Применение глин месторождения Большая Карповка в производстве строительной керамики Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.42

А.Л. БОГДАНОВСКИЙ, заместитель директора ООО «Пласт-Импульс» (Курская обл.); А.В. ПИЩИК, генеральный директор ООО «ОСМиБТ» (г. Старый Оскол Белгородской обл.)

Применение глин месторождения Большая Карповка в производстве строительной керамики

В производстве керамического кирпича помимо местных глин, суглинков и песков широко применяются привозные тугоплавкие и огнеупорные глины. Для этого существует несколько взаимосвязанных причин.

Применение тугоплавких глин для улучшения физико-механических свойств продукции

Согласно А.И. Августинику (рис. 1) [1] для получения нормально спеченного керамического кирпича должны быть выполнены два условия:

— соотношение молярных долей А12О3:8Ю2 составляет

0,04—0,21, а для клинкерного кирпича — 0,04—0,12;

— молярная доля плавней К2О+№2О+СаО+М§О+

+Ре203=0,06—0,42, а для клинкерного кирпича —

0,06-0,18.

Невыполнение требований по соотношению А12О3:8Ю2 приводит к получению кирпича с дефектами типа «холодный треск» и снижению механической прочности продукции. Недостаток плавней приводит к получению продукта с низкой морозостойкостью, склонного к образованию налета при капиллярном подсосе влаги.

Необходимо подбирать гранулометрический состав шихты, оптимальный для формования, сушки, садки и спекания. Особенно важно это при производстве крупноформатных блоков, с высоким объемным содержанием выгорающих добавок и пустотностью более 50%. Диапазоны допустимых гранулометрических составов при производстве керамических изделий традиционно обозначаются в качестве зон на диаграмме Винклера (рис. 2) [2].

Для корректировки химического и гранулометрического состава шихты применяют привозные тугоплавкие и огнеупорные глины.

А12О3(моль)

SiO2 (моль)

1 - огнеупорные глины и каолины

2 - глины для производства плиток

пола и кислотоупорного кирпича

3 - гончарные и майоликовые глины

4 - черепичные глины

5 - глины для клинкерного кирпича

6 - кирпичные глины

0

0,2 0,3

1(К2О+Ма2О+ОаО+МдО+Рв2О3) в молях Рис. 1. Диаграмма Августиника (без учета железа в сидеритах)

Улучшение сушильных свойств сырья

В большинстве случаев кирпичные заводы используют полиминеральные подпочвенные глины и суглинки с высоким содержанием минералов монтмориллонито-вой группы. Данное сырье имеет высокую воздушную усадку, требует повышенной формовочной влажности и чувствительно к сушке. При использовании только местного сырья, как правило, возникает ситуация, когда именно максимально допустимая скорость сушки, а не печь обжига лимитирует производительность предприятия.

В тугоплавких глинах глинообразующим минералом является каолинит, поэтому, добавив в шихту 15-30% этих глин, можно сократить время сушки на 20-40%, что в ряде случаев позволяет существенно повысить производительность технологической линии и уменьшить выход брака.

Производство кирпича светлых тонов

Для производства кирпича светлых тонов используют шихту с содержанием трехвалентного оксида железа 1,2-3%. При этом получается кирпич цветом от белого до желто-розового. Отдельно нужно обратить внимание на химический и минеральный состав используемых глин. Содержание в сырье гематита обусловливает розовый оттенок кирпича. Умеренное содержание ТЮ2, СаО, соединений двухвалентного железа позволяет получить золотисто-желтый кирпич при содержании Ре2О3 вплоть до 3%.

В качестве основы для шихты кирпича светлых тонов применяют тугоплавкие светложгущиеся глины. Плавнями и одновременно красящими добавка-

Глинистые частицы

<0,005 мм - глина, % 0,005-0,05 мм - пыль, % 0,05-0,5 мм - песок, %

1 - полнотелый кирпич

2 - пустотелый кирпич

3 - черепица

4-керамические камни 5 - клинкерный кирпич

Песчаные частицы

Рис. 2. Диаграмма Винклера

50

Пылеватые частицы

5

4

3

2

научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js ~22 май 2012 ЬшУЩ|с'

ми являются местные красножгущиеся глины и суглинки.

Общие сведения о месторождении Большая Карповка

Месторождение расположено в 4 км от п. Кшенский Курской обл. (ст. Кшень Московской ж/д). Запасы глин для лицевого кирпича, керамических плиток и кислотоупорных изделий утверждены ГКЗ протоколом № 9175 от 11.02.1983 г. по категориям:

В — 5,955 млн т, площадь участков 43,8 га;

С1 — 17,175 млн т, площадь участков 132,3 га;

С2 — 15,6 млн т, площадь участков 125,2 га.

К началу 2012 г. общий объем добычи составил 1,34 млн т.

Земельный отвод площадью 240 га и лицензия на недропользование с 2001 г. являются собственностью ООО «Пласт-Импульс», при годовой добыче 500 тыс. т

Таблица 1

Оксидный состав светло-серых глин

Компонент, % БК-2 БК-3 БК-8

SiO2 65,2 64,2 62,3

SiO2cBo6 37,5 39,2 35

Al2O3 18,8 18,3 20

CaO 0,18 0,19 0,17

MgO 0,12 0,16 0,24

TiO2 2,12 1,7 1,17

fp 1 собщ 4,12 5,3 4,45

В том числе Fp2O3 0,96 1,12 2,5

FpO 4,44 5,65 3,4

Na2O 0,09 0,08 0,12

K2O 0,2 0,35 0,55

ППП 8,5 8,7 8,2

запасы сырья составляют более 50 лет. Лицензия КРС № 06633 ТЭ действительна до 01.01.2019 г.

В 2002 г. начата разработка месторождения в интересах ЗАО «Железногорский кирпичный завод», а в 2006 г. в круг потребителей вошли ООО «Тербунский гончар», ОАО «Сокол» и др.

Селективная добыча глин ведется по 11 сортам гидравлическими экскаваторами «Hyundai», способными снимать тонкие (до 10 см) слои при помощи ковша со скребком и обеспечивающими качественное разделение сортов глин (рис. 3).

В октябре 2011 г. введен в строй комплекс шихтовой подготовки сырья. Комплекс состоит из глинорыхлителя, разбивающего глину на куски размером 5—10 см, ящичного питателя с динамическими весами и телескопического конвейера, обеспечивающего круговую разгрузку и равномерное формирование конусов шихты (рис. 4).

Создана технологическая лаборатория, оснащенная прибором для рентгенофлуоресцентного анализа «Спектроскан-Макс», оборудованием для различного рода физико-химических и технологических испытаний глин. На сегодняшний день мы способны предложить заказчику экспресс-контроль отгружаемого сырья по оксидному составу, гранулометрическому составу, пластичности, свойствам после обжига и другим параметрам.

Глины отгружаются в полувагоны или думпкары с двух собственных железнодорожных тупиков общей емкостью 26 вагонов. Тупики оснащены станцией для мытья полувагонов, вагонными весами и маневровыми устройствами.

Глины месторождения Большая Карповка представлены несколькими разновидностями — светло- и крас-ножгущимися, тугоплавкими и огнеупорными (рис. 5). Ряд сортов находит применение в производстве стеновых керамических материалов. На рис. 6 представлена реализация глин ООО «Пласт-Импульс» в 2002—2011 г., а также прогноз на 2012 г.

Светло-серые беложгущиеся глины месторождения Большая Карповка (сорта БК-1 — БК-3 и БК-8)

Светло-серые глины относятся к категории алевритовых беложгущихся глин каолинитового состава.

Таблица 2

Дисперсность светло-серых глин

0,5-0,063 мм 0,063-0,01 мм 0,01-0,005 мм 0,005-0,001 мм <0,001 мм Z Содержание тонкодисперсных фракций

17,53 22,17 9,43 5,76 45,11 100 Среднедисперсное

rj научно-технический и производственный журнал

М ® май 2012 23"

I I

^ ц шЩа

ферм

Таблица 3

Оксидный состав красножгущихся глин

Компонент, % БК-4 БК-5 БК-10

бю2 58,5 62,5 60,2

Э'^гсвоб 28,5 32,5 26,5

М2О3 23,5 17,4 24

СаО 0,22 0,18 0,29

МдО 0,35 0,17 0,39

Тю2 1,05 1,41 1,12

Рв2Оз 6,2 5,2 3,1

№2О 0,15 0,21 0,28

К2О 1,6 0,54 1,6

ППП 8,5 8,1 9,6

¿г е *

Рис. 5. Образцы глин

Рис. 6. Реализация глин ООО «Пласт-Импульс»

Разновидности глин отличаются визуально по наличию включений пестроцветных глин, а химически - по содержанию трехвалентного оксида железа (при этом общее содержание железа для всех сортов практически постоянно).

Уникальной особенностью светло-серых глин месторождения Большая Карповка является высокое содержание двухвалентных соединений железа, представленных мелкодисперсными сидеритами, и высокое содержание диоксида титана, который представлен аната-зом. Такой минеральный состав позволяет получать кирпич востребованного золотисто-желтого цвета в широком диапазоне состава шихты и температуры обжига, в том числе желтый клинкерный кирпич. Химический состав и дисперсность светло-серых глин представлены соответственно в табл. 1 и 2.

Применение светло-серых глин в количестве 50-70% позволяет получить кирпич светлых тонов, от персикового до абрикосового, в зависимости от свойств легкоплавких суглинков, которые используются для приготовления шихты.

Попытка получить более светлый кирпич, повышая содержание светло-серой глины, приводит к появлению на кирпиче зеленого налета при испытаниях по методу капиллярного подсоса. Для устранения возможных проблем достаточно ввести в шихту 2-10% тонкодисперсного мела, чтобы привести химический состав шихты к диапазону, разрешенному диаграммой Августиника. В данном случае особое внимание необходимо уделить качеству помола мела. В разработанных для заказчиков шихтах использовался мел марки ЯС производства ЗАО «Руслайм» (г. Губкин). При содержании мела в шихте до 5% он практически не влияет на цвет и водопоглощение кирпича, при этом за счет лучшего спекания растет морозостойкость и механическая прочность.

Таблица 4

Дисперсность красножгущихся глин

Размер частиц (преобладает),% БК-4 БК-5 БК-10

> 0,5 мм 1-2 4 0,4-0,6

1-0,06 мм 6-8 17-19 3-5

0,06-0,01 мм 20-22 27-29 7-9

0,01-0,005 мм 9-10 6-7 10-12

0,005-0,0001 мм 23-25 10-12 23-25

<0,0001 мм 40-42 35-37 48-52

Число пластичности 14,2 8,2 15,3

Другой способ устранения налета в кладке - обработка обожженного кирпича в 0,25-3% растворе гидро-фобизирующей жидкости ГКЖ-11П, Пента-811 и других. На рис. 7 представлены образцы кирпича из светлосерых глин.

В последние годы производители оборудования для керамической промышленности устанавливают печи, рассчитанные на температуру обжига до 1200оС, что позволяет обжигать клинкерный кирпич.

Как следует из диаграмм Августиника и Винклера, для получения клинкерного кирпича необходимо добавить в глины БК-3 и БК-8 незначительное количество плавней (в виде суглинка и мела) и 10-20% отощителя - песка, алеврита, лесса и т. п.

Светло-серые глины месторождения Большая Кар-повка благодаря высокому содержанию двухвалентного железа и диоксида титана осветляют шихту при температуре 1070—1100оС. В результате удается получить клинкерный кирпич соломенного цвета при содержании всего 50-65% глин БК-3 или БК-8.

Ввиду довольно грубодисперсного состава светлосерых глин удается избежать при высокотемпературном обжиге деформации нижних рядов кирпича на печной вагонетке, что позволяет получить светло-желтый клинкерный кирпич при использовании садки высотой в 13 рядов.

Красножгущиеся глины месторождения Большая Карповка (сорта БК-4, БК-5, БК-10)

Красножгущиеся глины представлены сортами пестроцветной (БК-4), желто-бурой (БК-5) и табачно-зеленой (БК-10). Глины каолинитового состава тугоплавкие, нечувствительны к сушке (чувствительность более 180 с по Чижскому). Они находят активное применение при производстве кирпича красных и коричне-

24

научно-технический и производственный журнал

май 2012

Глина БК-2 - 70% Глина городищенская - 11% Песок - 16% Мел ЯС - 3% ВаС03 - 0,25% Обжиг при 1060оС

Глина БК-8 - 90% Глина М. Ступино - 10%

Обжиг при 1040оС Гидрофобизация 1,5% раствором «Пента-811»

Глина БК-3 - 43% Глина быковская - 42% Мел ЯС - 15% Обжиг при 1020оС

Глина БК-8 - 75% Суглинок лессовидный - 22% Мел ЯС - 3% ВаС03 - 0,3% Обжиг при 1030оС

Рис. 7. Образцы кирпича из светло-серых глин

вых тонов. Химический состав, дисперсность и число пластичности пестроцветных глин представлены в табл. 3 и 4.

Высокое содержание А1203 в глинах БК-4 и БК-10 позволяет оптимизировать химический состав шихты при недостаточном содержании А1203 в местных суглинках и тем самым повысить механическую прочность. Свойственная каолинитовым глинам нечувствительность к сушке позволяет сократить время пребывания кирпича в сушилке.

В ЗАО «Железногорский кирпичный завод» добавка к местным лессовидным и пластичным суглинкам 18—30% пестроцветной глины позволяет проходить цикл сушки за 50—54 ч, при этом марка красного кирпича составляет М150-М200. В ООО «ОСМиБТ» (г. Старый Оскол) используется рецепт красного кирпича:

— глина городищенская — 50%;

— глина БК-4 — 34%;

— песок — 16%.

Если без добавки глины БК-4 на сушку требуется 84 ч и прочность кирпича при пустотности 42,5% — М100, то с добавкой пестроцветной глины сушка происходит за 54 ч, а прочность возрастает до М150.

Из диаграммы Винклера можно сделать вывод: что высокие перспективы имеет применение недорогих глин БК-5, БК-8 и БК-4 для нормализации гранулометрического состава керамических крупноформатных блоков. В частности, компанией ЬШОЬ разработан рецепт, позволяющий получить блок с пустотно-стью 54%, кладочной плотностью 720—840 кг/м3 и маркой М150:

— глина городищенская (суглинок) — 50 мас. %;

— глина БК-8 — 40 мас. %;

— глина БК-4 — 10 мас. %;

— опилки— 0—25% по объему.

С распространением кирпича коричневого цвета, для получения которого в шихту вводится до 3% железо-марганцевых пигментов, большинство заводов столкнулось с проблемой разнотона и деформации нижних рядов садки, так как пигменты являются сильными плав-

нями и сужают интервал спекания. Поскольку пестро-цветные глины БК-4 и БК-5 являются тугоплавкими, их ввод в шихту в количестве 15—40% позволяет решить данную проблему.

Глина БК-4 в смеси с песком и керамзитовыми глинами позволяет получать темно-коричневый клинкерный кирпич без использования дорогостоящих пигментов. В частности, ВНИИСТРОМ им. П.П. Будникова разработан состав:

— глина БК-4 — 40%;

— глина дубенская (керамзитовая) — 40%;

— песок — 20%.

При температуре обжига 1120—1140оС эти шихты дают кирпич красно-коричневого цвета с водопоглоще-нием 2—5%.

ООО «Пласт-Импульс» располагает достаточно мощной технологической лабораторией и квалифицированным персоналом, а также возможностью изготовить шихтовые составы из глин по заявкам заказчиков, тем самым решая проблему недостаточного числа дозаторов на входе завода-потребителя. Поэтому мы готовы не только поставлять заказанное сырье, но и производить разработку рецептов с использованием глин предприятия-заказчика, проводить аудит технических возможностей предприятий и технологическое сопровождение внедрения наших глин.

Успешный опыт сотрудничества со многими российскими предприятиями и большое количество готовых технологических разработок позволяют нам в каждом случае предложить именно то сырье, которое лучше всего соответствует местным условиям заказчика.

Ключевые слова: беложгущиеся глины, тугоплавкие глины, стеновая керамика, керамический кирпич.

Список литературы

1. Августиник А.И. Керамика. Л.: Стройиздат, 1973. 592 с.

2. Юшкевич М.О., Роговой М.И. Технология керамики.

Л.: Стройиздат, 1969. 350 с.

научно-технический и производственный журнал

май 2012 25