АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕСТНОГО СЫРЬЯ И ОТХОДОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

|енерный вестник Дона, №12 (2022) i.ru/ru/magazine/archiveM2y2022/8087

Анализ возможности применения местного сырья и отходов при изготовлении композитов для высокотемпературной теплоизоляции

промышленных агрегатов

Н.Г. Василовская, А.С. Лукьянов

Сибирский федеральный университет

Аннотация: Представлен анализ существующих керамических материалов для высокотемпературной теплоизоляции. Показана возможность получения композита на основе цеолитсодержащего сырья «Сахаптинского» месторождения с добавками для теплоизоляции промышленных агрегатов. Приведены результаты влияния добавок (глины, микрокремнезема, выгорающих добавок и пенообразующей эмульсии) на физико-механические и обжиговые свойства получаемых изделий. Изучены основные характеристики полученной пористой керамики и определены оптимальные границы применения используемых добавок в соответствии с требованиями ГОСТ 2694-78 на аналоговый пенодиатомитовый кирпич. Определено влияние содержания глины в композитах на плотность, прочность и дополнительную линейную усадку образцов. Получен оптимальный состав, содержащий микрокремнезем и выгорающие добавки (опилки) при изготовления пористой керамики, применяемой для высокотемпературной теплоизоляции с наименьшей плотностью и соответствующий требованиям ГОСТ по прочности и дополнительной линейной усадки.

Ключевые слова: цеолит, глина, микрокремнезем, пенообразующая эмульсия, выгорающие добавки, химический состав, обжиговые свойства, физико-механические свойства, пористая керамика, отходы, высокотемпературная теплоизоляция.

В настоящее время использование отходов производства и дешевых сырьевых материалов, наряду с получением местных строительных теплоизоляционных материалов, является перспективным направлением для решения экологических и экономических проблем РФ [1]. Энергосбережение в промышленности - одна из наиболее важных задач российской экономики, не теряющая своей актуальности. Для её решения изучаются свойства новых материалов, и способы их получения. Одним из перспективных направлений в решении этой проблемы является пористая керамика, опыт получения таких материалов весьма разнообразен. Пористую структуру материала получают за счёт выгорающих добавок (отходов углеобработки, деревообработки, золы) [2,3], применением пенообразователей в процессе формования сырца, введением щелочей, алюминиевой пыли или аналогов в составы для порообразования при обжиге [4], а также использованием

|енерный вестник Дона, №12 (2022) l.ru/ru/magazine/archiveЫ2y2022/8087

природных экологически чистых и искусственных пористых материалов, таких, как диатомиты [5]. Выгорающие добавки позволяют получать материалы с меньшим количеством исходного сырья и пористостью до 4550%, что недостаточно для их применения в качестве высокотемпературной теплоизоляции [6]. Более эффективным, но технически сложным способом получения материалов с пористостью до 80-85%, являются вспениватели в процессе обжига или в процессе формования изделий [7]. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Первый после обжига требует доработки полученных изделий из-за их вспучивания и увеличения в объёме, второй же сложен в получении качественной пены и её смешивании с шихтой, а также возможной усадки пены до сушки материала. Проблема получения пористой керамики из отходов и экологически чистых материалов является актуальным исследованием как для нашей страны, так и для зарубежья [8, 9]. Технология достижения результата исследований схожа, различие в исходном сырье, его физико-химических свойствах, технологии обжига. С целью снижения экономических затрат при производстве оптимизируются режимы обжига [10], исследуются возможности применения отходов для получения композитов не уступающих по качеству аналоговым материалам [11]. Изучение этих работ позволило разработать составы с применением местного сырья и отходов, таких, как отходы заводов ферросплавов - микрокремнезем, лесообрабатывающей и лесозаготавливающей промышленности - опилки и щепа [12, 13]. Они могут быть применены для получения новых качественных композиционных материалов и расширения номенклатуры производства местных кирпичных заводов.

В ходе проведения исследования за аналог был взят кирпич диатомитовый и пенодиатомитовый по ГОСТ 2694-78 «Изделия пенодиатомитовые и диатомитовые теплоизоляционные. Технические условия», производимый в

|енерный вестник Дона, №12 (2022) l.ru/ru/magazine/archive/n12y2022/8087

западных регионах РФ, который должен обладать плотностью для пенодиатомитовых от 350 до 400 кг/м3, для диатомитовых от 500 до 600 кг/м3, пределом прочности при сжатии от 6 до 8 кгс/см2, дополнительной линейной усадкой при 900оС не более 2% и теплопроводностью, определяемой при 25оС и 300оС в зависимости от марки кирпичей 0,072-0,1 при 25оС и 0,105-0,145 ккал/(мч°С) при 300оС.

Недостатками пенодиатомитовых и диатомитовых изделий является высокая цена, возможность брака изделий при транспортировке и транспортные расходы до Красноярского края. Для производства диатомитов, соответствующих требованиям ГОСТ 2694-78, используются различные месторождения Российской Федерации, которые отличаются химическим составом, методом добычи и чистотой сырья. [13]. Анализируя химический состав используемых месторождений, выявлено, что основным химическим элементом является оксид кремния SiO2 - это взято за одну из теоретических основ при подборе химического состава шихты.

В состав композита входили цеолит и добавки. Была использована цеолитовая порода «Сахаптинского» месторождения, она применялась, как местное доступное сырьё, обладающее естественной пористостью. В качестве связующего в композите, для снижения показателя дополнительной линейной усадки вводилась легкоплавкая глина «Кубековского» месторождения, применяемая на существующих кирпичных заводах г. Красноярска. Для корректировки в составе шихты оксида SiO2 к цеолитам вводили микрокремнезем «Братского» завода ферросплавов, а дополнительное снижение плотности композитов определялось за счёт выгорающих добавок - опилок местных деревообрабатывающих производственных цехов. Определялось влияние их количественного состава на конечную плотность, прочность, дополнительную линейную усадку,

|енерный вестник Дона, №12 (2022) l.ru/ru/magazine/archiveЫ2y2022/8087

хрупкость и внешний вид получаемых изделий. Химический состав используемого сырья представлен в таблице №1, а композита в таблице №2.

Таблица №1

Химический состав «Сахаптинского» цеолита, глины «Кубековского» месторождения, микрокремнезема «Братского» завода ферросплавов.

Наименование породы Содержание оксидов, %

SiO2 Fe2Oз ^2 CaO MgO Na2O п.п.п

Цеолит 64,85 12,70 2,86 0,35 2,50 1,79 0,63 3,20 11,12

Глина 58,76 14,52 5,22 6,71 1,83 0 1,68 1,44 10,73

Микрокремнезём 93,4 0,47 0,6 0 0,36 0,3 0 0,69 3,43

Таблица №2

Химический состав композитов с добавлением глины и микрокремнезема.

Состав композита Содержание оксидов, %

SiO2 Fe2Oз ТО2 CaO MgO Na2O ппп

100%цеолит / 0% глина 64,85 12,70 2,86 0,35 2,50 1,79 0,63 3,20 11,12

85/13 62,76 12,68 3,1 0,35 2,99 1,76 0,75 2,9 10,73

80/12 58,93 11,9 2,91 0,35 2,81 1,65 0,71 2,73 10,08

85/6 55,41 11,03 2,6 0,35 2,4 1,54 0,6 2,64 9,49

Состав композита Содержание оксидов, %

SiO2 ^3 Fe2Oз ТО2 CaO MgO Na2O ппп SO2/SiC

82 цеолит/ Микрокрем-незём5(мк) 66,21 12,12 2,82 0,35 2,42 1,72 0,6 3,1 11,12 0,09/до 3

77/мк14 68,92 10,96 2,73 0,35 2,28 1,57 0,55 2,8 11,12 0,09/до 3

71/мк24 78,03 9,8 2,65 0,35 2,14 1,42 0,5 2,53 11,12 0,09/до 3

Рабочие составы отличались различным содержанием цеолита, глины, микрокремнезема, опилок с одинаковым количеством вспенивающей

|енерный вестник Дона, №12 (2022) l.ru/ru/magazine/archive/n12y2022/8087

эмульсии. В таблице №3 представлены рабочие составы для изготовления образцов и их физико-механические свойства.

Таблица №3

Составы шихты и физико-механические свойства образцов.

№ Состав композита, на 100% массы Усадка*, % Доп. линейная усадка при 900оС % Р, кг/м3 Rсж, МПа

Цеолит, % Глина, % Микрокремнезем , % Опилки,%

1 100 0 - 0 2,93 1,3 1084 3,44

2 85 13 - 2 2,6 1,25 1030 1,9

3 85 12 - 3 2,7 1,29 1013 1,35

4 85 6 - 9 5,3 1,6 880 0,88

5 82 - 5 13 7,2 2,2 669 0,7

6 77 - 14 9 4,9 1,7 662 0,88

7 71 - 24 5 5,2 1,3 931 0,73

*Общая при сушке и обжиге сырья.

Анализ полученных результатов показывает, что введение выгорающих добавок (опилок) в составах композита цеолит-глина-эмульсия в количестве 2-9% от сухой массы сырья даёт положительное, но недостаточное уменьшение плотности материала на 5-19% (с 1084 до 880 кг/м ), соответственно уменьшаются прочностные характеристики. Введение в композит микрокремнезема и опилок даёт снижение плотности материала на

"5

14-39% (с 1084 до 662 кг/м ), что близко к верхней границе требований ГОСТ, однако требования по прочности для составов удовлетворяются или находятся в допустимых границах. Зависимость плотности и прочности от количества добавок глины, микрокремнезема и опилок показаны на рис. 1, 2 и 3. Получившиеся материалы, за исключением состава 5, не имеют сколов, нарушения структуры и отклонений по линейным размерам, дополнительная линейная усадка при повторном нагревании образцов, определяемая по

Иенерный вестник Дона, №12 (2022) 1.ги/ги/та§а/1пс/агс1п\с/п12у2022/8087

методике ГОСТ 5402-81 «Изделия огнеупорные. Методы определения дополнительной линейной усадки или роста», соответствует требуемому

ГОСТ на пенодиатомитовый кирпич и не превышает 2% при 900оС.

Рис. 1 - Влияние количества опилок на прочность составов цеолита с глиной

Как видно из рис. 1, при добавлении опилок от 2 до 9%, существенно снижается прочность образцов от 45 до 74%, а плотность изделий слишком

Рис. 2. - Влияние количества микрокремнезема и опилок на плотность

композита

|енерный вестник Дона, №12 (2022) l.ru/ru/magazine/archiveЫ2y2022/8087

Рис. 3. - График изменения прочности, в зависимости от количества опилок и

микрокремнезема

Анализ рис. 2 и 3 показывает, что наилучшие показатели плотности композита возможно получить при количестве опилок 9% от сухой массы шихты (короткая линия) и микрокремнезема 14% (длинная), при этих же соотношениях достигаются наибольшие значения прочности. Также можно сделать вывод, что увеличение доли микрокремнезема в смеси, являющегося более лёгким и тонкодисперсным материалом, в сравнении с цеолитом и глиной, даёт незначительное снижение плотности, а при его добавлении более 15%, снижает прочность и повышает плотность материала. Это, возможно, связано с тем, что в структуре материала цеолит является крупной фракцией, а микрокремнезем - мелкой, заполняющей поры между частицами цеолита и являющимся центром образования кристаллических решёток, при таком увеличении его количества нарушается баланс в структуре и связях, что и является причиной снижения прочности, как при добавлении большего количества опилок.

|енерный вестник Дона, №12 (2022) i.ru/ru/magazine/archiveM2y2022/8087

Заключение

- В результате исследования композитов на основе цеолита с добавлением глины, микрокремнезема и выгорающих добавок, были получены образцы пористой керамики, которые можно применять в качестве высокотемпературной теплоизоляции.

- Введение добавки глины в композит снижает усадку изделий до показателей ГОСТ от первоначальной, однако плотность полученного материала не позволяет применять его для высокотемпературной теплоизоляции.

-Наилучшими показателя плотности, удовлетворяющими требования ГОСТ 2694-78, являются выгорающие добавки опилок в количестве 9% и микрокремнезема в количестве 14%.

Литература

1. Митина Н.Н., Утилизация промышленных отходов в России и в мире: проблемы и решения // «Neftegaz.RU». 2020. №3. URL: magazine.neftegaz.ru/articles/ekologiya/536780-utiHzatsiya- promyshlennykh-otkhodov-v-rossii-i-v-mire-problemy-i-resheniya/

2. Явруян Х.С., Гайшун Е.С., Мирина В.А. Инновационные добавки при производстве стеновой керамики // Инженерный вестник Дона. 2016. №4. URL: ivdon.ru/ru/Magazine/Archive/N4y2016/3763

3. Jamal-Eldin F.M. Ibrahim, Tihtih Mohammed, Kurovics Emese, and others. Innovative glass-ceramic foams prepared by alkali activation and reactive sintering of clay containing zeolite (zeolite-poor rock) and sawdust for thermal insulation // Journal of Building Engineering. 2022. №59. URL: Doi.Org/10.1016/J.Jobe.2022.105160

4. Jamal-Eldin F. M. Ibrahim, Kurovics Emese, Tihtih Mohammed, and others. Synthesis and characterization of alkali-activated zeolite-poor rocks // Journal of

|енерный вестник Дона, №12 (2022) i.ru/ru/magazine/archiveM2y2022/8087

Physics Conference Series. 2022. №2315. URL:

researchgate.net/publication/362320746_Synthesis_and_characterization_of_alkali -activated_zeolite-poor_rocks.

5. Дацко Т.Я., Зеленцов В.И., Дворникова Е.Е. Физико-химические свойства диатомита модифицированного соединениями алюминия // Электронная обработка материалов. 2011. №6. Том 47. URL: cyberleninka.ru/article/n/fiziko-himicheskie-i-adsorbtsionno-strukturnye-svoystva-diatomita-modifitsirovannogo-soedineniyami-alyuminiya.

6. Ибе Е.Е., Чекалова А.Ю., Шибаева Г.Н Поризованная керамика на основе гидролизного лигнина // Инженерный вестник Дона. 2021. №7. URL: ivdon.ru/Ru/Magazine/Archive/N7y2021/7068

7. Белугин Д.С., Попов Р.Ю., Богдан Е.О. Разработка составов масс теплоизоляционных керамических материалов с использованием легкоплавких глин республики Беларусь. // «Семьдесят первая всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участие». Ярославль. 2018. С. 136-138. URL: ystu.ru/1_Sbornik_materialov_71_Conf_2018.PDF

8. Jamal-Eldin F.M. Ibrahim, Kotova Olga B., Sun Shiyong, and others. Preparation of innovative eco-efficient composite bricks based on zeolite-poor rock and Hen's eggshell // Journal of Building Engineering. 2022. №45 URL: doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103491

9. Rath Matthias, inventor, Rowand LLP, assignee. Process for producing a foam ceramic Canadian patent №СА2960461А1 // Canadian patent database. 2022 Aug 23. URL: brevets-patents.ic.gc.ca/opic-cipo/cpd/eng/patent/2960461/summary.html

10. Fatimah Dewi. Pembuatan Zeolit Alam sebagai Keramik Batu pada Suhu Bakar di Bawah 1000oC // Journal of Indonesian Zeolites. 2006. №2 vol.5. URL:

|енерный вестник Дона, №12 (2022) i.ru/ru/magazine/archive/n12y2022/8087

docplayer.info/38397889-Pembuatan-zeolit-alam-sebagai-keramik-batu-pada-suhu-bakar-di-bawah-1000-o-c.html

11. Дмитриев К.С. Пористая керамика современное состояние и перспективы // Международный журнал экспериментального образования.

2016. №7 URL:

expeducation.ru/ru/article/view?id=10309&ysclid=lb4g3899ai 192901070

12. Маневич В.Е., Субботин Р.К., Сеник H.A., Мешков A.B. Диатомит -кремнеземосодержащий материал для стекольной промышленности // Стекло и керамика. 2012. №5. URL: glass-ceramics.ru/ru/archivru/26-syrevye-materialy/3711 -rus-glc-2012-5-pp-034-039

13. Шлегель И.Ф., Макаров С.Г. Вопросы переработки опилок // Строительные материалы. 2017. № 10. URL: journal-cm.ru/index.php/ru/zhurnaly/2017/vse-stati-za-2017/voprosy-pererabotki-opilok

References

1. Mitina N.N. «Neftegaz.RU». 2020. №3. URL: magazine.neftegaz.ru/articles/ekologiya/536780-utilizatsiya- promyshlennykh-otkhodov-v-rossii-i-v-mire-problemy-i-resheniya/

2. Yavruyan Kh.S., Gayshun E.S., Mirina V.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2016. №4. URL: ivdon.ru/Ru/Magazine/Archive/N4y2016/3763

3. Jamal-Eldin F.M. Ibrahim, Tihtih Mohammed, Kurovics Emese, and others. Journal of Building Engineering. 2022. №59. URL: Doi.Org/10.1016/J.Jobe.2022.105160

4. Jamal-Eldin F. M. Ibrahim, Kurovics Emese, Tihtih Mohammed, and others. Journal of Physics Conference Series. 2022. №2315. URL: researchgate.net/publication/362320746_Synthesis_and_characterization_of_alkali -activated_zeolite-poor_rocks

5. Datsko T.Ya., Zelentsov V.I., Dvornikova E.E. Elektronnaya obrabotka materialov. 2011. №6 volume 47. URL: cyberleninka.ru/article/n/fíziko-

|енерный вестник Дона, №12 (2022) i.ru/ru/magazine/archiveM2y2022/8087

himicheskie-i-adsorbtsionno-stmkturnye-svoystva-diatomita-modifitsirovannogo-soedineniyami-alyuminiya

6. Ibe E.E., Chekalova A.Yu., Shibaeva G.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021. №7. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n7y2021/7068

7. Belugin D.S., Popov R.Yu., Bogdan E.O. Razrabotka sostavov mass teploizolyatsionnykh keramicheskikh materialov s ispol'zovaniem legkoplavkikh glin respubliki Belarus' [Development of mass compositions of heat-insulating ceramic materials using fusible clays of the Republic of Belarus]. "Seventy-first All-Russian Scientific and Technical Conference of Students, Undergraduates and Postgraduates of Higher Educational Institutions with International Participation". Yaroslavl. 2018. pp. 136-138.

URL: ystu.ru/1_Sbornik_materialov_71_Conf_2018.PDF

8. Jamal-Eldin F.M. Ibrahim, Kotova Olga B., Sun Shiyong, and others. Journal of Building Engineering. 2022. №45. URL: doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103491

9. Rath Matthias. Canadian patent database. 2022 Aug 23. URL: brevets-patents.ic.gc.ca/opic-cipo/cpd/eng/patent/2960461/summary.html

10. Fatimah Dewi. Journal of Indonesian Zeolites. 2006. №2 vol.5. URL: docplayer.info/38397889-Pembuatan-zeolit-alam-sebagai-keramik-batu-pada-suhu-bakar-di-bawah-1000-o-c.html

11. Dmitriev K.S. Mezhdunarodnyy zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya. 2016.№7. URL:expeducation.ru/ru/article/view?id=10309&ysclid=lb4g3899ai192 901070

12. Manevich V.E., Subbotin R.K., Senik N.A., and others. Steklo i keramika. 2012. №5. URL: glass-ceramics.ru/ru/archivru/26-syrevye-materialy/3711-rus-glc-2012-5-pp-034-039

Иенерный вестник Дона, №12 (2022) 1.ги/ги/та§а/1пс/агс1п\с/п12у2022/8087

13. Shlegel' I.F., Makarov S.G. Stroitel'nye materialy 2017. № 10. } ournal-cm.ru/index.php/ru/zhurnaly/2017/vse-stati-za-2017/voprosy-pererabotki-opilok