Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПОВЫШЕНИЕ ПЛОТНОСТИ УПАКОВКИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ

Еромасов Р.Г. 1 Никифорова Э.М. 1 Васильева М.Н. 1 Таскин В.Ю. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Возрастающая дефицитность традиционного сырья, прежде всего глинистого, ежегодное накопление значительного количества отходов различных отраслей промышленности, а также возможность интенсификации технологических процессов, повышения эксплуатационных свойств материалов, получаемых с применением отходов, обуславливает керамическую промышленность как отрасль, для которой вопросы ресурсосбережения являются особо актуальными. В то же время отсутствует системный подход к процессам получения облицовочных керамических материалов на базе природного и техногенного сырья, базирующегося на установлении критериев формирования структуры, прогнозирования и направленного регулирования состава керамических материалов и технологических процессов их получения. В статье представлены результаты исследований по оптимизации зернового состава кремнеземистых техногенных продуктов для получения облицовочных керамических материалов с прогнозируемыми эксплуатационными свойствами. Представлена модель облицовочного композиционного материала на базе наполнителя из зерен кварца. Выявлен оптимальный зерновой состав кремнеземистых отходов с целью регулирования плотности упаковки керамических масс на стадии подготовки сырья, формования и обжига.
керамика
горелая земля
«хвосты» обогащения
молибденовые руды
фракция
оптимизация
симплекс
1. Еромасов Р.Г., Никифорова Э.М. Способ изготовления облицовочной керамики : Патент России № 2431625. 2011. Бюл. № 29.
2. Кондратенко В.А. Керамические стеновые материалы: оптимизация их физико-технических свойств и технологических параметров производства. - М. : Композит, 2005. - 508 с.
3. Никифорова Э.М., Еромасов Р.Г. Керамическая масса : Патент России № 2420484. 2011. Бюл. № 16.
4. Никифорова Э.М., Еромасов Р.Г. Керамическая масса : Патент России № 2422399. 2011. Бюл. № 18.
5. Никифорова Э.М., Еромасов Р.Г. Смесь для изготовления теплоизоляции : Патент России № 2426706. 2011. Бюл. № 23.
6. Пивинский Ю.Е. Керамические и огнеупорные материалы. - СПб. : Стройиздат, 2003. - Т. 1. - 686 с.

  Введение

Существенное изменение номенклатуры керамических материалов и требований к их физико-техническим свойствам вызывает необходимость проработки новых подходов к замене традиционных сырьевых материалов на техногенные продукты. Возрастающая дефицитность традиционного сырья и одновременно возможность повышения эксплуатационных свойств материалов, получаемых с применением отходов, определяют керамическую промышленность как отрасль, для которой вопросы ресурсосбережения являются особо актуальными.

Целью исследований является моделирование структуры облицовочной керамики и выработка теоретических предпосылок и принципов подбора зернового состава техногенного сырья для достижения максимально плотной упаковки структуры, что признано в работе основой для разработки системного подхода по решению проблемы расширения сырьевой базы. Перспективными отходами промышленности для использования в качестве основного компонента керамической массы являются многотоннажные горелые формовочные земли - отход литейного производства машиностроительных предприятий, а также «хвосты» обогащения молибденовых руд Сорского комбината (Республика Хакасия). Горелая земля является преимущественно кварцевым продуктом взаимодействия металла отливки (стальной, чугунный или цветной сплав) с литейной формой. Сорские «хвосты» флотации молибденового концентрата, помимо кремнезема, представлены полевошпатовыми минералами: ортоклазом, альбитом и анортитом. В качестве глинистого компонента керамических масс исследованы каолинито-гидрослюдистая тугоплавкая глина Компановского и полиминеральный легкоплавкий суглинок Садового месторождений. Минералогические типы исследованного глинистого сырья характерны для Сибирского региона.

Методика исследований

Минералогический состав сырьевых материалов и спеченных масс определен на основе данных рентгеноструктурного анализа, проведенного на дифрактометре фирмы Shimadzu XRD-6000. Термографический анализ выполнен на дериватографе фирмы Netzch. Подготовку и измельчение исходных сырьевых материалов осуществляли на щековой дробилке ЩД-6 и кольцевой мельнице ROCKLABS. Фракционирование сырьевых материалов проведено на ситовом анализаторе ВПТ 220.

Химический состав отходов и других исследованных компонентов облицовочной керамической массы представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав исходных компонентов, масс.%

Наименование материала

SiO2 св

Al2O3 + TiO2

Fe2O3+ FeO

CaO + MgO

K2O + Na2O

SiO2 общ.

п.п.п.

Горелая земля

79,15

3,68

10,14

4,56

2,47

79,15

-

Сорские «хвосты»

62,05

16,52

4,18

6,73

8,12

62,05

2,40

Стеклобой

-

5,81

1,56

10,59

14,70

67,40

-

Глина компановская

4,64

16,20

2,88

2,00

1,56

66,65

10,71

Глина садовая

25,0

13,61

6,60

11,39

4,39

54,02

9,99

Результаты исследований и их обсуждение

В целом модель облицовочного композиционного материала на базе кремнеземистого сырья может быть представлена в следующем виде. В качестве заполнителя композита выступает свободный оксид кремния, источником которого являются техногенные продукты: кварц-полевошпатовый сорский песок и горелая земля, а также крупнозернистые кремнеземистые примеси из глинистого компонента. Крупные зерна кварца составляют  практически неизменяемый скелет или «наполнитель», мало вовлекаемый в физико-химические процессы. Наличие скелета из крупных зерен кварца, преобладающего в керамических массах, предопределяет возможность получения облицовочных материалов с незначительными объемными изменениями при обжиге в температурном интервале 950-1000 °С и связанными с этим малыми внутренними напряжениями и деформациями. Роль связующей матрицы выполняют плавни из кварц-полевошпатового сорского песка, стеклобой, а также глинистые минералы. Представленные экспериментальные исследования направлены на достижение плотной упаковки фракций (зерен) в прессовке и готовом изделии. Принцип достижения плотной упаковки кремнеземистых облицовочных масс базировался на достижении строго определенных соотношений отдельных фракций и размеров исходного зерна. В работе реализовывался принцип подбора так называемой прерывной укладки, при которой между зернами заданных фракций зерна промежуточных размеров отсутствуют. В соответствии с представлениями [2; 6] зерна самой крупной фракции образуют скелет, пустоты которого заполняются следующей фракцией. Новые пустоты могут заполняться третьей фракцией и т.д. Выбор прерывной укладки базировался на известных представлениях возможности достижения при ней большей плотности упаковки [2; 6]. Вариант «непрерывной» укладки для реализации в кремнеземистых облицовочных массах признан неперспективным ввиду невозможности получения заданного соотношения фракций, обеспечивающих максимальную плотность укладки порошка без рассева и пофракционной дозировки.

Для оптимизации фракционного состава кремнеземистых отходов реализован симплекс-решетчатый план третьего порядка для трехкомпонентной смеси. Оптимизацию фракционного состава проводили на фиксированных составах шихт, соответствующих соотношению компонентов: глина компановская - 20%; кварцсодержащие отходы - 55%; стеклобой - 25% (SiO2св/∑пл = 1,07) и глина садовая - 30%; кварцсодержащие отходы - 50%; стеклобой - 20% (SiO2св/∑пл = 1,07). Оптимизации подвержены техногенные кремнеземистые продукты фр. -0,315+0,08 мм (х1), фр. -0,08+0,056 мм (х2), фр. -0,056 мм (хз).

Выбор размера фракций кремнеземистого каркаса, разработанного композиционного материала на стадии подбора прерывных укладок с максимальной плотностью, базировался на предположении, что максимальная по размеру фракция должна быть крупнее минимальной не менее чем в 5 раз. Результаты оптимизации фракционного состава отходов с целью получения максимальной плотности утряски кремнеземистого скелета и шихты на его основе с добавлением глины и стеклобоя, а также достижения минимального водопоглощения обожженных образцов представлены на рисунках 1-3 и в таблице 2.

Таблица 2 - Изменение плотности упаковки кварцевого скелета и керамической шихты от размера и соотношения фракций

Состав сырьевой смеси

Содержание компонентов, масс.%

Размер фракции, мм

Содержа-ние

фракций,

%

Плот-ность утряски, г/см3

Коэффициент

упаковки,

Ктв

Сорские «хвосты»

100

100

-0,315+0,08

-0,315+0,08

-0,08+0,056

100

66

34

1,75

1,82

0,648

0,673

Многокомпонен-тная шихта 1

Сорские «хвосты»

стеклобой, глинистый компонент

Многокомпонен-тная шихта 2

Сорские «хвосты»

 

стеклобой, глинистый компонент

 

 

55

25

20

 

 

 

55

 

25

20

 

 

 

-0,315+0,08

<0,056

<0,056

 

 

 

-0,315+0,08

-0,08+0,056

<0,056

<0,056

 

 

 

55

25

20

 

 

 

36

19

25

20

 

 

1,66

 

 

 

 

 

1,53

 

 

 

0,598

 

 

 

 

 

0,550

 

 

 

 

Рисунок 1. Проекции линий равного коэффициента упаковки (Ктв.) сорских «хвостов» на трехкомпонентный симплекс.

Анализ данных рисунка 1 свидетельствует, что диапазон достигнутого коэффициента упаковки Ктв зернистого каркаса из сорских «хвостов» составляет от 0,422 до 0,673, что соответствует пустотности укладки соответственно от 33 до 58%. Следует отметить, что достигнутые значения пустотности укладки многофракционной системы сорских «хвостов», состоящей преимущественно из изометрических зерен неправильной формы, несколько ниже объема пустот при утряске зерен одинакового размера, близких по форме к шарам (до 42%). Максимальная плотность утряски достигается при использовании крупной монофракции сорских «хвостов» (-0,315+0,08 мм - 100 масс.%), а также двухфракционной системы фр. -0,315+0,08 мм - 85-90 масс.% и фр. -0,08+0,056 мм - 10-15 масс.%. Достижение максимально плотной упаковки непластичных кремнеземистых облицовочных масс на основе преимущественно крупной фракции сорских «хвостов» и горелой земли подтверждает и одновременно расширяет уже существующие представления о достижении плотной укладки в глинистых системах. Существенный рост насыпной плотности и плотности утряски порошков крупной монофракции обусловлен сравнительно большей массой каждой кварцевой частицы при меньшем числе контактов между ними в единице объема [2; 6]. Как следует из рекомендаций [2; 6], при выборе оптимального фракционного состава необходимо учитывать трудность точной дозировки средней фракции и равномерного смешивания с крупной и мелкой фракцией в связи малой потребностью в ней для плотной укладки. Увеличение количества средней фракции фр. +0,08-0,056 мм выше установленных в исследованиях пределов может вызывать раздвижку крупных зерен, а уменьшение ее количества может сопровождаться перетоком мелких фракций из одной поры в другую, что также ведет к разрыхлению упаковки [2].

Рисунок 2. Проекции линий равного коэффициента упаковки (Ктв) шихты (сорские «хвосты» - 55, стеклобоя - 25, глина компановская - 20 масс.%) на трехкомпонентный симплекс.

Несколько иная картина достижения максимально возможной плотности упаковки наблюдается для шихты, содержащей, помимо сорских «хвостов», мелкую (менее 0,056 мм) фракцию глины и стеклобоя при суммарном ее количестве в шихте 45 масс.%. Существенное увеличение содержания мелкой фракции в шихте приводит к существенному снижению плотности упаковки шихты (Ктв от 0,39-0,59), что соответствует пустотности укладки шихты - 61-41%). Наблюдаемые закономерности объясняются вполне известным механизмом [6] образования частицами малых размеров рыхлых коагуляционных структур в виде беспорядочных сеток, препятствующих равномерному распределению частиц в объеме и их плотной упаковке. В связи с этим число арочных образований в порошках возрастает, а насыпная масса, т.е. плотность упаковки, уменьшается. Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что с увеличением содержания в шихте тонкодисперсных фракций разница в насыпной плотности шихты и плотности после утряски возрастает до 1,3 раза. Максимальная плотность упаковки шихты достигается при использовании крупной монофракции сорских «хвостов» (+0,315-0,08 мм - 100 масс.%), а также двухфракционной системы (фр. +0,315-0,08 мм - 70 и фр. +0,08-0,056 мм - 30 масс.%). Повышение плотности упаковки вследствие использования регулируемого фракционного состава кремнеземистого техногенного продукта способствует получению спеченных облицовочных образцов с низким водопоглощением (рисунок 3).

Рисунок 3. Проекции линии равного водопоглощения спеченных образцов на основе горелой земли и компановской глины на трехкомпонентный симплекс при температуре обжига 1000 °С.

Применение монофракций горелой земли и сорских «хвостов» (+0,08-0,056 мм и -0,056 мм) признано нецелесообразным ввиду достаточно высоких значений водопоглощения и низких значений плотности, что вполне объясняется наличием пор в значительных количествах.

Граничным пределом максимального водопоглощения облицовочных масс на основе горелой земли выбрано его значение, соответствующее 5% (граница спекшегося состояния). Достижение заданного показателя возможно в достаточно широких областях, представленных на экспериментальном симплексе. Наиболее предпочтительным является использование кварцевого каркаса двухфракционного состава в следующем соотношении: фракция х1 10-80 масс.% и х2 20-90 масс.%.

С целью оптимизации технологических параметров получения облицовочных керамических материалов на базе техногенных кварцевых продуктов проведены исследования по выявлению оптимума содержания свободного кварца по отношению к суммарному содержанию плавней (SiО2св/∑пл.) [1; 5]. В результате проведенных исследований установлено, что для глинистых пород различных минералогических типов наблюдается определенная зависимость степени и параметров спекания от соотношения SiО2св/∑пл.. Результаты оптимизации технологических параметров получения композиционного материала на основе высококварцевых облицовочных керамических масс и легкоплавкого садового суглинка представлены в программе «Статистика» (рисунок 4).

Рисунок 4. Проекции линии равного водопоглощения образцов на основе сорских «хвостов» и глины садовой при температуре обжига 950 °С.

Установлено, что с уменьшением соотношения SiO2св/∑пл и ростом температуры обжига плотность спеченных керамических масс увеличивается, а водопоглощение соответственно уменьшается, что, очевидно, связано с увеличением количества жидкой фазы и интенсификацией процесса спекания. Достигнутая плотная упаковка прессовки на стадии формования также в значительной мере способствует получению менее пористых структур [3; 4]. Характерной особенностью процесса спекания керамических масс, характеризующихся оптимальным значением соотношения SiO2св/∑пл на основе компановской глины и горелой земли является перевод изделия в область спеченного состояния при температурах, на 150° ниже эталонных керамических составов.

Заключение

На базе разработанной модели композиционного облицовочного материала с кварцевым скелетом и предложенного метода осуществления в нем наиболее плотной упаковки выявлены закономерности взаимосвязи величины коэффициента упаковки Ктв кварцевого скелета, керамической шихты в целом и эксплуатационных свойств спеченных образцов в зависимости от соотношения фракций определенного размера, взятых в оптимальных пределах.

Рецензенты:

  • Толкачев В.Я., д.т.н., профессор, главный технолог ЦПК ООО «Сибирский элемент», г. Красноярск.
  • Трифанов И.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Управление качеством и сертификация» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева» Министерства образования и науки России, г. Красноярск.

Библиографическая ссылка

Еромасов Р.Г., Никифорова Э.М., Васильева М.Н., Таскин В.Ю. ПОВЫШЕНИЕ ПЛОТНОСТИ УПАКОВКИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=5148 (дата обращения: 15.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074