CC BY
97УДК 666.71
О.А. ИВАНОВА, начальник ПТО, В.А. КЛЕВАКИН, главный инженер, ОАО «Ревдинский кирпичный завод» (г. Ревда Свердловской обл.)
Минералогический анализ
как основа качества керамического кирпича
В течение последних 10 лет отрасль производства керамического кирпича в России получила значительное развитие. Номенклатура готовой продукции многих кирпичных заводов исчисляется десятками видов. Основные из них: рядовой кирпич, лицевой кирпич, цветной кирпич различных оттенков от черного до белого, крупноформатные керамические камни, заменяющие от 2 до 15 кирпичей НФ, клинкерный кирпич, применяемый в агрессивных средах, фасонный кирпич различных форм, торкретированный и глазурованный кирпич.
Технологии изготовления всех вышеперечисленных видов продукции общеизвестны производителям по всему миру, но продукция каждого предприятия уникальна, так как напрямую зависит от свойств исходного сырья. Именно на изучении свойств исходного сырья, его химического и минерального состава основывается возможность прогнозирования конечных свойств готовой продукции, и в данной статье описан опыт такого исследования, внедренный на ОАО «Ревдинский кирпичный завод» (ОАО «РКЗ»).
Любой производитель керамического кирпича сталкивался с таким явлением, как необходимость выпуска идентичных партий продукции. Факторы идентичности бывают разные, но в основном это цвет черепка и физико-механические характеристики.
Специалисты ОАО «РКЗ» с начала освоения выпуска цветного кирпича работали в направлении унификации готовой продукции. Но их попытки практически никогда не давали результата: каждая партия отличалась от предыдущей. Это, естественно, вызывало нарекания со стороны потребителя.
В 2007 г. предприятием был приобретен лазерный анализатор элементного состава LEAS-500, позволяющий выполнять химический анализ любого сырьевого компонента по стандартным образцам. Введение опре-
деления химического состава завозимой шихты в карту технологического контроля производственного процесса цветного кирпича позволило решить ряд значительных проблем в направлении выпуска идентичных партий продукции. Химический анализ шихты позволяет корректировать состав в момент завозки ее в шихтоза-пасник цеха, а также гарантирует определенный оттенок готовой продукции. Но проведение химического анализа сырья не могло спрогнозировать физико-механические характеристики готовой продукции. Именно с этой целью ОАО «РКЗ» был приобретен электронный микроскоп Leica с возможностью 1000-кратного увеличения.
Результаты работы в области микроструктуры и минералогии черепков керамического кирпича ОАО «РКЗ» представлены ниже.
Приобретение микроскопа ОАО «РКЗ» преследовало следующие цели:
1. Определение минералогического состава сырья. Данная цель поставлена в связи с тем, что опытным путем подтверждено: постоянство химического состава определенных групп оксидов не гарантирует идентичного минерального состава сырья, что в итоге сказывается на качестве готовой продукции.
2. Разработка методики расчета минерального состава по результатам химического анализа.
3. Прогнозирование физико-механических характеристик готовой продукции по минералогическому составу компонентов шихты.
В статье представлены результаты исследования четырех видов строительного кирпича, выпускаемого ОАО «Ревдинский кирпичный завод».
С определенным допущением можно считать, что химической основой строительного керамического кирпича является четырехкомпонентная система
Таблица 1
Название минерала Цвет(макро) Среднее значение коэффициента преломления, Ncp Среднее значение коэффициента отражения R, % Относительная микротвердость (по Моосу), Нм Травление HF Особые свойства
Кварц Бесцветный, белый 1,547 4,5 7 + Твердость
Анортит Белый 1,53 5,2 6 ++ -
Диопсид Бурый, белый 1,763 7,6-8,5 5,5 - -
Стеклофаза* Переменный 1,5-1,65 4,5-6 5-5,5 +++ Аморфность
Шпинель Бесцветный, белый 1,718 7,2 8 - Форма кристалла
Клиноэнстатит Белый 1,66 6,5 5,5 -
Магнетит Черный 3 21 5,5 - Сильномагнитен
Гематит Красный 3 26,5 6 - Слабомагнитен
Железо (металлическое) Черный - 56 4,5 - Сильномагнитно
Примечание. Травление Н^: + - медленное, ++ - быстрое, +++ - очень быстрое (5 с). * Свойства стеклофазы (Мср и Я) определяются содержанием в ней Fe2Oз, МпО, ТЮ2, Сг203 и V2Oз.
■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
AiJ : : ® декабрь 2010 13^
Микротекстура кирпича
оксидов CaO+Al2Oз+Fe2Oз+SiO2 с основностью (СаО^Ю2)<1. Однако в связи с наличием щелочных оксидов ТЮ2 и М§0 фазовый (минеральный) состав будет определяться фактически 8-компонентной оксидной системой:
№20-К20-Са0-М§0-А1203^е203-ТЮ2^Ю2.
В результате детальной микроскопии отраженного и проходящего света установлено, что все образцы имеют неоднородную макро- и микроструктуру (рисунок), обусловленную наличием относительно крупных
(0,3—1,8 мм), плотных и пористых включений (зерен), находящихся в мелкозернистой спеченной основной массе (матрице) кирпича.
Для диагностики минерального состава зерен и матрицы использовали оптические и другие свойства минералов (табл. 1).
При этом главным диагностическим свойством являются коэффициенты отражения Я и преломления N значения которых варьируют соответственно в пределах 4,5—56% и 1,53—3. Дополнительно образцы подвергали химическому травлению плавиковой кислотой.
Таблица 2
Минералы Содержание минералов, мас. %
Название Химическая формула А Б В Г
Гематит a-Fe2O3 7-8/7,5 3-4/3,5 4-6/5 4-5/4,5
Кварц P-SiO2 15-20/17,5 30-35/32,5 25-30/27,5 15-20/17,5
Стеклофаза R2O-R2O3-nSiO2 41-45/43 46-50/48 42-46/44 46-50/48
Анортит CaO-Al2O3-2SiO2 20-22/21 6-8/7 10-15/12,5 5-7/6
Диопсид CaOMgO2SiO2 10-12/11 8-10/9 10-12/11 10-12/11
Шпинель MgO-Al2O3 - - - 2-3/2,5
Клиноэнстатит a-MgO-SiO2 - - - 1-2/1,5
Магнетит FeO-Fe2O3 - <0,5 <0,3 <0,3
Железо (металлическое) a-Fe - <0,3 <0,2 <0,1
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
14 декабрь 2010 *
Таблица 3
Минералы Содержание минерала, мас. %
Название Химическая формула А Б В Г
Анортит Са0^А!203^Ю2 10,57 25,04 22,81 16,14
Диопсид Са0Мд0^Ю2 14,51 7,58 5,41 9,53
Тиалит А!203ТЮ2 1,27 3,09 2,91 2,18
Муллит 3А!203^Ю2 12,78 14,91 12,36 20,88
Альбит Na20■Al203■6Si02 27,25 0,17 9,43 5,76
Микроклин К20-А!203^Ю2 9,42 5,54 4,43 7,2
Кварц 14,04 39,06 34,32 32,28
Гематит а^е203 9 4,2 5,1 4,5
2 98,84 99,59 96,77 98,47
Таблица 4
Минералы Физико-механическая характеристика Химическая формула минерала Содержание минерала, мас. %
А Б В Г
Гематит Интенсивность красного цвета a-Fe2O3 От 7 От 7 От 7 От 7
Кварц Повышенная марочность p-SiO2 От 30 От 30 От 30 От 30
Стеклофаза Повышенная марочность R2O-R2O3-nSÍO2 От 46 От 46 От 46 От 46
Анортит Минимальный объемный вес CaO-Al2O3-2SiO2 5-8 5-8 5-8 5-8
Диопсид Высокая морозостойкость CaOMgO2SiO2 От 10 От 10 От 10 От 10
Шпинель Желтый цвет черепка MgO-Al2O3 От 2 От 2 От 2 От 2
Клиноэнстатит Желтый цвет черепка a-MgO-SiO2 От 2 От 2 От 2 От 2
Магнетит Персиковый цвет черепка FeO-Fe2O3 <0,3 <0,3 <0,3 <0,3
Железо (металлическое) Персиковый цвет черепка a-Fe <0,2 <0,2 <0,2 <0,2
В результате исследований микроструктуры выявлены индивидуальные особенности кирпича, различный минеральный состав зерен (включений), минералогия и строение матрицы. Однако имеются также общие характерные черты. Белые включения представлены в основном кварцем, коричневые (рыжие) зерна — железосодержащей полуразложившейся (выветренной) горной породой переменного состава.
Черные и серые зерна в образцах светлой окраски имеют принципиально иной состав. Они представлены в основном железосодержащими металлургическими гранулированными шлаками, состоящими из силикатной стеклофазы с включениями магнетита, шпинели и металлического железа.
На основании химического состава и частных двух-, трех- и четырехкомпонентных диаграмм состояния оксидных подсистем восьмикомпонентной системы Ш20-К20-Са0-М§0-А1203^е203-ТЮ2-8Ю2 рассчитан равновесный фазовый (минеральный) состав всех разновидностей кирпича (табл. 2).
При расчете теоретического фазового состава Fe2O3 остался в свободном состоянии, а ТЮ2 вошел в состав тиалита А1203ТЮ2. Щелочные оксиды совместно с А1203 и 8Ю2 образовали два полевых шпата — альбит №20-А1203-68Ю2 и микроклин К20А1203-68Ю2. Весь М§0 израсходован на диопсид Са0-Мё0-8Ю2, а оставшийся кальций совместно с остальным А1203 затрачен на анортит Са0-А1203-28Ю2. После расчета указанных двойных и тройных соединений во всех образцах оказался свободный кремнезем (кварц) в количестве 14—39% (табл. 3).
После определения теоретического минерального состава реальный качественный фазовый состав уточнен рентгенофазовым анализом. При этом выявлено, что все образцы содержат в значительном количестве кварц 8Ю2 и гематит а^е203. Однако каждый кирпич
имеет специфические особенности минералогии. Так, в образце А установлен дополнительно анортит, в образце Б — диопсид, в кирпиче В — анортит и диопсид, в изделии Г — три силиката: диопсид, анортит и клино-энстатит М§08Ю2. Муллит, тиалит и полевые шпаты отсутствуют.
Существенным недостатком рентгенофазового анализа является невозможность фиксации количества кристаллических фаз и наличия стеклофазы, если последние (кристаллофазы) находятся при содержании менее 3—5 мас. %. Поэтому более точный фактический минеральный состав определен петрографическим методом (табл. 2) осуществляемым посредством электронного микроскопа. Реальный минеральный состав кирпича представлен преимущественно стеклофазой 41—50 мас. %; кварцем 15—35 мас. %; анортитом 5—22 мас. % и диопсидом 8—12 мас. %.
Именно варьирование содержания минералогических фаз в готовой продукции посредством введения различных добавок в состав шихты позволило специалистам ОАО «РКЗ» добиться возможности прогнозировать заданные физико-механические параметры готовой продукции (табл. 4).
Таким образом, проведенные исследования дают возможность при разработке состава шихты и подготовке лабораторных образцов прогнозировать свойства готовой продукции, что значительно снижает первоначальные затраты на отработку новых ее видов. Авторы выражают благодарность доктору геолого-минералогических наук В.А. Перепелицыну за помощь в разработке методики исследования.
Ключевые слова: керамический кирпич, унификация готовой продукции, лазерный анализатор, минералогическая фаза, микроструктура.
j'vi ®
научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
декабрь 2010 15
