CC BY
92
Георесурсы. 2016. Т. 18. №3.4. 2. С. 236-239
Georesursy = Georesources. 2016. V. 18. No. 3. Part 2. Pp. 236-239
УДК 666.3
ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДА МАГНЕЗИТА В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОЙ
КЕРАМИКИ
A.M. Салахов, К.А. Арискина, P.A. Арискина
Казанский (Приволжский) федералъныйуниверситет, Казань, Россия
На заводах Республики Татарстан ежегодно образуется около 3 млн. тонн промышленных отходов. Решением проблемы утилизации и переработки промышленных отходов может стать их вторичное использование в технологии производства керамических изделий. Однако в настоящее время не все отходы исследованы и могут применяться в промышленности повторно. В статье приведен анализ отхода магнезита, выявлен его качественный и количественный состав. Исследовано влияние добавок из данного отхода на следующие типы глин: легкоплавкая глина Алексеевского месторождения, тугоплавкая глина Новоорского месторождения, глина Салмановского месторождения с высоким содержание карбонатов. В процессе исследования применялись следующие методы: рентгенофазовый анализ (дифрактометр XRD-7000S (Shimadzu, Япония), дифрактометр D2 Phaser (Брукер, Германия), электронная микроскопия (микроскоп EVO-50XVP), измерение основных физико-механических характеристик (пресс ПМГ-500 МГК 4 СКБ, Стройприбор, Россия и др.). Были проведены испытания в идентичных условиях с добавкой чистого оксида магния, однако положительных результатов выявлено не было. Модификация отходом магнезита глин Новоорского и Салмановского месторождений также не привела к улучшению характеристик полученных образцов. Напротив, в составах керамических масс на основе глины Алексеевского месторождения установлена целесообразность использования отхода магнезита в интервале от 2до5%от общей массы при температуре обжига 1150°С для производства высокопрочной керамики.
Ключевые слова: магнезит, оксид магния, керамика, глина, модифицирование, легкоплавкие эвтектики
DOI: 10.18599/grs.18.3.15
Для цитирования: Салахов А.М., Арискина К.А., Арискина Р.А. Применение отхода магнезита в технологии изготовления высокопрочной керамики. Георесурсы. 2016. Т. 18. № 3. Ч. 2. С. 236-239. DOI: 10.18599/grs.18.3.15
Введение
Согласно концепции долгосрочного развития Российской Федерации на период до 2020 г. (Распоряжение Правительства РФ от 17.11.2008 N 1662-р)одним из главных направлений обеспечения экологической безопасности является экология производства. С каждым годом все больший приоритет отдается снижению энергоемкости и материалоемкости с помощью внедрения наилучших доступных технологий. С другой стороны, это представляет собой достаточно сложный и длительный процесс.
Как известно, в Республике Татарстан ежегодно образуется около 3 млн. тонн промышленных отходов. Однако настоящая система обращения с отходами в республике основана, в основном, на захоронении их на полигонах и складировании на специальных объектах, что негативно сказывается на качестве жизни населения (Концепция обращения с отходами..., 2011). Оптимальным решением проблемы может стать вторичное использование промышленных отходов на предприятиях. Это позволит не только урегулировать экологические вопросы, возникающие в процессе производства, но и сэкономить природные ресурсы.
Проблеме утилизации промышленных отходов посвящено значительное количество работ российских и зарубежных ученых (Bender, 2004; Руми и др., 2015; Хоменко и др., 2014; Салахов и др., 2014; Сухарникова и др., 2016; Мюллер и др., 2009).
Авторами решалась задача использования в качестве добавки для модификации глин отхода магнезита, предоставленного заводом имени А.М. Горького, с целью внедрения данного отхода в производственный цикл изготовления изделий из керамики.
Экспериментальная часть
Ежегодно на судостроительном заводе им. A.M. Горького образуется свыше 1 тыс. тонн отхода магнезита, что представляет серьезную проблему для его утилизации.
Данный отход образуются от размола и сухой регенерации форм для изготовления отливок из сплавов металлов; в качестве формовочной смеси для изготовления форм применяется периклазовый (магнезитовый порошок) Саткинского месторождения марки ППЛФ с массовой долей оксида магния не менее 89%. Химический состав отхода магнезита следующий:
-массовая доля оксида магния не менее 88%; -массовая доля оксида кальция не более 4,5%; -массовая доля диоксида кремния не более 5,0 %; -прочие примеси (оксиды железа и т. п.) не более 2,5 %. Промышленный отход представляет собой мелкокристаллические зерна, 25 % из которых проходят через сетку №0063 (Технические условия № ТЛТ19 на отходы магнезита (периклазового порошка марок ППЛФ-89, ППЛФ-91)).
На сканирующем электронном микроскопе «EVO-50» авторами были исследованы состав и структура данного отхода. Структура отхода неоднородная (Рис. 1-2), идентифицируются фрагменты различной дисперсности и морфологии. Рыхлые и неустойчивые образования, которые рассматриваются как многокомпонентные, объединяются и образуют конгломераты. Размер частиц порядка двух микрон. В некоторых местах образованные структуры коррелируют с фрактальными (Рис. 2).
По данным рентгеновских спектров элементный состав отхода магнезита колеблется на различных участках. Одни фрагменты отличаются существенным содержанием щелочного металла натрия (Рис. 3). На других фрагментах
SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL
GEDRESURSY
А.М. Салахов, К.А. Арискина, Р.А. Арискина
А.М. БаккЪоу, К.А. Аййкта, К.А. Аййкта
наблюдается высокое содержание кальция (Рис. 4).
На белых участках РЭМ изображения идентифицируется сложный элементный состав (Рис. 5-6).
Для модификации отходом были выбраны различные типы глин: легкоплавкая Алексеевская, тугоплавкая Но-воорская и Салмановская глина с высоким содержанием карбонатов.
Предварительно глина подвергалась диспергированию в сухом виде до прохождения через сито с ячейкой 0,5 мм. Затем глину модифицировали отходом магнезита с массовыми долями 2%, 5%, 10% от общей массы и составили сырьевые смеси, которые тщательно усредняли в сухом виде. После затворения водой рабочая влажность исходных масс составила 10 %. Сырец приготовляли путем компрессионного (15 МПа) формования.
Отформованные образцы выдерживали в естественных условиях в течение 1 суток, а затем проводили обжиг при температуре 1050°С-1150°С с шагом 50°С в муфель-
Содержание отхода, % 0 2 5 10
2,2
Плотность, г/см 1,1 2,3 2,3
Водопоглощение, % 1,3 1,0 1,5 1,8
Линейная огневая усадка, % 5,3 5,7 5,3 5,3
Прочность, МПа 139 155 148 103
Рис. 1. РЭМ изображение отхода Рис. 2. РЭМ изображение отхода маг-магнезита. незита.
Рис. 3. РЭМ изображение отхода Рис. 4. РЭМ изображение отхода магнезита. Элементный состав из магнезита. Элементный состав из рентгеновского спектра участка, обо- рентгеновского спектра участка, обозначенного «Спектр 1»: О - 58, N0 - 5, значенного «Спектр 1»: О - 60, 27, Mg-29,Si-б, Са-1,Ре-1%. 81-8, Са-5,Ре-1%.
Рис. 5. РЭМ изображение отхода Рис. 6. РЭМ изображение отхода магнезита. Элементный состав из магнезита. Элементный состав из рентгеновского спектра участка, обо- рентгеновского спектра участка, обозначенного «Спектр 2»: О - 63, N0 - 2, значенного «Спектр 1»: О - 64, Mg-21, Mg - 23, Si - 11, Са-1%. Si - 11, Са - 3%.
Табл. 1. Характеристики образцов из Алексеевской глины, модифицированной отходами магнезита, при Тобж =1150°С.
ной печи Ь01Р ЬБ-7/13, время обжига - 4 часа.
Для сопоставления результатов для каждого образца готовился «дублер», в котором вместо отходов магнезита содержалось такое же количество чистого оксида магния.
Полиминеральная легкоплавкая глина Алексеевского месторождения в процессе обжига до 1000°С не образует новых минеральных фаз (Рис. 7), за исключением гематита, доля которого менее 1%.
Определение основных характеристик синтезированных при температуре 1050°С материалов показало, что добавление отхода магнезита способствует незначительному изменению физико-механических свойств по сравнению с образцами из чистой глины.
Образцы из глины Алексеевского месторождения с добавлением 2-5% отхода магнезита, обожженные при 1150°С, в испытании на прессе показали высокие прочностные характеристики (Табл. 1). Данные результаты можно объяснить присутствием в составе отхода значительной доли оксидов щелочных металлов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик, создающих среду для активного взаимодействия.
Полученные результаты коррелируют с характером разрушения. На рис.8 видно, что разрушение произошло в результате роста трещин параллельно оси образца, о чем свидетельствуют форма осколков и незначительное количество образовавшихся дисперсных частиц (Арискина и др., 2015).
Испытания образцов на прочность при сжатии проводились на прессе ПМГ - 500 МГК 4 СКБ Стройприбор.
Также проведен рентгенофазовый анализ (РФА) образцов с 5% отхода магнезита завода им. А. М. Горького, обожженных при температурах 1100 °С и 1150 °С (Табл. 2). По результатам РФА можно сделать вывод, что с повышением температуры в образцах керамики произошла структурная перестройка. Образовались только устойчивые минеральные фазы, идентифицирован прирост доли аморфной фазы.
На рис. 9 представлена структура обожженного образца с 5% отхода магнезита. Наблюдаются несообщающиеся поры порядка 15 мкм. Зерна плотно прилегают друг к другу, межзеренные границы «склеены» в результате жидкофазного спекания, образуя монолитную структуру.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ ММК^Н
237
Георесурсы. 2016. Т. 18. №3.4. 2. С. 236-239
gr?
Georesursy = Georesources. 2016. V. 18. No. 3. Pait 2. Pp. 236-239
кальцит
icok 90Ü BOK
7Cf%
5(RÍ «3% 30% 20« 10K OK
____^ аморфная фаза
хлорит мусковит
микроклин
альбит
кварц
и о i УО о н Кварц Альбит Гематит Периклаз Энстатит Аморфная фаза
1100 44 10 4 3 1 38
1150 43 10 4 2 0 41
SO 100 200 300 400 500 600 700 S00 S50
Температура °C
500 « 50 1000
Рис. 7. Изменение минерального состава глины Алексеевского месторождения в связи с подъемом температуры от 50 до 1000°С.
Аналогичные исследования на базе тугоплавкой Новоорской глины и Салмановской глины с высоким содержанием карбонатов привели к ухудшению прочностных характеристик. Методы и условия испытаний были идентичны.
Диаграмма изменения фазового состава глины Салма-новского месторождения в процессе обжига представлена нарис. 10.
В глине Салмановского месторождения содержится 40% кальцита, который с повышением температуры диссоциирует с образованием оксида кальция. В процессе обжига синтезируются силикаты кальция. Для оксида
Рис. 8. Характер разрушения образца с 5% отхода магнезита. Тбж = 1150°С. Проч- Рис. 9. РЭМ изображение образца с 5%
ность при сжатии 148 МП.
отходамагнезита. Т,
Табл. 2. Минералогический состав образцов с 5% отхода магнезита.
магния, входящего в состав отхода магнезита, не остается «партнера» по взаимодействию, что способствует ухудшению прочностных характеристик.
Диаграмма изменения фазового состава глины Ново-орского месторождения в процессе обжига представлена нарис. 11.
В процессе обжига синтезируется муллит, для чего требуется оксид кремния. Таким образом, для оксида магния не остается «партнера» для взаимодействия. Это и приводит к снижению прочностных характеристик.
Параллельно с проводимыми исследованиями были определены свойства обожженных образцов с добавкой чистого оксида магния. Установлено, что композиции глины с оксидом магния приводят к значительному ухудшению эксплуатационных характеристик: при увеличении его содержания до 10 % происходит резкое снижение прочности в 4 раза и увеличение водопоглощения в 2,5 раза. Можно предположить, что большая часть оксида магния остается непрореагировавшей, о чем свидетельствуют белые вкрапления по всему объему образцов. Положительных результатов не выявлено.
Выводы
В результате проведенных исследований установлена целесообразность использования добавок из отхода магнезита в интервале 2-5 % от общей массы в составах керамических масс из глины Алексеевского месторождения для производства высокопрочной керамики, что в сочетании с легкоплавкими глинистыми материалами обеспечивает полноту и равномерность спекания при температуре 1150°С.
1150°С.
ÍOO 500 600 ТОО 800 900 950 1000 1050 1100
Температура °С
Рис. 10. Изменение минерального составаглины Салмановского месторождения в связи с подъемом температуры от 50 до 1100°С.
50 1О0 200 300 4О0 500 600 700 800 S50 900 950 10G0 1050 11СО 1150 1200 Темггратурз "С
Рис. 11. Изменение минерального состава глины Новоорского месторождения в связи с подъемом температуры от 50 до 1100°С.
I ЛВВЩ SdENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL
23^ GEDRESURSY
A.M. Салахов, K.A. Арискина, P.A. Арискина
A.M. Salakhov, K.A. Ariskina, R.A. Ariskina
Финансирование
Авторы выражают глубокую благодарность доктору геол.-мин. наукВ.П. Морозову за неоценимую помощь при проведении исследований.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Субсидии по постановлению Правительства РФ№218 (договорNe02.G25.31.0121, 2014г.).
Литература
Арискина P.A., Арискина К.А., Салахов А.М. Анализ керамических материалов Республики Татарстан: модифицирование природными добавками и техногенными отходами. Германия: LAMBERT Academic Publ. 2015.101с.
Концепция обращения с отходами производства и потребления в республике Татарстан на период 2012-2020 годов. Кабинет министров РТ. Постановление № 893 от 26.10. 2011.
Мюллер А., Лейдольф Б., Станелли Е. Использование отходов силикатного производства в качестве выгорающих добавок при изготовлении поризованной кера мики. Кирпич и черепица. 2009. № 1. С. 30-37.
Руми М.Х., Воронов Г.В., Зуфаров М.А., Кулагина Н.А., Мансурова Э.П., Мухсимов С.С., Ирматова Ш.К. Получение керамических высокопористых ячеистых материалов на основе сырьевых материалов и отходов производства Узбекистана. Россия: Стекло и керамика. 2015. J№ 1. С. 38-41.
Салахов А.М., Ашмарин Г.Д., Морозов В.П., Салахова Р.А. Керамические материалы из легкоплавких глин, модифицированных промышленными отходами завода стекловолокна. Россия: Стекло и керамика. 2014. № 3. С. 3-7.
Сухарникова М.А., Пикалов Е.С., Селиванов О.Г., Сысоев Э.П., Чухланов В.Ю. Разработка состава шихты для производства строи-
тельной керамики на основе сырья Владимирской области: глины и гальванического шлама. Россия: Стекло и керамика. 2016. № 3. С. 31-33.
Хоменко Е.С., Коледа В.В., Миршавка О.А., Рипак В.Р. Утилизация отходов производства озокерита в многотоннажной энергосберегающей технологии изготовления строительной керамики. Россия: Стекло и керамика. 2014. № 4. С. 17-21.
Bender, W. Vom Ziegelgott zum Industrieelektroniker. Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e.V. Bonn. 2004. 436 p.
Сведения об авторах
Альмир Максумович Салахов - кандидат тех. наук, доцент кафедры физики твердого тела, Казанский федеральный университет
Россия, 420008, Казань, ул. С.Сайдашева 12 E-mail: [email protected]
Кристина Андреевна Арискина - лаборант Центра квантовых технологий, Казанский федеральный университет Россия, 420008, Казань, ул. С.Сайдашева 12 E-mail: [email protected]
Регина Андреевна Арискина - лаборант Центра квантовых технологий, Казанский федеральный университет Россия, 420008, Казань, ул. С.Сайдашева 12 E-mail: ariskina [email protected]
Статья поступила вредакцию 13.07.2016
Application of Magnesite Waste in Manufacturing High-strength Ceramics
A.M.Salakhov, K.A. Ariskina, R.A. Ariskina
Kazan Federal University, Kazan, Russia
Abstract. Factories of the Republic of Tatarstan produce about 3 million tons of industrial waste per year. The solution of problem of utilization and processing of industrial waste is to reuse them in the production of ceramics. Currently, however, not all the waste is investigated and can be used repeatedly in industry. The article provides an analysis of magnesite waste, reveals its qualitative and quantitative composition. The effect of the additives from this waste is studied on the following types of clay: fusible clay from Alekseevsky field, refractory clay of Novoorsky field, clay of Salmanovsky field with high carbonate content. In the study we used the following methods: X-ray phase analysis (diffTactometer XRD-7000S (Shimadzu, Japan), diffractometer D2 Phaser (Bruker, Germany)), electron microscopy (EVO-50XVP microscope), measurement of basic physical and mechanical properties (press SGP-500 CIM 4 SKB, Stroypribor, Russia, and others). Tests were conducted under identical conditions with the addition of pure magnesium oxide; however, the positive results were not found. Modification of Salmanovsky and Novoorsky clay fields with magensite waste also did not lead to the improvement of the characteristics of the samples. On the contrary, in the ceramic mass compositions based on clay of Alekseevsky field we established the feasibility of using magnesite waste in the range from 2 to 5% by weight at a burning temperature of 1150 °C for the production of high-strength ceramics.
Keywords: magnesite, magnesium oxide, ceramics, clay, modification, low melting eutectics
Acknowledgements
The authors acknowledge support by the Ministry of Education and ScienceoftheRussianFederation(ContractNo. 02.G25.31.0121,2014).
References
Ariskina RA., Ariskina K.A., Salakhov A.M. Analysis of ceramic materials of the Republic of Tatarstan: the modification of natural additives and man-made waste. Germany: LAP LAMBERT Acad. Publ. 2015. 101 p. (In Russ.)
Bender, W. Vom Ziegelgott zum Industrieelektroniker. Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e.V. Bonn. 2004. 436 p.
Khomenko E.S., Kalyada V.V., Mirshavka O.A., Ripak V.R. Disposal of waste products of ozokerite in the large-tonnage energy-saving technology ofbuilding ceramics production. Russia: Glass and Ceramics. 2014. No. 4. Pp. 17-21. (InRuss.)
Muller A., Leydolf B., Stanelli E. Use of silicate manufacturing waste as burnable additives in the manufacture of porous ceramics. Brick and Tile Industrylnternational. 2009. No. 1. Pp. 30-37. (In Russ.)
Rumi M.H., Voronov G.V., Zufarov M.A., Kulagina N.A., Mansurov E.P., Muxsimov S.S., Irmatova Sh.K. Obtaining highly porous ceramic cellular materials based on raw materials and waste in Uzbekistan. Russia: Glass and Ceramics. 2015. No. 1. Pp. 38-41. (In Russ.)
Salahov A.M., Ashmarin G.D., Morozov V.P., Salahova R.A. Ceramic materials from the fusible clays modified by industrial waste of the glass factory. Russia: Glass and Ceramics. 2014. No. 3. Pp. 3-7. (In Russ.)
Suharnikova M.A., Pikalov E.S., Selivanov O.G., Sysoev E.P., Chuhlanov V.Y. Development of the charge composition for the building ceramics production based on raw materials of the Vladimir area: clay and galvanic sludge. Russia: Glass and Ceramics. 2016. No. 3. Pp. 31-33. (In Russ.)
For citation: Salakhov A.M., Ariskina K.A., Ariskina R.A. Application of Magnesite Waste in Manufacturing High-strength Ceramics. Georesursy = Georesources. 2016. V. 18. No. 3. Part 1. Pp. 236-239. DOI: 10.18599/grs.18.3.15
Information about authors
Al'mir M. Salakhov - PhD (Tech.), Associate Professor, Department of Solid State Physics, Kazan Federal University. Russia, 420008, Kazan, S.Saydashev str. 12. E-mail: [email protected]
KristinaA. Ariskina - Laboratory Assistant, Center of Quantum Technologies, Kazan Federal University. Russia, 420008, Kazan, S.Saydashev str. 12. E-mail: [email protected]
Regina A. Ariskina - Laboratory Assistant, Center of Quantum Technologies, Kazan Federal University. Russia, 420008, Kazan, S.Saydashev str. 12. E-mail: ariskina [email protected]
Manuscriptreceivedjulyl3, 2016
НАЧНО-ТЕХНтЕСКИЙ ЖУРНАЛ
ГЕПРЕСУРСЫ
