800-1500-2000 см²/г) приводит к значительному общему изменению морфологии микроструктуры керамического черепка. Подтверждение этому - электронные снимки, выполненные в различных увеличениях, как чистого суглинка, так и керамической композиции с добавкой тонкомолотого доменного гранулированного шлака и угля.

Микроструктура керамического черепка с механоактивированными композиционными добавками существенно отличается по взаиморасположению глинистых агрегатов и микрочастиц дисперсных композиционных добавок. Как показывают электронные микроснимки (рисунок 4), тонкодисперсные частицы равномерно обволакивают более крупные частицы лессовидного суглинка и характеризуются более плотным взаиморасположением разнородных частиц.

При этом следует отметить, что вся структура керамического черепка покрыта микропорами, особенно в местах соединения тонкодисперсных добавок с глинистыми частицами. Это свидетельствует о том, что присутствие механоактивированных композиционных добавок из доменного гранулированного шлака и угля способствует существенному увеличению степени пористости исследуемой пробы.



Рисунок 4 - Микроструктура керамического черепка на основе лессовидного суглинка с механоактивированной композиционной добавкой (х2000)

Более детальный анализ микроструктуры позволил заключить, что в увеличении степени пористости керамических образцов ведущую роль играет содержание не только тонкомолотого угля, но и самого доменного гранулированного шлака. Подтверждение этому - изучение макро- и микроструктуры доменного гранулированного шлака. Дело в том, что частицы доменного гранулированного шлака в естественном виде пронизаны микро и макропорами. Причем микропористость шлака сохраняется даже в тонких частицах после помола, что подтверждается данными электронной микроскопии.

Детальный анализ полученных результатов дает основание утверждать, что именно этот факт обеспечивает сравнительно низкие показатели средней плотности термообработанных образцов, несмотря на значительный удельный вес составляющих компонентов.

4. Исследование и разработка технологических параметров производства керамического кирпича, модифицированного композиционными добавками

Показатели упаковки пресспорошков значительно изменяются в зависимости от их влажности. Она оказывает определенное влияние, как на технологические процессы, так и на свойства полуфабриката.

Поэтому с целью определения оптимальной формовочной влажности для сырьевых смесей системы изучалось влияние влажности на сырцовую прочность полуфабриката, отформованного при фиксированном давлении прессования. Давление прессования для рассматриваемых систем составило 17 МПа, что не расходится с показателями прессового усилия, принятыми на действующих заводах.

Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунке 5.

а) б)

а) при влажности 10%; б) при влажности 7%

Рисунок 5 - Зависимость сырцовой прочности от состава керамической композиции

Повышение влажности более 10% приводит к постепенному снижению прочности сырца. Одним из основных факторов, обеспечивающих требуемую сырцовую прочность, является сырьевой состав керамических масс и оптимальное удельное давление прессование.

Актуальность данного вопроса возрастает при использовании много- компонентных керамических композиций с разнородными характеристиками сырьевых материалов. Для проведения экспериментальных работ по определению оптимального давления прессования для исследуемых керамических масс были отформованы образцы кубы (5х5х5 см) при различных давлениях прессования (8, 13,18 МПа).

При давлении прессования свыше 18 МПа на образцах на основе чистого суглинка наблюдались упругие деформации и появление трещин. Почти у всех образцов, отформованных при этом давлении, отмечаются высокие значения сырцовой прочности.

Таким образом, во всех композиционных составах с увеличением давления прессования увеличивается сырцовая прочность образцов.

Экспериментальные данные подтверждает возможность получения качественного полуфабриката на основе исследуемых составов керамических композиций при давлении прессования 15 - 20 МПа.

Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены на рисунке 6

а) б)

а - 13,0 МПа; б - 18,0 МПа

Рисунок 6 - Зависимость сырцовой прочности от состава керамических композиций при давлении прессования

Оптимальную температуру обжига изделий и продолжительность выдержки определяли по однородности спекания в изломе изделий и соотношению кристаллических и стеклофаз, обеспечивающих требуемые показатели физико-механических свойств готового продукта.

Для достижения однородности спеков изделий продолжительность выдержки составила 2 ч.

Режим охлаждения изделий подбирали экспериментальным путем. Оптимальная скорость охлаждения составила 2-2,2 ⁰С в мин. При этом полученные изделия не имели трещин и обладали высокими механическими свойствами.

Таким образом, для изделий на основе исследуемых керамических композиции установлены следующие параметры обжига: максимальная температура обжига 950 ⁰С; средняя скорость нагрева сырца 50 ⁰С/ч; продолжительность цикла - 26 ч.

5. Опытно-промышленное испытание и освоение технологии производства керамического кирпича полусухого прессования с использованием лессовидных суглинков и механоактивированных композиционных добавок и технико-экономическая эффективность

Исследование технологических параметров позволило разработать технологию получения керамического кирпича из исследуемой керамической композиции (рисунок 8).

Опытно-промышленные испытания проведены в производственных условиях в ТОО «Building Materials Company» (г. Уральск, ЗКО). Выпущены промышленные партии кирпичей в количестве 10 тыс. шт.

Технологическая схема производства керамического кирпича на основе предлагаемой сырьевой композиций

Обожженные кирпичи имели четкие грани, гладкую поверхность и обладали соответствующей цветовой гаммой. Физико-механические свойства полученных и заводских изделий представлены в таблице 5

Таблица 5 - Сравнительные показатели керамического кирпича по заводской технологии и на основе предлагаемой сырьевой композиции согласно разработанным технологическим режимам

Показатели	Ед. изм.	Заводская технология	Керамический кирпич с использованием механоактивированных композиционных добавок
			удельная поверхность см2/г
			800	1500	2000
Температура обжига	є С	1030	950	950	950
Предел прочности при: сжатии	МПа	9-11	10,1-11,2	12,-14,1	15,3-17,2
изгибе	МПа	1,9	2,8-3,1	3,4-3,5	4,2-5,1
Морозостойкость	циклы	15	более 25	более 30	более 50
Средняя плотность	кг/м3	1810	1760	1650	1680
Масса полнотелого кирпича	кг	4,3	3,8	3,2	3,5
Коэффициент водостойкости		0,7	0,87	0,89	0,92
Водопоглощение	%	13,8	13,6	13,2	13,1
Расход топлива на 1000 шт. кирпича	кг	150	120	119	118

Согласно ГОСТ 530-2007 "Кирпич и камни керамические", изделия соответствуют маркам М125 и М150. Разработанная технология и составы керамических масс на основе лессовидных суглинков, модифицированных механоактивированными композиционными добавками, позволяют повысить прочность кирпича, снизить среднюю плотность за счет увеличения микропористости, сократить продолжительность обжига и экономить топливо на 30 - 35 %.

Экономически эффект от внедрения предлагаемой технологии составляет 39 390 680 тенге в год при производительности завода 28 млн. шт. усл. кирпича в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С учетом физико-механических и химико-минералогических характеристик выбрана сырьевая композиция - лессовидный суглинок-механоактивированная композиционная добавка, включающая доменный гранулированный металлургический шлак и уголь, с целью создания технологии качественной стеновой керамики по способу полусухого прессования.

2. С применением метода математического планирования проведены комплексные экспериментальные исследования исследуемой сырьевой композиции с учетом доминирующих факторов каждого технологического передела. По результатам экспериментальных исследований оптимизированы составы сырьевых компонентов, содержащих механоактивированные композиционные добавки.

3. Выявлены основные закономерности изменения физико-механических свойств при различных соотношениях керамических композиций до и после термообработки. До термической обработки установлены зависимости изменения коэффициента чувствительности к сушке, сырцовой прочности, воздушной усадки и средней плотности отформованных образцов. Кроме того, исследовано влияние влажности и давления прессования на указанные свойства.

4. Экспериментально установлена зависимость степени уплотнения и сырцовой прочности керамических композиций от давления прессования. Для обеспечения необходимой степени уплотнения и сырцовой прочности изделий без существенных деформаций структурных элементов прессование должно осуществляется при давлении 15-20 МПа.

5. Экспериментально установлены оптимальные значения формовочной влажности. В рассматриваемой сырьевой смеси с механоактивированной композиционной добавкой формовочная влажность должна составлять 8-10%, при которой масса не подвергается отрицательному влиянию недостатка и избытка влаги.

6. На стадии термообработки в исследуемой керамической массе с механоактивированной композиционной добавкой установлены изменения таких свойств, как огневая усадка, прочность при сжатии и изгибе, средняя плотность и водопоглощение образцов в интервале температур обжига 800 - 950⁰С. При этом выявлены сложные зависимости указанных свойств по системе «температура - состав - свойства».

7. Исследованиями макро- и микроструктуры керамических композиций установлено, что вся структура керамического черепка покрыта микропорами, особенно в местах соединения тонкодисперсных механоактивированных композиционных добавок с глинистыми частицами. Это свидетельствует о том, что присутствие тонкодисперсных композиционных добавок из доменного гранулированного шлака и угля способствует существенному увеличению степени пористости исследуемой пробы. Более детальный анализ микроструктуры позволил заключить, что в увеличении степени пористости керамических образцов ведущую роль играет не только содержание тонкомолотой составляющей угля, но и самого доменного гранулированного шлака, имеющего пористую структуру по технологическому происхождению.

8. Анализ изменения химико-минералогического состава исследуемой керамической массы с механоактивированной композиционной добавкой в процессе термообработки указывает на появление новых алюмосиликатных кристаллических фаз и кальциевых соединении сложного состава. В керамическом черепке, кроме минералов, содержащихся в суглинках, стабильно присутствуют минералы волластонита, анортита и кристаллические соединения, включающие SiO₂ и СаО. В результате образцы керамики на основе керамической композиции лессовидный суглинок-механоактивированная композиционая добавка отличаются не только высокими прочностными показателями и морозостойкостью, но и пористой структурой, способствующей снижению средней плотности и обеспечивающей требуемые теплофизические свойства готовой продукции.

9. Предложены новые технологические приемы для получения лицевой стеновой керамики, отличающиеся тем, что в качестве глинистой породы используют суглинок совместно с доменным гранулированным шлаком, часть которого предварительно подготовлена механоактивацией гранулированного доменного шлака и угля в соотношении 1 : 0,2 до удельной поверхности 1500 - 2000 см²/г при этом суглинок отдельно предварительно измельчают с помощью вальцов тонкого помола и смешивают с сухой смесью молотого доменного гранулированного шлака и угля. Затем производится совместное смешивание керамической композиции с добавлением воды до формовочной влажности с последующей формовкой полусухим прессованием и обжигом без предварительной сушки (Инновационный патент РК № 22039 ).

10. Результаты исследований подтверждены в производственных условиях в ТОО «Building Materials Company» г. Уральск, ЗКО. Экономически эффект от внедрения предлагаемой технологии составляет 39 390 680 тенге в год при производительности завода 28 млн. штук условного лицевого кирпича в год.

Оценка полноты решения поставленных задач. Поставленная цель и задачи, включающие разработку энерго- и ресурсосберегающей технологии стеновой керамики на основе лессовидного суглинка с применением механоактивированной композиционной добавки, исследование по определению оптимальных технологических режимов, установление основных закономерностей структурообразования и проведение опытно-промышленных испытаний на базе действующего завода характеризуются полнотой решения означенной проблемы.

Разработка рекомендаций исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты рекомендуется применять при проектировании новых заводов или цехов для производства эффективной и качественной стеновой керамики, используемой, для возведения несущих и ограждающих элементов конструкций промышленных, гражданских, сельскохозяйственных и других зданий и сооружений.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 39 млн.тенге при производстве 28 млн. шт. усл. кирпича в год.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Предлагаемая работа по научно-практической значимости соответствует современному научно-техническому уровню в области разработки инновационных, энерго- и ресурсосберегающих технологий стеновой керамики с улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами по сравнению с существующими технологиями.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Монтаев С.А., Шакешев Б.Т., Нариков К.А., Адилова Н.Б. Исследование фазовых превращений в сырьевой композиции для получения стенового материала с пористой структурой // ПЕНОБЕТОН-2007: материалы Междунар. конф. - Санкт-Петербург: ПГУПС, 2007. - С. 71 - 75.

2 Монтаев С.А., Нариков К.А., Адилова Н.Б. Использование волластонитсодержащей композиционной добавки в составе керамических масс на основе лессовидного суглинка // Проблемы архитектуры и строительства в современном мире: образование, наука, производство: материалы Междунар. конф. - Алматы: КазГАСА, 2007. - С. 171 - 173.

3 Монтаев С.А., Нариков К.А. Шакешев Б.Т Разработка технологических параметров производства стеновой керамики полусухого прессования на стадии формования с учетом гранулометрического состава сырьевых композиции // Экономическое, социальное и культурное развитие Западного Казахстана: история и современность: материалы Междунар. конф. - Уральск: ЗКАТУ им.Жангир хана, 2008.-С. 498 - 499.

4 Монтаев С.А., Нариков К.А., Монтаева Н.С., Монтаев А.С Комплексное использование суглинка Западно-Казахстанского месторождения в композиции с гранулированным шлаком // «Жаратылыстануды? ?зекті проблемалары; оларды шешуді? жолдары мен перспективалары»: Халы?аралы? ?ылыми-практикалы? конференциясыны? материалдары.- А?т?бе, 2009.- 78-79 бет.

5 Монтаев С.А., Нариков К.А. Монтаев Н.С. Стеновая керамика на основе композиции суглинок - доменный гранулированный шлак - уголь // Вестник НИИстромпроекта.- Алматы, 2009. -№3-4 (16). - С. 28-31

6 Монтаев С.А., Нариков К.А., Монтаева Н.С. Использование механоактивированных комплексных добавок для производства лицевой стеновой керамики полусухого прессования // Вестник НИИстромпроекта. - Алматы, 2008. -№3-4 (19). - С.29-31.

7 Инновационный пат. 22039 РК. Способ изготовления строительного кирпича / Монтаев С.А., Нариков К.А., Адилова Н.Б., Шакешев Б.Т., Монтаева Н.С. Монтаева А.С..; опубл. 26.10.2009, Бюл.№1.-2с.

Размещено на Allbest.ru

...