Исследование влияния составов шихт на обжиговые свойства строительного кирпича

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный университет»

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследование влияния составов шихт на обжиговые свойства строительного кирпича

Биче-Оол Начын-Оол Михайлович

Санкт-Петербург 2007

Работа выполнена на кафедре строительных материалов

Санкт-Петербургского государственного

архитектурно-строительного университета.

Научный руководитель:кандидат технических наук, профессор Зверев Виктор Борисович

Официальные оппоненты:доктор химических наук, профессор Федоров Николай Федорович

кандидат технических наук, доцент Гончарова Ирина Викторовна

Ведущая организация:Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения

Защита состоится ”23” апреля 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 198005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» (www. spbgasu. ru).

Автореферат разослан «23» марта 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Бадьин Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Кирпич, как стеновой материал, занимает доминирующее положение благодаря долговечности возводимых из него зданий и их архитектурной выразительности, а также комфортности жилья. По эталону комфортности зданий стена из керамического кирпича уступает только стене из деревянного бруса. Если судить об этих материалах по их прочности, водопоглощению, огнестойкости, биостойкости, то керамический кирпич является наиболее безопасным и долговечным материалом.

Все перечисленные свойства керамика приобретает в процессе обжига. В настоящее время из-за дефицита пластичных глин на многих заводах трудно наладить производство высококачественного материала, что объясняется следующими основными факторами:

- существующие лабораторные методики по определению термических свойств изделия не полностью отражают реальную модель процесса обжига керамического кирпича;

- низкое качество сырья не позволяет производить высококачественный керамический кирпич во многих регионах РФ;

- большинство печей для обжига на предприятиях керамической промышленности нуждаются в техническом перевооружении или полной реконструкции.

Целью диссертационной работы является обеспечение спекания керамического кирпича и устранение деформационного брака в процессе обжига путем рационального подбора состава шихт для получения высококачественного материала.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

изучить основные факторы, приводящие к деформации керамического кирпича в процессе обжига;

обосновать и выявить критерии оценки для определения максимально допустимой температуры обжига (температуры деформации) керамического кирпича;

разработать методику экспериментального определения температуры деформации керамического кирпича в лабораторных условиях;

исследовать влияние гранулометрического и химического составов керамических образцов на физико-механические свойства при температуре деформации; обжиг кирпич деформация шихта

изучить особенности формирования структуры керамических масс стандартными и специальными методами;

разработать метод расчетного определения температуры деформации для керамического кирпича на основе теоретических и экспериментальных данных.

Научная новизна диссертационной работы:

разработана методика экспериментального определения температуры деформации керамического кирпича и апробирована в лабораторных и промышленных условиях;

исследовано влияние состава керамических шихт на термопластическую деформацию кирпича в процессе обжига;

предложен и апробирован метод расчетного определения температуры деформации в зависимости от исходных характеристик сырья;

установлено, что методика определения максимально допустимой температуры обжига (по водопоглощению) стеновой керамики по ГОСТ 21216.11-93 не актуальна в производственных условиях.

Практическая ценность работы

Разработана методика, позволяющая:

экспериментальным и расчетным путем определить температуру деформации изделий и сократить количество брака в производстве;

Определить оптимальную рабочую высоту печного агрегата при проектировании новых керамических заводов;

Установить оптимальную структуру садки керамических изделий исключающих возможность деформации изделия в процессе обжига.

На защиту выносятся:

метод экспериментального определения температуры деформации керамического кирпича, учитывающий нагрузку от садки;

исследование взаимосвязи термических и физико-механических характеристик керамических образцов от химического и гранулометрического составов шихт;

результаты исследований термических свойств керамических образцов различных составов стандартными и специальными методиками;

метод расчетного определения температуры деформации керамического кирпича, учитывающий химический и гранулометрический составы сырья;

результаты опытно-промышленных испытаний керамического кирпича, изготовленных по предложенной методике.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием различного сырья, большим объемом экспериментальных данных, хорошим соответствием результатов, полученных в лаборатории и в опытно-промышленных условиях, применением современных методов физико-химических исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Международной научно-технической конференции «Реконструкция Санкт-Петербург - 2003», Санкт-Петербург, 2002;

Международных 59,60,61 научно-технических конференциях молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства», Санкт-Петербург, 2002;

Международных 55, 56, 57 научных конференциях профессоров преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ Санкт-Петербург, 2002, 2003, 2004 г.

Публикации

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 8 научных статьях, получен патент на изобретение Российской Федерации.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 27 рисунков и список литературы, включающий 114 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

Первая глава посвящена обзору совершенствования технологии обжига и теоретическому обоснованию физико-механических свойств кирпича в процессе обжига.

Наиболее значимую роль для получения высококачественного материала имеют два основных фактора. К первому фактору относится внешнее воздействие на керамический материал - температура и нагрузка садки на кирпич. Последняя главным образом зависит от высоты печных агрегатов.

В настоящее время печные агрегаты для производства керамического кирпича, построенные еще в советское время по унифицированным проектам, имеют существенный недостаток - большая высота обжигательного канала печи. Садка керамической заготовки по высоте подвергается неравномерной температурной обработкой при такой высоте печного канала. Более того, нижние ряды садки испытывают существенную нагрузку от вышеуложенных кирпичей, и в процессе обжига деформируются при температурах более низких, чем температура, которая обеспечивает нормируемое для керамического кирпича водопоглощение.

В России, выпуск высококачественной стеновой керамики на отечественном оборудовании освоили лишь несколько кирпичных заводов, которые используют качественное сырье. При этом некоторые заводы переходят уже на импортное оборудование. Опыт ряда европейских стран говорит о том, что основная задача при проектировании печных агрегатов состоит в правильном понимании термических характеристик сырья. Об этом же говорит и тот факт, что в европейских странах наметилась тенденция строительства широких печей с низкой высотой обжигательного канала. В таких печах можно получать качественный кирпич из различного по составу и свойствам сырья.

Последнее время очень много внимания уделяется оборудованию для производства керамических изделий и в то же время оставляется несколько в стороне вопрос качества исходного сырья от которого во многом зависит качество изделий и именно это является вторым основным фактором.

Анализ литературы показывает, что существует большое количество попутных продуктов промышленности интенсифицирующих спекание керамического материала. Так в исследованиях Боженова П.И., Лемишева В.Г., Лешиной В.А. и др. доказана эффективность введения плавней в неспекающиеся глины и суглинки с целью получения качественного керамического материала.

Известны научные труды (Прокофьева В.В., Драбан А.З., Залыгина О.С., Паничев, А.Ю. и др.) посвященные введению высокодисперсных добавок для улучшения термических и физико-механических свойств керамического материала.

Практика использования попутных продуктов пока опережает теорию их применения. Вместе с тем, исследователи приходят к самым разнообразным заключениям об эффективности и механизме действия корректирующих добавок, и, как следствие, их выбор на практике сводится к эмпирическому подбору.

Теория спекания керамики описана в трудах известных ученых (Будников, П.П., Гегузин Я.Е., Кингери, У.Д. и др.), где и определены основные факторы, влияющие на спекание черепка. Сформулированы основные критерии оценки и методы определения степени спекания керамических материалов. Регламентируемые в ГОСТах методы определения температуры обжига кирпича в лабораторных условиях по цвету, по изменению величин плотности, пористости и водопоглощения не дают полной информации, чтобы использовать их в производственных условиях. В месте с тем отсутствуют методы определения деформационных свойств керамического кирпича в процессе обжига.

Отсюда вытекает рабочая гипотеза настоящей диссертационной работы. Она состоит в разработке экспериментального метода, который позволит определить температуру деформации кирпича с учетом нагрузки, близкую к реальному обжигу. Такой метод позволит исследовать взаимосвязь исходных характеристик сырья для керамического кирпича, температуры и нагрузки, и их влияния на деформационные свойства в лабораторных условиях.

Во второй главе приведены основные характеристики используемого сырья и добавок, а также описаны методики и оборудование для проведения экспериментальных исследований.

В работе использовалось глинистое сырье различных месторождений, отличающиеся по технологическим характеристикам, химическому и гранулометрическому составам: пластичная кембрийская и пылеватая красноярская глины и легкий бий-хемский суглинок.

Кроме того, для регулирования термических свойств керамического материала в работе использовались следующие добавки: попутные продукты кобальтового обогащения (ППКО), зола ТЭС, бой оконного стекла и вскрышные скальные породы Хибинского массива (нефелин). Использованное сырье имеет разнообразный химический и гранулометрический составы (табл. 1 и 2), что дает возможность в широких пределах варьировать составы исследуемых керамических масс.

Таблица 1

Химический состав сырья

Наименование	Содержание окислов, % по массе
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	п.п.п.	?
бий-хемский суглинок	62,72	14,29	4,73	2,92	1,73	1,03	0,74	3,47	91,71
кембрийская глина	61,5	18,03	4,76	0,3	2,57	5,32	0,16	4,73	99,73
красноярская глина	56,63	15,2	6,3	5,78	2,85	1,08	1,25	8,35	99,34
бой оконного стекла	70,28	0,2	3,51	7,12	2,06	0,55	16,28	-	100
зола Кызылской ТЭС	47,21	0,2	3,51	5,96	2,12	0,56	0,57	17,25	99,24
нефелин -сиенит	43,80	21,60	6,40	5,0	1,25	6,46	13,7	0,32	98,53
ППКО	32,72	9,33	10,0	15,47	12,01	1,16	1,16	17,81	99,66

Таблица 2

Гранулометрический состав сырья

Наименование	Весовое содержание частиц, %
	1.0 - 0.5	0.5 - 0.25	0.25 - 0.1	0.1 - 0.05	0.05 - 0.01	0.01 - 0.005	< 0.005
кембрийская глина	0,8	2	0,2	10,3	12	19,4	55,3	100
красноярская глина	1	4,2	9,2	14,5	17,4	33,5	20,2	100
бий-хемский суглинок	0	0,8	3,4	63,2	9,6	15	8	100
ППКО	0	2,52	21,84	15,64	25,6	32,4	2	100
зола ТЭС	0,5	3,8	19,7	20,1	36,6	18,2	1,1	100
нефелин	0,2	12,7	59,1	12,8	12,1	3	0,1	100
бой оконного стекла	0	0	0	0	100	0	0	100

При определении термических свойств керамических образцов применялись стандартные и специальные методы. Для изучения кинетики спекания измерялась электропроводность керамических образцов. Общее количество стекловидной фазы керамических составов определялось на тонких прозрачных шлифах на стеклянной основе и измельченных порошках тех же составов.

Дополнительно для исследования влияния добавок на формирование структуры керамических образцов определялось пористость на полированных шлифах, которые подвергались микроскопическому анализу и фиксировались фотографиями с применением компьютерного анализа «ВидеоТест».

Исследование кинетики деформации обжигаемых материалов проводились по разработанной автором методике по измерению кажущейся вязкости керамических образцов в процессе обжига.

Пластическая деформация нижних рядов садки происходит за счет снижения кажущейся вязкости керамического изделия под действием высокой температуры при постоянной нагрузке. Тогда, зная нагрузку F (в частности параметры садки) и допустимые отклонения h от стандартных размеров (деформация), можно найти при какой кажущейся вязкости (требуемой) керамического образца произойдет деформация за счет нагрузки. Следовательно, требуемую кажущуюся вязкость, при которой кирпич начинает деформироваться можно определить по формуле:

(1)

где: - кажущаяся вязкость керамической массы, Пасек;

h - деформация изделия, см;

F - нагрузка, кг;

h - высота изделия, см;

- время приложения нагрузки, сек.;

q - площадь поперечного сечения изделия, см2.

Вязкость определялась по изменению во времени величины прогиба балочки размерами 100Ч10Ч5 мм, установленной в электрической силитовой печи на двух опорах с расстоянием между ними 80 мм при сосредоточенной нагрузке в центре пролета. Величину прогиба замеряли теодолитом, установленным в 1,5 м от печи через щель в дверце печи при температурах 850, 900, 950, 1000, 1050, и 1100°С (рис. 1.).

Экспериментальную кажущуюся вязкость, рассчитывали по формуле Н.В. Соломина [81]:

(2)

где: з0 - вязкость керамической массы, Пасек;

F - нагрузка, (г);

l - расстояние между опорами, (см);

- время, (сек);

b - ширина сечения испытуемой балочки, (см);

h - высота сечения испытуемой балочки, (см);

f - стрела прогиба (деформация), (см).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис.1. Схема испытуемой балочки на двух опорах и ее поперечное сечение.

F - изгибающая нагрузка, (г); L - расстояние между опорами, (см); f - стрела прогиба, (см); b - ширина поперечного сечения образца, (см); h - высота поперечного сечения образца, (см).

Далее по экспериментально найденным данным строился график зависимости кажущейся вязкости от температуры.

В третьей главе приводятся результаты экспериментов деформационных свойств керамических образцов в процессе обжига. Исследованы степень спекания и физико-механические свойства различных керамических масс до температуры деформации. Выявлены основные закономерности формирования структуры керамического образца специальными методами.

Сравнительные результаты экспериментов стандартной и разработанной методик по определению максимально допустимой температуры обжига подтверждает рабочую гипотезу настоящей диссертации. Температура деформации кирпича определенная по разработанному методу красноярской глины и бий-хемского суглинка происходит при более низких температурах, чем температура, которая обеспечивает наименьшее водопоглощение, регламентируемое ГОСТом (рис. 2 и 3). На рисунках показана максимально допустимая температура по разработанной и стандартной методикам кембрийской, красноярской глин и бий-хемского суглинка.



Рис. 2 Температура деформации. Рис. 3. Температура обжига по ГОСТ.

1 - бий-хемский суглинок, 2 - красноярская глина, 3 - кембрийская глина

С другой стороны, пользуясь той же формулой (1) и теми же графиками (рис.2 и 3) можно подобрать предельную нагрузку на изделие и довести обжиг до той температуры, при которой обеспечивается высокая степень спекания. Например, для кембрийской и красноярской глин допустимая температура обжига по ГОСТу соответствует 985 и 1080 С. Следовательно при этих температурах кажущаяся вязкость изделий равны 7109 и 4108 Пасек соответственно. Тогда допустимая масса садки для кирпича из кембрийской и красноярской глин будут равняться:

для кембрийской глины: (3)

для красноярской глины: (4)

Полученные на данном примере результаты показывают, что кирпич из кембрийской глины при температуре 985 С можно обжигать в печах высотой до 2,1 м, не опасаясь его возможной деформации. Керамический кирпич из красноярской глины можно обжигать до температуры 1035 С (водопоглощение 16,5 %) без деформационных дефектов. В случае если необходимо получить керамический кирпич из красноярской глины с водопоглощением до 7 % то следует вести обжиг их только в роликовых печах, в один ряд кирпича по высоте, что не реально в практических условиях.

Сравнительные результаты по определению допустимой температуры обжига керамических образцов содержащих различные добавки представлены в таблице 3 (7 %-ое водопоглощение взято, как среднее значение водопоглощения пустотелого и полнотелого кирпича).

Таблица 3

Максимально допустимая температура обжига по стандартной и разработанной методикам

Состав керамических масс	Максимально допустимая температура обжига, С	Разница температур по ГОСТу и предложенной методике, С
	По ГОСТу (при W = 7.0 %)	По предложенной методике
1	2	3	5
кембрийская глина	985	1000	-15
кембрийская глина + 10 % золы ТЭС	1000	1000	0
кембрийская глина + 20 % золы ТЭС	1040	1010	30
кембрийская глина + 30 % золы ТЭС	1060	1015	45
кембрийская глина + 10 % ППКО	1020	1005	15
кембрийская глина + 20 % ППКО	1025	1010	15
кембрийская глина + 30 % ППКО	1060	1010	15
кембрийская глина + 10 % нефелина	980	1000	-20
кембрийская глина + 20 % нефелина	970	990	-20
кембрийская глина + 30 % нефелина	950	980	-30
кембрийская глина + 10 % стеклобоя	980	1000	-20
1	2	3	4
кембрийская глина + 20 % стеклобоя	960	990	-30
кембрийская глина + 30 % стеклобоя	930	980	-50
красноярская глина	1080	1035	45
красноярская глина + 10 % ППКО	1080	1035	45
красноярская глина + 20 % ППКО	1060	1040	20
красноярская глина + 10 % нефелина	1060	1020	40
красноярская глина + 20 % нефелина	1050	1010	40
красноярская глина + 30 % нефелина	1030	1000	30
красноярская глина + 10 % стеклобоя	1050	1030	20
красноярская глина + 20 % стеклобоя	1040	1020	20
красноярская глина + 30 % стеклобоя	1030	1005	25
бий-хемский суглинок	неспек	1080	-
бий-хемский суглинок + 10 % золы ТЭС	неспек	1080	-
бий-хемский суглинок + 20 % золы ТЭС	неспек	1075	-
бий-хемский суглинок + 10 % ППКО	неспек	1080	-
бий-хемский суглинок + 20 % ППКО	неспек	1070	-
бий-хемский суглинок + 30 % ППКО	неспек	1065	-
бий-хемский суглинок + 10 % нефелина	неспек	1050	-
бий-хемский суглинок + 20 % нефелина	неспек	1030	-
бий-хемский суглинок + 30 % нефелина	1090	1015	75
бий-хемский суглинок + 10 % стеклобоя	неспек	1060	-
бий-хемский суглинок + 20 % стеклобоя	1080	1030	50
бий-хемский суглинок + 30 % стеклобоя	1070	1020	50

Как видно из таблицы 3 разница максимально допустимых температур по стандартной и разработанной методикам сильно отличаются. Почти треть исследованных керамических масс по стандартной методике являются сырьем не спекающимся, поэтому в производственных условиях трудно определить режим обжига. А более чем 80 % исследованных масс деформируются до температуры, которая обеспечивает 7 %-ое водопоглощение.

Достоинством разработанной методики является то, что учитываются параметры садки (нагрузка на нижние ряды садки) и максимально допустимая температура определяется в цифровом значении уже в лабораторных условиях.

В связи с этим в дальнейших исследованиях за температуру обжига принята температура деформации керамического кирпича, и результаты физико-механических характеристик исследовались именно при температуре деформации.

Исследование влияния исходных характеристик сырья при температуре деформации на степень спекания керамических образцов, содержащих различные добавки показывают повышение прочностных свойств у керамических масс в составах, где превалирует глинистая фракция. При этом эти составы приобретают высокую степень спекания до температуры деформации.

В связи с этим в дальнейших исследованиях кембрийскую глину использовали в качестве высокодисперсной добавки для выявления основных закономерностей формирования структуры керамического кирпича.

Комплексное введение плавня и высокодисперсной добавки в красноярскую глину обеспечивает 7 % водопоглощение уже при 1000 єС (рис.4. кривая 3).

Рис. 4. Водопоглощение образцов на Рис. 5. Водопоглощение образцов на основе красноярской глины основе бий-хемского суглинка

1 - образцы без добавок, 2 - 20 % нефелина, 3 - 20 % нефелина и 30 % кембрийской глины

Образцы на основе чистой красноярской глины и с добавкой 20 % нефелина такое же водопоглощение приобретают только при температурах выше 1080 и 1050 С соответственно.

Аналогичный эффект получается при введении в бий-хемский суглинок 20 % нефелина, что уменьшает водопоглощение до 16,2 % при температуре деформации равной 1030 єС (рис. 5). При комплексной добавке 30 % кембрийской глины и 20 % нефелина в бий-хемский суглинок водопоглощение образца уменьшается до 10 %, при этом температура деформации остается равной 1030 єС, что позволяет расширить интервал бездефектного обжига.

В таблице 4 приведены физико-механические характеристики образцов содержащих плавень и высокодисперсную добавку при температуре деформации.

Использование кембрийской глины в качестве высокодисперсной добавки оказывает влияние на физико-механические характеристики материала. Исследования показали, что прочность при сжатии образцов на основе красноярской глины с 20 % нефелина увеличивается от 22,6 до 32,8 МПа при введении высокодисперсной добавки. Аналогичная картина наблюдается при исследовании образцов на основе бий-хемского суглинка. В этом случае прочность при сжатии увеличивается с 15,4 до 27,5 МПа у образцов содержащих 30 % высокодисперсной добавки.

Таблица 4

Физико-механические свойства керамических образцов

Состав	Водопоглощение, %	Средняя плотность, г/см3	Огневая усадка, %	Прочность при сжатии, МПа
красноярская глина + 20 % нефелина	12,4	1,9	2,53	22,6
то же + 30 % кембрийской глины	7,04	2,2	2,65	32,8
бий-хемский суглинок + 20 % нефелина	16,2	1,6	1,85	15,4
то же + 30 % кембрийской глины	10	1,95	2,05	27,5

Введение комплексной добавки нефелина и кембрийской глины в красноярскую глину и бий-хемский суглинок привело соответственно к уменьшению водопоглощения, но практически не сказалось на огневой усадке образцов.

Для более глубокого изучения влияния химического и гранулометрического составов сырья на процесс спекания дополнительно выборочно определялось количество стекловидного расплава, пористость обожженного образца и электропроводность образцов в процессе обжига.

Исследования электропроводности при высоких температурах керамических масс также подтверждает спекаемость образцов при более низких температурах. Более интенсивной электропроводностью отличаются образцы, содержащие высокодисперсную добавку по сравнению с образцами, содержащими 20 % нефелина (рис. 6).

Рис. 6. Электропроводность образцов содержащих различные добавки

1 - 80 % красноярской глины + 20 % нефелина;

2 - 50 % красноярской глины + 20 % нефелина + 30 % кембрийской глины;

3 - 80 % бий-хемского суглинка + 20 % нефелина.

4 - 50 % бий-хемского суглинка + 20 % нефелина + 30 % кембрийской глины;

В дальнейшем в работе керамические составы будут обозначаться согласно рис. 6.

Примечательным в следующем эксперименте является тот факт, что спекание образцов содержащих в своем составе высокодисперсную добавку происходит при более низких температурах, хотя содержание образовавшегося стекловидного расплава в керамической массе в исследованных массах почти одинаково (табл. 5).

Таблица 5

Выборочное определение количества стекловидного расплава

№	Состав керамических масс	Количество стекловидного расплава, %
		Температура обжига, С
		900	950	1000	1050	1100
1	красноярская глина + 20 % нефелина	5	7	9	12	16
2	красноярская глина + 20 % нефел. + кембрийс. гл.	6	7	8	11	17
3	бий-хемский суглинок + 20 % нефелина	3	5	6	8	12
4	бий-хемский сугл. + 20 % нефел. + кембрийс. гл.	4	6	7	8	13

Для подтверждения проведенных экспериментов влияния состава на степень спекания был проведен количественный анализ пористости исследуемых образцов при помощи системы компьютерного анализа «Видеотест» (рис. 7 и 8)

Проведенный анализ показал, что при введении кембрийской глины в качестве высокодисперсной добавки пористость образцов при температуре обжига уменьшается. При 990 С пористость образца № 2 составляет 4,16 % по сравнению с образцом №1 - 5,54 % (рис.7). Более заметное уменьшение пористости наблюдается в образце на основе бий-хемского суглинка (рис.8).

Рис. 7 Процентное содержание пор в образцах №1 и 2.

Рис.8. Процентное содержание пор в образцах №3 и №4

Образец №3 имеет первоначальную пористость 6,06 %, после введения кембрийской глины (образец №4) пористость уменьшилось до 4,05 %. Можно предположить, что формированию такой плотной структуры образцов с высокодисперсной добавкой способствует комплексное действие плавня и активных глинистых частиц в процессе обжига.

Анализ микроструктуры образцов (рис. 9), содержащих в своем составе высокодисперсную добавку говорит о том, что у этих образцов наблюдается более равномерное распределение стекловидной фазы и уплотненная структура. На шлифах составов №1 и №3 наблюдаются не растворенные зерна в виде отдельных выплавок и поры, которые свидетельствуют о недостаточной степени спекания (обозначены белыми кругами).

Рис. 9. Микроструктура образцов.

При тщательном изучении зависимости спекания образцов от химического и гранулометрического составов установлено, что для полного распределения стекловидного расплава в керамической массе необходимо определенное количество активного в термодинамических отношениях компонента (глинистой фракции), который способствовал бы увеличению капиллярных сил, за счет кривизны радиуса частиц, приводящий керамический материал к быстрому спеканию при более низких температурах.

Четвертая глава посвящена разработке расчетной температуры обжига керамического кирпича. В этой же главе приведены результаты опытно-промышленных испытаний.

На деформацию изделий в процессе обжига влияет большое количество факторов. Это нагрузка от садки на нижние ряды обжигаемых изделий, влияние химического и гранулометрического составов на вязкость, поверхностное натяжение жидкой фазы и на силу капиллярного давления, способствующее спеканию керамического тела.

Пластическая деформация керамического материала находящегося в нижнем ряду садки в процессе обжига в соответствии формулой 1 происходит за счет уменьшения кажущейся вязкости под действием температуры при постоянной нагрузке.

В свою очередь, кажущаяся вязкость керамических изделий зависит от вязкости собственно жидкой фазы, среднего диаметра твердых частиц и от толщины жидкого расплава вокруг твердой частицы и может быть определена по формуле:

(5)

где: 0 - кажущаяся вязкость керамического изделия, Пасек;

ж - вязкость собственно стеклофазы, Пасек;

d - диаметр твердой частицы, см;

- толщина жидкого расплава вокруг твердой частицы, см.

Для разработки расчетной формулы температуры обжига керамического кирпича в зависимости от химического и гранулометрического составов керамической массы, из которого он приготовлен, необходим критерий оценки, характеризующий этот состав каким-либо одним усредненным показателем.

Таким показателем может служить соотношение среднего диаметра твердой частицы и толщины жидкого расплава, так как именно эти параметры учитывают гранулометрический и химический составы керамического образца.

На основании теоретических представлений о деформации и полученных экспериментальных данных разработан метод определения температуры деформации, учитывающий нагрузки садки и исходные характеристики сырья для производства керамического кирпича.

Обработка результатов испытаний образцов приготовленных из различных составов была выполнена методом наименьших квадратов, и позволила получить следующую закономерность:

где: ln X - исходные характеристики сырья.

Сходимость опытных и расчетных температур обжига керамических масс в ряде случаев является не достаточно полной, но, тем не менее, для всех исследованных керамических масс расхождение между опытной и расчетной температурой обжига не превышает 24 С (табл. 6). Выборочный коэффициент корреляции очень близок к единице, и составляет 0,95.

Таблица 6

Сравнение опытной и расчетной температур обжига образцов

Наименование керамических масс	Опытная температура обжига, Топ,С	Расчетная температура обжига, Тр,С	Разница температур
Кембрийская глина 100 %	1000	994	6
Кембрийская глина + 20% ППКО	1010	1002	8
Кембрийская глина + 40% ППКО	1035	1011	24
Кембрийская глина + 20% Нефелина	990	979	11
Кембрийская глина +40 % Нефелина	960	971	-11
Кембрийская глина +20 % Золы ТЭС	1010	1005	5
Кембрийская глина +40 % Золы ТЭС	1030	1018	12
Кембрийская глина +20 % стеклобоя	990	983	7
Кембрийская глина +40 % стеклобоя	970	977	-7
Красноярская глина	1035	1045	-10
Красноярская глина + 2 0 % ППКО	1040	1046	-6
Красноярская глина + 40 % ППКО	1060	1048	12
Красноярская глина + 20 % Нефелина	1010	1002	8
Красноярская глина + 40 % Нефелина	990	985	5
Красноярская глина + 20 % Золы ТЭС	1040	1050	-10
Красноярская глина + 40 % Золы ТЭС	1060	1059	1
Красноярская глина + 20 % стеклобоя	1020	1008	12
Красноярская глина + 40 % стеклобоя	990	993	-3
Бий-Хемский суглинок	1080	1073	7
Бий-Хемский суглинок + 20 % ПКО	1070	1069	1
Бий-Хемский суглинок + 40 % ППКО	1060	1065	-5
Бий-Хемский суглинок + 20 % Нефелина	1030	1020	10
Бий-Хемский суглинок + 40 % Нефелина	990	1000	-10
Бий-Хемский суглинок + 20 % Золы ТЭС	1075	1078	-3
Бий-Хемский суглинок + 40 % Золы ТЭС	1060	1084	-24
Бий-Хемский суглинок + 20 % Стеклобоя	1030	1027	3
Бий-Хемский суглинок + 40 % Стеклобоя	1010	1003	7

Полученное уравнение может быть использовано для проектирования составов или же для определения высоты обжигового канала печных агрегатов для конкретного сырья.

Для подтверждения правильности лабораторно-теоретических разработок по возможности применения метода определения температуры обжига для регулирования термических свойств керамического материала была выпущена опытная партия кирпича с введением 20 % ППКО на основе красноярской глины в заводских условиях, в частности на кирпичном заводе г. Кызыл. Всего было отформовано и обожжено 12 тыс. штук опытного кирпича.

Результаты физико-механических испытаний обожженного кирпича приведены в таблице 7.

Таблица 7

Физико-механические характеристики кирпича

Шифр кирпича	Положение в садке	W, (%)	г, (кг/м3)	Rсж, (МПа)
Заводская	верх	14	1780	12,8
	низ	18	1720	9,5
Опытная	верх	12	1800	14,8
	низ	11	1810	15,2

На основании данных, приведенных в таблице 6 можно сделать вывод, что предложенный метод позволяет откорректировать систему садки и увеличить марку кирпича по сравнению с ныне выпускаемым и наладить производство высокопрочного кирпича марок 125 и выше.

Таким образом использование попутных продуктов кобальтового обогащения в качестве сырьевого компонента и изменение структуры садки за счет разработанного метода определения температуры обжига (деформации) при производстве изделий стеновой керамики позволит снизить себестоимость продукции и принесет заводу экономический эффект около 3 млн. руб. в год.

ВЫВОДЫ

На основании анализа литературы сформулированы основные факторы, влияющие на деформацию керамического кирпича в процессе обжига. Установлено, что причиной деформации кирпича является нагрузка садки и низкое качество используемого сырья для производства стеновой керамики.

Предложен лабораторный метод определения температуры обжига керамического кирпича, при котором учитывается нагрузка садки.

Комплексное использование стандартного и разработанного методов позволяет определять не только допустимую температуру обжига кирпича, но и предельную нагрузку от садки. Предложенная методика позволяет определить бездефектный режим обжига.

Изучено влияние химического и гранулометрического составов на спекание керамического камня до температуры деформации. Установлено, что комплексное введение плавня и высокодисперсной добавки в суглинок обеспечивает спекание при допустимой деформации и способствует повышению физико-механических свойств керамического материала.

Исследованы структура и электропроводность материала на основе красноярской глины и бий-хемского суглинка с добавками. Установлено оптимальное содержание высокодисперсной глины и флюсующих добавок в шихте.

На основании теоретических представлений и экспериментальных данных разработан расчетный метод определения температуры обжига керамического кирпича, учитывающий структуру садки и исходные характеристики сырья.

На Кызылском кирпичном заводе выпущена опытная партия кирпича с использованием побочных продуктов. Установлено, что применение метода определения температуры обжига керамического кирпича позволяет найти оптимальную структуру садки кирпича при существующих технических параметрах печи.

Расчетный экономический эффект от внедрения в производство шихты с использованием побочных продуктов промышленности и от увеличения производительности за счет уплотнения садки составляет 3,25 млн. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Биче-оол, Н.М. Возможность получения каменных керамических изделий из отходов асбестообогащения Текст / Н.М. Биче-оол, В.Б. Зверев // Сборник докладов 59-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб., 2002. Ч.1. - С.88 - 90.

Зверев, В.Б. Зависимость температуры огнеупорности от вязкости керамических материалов Текст / В.Б. Зверев, Н.М. Биче-оол //Реконструкция Санкт-Петербург-2003: сборник докладов международной научно-технической конференции. - СПб., 2002. - Ч.3. - С.3 - 5.

Зверев, В.Б. Влияние жидкой фазы и вязкости керамической массы на температуру спекания Текст / В.Б. Зверев, Н.М. Биче-оол // Сборник докладов 60-ой научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб., 2003. - Ч.1. - С.179-181.

Биче-оол, Н.М. Пиропластическая прочность керамического кирпича в процессе обжига Текст / Н.М. Биче-оол // Сборник докладов 61-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. - СПб., 2004. - Ч.1. - С.99 - 101.

Зверев, В.Б. Влияние дисперсности корректирующих добавок на термические свойства керамических масс Текст / В.Б. Зверев, Н.М. Биче-оол // Актуальные проблемы современного строительства: сборник докладов 57 международной конференции молодых ученых. - СПб., 2004. - Ч.1. - С.65 - 69.

Зверев, В.Б. Реология стеновой керамики при высоких температурах Текст / В.Б. Зверев, Н.М. Биче-оол // Достижения строительного материаловедения: Сборник научных статей, посвященных 100-летию со дня рождения П.И. Боженова. - СПб., 2004.- С.48 - 53.

Зверев, В.Б. Методика определения максимально допустимой температуры обжига керамического кирпича Текст / В.Б. Зверев, Н.М. Биче-оол, Б.К. Кара-Сал //Техника и технология. - 2006. - № 2. - С.106-109.

Кара-Сал, Б.К. Повышение качества кирпича комбинированием составов глинистых пород Текст / Б.К. Кара-Сал, Н.М. Биче-оол // Строительные материалы. - 2006. - № 2. - С.54-55.

Пат. 2250205 РФ 7СО4В33/00. Керамическая масса для изготовления стеновых материалов / Кара-Сал Б.К., Долотова Р.Г., Ондар Э.Э., Биче-оол Н.М. - Опубл.27.11.2004, Бюл. №11.

Размещено на Allbest.ru

...