Методика исследований
Рентгенофазовый анализ сырьевых материалов проведен на дифрактометре фирмы Shimadzu XRD-6000. Термический анализ выполнен на термоанализаторе STA 449C фирмы «Netzch», со скоростью подъема температуры 10 град/мин. Изучение структурно-механических свойств опытных масс проведено по методу Вейлера–Ребиндера путем оценки пластично-вязких свойств методом продольного смещения пластинок на приборе Толстого.
Результаты исследований и их обсуждение
Технологические исследования регулирования структурно-механических свойств глинистого сырья за счет использования органических корректирующих добавок проведены на глинистой породе Сажинского месторождения, основными глинообразующими минералами которой является монтмориллонит (d/n=1,530; 0,450; 0,255 нм), гидрослюда (d/n=0,998; 0,447; 0,256 нм), хлорит (d/n=0,710; 0,352; 0,472 нм), каолинит (d/n=0,714; 0,357; 0,148 нм) [1-5].
Глинистое сырье Сажинского месторождения – средневспучивающаяся порода, из которой в лабораторных условиях можно получить керамзит с кажущейся плотностью в куске 0,5–0,8 г/см3 и коэффициентом вспучивания 2,5–4,5, а в производственных – с насыпной полностью 350–400 кг/м3, с плотностью в куске 600–850 кг/м3 и коэффициентом вспучивания 2–3 [4]. Для повышения вспучиваемости глинистого сырья исследован техногенный продукт: метало-масляная окалина – шлам травильных переделов металлургических производств. В качестве эталонной органической добавки исследован широко используемый в производственной практике торф. Метало-масляная окалина представлена жидкостью черного цвета. Минералогически метало-масляная окалина представлена минералами: магнетитом (d/n=0,253; 0,148; 0,161 нм), вюститом (d/n=0,214; 0,151; 0,247 нм), гематитом (d/n=0,269; 0,251; 0,169 нм), α-Fe (d/n=0,203; 0,143 нм). На кривой дифференциально-термического анализа выявлен экзотермический эффект с максимумом в 300 °С, связанный с выгоранием органического вещества и началом процесса окисления вюстита и магнетита. В дальнейшем процесс окисления магнетита явно фиксируется при температурах 510–820 °С и 880 °С с общими потерями массы 7,51 %. В соответствии с данными таблицы 1, метало-масляная окалина соответствует большинству требований к корректирующим добавкам.
Таблица 1
Технологические характеристики и технические требования к корректирующим добавкам
|
Наименование добавки и нормативные показатели свойств |
Наименование показателей |
Плотность, кг/м3 |
||||
|
Массовая доля органического вещества, % |
Массовая доля механических, в т.ч. балластных примесей, % |
Массовая доля корректирующего минерального компонента в пересчете на Fe2O3 % |
Массовая доля соединений серы, % |
Массовая доля воды, % |
|
|
|
Метало-масляная окалина (жидкие отработанные нефтепродукты-КОЖН) |
8,24 |
0,94 |
83,61 |
1,13 |
90 |
1265 |
|
Норма |
Не менее 50 |
Не более 10 |
- |
Не более 5 |
Не более 40 |
- |
Степень развития молекулярных ван-дер-ваальсовых сил сцепления и количество воды (адсорбционной и гидратных оболочек) определяют структурно-механические свойства керамзитовых шихт. Механические свойства коагуляционных структур связаны с наличием остаточных тонких прослоек водной среды между частицами глины по участкам их контакта, через которые действуют в той или иной мере ван-дер-ваальсовые силы молекулярного притяжения. Прослойки водной среды в местах контакта частиц играют роль смазочных слоев и определяют относительную подвижность элементов структуры даже при самых малых напряжениях сдвига. При этом значительное влияние на подвижность коагуляционной структуры дисперсной системы оказывает качество смазочных слоев и их толщина. Анализ результатов табл. 2 свидетельствует, что введение в глинистое сырье метало-масляной окалины сокращает потребность массы в воде, понижая нормальную формовочную влажность на 1,5–2 % в сравнении с системой глина-вода. Наблюдается развитие пластических свойств опытных масс системы глина метало-масляная окалина-вода (число пластичности 17) за счет ослабления сил межмолекулярного взаимодействия между частицами и, как следствие, усиления подвижности частиц относительно друг друга, понижения вязкости системы и пластической прочности масс, тем самым способствуя течению процесса экструзии керамзитовых масс через фильеры в производственных условиях.
Таблица 2
Составы шихт и свойства сырьевых смесей
|
Номер массы |
Состав шихты, % |
Пластическая прочность, Рк·10-5 дин/см2 |
Влажность, % |
Число пластичности |
||
|
глина |
торф |
окалина метало- масляная |
||||
|
1 |
100 |
- |
- |
20,1 |
26,5 |
14 |
|
2 |
98 |
2 |
- |
22,6 |
27,1 |
12 |
|
3 |
95 |
- |
5 |
20,1 |
24,7 |
17 |
Разнообразные по размеру игольчатые частицы торфа создают с глинистыми частицами при взаимодействии с жидкой средой плотную структуру, характеризующуюся достаточно большой пластической прочностью. В силу гидрофильности частиц торфа потребность массы в воде увеличивается, при этом пластические свойства ухудшаются в сравнении с глиной без добавок и массой глина-металломасляная окалина.
Общеизвестно, что пластичные глины представляют собой упруго-вязко-пластичные тела, при приложении нагрузки к которым в них развиваются упругие, пластические и эластические деформации. Соотношение между величинами деформаций зависит от зернового состава твердой фазы, содержания жидкой фазы, состава обменных ионов и интенсивности механического воздействия. В соответствии с исследованиями [1], величина быстрых эластических деформаций может служить критериальной характеристикой для прогнозирования марки керамзита, получаемого из глин различного минералогического и гранулометрического составов.
Показатели упруго-вязко-пластичных свойств, определенные методом развития деформации сдвига в неразрушенных структурах с учетом оценки модуля медленной эластической деформации (Е1), модуля быстрой эластической деформации (Е2), вязкости η и условного предела текучести Рк1 представлены в табл.3. По характеру развития деформаций – быстрой эластической ε0', медленной эластической ɛ2' и пластической ɛ1', исследуемые составы относятся к первому структурно-механическому типу (рис.1). Для них характерно развитие быстрых (ɛ0') и медленных эластических деформаций (ɛ2') с преобладанием последних и недостаточным развитием пластических деформаций (ɛ1'). Такие массы характеризуются хорошей формуемостью.
Таблица 3
Реологические характеристики керамзитовых масс
|
Номер массы |
Структурно-механические константы |
Структурно-механические характеристики |
Относительные деформации |
Марка керамзита прогнозная |
||||||
|
Е1, МПа |
Е2, МПа |
Рк1 ·103, МПа |
λ |
φ, с-1 |
θ,с |
ɛ0',% |
ɛ2',% |
ɛ1,%' |
||
|
1 |
3,3 |
2,6 |
1,0 |
0,559 |
2,0 |
438 |
35 |
44 |
21 |
500 |
|
2 |
2,3 |
2,2 |
0,7 |
0,525 |
1,2 |
507 |
37 |
39 |
24 |
500 |
|
3 |
4,1 |
3,6 |
1,9 |
0,582 |
4,1 |
417 |
41 |
47 |
22 |
450 |
По данным табл. 3 масса 3 (глина и метало-масляная окалина) характеризуется наибольшим показателем быстрых эластических деформаций в сравнении с составами 1 и 2 и на ее основе прогнозируется возможность получения керамзитового гравия марки по насыпной плотности 450.
Рис. 1. Структурно-механические типы глин: а – состав 1, б – состав 2, в – состав 3
С вводом метало-масляной окалины в глинистое сырье происходит снижение вязкости системы, а также наблюдается уменьшение периода истинной релаксации θ. В силу пластифицирующего действия метало-масляной окалины наблюдается увеличение пластичности φ ( Рк1 / η1). Широко применяемая в качестве корректирующего компонента добавка торфа менее эффективно воздействует на развитие быстрых эластических деформаций и улучшение пластичности. Для торфа более характерна отощающая функция в развитии деформационного процесса.
Заключение
Введение в глинистое сырье для производства керамзитового гравия метало-масляной окалины способствует совершенствованию коагуляционных структур керамзитовых масс и сопровождается увеличением показателя пластичности, снижением пластической прочности, развитием быстрых и медленных эластических деформаций, улучшением формуемости экструзией. Состав «глина – метало-масляная окалина – вода» позволяет получать керамзитовый гравий пониженной насыпной плотности М 450.
Рецензенты:Фабинский П.В., д.х.н., доцент, ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск;
Кузнецов П.Н., д.х.н., профессор, Институт химии и химической технологии СО РАН, г. Красноярск.