CC BY
22
М Инженерный вестник Дона, №2 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2022/7438
Технологические особенности производства керамического кирпича методом пластического формования из сырья Пермского края
К.А. Волосатова, Н.А. Волосатова Пермский национальный исследовательсикй политехнический университет, Пермь
Аннотация: Приведен анализ использования керамической продукции в общем объеме использования стеновых материалов. Показано, что при пластическом способе формования керамических изделий изменение качества сырья может привести к выпуску продукции низкого качества (браку). Изучены базовые технологические свойства глинистого сырья Таушинского месторождения Пермского края, а также его гранулометрический и минеральный составы. Показано, что корректировка состава керамической шихты при изменении характеристик исходного сырья должна осуществляться с учетом особенностей минералообразования в 8-компонентной оксидной системе. Произведено сравнение физико-механических характеристик двух партий кирпича текущего и скорретированного составов, позволяющее с некоторыми допущениями считать их идентичными.
Ключевые слова: керамика, кирпич, глина, месторождение, оптимизация, шихта, обжиг, производство, пластическое формование, прочность.
Анализ статистических данных о производственно-финансовой деятельности хозяйствующих субъектов Российской Федерации показывает, что на отечественном рынке стеновых материалов за последние 10 лет не произошло существенных изменений: основной объем изделий представлен керамическим кирпичом, стеновыми блоками из ячеистого бетона, а также мелко- и крупноформатными изделиями из природного камня и гипса.
Между тем, керамический кирпич, несмотря на общее снижение объемов его производства (в сентябре 2021 года объемы производства снизились на 1,5% к уровню сентября 2020 года), традиционно занимает лидирующие позиции в общем объеме использования стеновых материалов (рис. 1) [1, 2].
и
Рис. 1. - Доля производства основных видов стеновых изделий Известно, что керамические изделия могут выпускаться тремя основными способами: шликерным литьем, полусухим и пластическим формованием [3]. При этом, учитывая особенности глинистого сырья многих регионов России, в частности, карьерную влажность и плотность сырья, его чувствительность к сушке, а также необходимость получения широкого ассортимента продукции, наибольшее распространение получила технология пластического формования керамических изделий [4, 5].
Однако, несмотря на множество положительных моментов при организации и реализации технологии пластического формования керамических изделий, у нее есть один существенный недостаток - высокая чувствительность к качеству исходного глинистого сырья.
Вопросами повышения качества глинистого сырья и стабильности выпускаемой продукции занимаются многие отечественные и зарубежные ученые [6, 7]. В основном их предложения сводятся к корректировке состава керамической шихты, в том числе за счет введения в ее состав дополнительных компонентов (например, высокопластичных каолиновых
глин) или оптимизации технологических параметров производства: изменение режимов формования сырца, его сушки и обжига.
Стоит отметить, что на многих керамических заводах производятся периодические испытания глинистого сырья, а при выявлении отклонений его качества у сотрудников имеется опыт корректировки технологических параметров производства [8].
Между тем, возникают ситуации, когда ранее используемые алгоритмы оптимизации состава шихты и технологических параметров производства не обеспечивают требуемого результата, что может привести к выпуску продукции низкого качества (браку). В таком случае, уместным будет проведение комплексного анализа всего технологического процесса с учетом его особенностей.
Рассмотрим особенности производства керамического кирпича с использованием сырья Таушинского месторождения Чернушинского района Пермского края. Исследуемая глина - легкоплавкая, в сухом состоянии цвет - коричневый, во влажном - тёмно-коричневый, текстура - беспорядочная, с низким содержанием крупнозернистых включений.
В результате изучения базовых технологических свойств глинистого сырья, поступившего с карьера, было выявлено отклонение отдельных показателей от текущих значений (табл. 1).
Таблица № 1
Базовые технологические характеристики глинистого сырья Таушинского
месторождения
Характеристика П роба
1 «Карьер» 2 «Производство»
Число пластичности (П) 11,6 14,3
Формовочная влажность ^отн), % 21,8 24,2
Воздушная линейная усадка (1в), % 6,2 5,7
Учитывая, что глинистое сырье, поступившее с карьера (проба 1 «Карьер»), является менее пластичным (П=11,6) по сравнению с
сырьем, используемым в настоящее время на производстве (проба 2 «Производство», П=14,3), было принято решение о корректировке состава керамической шихты путем снижения расхода отощителя -полевошпатово-кварцевого песка. Однако в результате обжига опытной партии прочностные характеристики кирпича значительно отличались от значений в текущей партии (табл. 2).
Таблица № 2
Физико-механические характеристики текущей и опытной партий кирпича
Наим. Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Рср, кг/м3 W, %
средн. мин. средн. мин.
Текущ. (1) 13,9 12,2 3,5 2,7 1235 10,3
Опытн. (1) 7,9 7,2 2,1 1,9 1220 17,2
Поскольку при изготовлении опытной партии кирпича технологические режимы формования, сушки и обжига оставались неизменными, то основной причиной полученных отклонений физико-механических свойств готовой продукции могло являться изменение характеристик глинистого сырья.
Для выявления структурных отличий используемого на производстве сырья от «карьерной» глины были проведены исследования гранулометрического (табл. 3) и минерального (табл. 4) составов.
Таблица № 3
Гранулометрический состав частиц глинистых пород по результатам
ситового рассева
Размерный класс, мм Содержание, %
более 1,0 01,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 менее 0,1 навеска
Проба №1 «Карьер» 0,02 0,19 1,70 4,73 93,36 100,00
Проба № 2 «Производство» 0,12 0,17 3,97 11,76 83,99 100,00
Гранулометрический состав глинистых частиц класса менее 0,1 мм определялся с помощью лазерного дифракционного анализатора частиц Analysette 22 MicroTec plus (рис. 2, 3).
0,01 0,1 1 10 100 1000
х [рт]
| | 68<В ¿011') — ЬУ45 03(()
Рис. 2. - Гранулометрический состав глинистых частиц класса менее 0,1 мм
пробы 1 «Карьер»
0,01 0,1 1 ю 100 юоо
х [мт]
Рис. 3. - Гранулометрический состав глинистых частиц класса менее 0,1 мм
пробы 2 «Производство» По результатам анализа гранулометрического состава частиц можно отметить, что проба 2 «Производство» представлена большим количеством частиц крупностью 0,1-0,5 мм (15,73%) по сравнению с пробой 1 «Карьер» (6,43%), при этом распределение частиц у пробы 2 «Производство» смещено в сторону мелких фракций, а наибольшее монофракционное значение равно 6,31% (фр. 2,5-3,15 мкм); у пробы 1 «Карьер» наибольшее монофракционное значение равно 6,19% (фр. 3,15-4,0 мкм).
Таблица № 4
Результаты определения минерального состава образцов
Минерал Кварц Полевые шпаты Гидросл юда Хлорит ССО Кальцит Сумма
Проба №1 «Карьер» 42,72 23,78 18,96 13,67 0,87 - 100
Проба № 2 «Производство» 37,91 28,48 18,66 11,07 1,15 2,73 100
Как видно из табл. 4, глинистое сырье пробы 1 «Карьер» отличается большим содержанием кварца (42,72%) по сравнению с пробой 2 «Производство» (37,91%), в которой содержание полевых шпатов больше, чем в пробе 1 «Карьер» (28,48% и 23,78% соответственно). Также следует отметить присутствие в пробе 2 «Производство» кальцита (СаС03).
Известно, что полевые шпаты и карбонатные материалы являются плавнями, позволяющими снизить температуру обжига и обеспечить требуемую прочность кирпича [9].
Таким образом, первоначально принятое сотрудниками завода решение о снижении в шихте количества полевошпатово-кварцевого песка при сохранении температуры обжига привело к изменению минералогического состава кирпича и существенному снижению его прочностных характеристик.
С учетом технико-экономических ограничений и риска деформации готовой продукции, повышение температуры обжига в туннельной печи в качестве возможного варианта оптимизации параметров производства не рассматривалось.
Анализ опыта производства идентичных партий продукции на кирпичных заводах Пермского края и Свердловской области позволил скорректировать состав шихты на основе «карьерной» глины с учетом особенностей минералообразования в 8-компонентной оксидной системе
[10]. В качестве корректирующего компонента керамической шихты была выбрана высокопластичная светложгущаяся глина, химический состав которой приведен в табл. 5.
Таблица № 5
Химический состав высокопластичной светложгущейся глины
Среднее содержание оксидов, мас. %
ТО2 Fe2Oз CaO MgO Na2O Mn2O3 P2O5 п.п.п.
64,62 1,71 14,14 2,85 0,91 0,87 4,09 3,22 0,03 0,01 7,55
Для оценки корректности и адекватности выполненных расчетов в лабораторных условиях были изготовлены и проанализированы две серии образцов, состав шихты которых соответствовал текущему производственному («Состав 1») и скорректированному за счет введения светложгущейся глины («Состав 2»). Анализ идентичности полученных образцов осуществлялся путем сравнения их минерального (табл. 6) и фазового (рис. 4) составов.
Таблица № 6
Результаты определения минерального состава образцов
Минерал Кварц Полевые шпаты Слюда Хлорит Доломит Сумма
Состав 1 46,63 34,64 7,43 8,67 2,63 100
Состав 2 49,71 31,5 7,98 7,98 2,83 100
Из данных табл. 6 можно наблюдать, что значительных отличий в минеральном составе кирпича текущего («Состав 1 ») и скорректированного («Состав 2») состава, способных вызвать существенные изменения физико-механических характеристик керамического кирпича, не выявлено. Это также подтверждается результатами рентгено-флуоресцентного анализа (РФА).
М Инженерный вестник Дона, №2 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2022/7438
Соттап<1ег 5атр1е 10 (Соир1е<1 TwoThвta/Thвta) Commander Затр1е Ю (Соир1ей ТжоТИв1а/ТЬв1а)
2ТЪе4а 1.54060 2 Г Ма 1.54080
Рис. 4. - Дифрактограмма керамического кирпича: состав 1 (слева); состав 2
(справа)
Сравнение результатов РФА для проб керамического кирпича позволило выявить незначительные различия текущего («Состав 1») и скорректированного («Состав 2») составов в интервале углов излучения от 20 до 30 град., которые вызваны структурными изменениями гидрослюды типа иллит и полевых шпатов типа альбит. Однако указанные изменения не являются значимыми, и на практике не оказывают значительного влияния на механические свойства керамического кирпича.
Для окончательного подтверждения корректности состава шихты с добавлением светложгущейся глины была произведена очередная опытная партия керамического кирпича с сохранением начальных режимов формования, сушки и обжига продукции. Результаты физико-механических испытаний двух партий изделий (текущей и опытной) представлены в табл. 7.
Таблица № 7
Физико-механические характеристики текущей и опытной партии
кирпичей
Наим. Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Рср, кг/м3 W, %
средн. мин. средн. мин.
Текущ. (2) 13,5 12,1 3,4 2,9 1225 10,7
Опытн. (2) 12,9 11,4 3,1 2,4 1195 11,2
Анализируя полученные результаты, можно отметить, что отклонения физико-механических характеристик кирпича скорректированного состава («Опытн. (2)») по сравнению с текущим значениями («Текущ. (2)») несущественны: предел прочности при сжатии и изгибе снизился на 4,7% и 9,7% соответственно, значение средней плотности уменьшилось на 2,5%, а абсолютное значение водопоглощения кирпича по массе увеличилось на 0,5%.
Таким образом, выявленные в результате комплексного изучения глинистого сырья пробы 1 «Карьер» и пробы 2 «Производство» отличия фракционного и минералогического состава позволили произвести своевременную корректировку керамической шихты и предотвратить массовый выпуск бракованной продукции. Между тем, для достижения текущих показателей качества кирпича и производства идентичной продукции необходима дальнейшая оптимизация состава и, при необходимости, технологических параметров сушки и обжига кирпича.
Литература
1. Промышленное производство в России. 2021: Стат.сб./Росстат. М., 2021. 305 c.
2. Рынок керамического кирпича в России 2015-2021 гг. Цифры, тенденции, прогноз. URL: tk-solutions.ru/russia-rynok-keramicheskogo-kirpicha.
3. Anant L. Murmu, A. Patel Towards sustainable bricks production: an overview // Construction and building materials. 2018. vol. 165. pp. 112-125.
4. Куликова Е.С., Мартынова А.С., Мазунина Н.С. Исследование свойств глинистого сырья для изготовления керамического кирпича методом пластического формования // Дальний восток: проблемы развития архитектурно-строительного комплекса. 2014. №1. С. 243-248
5. Наумов А.А., Мальцева И.В. Керамический кирпич из глинистого сырья Сухо-Чалтырского месторождения // Инженерный вестник Дона, 2017, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4447.
6. Flores Nicolas Mario, Vlasova Marina, Márquez Aguilar Pedro Antonio, Kakazey Mykola, Chávez Cano Marcos Mauricio, Matus Roberto Arroyo, PiPuig Teresa. Development of an energy-saving technology for sintering of bricks from high-siliceous clay by the plastic molding method // Construction and building materials. 2020. vol. 242. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118142.
7. Наумов А.А., Котляр В.Д. Керамический кирпич из вскрышной породы Ключевского месторождения песчаников // Инженерный вестник Дона, 2018, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5249.
8. Салиева М.Г. Исследование технологического процесса получения керамического кирпича // Известия ОшТУ. 2017. №3. С. 157-161.
9. Шишакина О.А., Паламарчук А.А. Применение плавней в производстве керамических материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 11. С. 105-109.
10. Иванова О.А., Клевакин В.А. Минералогический анализ как основа качества керамического кирпича // Строительные материалы. 2010. №12. С. 13-15.
References
1. Promyshlennoye proizvodstvo v Rossii [Industrial production in Russia]. 2021: Stat.sb. Rosstat. M., 2021. 305 p.
2. Rynok keramicheskogo kirpicha v Rossii 2015-2021 gg. Tsifry, tendentsii, prognoz [Ceramic brick market in Russia 2015-2021 years. Figures, trends, forecast]. URL: tk-solutions.ru/russia-rynok-keramicheskogo-kirpicha.
3. Anant L. Murmu, A. Patel. Construction and building materials. 2018. vol. 165. pp. 112-125.
4. Kulikova E.S., Martynova A.S., Mazunina N.S. Dal'niy vostok: problemy razvitiya arkhitekturno-stroitel'nogo kompleksa. 2014. No. 1. pp. 243-248
5. Naumov A.A., Mal'tseva I.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4447.
6. Flores Nicolas Mario, Vlasova Marina, Márquez Aguilar Pedro Antonio, Kakazey Mykola, Chávez Cano Marcos Mauricio, Matus Roberto Arroyo, PiPuig Teresa. Construction and building materials. 2020. vol. 242. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118142.
7. Naumov A.A., Kotlyar V.D. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5249.
8. Saliyeva M.G. Izvestiya OshTU. 2017. No. 3. pp. 157-161.
9. Shishakina O.A., Palamarchuk A.A. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy. 2019. No 11. pp. 105-109.
10. Ivanova O.A., Klevakin V.A. Stroitel'nye materialy. 2010. No. 12. pp.
13-15.
