CC BY
100
А. В. Скворцов, А. С. Чекмарев, А. З. Сулейманова,
А. И. Хацринов, А. В. Корнилов
ВЛИЯНИЕ АМОРФНОГО И КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНЕЗЕМА НА СУШИЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГЛИНЯНЫХ МАСС
Исследовалось влияние введения модификаторов (диатомит, кварцевый песок различных фракций) на технологические свойства (на линейную усадку критическую влажность, чувствительность к сушке, пластичность) глин различных месторождений РТ. Чувствительность глиняных композиций к сушке исследовали методом А.Ф.Чижского, пластичность при помощи прибора А.М.Васильева. Одновременно сравнивали полученные данные для построенных кривых Бигота. Доказано, что наиболее точные данные по чувствительности к сушке видны по кривым Бигота, которые в свою очередь дают более точную картину усадки образца из глиняных композиций и критическую влажность.
В последнее время активно проводятся работы по усовершенствованию технологии изготовления высококачественных керамических изделий. Но решение этой проблемы невозможно без детального изучения процессов сушки и, в частности, чувствительности к сушке, критической влажности и пластичности.
Целью данной работы явилось выявление влияния аморфного и кристаллического кремнезема на технологические свойства, такие как воздушная усадка, критическая влажность, чувствительность к сушке и пластичность, для глин месторождений Республики Татарстан.
Сейчас в значительной мере исследования ведутся в области обжиговых процессов, а не в области процессов сушки. Хотя закономерности, выявленные Биготом еще в 1921 году, имеют большое значение. Изучая кривые, которые предложил строить Бигот для процесса сушки глины, можно почерпнуть много информации для оценки качества глиняного сырья и определения его технологических параметров. Наши предположения относительно огромной значимости этих кривых и необходимости исследований в данной области подтверждаются работой французских ученых [1].
Пригодность глинистого сырья для производства того или иного керамического изделия определяется его свойствами, которые в значительной мере зависят от его химикоминералогического и гранулометрического составов. В табл. 1,2,3,4 приведены данные химического минералогического и гранулометрического составов глин месторождений Татарстана и добавок аморфного (диатомит Инзенского месторождения) и кристаллического (песок Золотой остров) кремнеземов.
При определении критической влажности учитывали линейную усадку и потерю влаги через определенный промежуток времени. Чувствительность керамического сырья к сушке определяли по ускоренному методу Чижского [2]. Гранулометрический состав и рентгенофазовый анализ исходного сырья был проведен на оборудовании ФГУП «ЦНИИГ еолнеруд».
Нижне-Суксинская (2 уступ) глина Куркачинская глина Инзенский диатомит Песок золотой остров
Минералы Содержа ние, % Минералы Содержа ние, % Минералы Содержа ние, % Минерал ы Содержа ние, %
Монтморилл онит 63±6 Монтморилл онит 56±6 Аморфный опал 70±7 Кварц 96.6±2
Слюда 7±2 Слюда 7±2 Кварц 7±2
Хлорит 3±1 Хлорит 11±2 Монтморилл онит 17±3
Кварц 19±4 Кварц 21±4 Слюда 5±1
КПШ 3±1 КПШ 1 Хлорит 1
Плагиоклаз 5±1 Плагиоклаз Кальцит 5±1 <1
Таблица 2 - Химический составов используемого сырья
Назва Содержание в % на возд. сухую навеску
ние
сырья Б102 Т1О2 ДЬОэ Рв2Оэ Мп0 СаО МдО Ыа0> К2О Р2О5 ЭОэ ппп Сум
ма
Куркач 61,99 0,71 13,18 7,07 0,07 1,39 1,98 0,86 1,65 0,08 - 10,85 99,83
инская
глина
Нижне 60,62 0,79 13,80 6,44 0,10 1,81 20,8 0,93 1,65 0,08 - 11,53 99,83
Суксин
ская (2
уступ)
Диато 78,23 0,27 5,62 2,64 0,01 0,5 0,71 0,2 1,14 0,03 - 10,66 99,80
мит
(Инзен
ский)
Кварце 96.6±2 - - - - - - - - - <0,05
вый
песок
(Золот
ой
остров)
Таблица 3 - Гранулометрический составов используемого сырья
Сырье Содержание фракции, %
0-5 5-10 10- 20 20- 30 30- 40 40- 50 50-100 100-150 150-200
Куркачинская глина 54 16,70 16,42 7,93 3,41 1,41 0,13 0 0
Нижне Суксинская (2- уступ) 75,47 18,1 6,41 0,02 0 0 0 0 0
Диатомит (Инзенский) 32,18 19,59 22,93 11,7 6,14 3,44 4,02 0 0
Таблица 4 - Гранулометрический состав песок Золотой остров
Фракции >2.5 1.6 1.0 0.63 0.4 0.315 0.2 0.16 0.1 0.0063 0.05 <0.05
Содержание - 0.18 0.32 1.59 8.61 25.6 44.8 13.55 2.17 2.18 1.38 0.38
В современной теории сушки под критической влажностью понимают влажность, соответствующую точке пересечения линейных участков зависимости влажности и усадки. Дальнейшая потеря влажности практически не сопровождается усадкой.
Критическая влажность определяется графически по величине линейной усадки плоского образца в зависимости от потери влаги при сушке в естественных условиях. Механизм этого явления - сжатие частичек капиллярными силами. Влага, заполняя поры образца из глиняного теста, образует на границе «изделие - воздух» вогнутые мениски. По мере испарения влаги поверхностное натяжение в капиллярах увеличивается и сжимает изделие. Усадка изделия происходит до определенного предела - пока частицы не придут во взаимное соприкосновение, которое сопровождается трением между ними. Когда трение достигает такой величины, которая превосходит силы поверхностного натяжения влаги, дальнейшее уменьшение размеров изделия прекращается, хотя в глине удерживается определенное количество воды (вода пор), условно соответствующее критической влажности материалов. После этого испарение влаги продолжается за счет отступления менисков по капиллярам вглубь материала. Величина воздушной усадки прямо пропорциональна пластичности глины, и косвенно по ее значениям можно судить о сушильных свойствах глинистого сырья. Как правило, чем больше величина усадки, тем чувствительнее глина к сушке. Экспериментальные данные по изменению влажности образцов обработали в программе МаШсаё, В результате были выстроены кривые зависимости линейной усадки от влажности.
Для композиций глины Нижне-Суксинского (2 уступ) месторождения, без добавки (Инзенского диатомита), и с ним от 0 до 25% (рис. 1) видно, что происходит уменьшение усадки, увеличение критической влажности. Увеличение критической влажности можно объяснить тем, что диатомит, являясь высокопористым, гидрофильным материалом, вбирает воду при этом происходит его набухание, что отражается на рентгенограммах.
Нижне-Суксинская (2 уступ) глина Нижне-Суксинская (2 уступ) глина + 5 % Инзинского диатомита
к *
\Мп1 мп2 Нижне-Суксинская (2 уступ) глина + 10 % Инзинского диатомита Нижне-Суксинская (2 уступ) глина + 15 % Инзинского диатомита Нижне-Суксинская (2 уступ) глина + 20 % Инзинского диатомита
£ Мп3 25 1 'Мп4
Мп6 г . К Нижне-Суксинская (2 уступ) глина + 25 % Инзинского диатомита
ч
*
"0 1 2 4 Нп1, Нп2, Нп3, Нп4, Нп5 садка,% Нп6
Рис. 1 - Кривая сушки Нижнее-Суксинской (2 уступ) глины без добавки и с добавкой Инзенского диатомита от 5 до 25%
Были получены данные для глины Нижне-Суксинского (2 уступ) месторождения без добавки и с добавкой песка Золотой остров от 0 до 25%. Можно сделать вывод, что в целом любое введение модифицирующей добавки (песка) приводит к уменьшению линейной усадки. Это объяснимо с точки зрения того, что песок будет создавать каркас будущего изделия.
Для композиций из глины Куркачинского месторождения с модификатором (Инзинский диатомит от 0 до 25%) заметно уменьшение усадки, увеличение критической влажности.
Данные для глины Куркачинского месторождения с добавкой песка Золотой остров от 0 до 25% представлены на рисунке 5. Из графиков видно, что в целом любое введение модифицирующей добавки (песка) приводит к уменьшению линейной усадки. Это объяснимо с точки зрения того, что в данном случае песок будет создавать каркас будущего изделия.
На рисунках 1-2 показаны точки эксперимента, представленные в графическом изображении, в виде кривых сушки, которые аналогичны кривым Бигота, так как они показывают такую же зеркально отображенную зависимость. Построенные кривые для композиций из глин наиболее точно определяют линейную усадку образцов. Из графиков видно, что введение добавок в целом ведет к уменьшению линейной усадки.
Результаты по определению чувствительности керамических масс к сушке без добавки, и с добавкой песка Золотой остров или Инзенского диатомита по ускоренному методу Чижского А.Ф. сведены в табл. 5. На основании полученных значений можно сделать вывод, что имеется закономерность уменьшения чувствительности глиняных композиций к сушке при введение добавок, но она не явная и не четкая. При этом некоторые данные, полученные графически по построенным кривым сушки, противоречат данным, полученным по ускоренному методу А. Ф. Чижского, это вполне объяснимо тем, что метод А.Ф.Чижского является более субъективным. Полученные результаты относятся к недетерминированным данным, т.е. каждая серия измерений дает свою специфическую реализацию [3[. На полученные в результате опытов данные влияет большое число факторов, таких как дефекты при формовании, направление и непостоянство теплового потока и др.
Кривая Бигота Курками+0-25/ диатомита
Wn1 25 Wn2 л Wn3 § —
g Wn4 20 | Wn5 Wn6
0
Нп1, Нп2, Нп3, Нп4, Нп5, Нп6 Усадка, %
Рис. 2 - Кривая сушки Куркачинской глины с добавкой фракции Инзинского диатомита от 5 до 25%
Поэтому изменения чувствительности к сушке можно определять по изменению критической влажности из кривых зависимостей воздушной усадки от влажности. Данные, полученные в ходе опытов относятся к детерминированным, т.е. влияния на результаты внешних факторов и человеческого фактора практически отсутствует, результаты получаются более адекватными.
Определение верхнего предела пластичности на приборе А.М. Васильева и нижнего предела - по границе раскатывания (ГОСТ 5499-59), также проведено для составленных композиций. Полученные данные математически обработаны и сведены в таблицу 5.
Чистая глина Нижне-Суксинского (2 уступ) месторождения относится к умереннопластичным глинам, глина Куркачинского месторождения относится к среднепластичным глинам.
Введение диатомита в глины Нижне-Суксинского (2 уступ) и Куркачинского месторождений приводит к увеличению пластичности. Это объясняется тем, что мы вводим в глину частицы аналогичного размера, что и частицы глины, которые являются гидрофильными. Введение же песка, наоборот снижает пластичность, так как он является отощающей добавкой и не пластичен. Однако, эти данные, также как и определение чувствительности по методу А.Ф.Чижского, являются недетерминированными. Многие ученые [1] указывают на возможность определения пластичности из кривой Бигота, поэтому пластичность так же можно определять и по кривым сушки, т.к. данные, полученные в ходе этих опытов, относятся к детерминированным, т. е. влияние на результаты внешних факторов и человеческого фактора практически отсутствует. Это подтверждается последней статьей по изучению кривой Бигота.
Таким образом, модификация глин Нижнее-Суксинского (2 уступ) и Куркачинского месторождений Инзенским диатомитом и различными фракциями песка Золотой остров, приводит к улучшению технологических свойств, а именно происходит снижение линейной усадки. Отмечено, что введение аморфного кремнезема приводит к увеличению критической влажности, что ведет к уменьшению чувствительности композиций к сушке путем уменьшения внутренних напряжений в образце. Введение кристаллического кремнезема не значительно снижает критическую влажность и пластичность полученных композиций.
Куркачинская глина ' Куркачинская глина + 5 % Инзенского диатомита Куркачинская глина + 10 % Инзенского диатомита Куркачинская глина + 15 % Инзенского диатомита Куркачинская глина + 20 % Инзенского диатомита Куркачинская глина + 25 % Инзенского диатомита
Глино Содержание модифициру ющей добавки,% Воз- Крит Град Чувств Плас Фракционный состав
масса душ- ная усад- ка, % ичес кая влаж ность иент влаж ност и ительн ость глины к сушке по Чижск ому, с. тичн ость менее 2 мкм 2-20 мкм более 20 мкм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Куркач и 100% 10,4 9,2 21,5 67,0 23,0 27,85 59,27 12,88
Куркач +5% диатомита 9,7 7,6 23,9 125,0 13.5 27,14 59,36 13,50
и + х% +10% диатомит; 8,8 8,5 23,7 121,7 7.0 26,43 59,45 14,12
диатом +15% диатомит; 9,3 10,0 23,1 134,7 15.6 25,72 59,54 14,74
ит +20% диатомит 8,4 13,1 23,7 96,3 17.8 25,01 59,63 15,36
+25% диатомит; 8,2 15,6 22,2 134,3 17.7 24,30 59,72 15,99
Куркач +5% песка 10,8 6,8 24,6 111,7 15,1 26,46 56,31 17,24
и + х% +10% песка 9,4 7,1 19,7 106,3 11,9 25,07 53,34 21,59
песок +15% песка 9,2 6,7 20,8 85,0 12,2 23,67 50,38 25,95
(0,08- +20% песка 9,5 6,6 20,9 118,7 10,6 22,28 47,42 30,30
0,14) +25% песка 9,6 6,7 20,6 114,3 8,2 20,89 44,45 34,66
2 +5% песка 9,2 6,5 18,1 40.33 10.3 37,39 57,59 5,02
Уступ +10% песка 9,3 6,5 17,7 50.0 10.6 35,42 54,56 10,02
+ х% +15% песка 8,5 6,7 15,6 67.33 10.4 33,46 51,53 15,02
песок +20% песка 8,8 5,7 17,8 64.0 10.3 31,49 48,50 20,02
(0,14- 0,315) +25% песка 8,0 6,4 15,5 72.0 8.2 29,52 45,47 25,02
2 +5% песка 9,3 5,8 20,1 68.3 10.1 37,39 57,59 5,02
Уступ +10% песка 9,7 6,4 19,2 57.7 8.9 35,42 54,56 10,02
+ х % +15% песка 8,8 6,5 18,3 68.3 8.3 33,46 51,53 15,02
песок +20% песка 8,8 6,3 17,2 72.7 8.3 31,49 48,50 20,02
(0,315- 0,63) +25% песка 7,6 5,7 15,7 67.3 9,6 29,52 45,47 25,02
2 +5% песка 10,3 6,1 20,9 75.0 13,1 37,39 57,59 5,02
Уступ +10% песка 9,7 5,4 19,7 62.0 9,8 35,42 54,56 10,02
+ х% +15% песка 9,6 7,4 18,8 85.0 8,8 33,46 51,53 15,02
песок +20% песка 7,8 5,0 17,3 97.0 8,07 31,49 48,50 20,02
(0,63- 0,9) +25% песка 8,6 4,9 16,8 82.3 7,6 29,52 45,47 25,02
Окончание табл. 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 +5% песка 9,8 5,9 19,8 72.3 11,1 37,39 57,59 5,02
Уступ +10% песка 9,9 5,9 19,9 72.0 9,8 35,42 54,56 10,02
+ х% +15% песка 9,0 6,1 17,4 64.7 8,0 33,46 51,53 15,02
песок +20% песка 8,8 5,3 17,3 67.0 8,2 31,49 48,50 20,02
(0,9- 1,25) +25% песка 7,9 6,1 15,4 59.7 9,1 29,52 45,47 25,02
Куркач и 100% 10,4 9,2 21,5 67,0 23,0 27,85 59,27 12,88
Куркач +5% диатомита 9,7 7,6 23,9 125,0 13.5 27,14 59,36 13,50
и + х% +10% диатомит а 8,8 8,5 23,7 121,7 7.0 26,43 59,45 14,12
диатом +15% диатомит а 9,3 10,0 23,1 134,7 15.6 25,72 59,54 14,74
ит +20% диатомит а 8,4 13,1 23,7 96,3 17.8 25,01 59,63 15,36
+25% диатомит 8,2 15,6 22,2 134,3 17.7 24,30 59,72 15,99
Курка +5% песка 10,8 6,8 24,6 111,7 15,1 26,46 56,31 17,24
чи + +10% песка 9,4 7,1 19,7 106,3 11,9 25,07 53,34 21,59
х% +15% песка 9,2 6,7 20,8 85,0 12,2 23,67 50,38 25,95
песок +20% песка 9,5 6,6 20,9 118,7 10,6 22,28 47,42 30,30
(0,08- 0,14) +25% песка 9,6 6,7 20,6 114,3 8,2 20,89 44,45 34,66
Курка +5% песка 9,7 7,0 21,7 111,7 11,4 26,46 56,31 17,24
чи + +10% песка 8,9 7,6 19,4 101,3 13,2 25,07 53,34 21,59
х% +15% песка 9,1 6,7 20,2 83,3 23,67 50,38 25,95
песок +20% песка 8,2 6,6 19,3 88,3 22,28 47,42 30,30
(0,14- 0,315) +25% песка 8,3 6,4 18,1 97,3 10,1 20,89 44,45 34,66
Курка +5% песка 10,0 7,8 21,1 79.0 12,5 26,46 56,31 17,24
чи + +10% песка 9,4 6,5 20,9 101.7 25,07 53,34 21,59
х% +15% песка 8,6 6,7 18,3 100.7 12,4 23,67 50,38 25,95
песок +20% песка 8,3 6,2 18,6 91.3 22,28 47,42 30,30
(0,315- 0,63) +25% песка 7,5 6,6 15,4 77.7 8,29 20,89 44,45 34,66
Курка +5% песка 9,6 6,1 23,6 97.3 16,6 26,46 56,31 17,24
чи + +10% песка 9,1 6,2 22,1 90.4 9,4 25,07 53,34 21,59
х% +15% песка 8,3 6,3 19,1 101.0 11,4 23,67 50,38 25,95
песок +20% песка 8,5 5,9 19,4 92.7 7,8 22,28 47,42 30,30
(0,63- 0,9) +25% песка 7,4 5,8 16,6 98.0 8,9 20,89 44,45 34,66
Курка +5% песка 9,7 6,5 23,6 98.3 11,7 26,46 56,31 17,24
чи + +10% песка 9,2 5,9 21,8 111.3 10,8 25,07 53,34 21,59
х% +15% песка 8,6 5,7 19,7 81.7 13,3 23,67 50,38 25,95
песок +20% песка 7,2 5,9 18,6 97.7 12,1 22,28 47,42 30,30
(0,9- 1,25) +25% песка 7,2 6,0 17,4 98.0 7,4 20,89 44,45 34,66
Установлено, что традиционные определения чувствительности к сушке и пластичности глиняных композиций (соответственно метод А.Ф.Чижского и прибором
А.М. Васильева) являются менее адекватными, чем определение тех же параметров путем построения кривых Бигота.
Метод построения кривых сушки рекомендуется как перспективный метод определения чувствительности к сушке и пластичности глиняного сырья.
Литература
1. Kornmann M./ M. Kornmannll L’INDUSTRIE CERAMIQUE & VERRIERE. 2006. № 1005. C. 44-53.
2. Книгина Г. И. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей. М.: Высшая школа, 1977. 223 с.
3. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 с.
© А. В. Скворцов - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГ ТУ; А. С. Чекмарев - асп. той же кафедры; А. З. Сулейманова - ст. преп. той же кафедры; А. И. Хацринов -д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. В. Корнилов - канд. техн. наук, ЦНИИГеолнеруд.
