CC BY
91
УДК 691.421-431
И. В. Ковков (к.т.н.)1, В. А. Куликов (асп.)2, В. З. Абдрахимов (д.т.н., проф.)2
Использование необогащенного каолина и алюмосодержащего техногенного сырья в производстве клинкерных керамических материалов
ПК «НАУКА»
Казахстан, 070010, г. Усть-Каменогорск, ул. Михаэлиса, 14; e-mail: [email protected] 2Самарская академия государственного и муниципального управления 443084, г. Самара, ул. Стара Загора, 96; тел. 9515446, e-mail: [email protected], e-mail: [email protected]
I .V. Kovkov1, V. A. Kulikov2, V. Z. Abdrakhimov2
Use of notdressed kaoline and technogenic Al-containing raw materials in production of clinker ceramic materials
1 PC (Production cooperative) «SCIENCE» 14, Mikhaelis Str., 070010, Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan; e-mail: [email protected] 2Samara Academy of State and Municipal Management 96, Stara Zagora Str., 443084, Samara; ph. (846) 9515446, e-mail: [email protected], e-mail: [email protected]
Исследования показали, что использование алюмосодержащего техногенного сырья в качестве отощителя в керамических массах на основе необогащенной каолиновой глины позволяет получить клинкерные изделия высокого качества.
Ключевые слова: алюмосодержащее техногенное сырье; гематит; кварц; клинкерные изделия; кристаллы; муллит; необогащенный каолин; стеклофаза; химический состав.
Клинкерная керамика — это искусственные каменные материалы установленной формы, выработанные из глины путем обжига в интервале температур 1250—1350 °С до полного спекания без остекловывания поверхности. Эти материалы относятся к так называемому каменному товару с грубым черепком. От обычных изделий грубой строительной керамики (кирпича обыкновенного, черепицы, облицовочных плиток) клинкерные керамические материалы отличаются более высокой механической прочностью (на сжатие, на истирание, на изгиб), меньшим водопоглощением (0—6 % по массе). Такие высокие показатели обеспечиваются их структурой и фазовым составом, несколько отличными от таковых в керамическом черепке. В клинкерных керамических материалах содержится повышенное количество стеклофазы. Структура клинкер-
Дата поступления 02.08.10
Explorations have demonstrated that use of aluminium containing technogenic raw materials in the capacity of additive for plastic properties decrease in ceramic masses on the basis of not dressed kaolin clay allows to get of high quality clinker products.
Key words: aluminium containing technogenic raw materials; haematite; quartz; product clinker; crystals; mullite; non-dressed kaoline; a glassy phase; an elemental composition.
ных керамических материалов — плотная, микрозернистая, без крупных включений, пустот и каверн. Именно она обеспечивает такие высокие эксплуатационные характеристики.
Есть в вечном городе Одессе перекресток Итальянской (Пушкинской) и Ланжеронов-ской улиц. Его знает каждый одессит, да и многим приезжим он надолго запоминается из-за необычного песочно-желтого цвета мостовой. Мостовая на перекрестке, вероятно, одна из самых старых в Европе среди тех, что выложены клинкерной брусчаткой. За 150 лет эксплуатации из клинкерной мостовой выпали всего несколько брусков, да и те, похоже, выворотили гости города — на добрую память. В остальном желтый перекресток выглядит так, словно его замостили только вчера. Клинкер как технология имеет почтенный возраст (более 150 лет) и заслуженную репутацию в мире отделочных материалов. Можно сказать, что
полтора века назад клинкерныи кирпич и плитка заняли нишу, в котороИ только совсем недавно (около 20 лет назад) у них появился первый реальный конкурент — керамогранит.
Клинкер как строительно-отделочныИ материал имеет следующие разновидности:
1. Облицовочная керамическая плитка общего назначения для наружноИ и внутренней отделки зданиИ (полы, стены, лестницы и др. архитектурные элементы).
2. Технический клинкер:
а) дорожныИ клинкер (мостовоИ кирпич или плитка) — для мощения дорог, тротуаров, пешеходных дорожек, патио и т. п.;
б) материалы для полов общественных и промышленных зданиИ, в т. ч. с высокоИ эксп-луатационноИ нагрузкоИ;
в) кислотоупорные материалы — для футеровки резервуаров и отделки хранилищ в производствах с агрессивными условиями (кирпич и плитка керамическая различных фасонов);
г) водостоИкиИ клинкер для гидротехнических сооружениИ.
3. Специальные экструдированные детали для облицовки сложных архитектурных форм. Помимо низкоИ пористости, высокоИ механи-ческоИ прочности (на сжатие, изгиб, истирание) для отдельных типов клинкерных керамических материалов существуют свои специальные требования. Например, для гидротехнического клинкера важна не столько прочность, сколько водопоглощение, которое не должно превышать 2% по массе. Для отделочных раз-новидностеИ важнее внешниИ вид и отсутствие видимых дефектов; для дорожного клинкера определяющими являются прочностные показатели.
Цель настоящеИ работы — получение клинкерных изделиИ на основе необогащенно-го каолина и алюмосодержащего техногенного сырья.
Экспериментальная часть
В качестве глинистого компонента для производства клинкерных керамических изделиИ использовался необогащенныИ каолин Чапаевского месторождения СамарскоИ области. ХимическиИ состав необогащенного каолина представлен следующими оксидами, % мас: БЮ2 — 65-75; А1203 - 10-18; Бе203 - 1-3.5; СаО - 23.5; Mg0 - 0.5-2.0; И20 - (И20=Ка20+К20) -0.1-0.5; потери при прокаливании (п.п.п.) -4-6. Невысокое содержание в необогащенном каолине оксида алюминия (А1203 10-18 %) не
позволяет получить из него кислотостоИкие и термостоИкие клинкерные керамические изделия. По содержанию частиц размером менее 0.001 мм (30-35) глина относится к грубодис-персному сырью, по пластичности - умеренно-пластичная (число пластичности 10-12), по огнеупорности - тугоплавкая (огнеупорность 1520-1550 оС).
Шламы щелочного травления - это отходы металлургии и металлообработки Они образуются на металлургических заводах при обработке сплавов алюминия концентрированными растворами. Такие растворы, как правило, состоят из едкого натра с небольшим количеством специальных веществ. ХимическиИ состав шла-мов представлен следующими оксидами, % мас. БЮ2 - 0.3-0.8; А1203 - 43-57; Бе203 - 1.5-6.8 Са0 - 0.5-9.0; Mg0 - 0.5-4.0; И20 - 6-14 Б03 - 0.5-6.0.
ОтличительноИ особенностью всех шла-мов являются высокие: а) степень дисперсности - 8000-10000 см2/г; б) пластичность (число пластичности более 10), что позволяет использовать для производства керамических клинкерных изделиИ малопластичные необога-щенные каолины; в) высокое содержание в шламах оксида алюминия (43-57 %) позволит значительно повысить кислотостоИкость, тер-мостоИкость и механическую прочность при изгибе клинкерных изделиИ.
Керамическую массу готовили пластическим способом при влажности 18-22 %, из нее формовали плитки размером 100х100х20 мм, которые высушивались до остаточноИ влажности не более 5 % и затем обжигались при 1300 оС. В табл. 1 приведены составы керамических масс, а в табл. 2 - физико-механические и химические своИства полученных изделиИ.
Таблица 1 Составы керамических масс
Компоненты Содержание компонентов, мас. %
1 2 3 4
Необогащенный каолин 70 60 50 40
Шламы щелочного травления алюминия 30 40 50 60
Как видно из табл. 2, клинкерные керамические изделия из предложенных составов имеют высокие показатели по прочности, мо-розостоИкости, термостоИкости и кислотостоИ-кости.
Рис. 1. Микроструктура керамического клинкерного материала (состав №4): а — поля стеклофазы; б — кристаллы муллита игольчатого облика; в — кристаллы гематита таблитчатого и таблитчато-пирамидального облика, оплавленные кристаллы кварца призматического габитуса. Увеличение х 15000
Таблица 2
Физико-механические показатели изделий
Показатели Составы
1 2 3 4
Предел прочности при изгибе, МПа 70 72 78 82
Морозостойкость, циклы 160 165 174 181
Усадка, % 8.8 9.3 10.2 10.8
Термостойкость, теплосмены 17 18 18 19
Кислотостойкость, % 98.7 98.9 99.2 99.3
Использование отходов производств при получении клинкерных изделий способствует утилизации промышленных отходов, охране окружающей среды, расширению сырьевой базы для керамических материалов.
В физической химии силикатов исследованию микроструктуры придается особое значение, так как именно микроструктура и фазовый состав главным образом определяют эксп-
«2
луатационные свойства керамических изделий .
Электронно-микроскопическое исследование керамического клинкерного изделия сопряжено со значительными трудностями получения реплик от образцов, обожженных в области температур 1250—1300 °С, когда жидкая фаза содержит много не полностью растворенных глинистых частиц (рис. 1).
Под микроскопом в образцах наблюдаются бесцветные, желтоватые и бурые стекла с
показателями преломления от 1.54 до 1.59, которые образовались в результате плавления шпатов и смешаннослойных глинистых образований.
Электронно-микроскопические исследования показали: поля стеклофазы (рис. 1,а), значительные скопления мелких кристаллов шпинели, крупные кристаллы муллита игольчатого облика (рис. 1,б), скопления очерченных кристаллов гематита таблитчатого и таблитчато-пирамидального облика, оплавленные кристаллы кварца призматического габитуса (рис. 1,в).
Повышенное количество в алюмосодержа-щем техногенном сырье оксида железа (Ре203=1.5—6.8 %) и щелочей (И20=6-14) способствует повышенному образованию жидкой фазы при 1300 оС.
Спекание керамического кирпича идет с участием жидкой фазы, от свойств которой во многом зависит процесс формирования структуры материала и его свойства. Повышение реакционной способности жидкой фазы в керамическом клинкерном материале по отношению к тугоплавким составляющим дает возможность интенсифицировать процесс спека-
з
ния, что позволит уменьшить расход топлива .
Таким образом, использование алюмосо-держащего техногенного сырья в качестве ото-щителя в керамических массах на основе не-обогащенной каолиновой глины позволяет получить клинкерные изделия высокого качества.
Литература
1. Пат. ИИ №2385304, С1, С04В 33/132. / Абдрахи-мова Е. С., Абдрахимов В. 3. Опубл. 27.03.2010. Бюл. №9.
2. Ковков И. В. // Баш. хим. ж.- 2008.- Т. 8, №2.- С. 78.
3. Абдрахимов В. 3. // Известия вузов. Строительство.- 2009.- №2.- С. 31.
