Для проведения исследований глин неосвоенной зоны Опошнянского месторождения отбирали керн глубиной 18м до яруса белых полтавских песков. По глубине керна найдено несколько пластов глин различного цвета, из которых были отобраны пробы. Фазовый состав глин всех горизонтов изучали при помощи химического, рентгенофазового (рентгеновский дифрактометр ДРОН-3, Cu_Kб-излучение) и петрографического методов анализа (оптический микроскоп МИН-8); процессы, происходящие в глинах при термообработке, изучали при помощи диференциально-термического метода анализа (дериватограф ОД-103, скорость подъема температуры 10С/мин в воздушной среде); физико-механические свойства разработанных материалов исследовали в соответствии к требованиям действующих ГОСТ и международных стандартов ISO.

В предыдущих публикациях был подробно описан химический, фазовый состав исследуемых глин [5], а также их дообжиговые свойства и структурно-реологические характеристики [6,7]. Фазовый состав глин изменяется от монтмориллонито-гидрослюдистого до каолинито-бейделлитового с увеличением глубины залегания глины [5].

Исследовали изменение огневой усадки опошнянских глин в зависимости от температуры обжига (рис.1 и 2).

Рис.1 Зависимость огневой усадки опошнянских глин от температуры термообработки Цифры на кривых - номера горизонтов залегания глин

Обсуждение результатов

В интервале температур 900 - 1000°С происходит остаточное удаление конституционной воды из структуры гидрослюд и разрушение их структуры [5]. При этом в глинах, содержащих существенное количество гидрослюдистых включений (горизонты №1 и 3), наблюдается скачкообразное увеличение усадки (в 3 - 4 раза).

При повышении температуры термообработки до 1000 - 1050°С огневая усадка глин практически всех горизонтов возрастает, что можно связать с началом спекания глин, содержащих при этих температурах значительное количество деструктировавших аморфных минералов с зародышами кристаллической фазы. При термообработке выше 1050°С процесс усадки глин протекает с различной интенсивностью: в образцах из глин горизонтов № 2 и 3 - она увеличивается, № 1 и 4 - практически не изменяется, № 5 - 7 - резко снижается, что объясняется различным фазовым составом исследуемых глин. На рис.2 приведены диаграммы, связывающие фазовый состав исследуемых глин и изменение их огневой усадки.

Рис.2. Изменение огневой усадки глин, обожженных при 1100 °С,

в зависимости от их минералогического состава

В глинах, содержащих незначительное количество минералов монтмориллонитовой группы (горизонты 1 - 3) огневая усадка возрастает. В глинах, содержащих кроме легкоплавких компонентов, каолинит, основную роль в изменении усадки играет их соотношение (горизонты 4 и 6). Так, например, в глине шестого горизонта содержится приблизительно такое же количество каолинита, как и в глине №4, но монтмориллонита на 4% больше. По-видимому, вспучивание монтмориллонита компенсируется началом спекания каолинита, и величина усадки глины №6 несколько ниже, чем у глины четвертого горизонта. Анализ указанных диаграмм позволяет сделать вывод, что основной вклад в изменение усадки глин вносится соотношением суммарного содержания пластичных и непластичных компонентов глин. В глинах с преобладающим содержанием пластичных компонентов (горизонты №5 и 7) потери массы максимальны. В глинах с преобладающим содержанием непластичных компонентов (глина второго горизонта) потери массы минимальны.

Рис.3 Зависимость водопоглощения глин от температуры термообработки. Номера на кривых - горизонты глин

Анализ полученных зависимостей свидетельствует о том, что лишь образцы глины № 7 (рис.3, а) имеют ярко выраженный интервал спеченного состояния в пределах 940 - 1060°C, что позволяет использовать глины этого пласта для получения спеченного черепка без дополнительного использования плавней [8]. Глины пластов 2 и 3 достигают водопоглощения в пределах 5% лишь при температуре выше 1050°C.

Глины остальных горизонтов (рис.3, б) не достигают указанных показателей водопоглощения и могут быть охарактеризованы как неспекающиеся. Использование таких глин для получения черепка с высокой степенью спекания возможно лишь при условиях добавления к шихте флюсующих сырьевых материалов [8]. Как видно из рисунка, у глины шестого горизонта вспучивание начинается при температурах выше 1050°C, глины № 4 и 5 вспучиваются при температурах выше 950°С.

Таким образом, установлено, что хорошо спекающейся глиной является пласт №7, остальные пласты могут быть использованы совместно с другими глинами или добавками для улучшения спекания.

Принимая во внимание полученные выводы, исследовали возможность использования глин пласта №7 в производстве шамотного ультралегковеса, который традиционно получают пенометодом, используя пластичные огнеупорные глины ДН-2 и ДН-3.

По мере выработки карьеров Дружковского месторождения наблюдается значительное изменение их фазового состава и дисперсности. За последние 10 лет размер кварцевых включений увеличился с 60-100 мкм до 300-350 мкм. Кроме того, в глине часто присутствуют крупные включения гидросульфатов алюминия, присутствие которых в шликере негативно сказывается на свойствах пеномассы и кирпича после обжига.

Исследовали возможность использования высокопластичной опошнянской глины №7 в сочетании с менее пластичной глиной ВЕСКО Техник-2 для производства шамотного пенолегковеса. Расчетный минералогический состав экспериментальных смесей глин представлен в табл.1.

Так как глины Техник-2 и опошнянская № 7 незначительно различаются по количеству кварца и акцессорных минералов, изменение их процентного содержания в смеси сказывается только лишь на количестве минералов каолинитовой и монтмориллонитовой группы.

Таблица 1.

Расчетный минералогический состав экспериментальных глинистых смесей

При изменении соотношения глин от 90/10 до 70/30 суммарное количество пластичных компонентов (монтмориллонит, бейделлит и гидрослюды) увеличивается на 6 %. Содержание каолинита снижается на 6 %. При этом суммарное количество пластичных компонентов в смеси составляет 32,5 % по сравнению с 26,6 % при соотношении глин 90/10.

Как видно из табл.2, такого повышения пластичности недостаточно: легковес на основе глинистой смеси с соотношением Техник-2/опошнянская № 7 = 70/30 характеризовался низкой прочностью при сжатии, а на поверхности кирпичей появлялись трещины, и наблюдалось осыпание кирпича по граням.

При увеличении содержания опошнянской глины до 50 % снижается количество минералов каолинитовой группы (на 6 %), увеличивается содержание минералов иллитовой (на 9,5 %) и монтмориллонитовой (на 12,5 %) групп. Суммарное количество пластичных компонентов возрастает на 9,5 % по сравнению со смесью глин 70/30 и составляет 43 %. Увеличение содержания опошнянской глины до 50 % обеспечивает стабильное получение стандартных значений кажущейся плотности и прочности при сжатии (табл.2).

Таблица 2

Физико-механические свойства пеномассы и обожженного шамотного ультралегковеса на основе комбинированного глинистого шликера

Снижение значения объемного веса пеномассы с 0,61 г/см³ до 0,58 г/см³ при нормальном объемном весе шликера позволяет стабильно получать кажущуюся плотность кирпича после обжига не выше 0,45 г/см³ при стандартной прочности при сжатии.

На оптимальном соотношении Техник-2/опошнянская № 7 на участке механической формовки пенолегковеса ОАО "Михайловские огнеупоры" была выпущена опытная партия ультралегковеса ШЛ-0,4 и исследованы его физико-механические характеристики после обжига. Результаты исследований показали стабильную повторяемость свойств в рамках ГОСТ. Разработанный состав глинистого шликера принят к внедрению.

Заключение