CC BY
27
Popov Rostislav Yurievich
PhD (Engineering), Belarasian State Technological University, Minsk, Republic of Belarus
Dyatlova Evgenia Mihailovna
PhD (Engineering), Belarusian State Technological University, Minsk, Republic of Belarus
Sergievich Olga Alexandrovna
PhD (Engineering), Belarusian State Technological University, Minsk, Republic of Belarus
Pogrebenkov Valery Matveyevich
Dr. Sc. (Engineering), Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.894-897 УДК 691
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ ПЕНОСИЛИКАТОВ О. В. Суворова, Н. К. Манакова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
Аннотация
Представлены результаты исследования влияния технологических режимов на свойства и структуру пеносиликатов. Опробована многоступенчатая технология получения блочных вспененных материалов. Получены пеносиликаты с плотностью 0,32-0,40 г/см3, прочностью 2,6-3,7 МПа. Ключевые слова:
микрокремнезем, горнопромышленные отходы, пеносиликаты, блочные вспененные материалы.
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL REGIMES ON PROPERTIES AND STRUCTURE OF FOAM SILICATES
0. V. Suvorova, N. K. Manakova
1. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
The article presents the results of studying the influence of technological regimes on the properties and structure of foam silicates. A multi-stage technology for block foamed materials has been tested. Foam silicates with density of 0,32-0,40 g/cm3, strength of 2,6-3,7 MPa have been obtained. Keywords:
microsilica, mining waste, foam silicates, block foams.
В настоящее время глубоко изучаются и разрабатываются технологии пеносиликатных материалов — аналогов пеностекла. Такие материалы обладают рядом преимуществ: экологичны, дешевы и негорючи. Пеносиликаты схожи по своим свойствам с классическими пеностеклами, но имеют более высокое водопоглощение. В основе технологий лежит процесс приготовления жидкостекольной композиции, формование и вспучивание сырцовых образцов в широком диапазоне относительно низких температур. Источником порообразующего газа является гидратированная поверхность силикатных частиц, которая формируется при увлажнении мелкодисперсной пробы водным раствором щелочи [1].
При получении пористых теплоизоляционных материалов все чаще используют различные виды кремнеземсодержащего сырья как природного, так и техногенного происхождения, что позволяет значительно расширить сырьевую базу и утилизировать кремнеземсодержащие горнопромышленные отходы [2-13].
Для вспученных теплоизоляционных материалов оптимальной считается структура, состоящая из полидисперсных по размеру равномерно распределенных пор с глянцевой поверхностью припорового слоя, разделенных тонкими, плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками. Наличие такой структуры обеспечивает получение высококачественных материалов.
Применение материалов различной дисперсности позволяет регулировать структуру и свойства пеносиликатов. Крупные частицы обеспечивают создание жесткого каркаса, мелкодисперсная и жидкая
составляющие заполняют образующееся в нем поровое пространство. Создания равномерной пористой структуры можно достичь использованием твердой фазы в виде нескольких порошков с разной крупностью [14].
Для получения пеносиликатов использовалась шихта состава, мас. %: мелкодисперсный кремнеземсодержащий продукт переработки эвдиалитовых руд 68—80 (Мкр), гидроксид натрия (в пересчете на №20) 17-20, апатитонефелиновые отходы (АНХ) фракции -1 мм — 15.
Блочные пеносиликатные материалы получали путем приготовления жидкостекольной композиции. Компоненты шихты тщательно перемешивали, добавляли гидроксид натрия и методом пластического формования готовили образцы в виде цилиндров, которые затем укладывали в керамические разъемные формы и после сушки на воздухе подвергали многоступенчатой термообработке.
Одним из важных факторов формирования равномерной пористой структуры является предварительная обработка образцов. Интенсивное удаление избытка свободной и адсорбированной влаги на начальной стадии приводит к образованию крупных сквозных пор. Свободная вода начинает удаляться из жидкостекольных систем при 70 °С. При формировании пористой структуры из немодифицированного жидкого стекла с максимальной однородностью пор в объеме вспученного материала наибольший вклад вносит связанная конституционная вода, которая начинает удаляться из объема силикатной массы при температуре 250-300 °С [15]. При термическом вспучивании щелочно-силикатных систем порообразователями являются в основном силанольная и молекулярная вода, связанная с мостиковыми атомами кислорода. Вспучивание предполагает, что пар остается в массе и способствует образованию ячеистой структуры.
В связи с вышеизложенным, технология получения пеносиликатного материала включала в себя несколько этапов термообработки, в частности подсушивание сырцовых образцов при 100 °С и вспенивание при 300 °С. Окончательное формирование структуры композиционного теплоизоляционного материала происходило на стадии обработки при 650 °С, время выдержки 15 мин. Для закрепления структуры изделие подвергалось вначале быстрому охлаждению, а затем осуществлялась стабилизация температуры по сечению материала. На конечном этапе обработки производился отжиг готового изделия для снятия остаточных напряжений.
Макроструктура полученных пеносиликатов представлена на рис. 1. Технические свойства вспененных материалов на основе жидкостекольной композиции без модифицирующих добавок и с добавкой отходов апатитонефелиновых руд представлены в таблице.
2
1
Рис. 1. Макроструктура вспененных материалов, полученных при температуре, °С: 1 — 300; 2 — 650
Технические свойства пеносиликатов
№ Обработка Содержание компонентов, мас. % Плотность, г/см3 Прочность при сжатии, МПа Водопоглощение по массе, % (24 ч)
Мкр №20 АНХ (фр. -1мм)
1 1 80 20 - 0,35 2,6 55
2 68 17 15 0,40 3,5 50
3 2 80 20 - 0,32 2,8 47
4 68 17 15 0,35 3,7 42
Примечание. Термообработка: 1 — 100 °С 30 мин, 300 °С 30 мин; 2 — 100 °С 30 мин, 300 °С 30 мин, 650 °С 15 мин.
Прочность полученных материалов составляет от 2,6 до 3,7 МПа, что значительно выше прочности пеносиликатов, полученных при одноступенчатом обжиге 650 °С (1,94-2,1 МПа). Водопоглощение снижается до 42 % за счет формирования структуры с преимущественно закрытыми порами. Рентгенофазовый анализ показал в основном аморфный характер вспененных материалов. У материала, обработанного при 650 °С, фиксируются кристаллические включения синтезируемого тридимита, способствующие росту прочности (рис. 2).
о-тридимит
а
50 48 46 44 42 40 ЗХ 36 34 32 30 28 26 24 22 20 IK 16 14 12 10 8 6
2 G. град.
Рис. 2. Дифрактограммы пеносиликатов, полученных: а — при 300 °C; б — при 650 °C
Таким образом, исследования показали возможность получения блочных пеносиликатов из кремнеземсодержащего продукта кислотной переработки эвдиалитовых руд. Установлены условия получения пеноматериалов. При оптимальных условиях получены пеносиликаты с достаточно низкой плотностью 0,32-0,4 г/см3, высокой прочностью до 3,7 МПа, теплопроводностью 0,09-0,104 Вт/мК.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Мурманской области в рамках научного проекта № 17-43-510364.
б
Литература
1. Формирование источника порообразующего газа при увлажнении природных алюмосиликатов раствором NaOH / Л. К. Казанцева и др. // Стекло и керамика. 2012. № 10. С. 37-42.
2. Теплоизоляционный материал на основе опокового сырья / Л. К. Казанцева и др. // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 1-4.
3. Подготовка пенообразующей смеси для получения пеностекла на основе диатомита / В. Е. Маневич и др. // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 100-102.
4. Манакова Н. К. Оптимизация технологических режимов получения пеносиликатных материалов // Труды Кольского научного центра РАН. Спецвыпуск «Химия и материаловедение». Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти академика В. Т. Калинникова «Исследования и разработки в области химии и технологии функциональных материалов». Апатиты, 2015. С. 565-567.
5. Тихомирова. И. Н., Скорина Т. В. Теплоизоляционные материалы на основе кремнеземсодержащего сырья // Строительные материалы. 2008. № 10. С. 58-60.
6. Суворова О. В., Манакова Н. К., Мотина А. В. Пеносиликаты из аморфного кремнезема // Минералогия техногенеза. 2015. № 16. С. 189-193.
7. Кутугин В. А., Лотов В. А., Ревенко В. В. Пеностекло на основе природного и техногенного аморфного кремнезема // Техника и технология силикатов. 2016. № 3. С. 24-28.
8. Получение высокоэффективного материала на основе диатомита путем низкотемпературного вспенивания / Н. А. Сеник и др. // Техника и технология силикатов. 2012. Т. 19, № 4 С. 6-12.
9. Пат. 2532112 Рос. Федерация, МПК C 04 B 20/06, 28/26, 38/02, 111/40 (2006.01). Сырьевая смесь для получения гранулированного теплоизоляционного материала / Манакова Н. К., Суворова О. В.; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. № 2013135787/03; заявл. 30.07.2013; опубл. 27.10. 2014, Бюл. № 30.
10. Кетов П. А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 22-24.
11. Манакова Н. К., Суворова О. В. Теплоизоляционный материал на основе кремнеземсодержащих отходов переработки рудного сырья Кольского полуострова // ЖПХ. 2012. Т. 85, № 11. С. 1741-1745 = Manakova N. K., Suvorova O. V. // Russian Journal of Applied Chemistry. 2012. Vol. 85, no. 11. P. 1654-1657.
12. Суворова О. В., Манакова Н. К. Утилизация горнопромышленных отходов Кольского полуострова с получением гранулированного пористого материала // Экология промышленного производства. 2014. № 1. С. 2-5.
13. Коновалова Н. А., Непомнящих Е. В. Эффективность использования цеолитсодержащих пород Забайкальского края в производстве теплоизоляционных материалов для дорожного строительства // Экология и промышленность России. 2016. Т. 20, № 6. С. 20-25.
14. Углова Т. К., Новосельцева С. Н., Татаринцева О. С. Экологически чистые теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 44-46.
15. Формирование пористой структуры силикатных теплоизоляционных материалов / С. Н. Леонович и др. // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 84-86.
Сведения об авторах
Суворова Ольга Васильевна
кандидат технических наук. Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия [email protected] Манакова Надежда Кимовна
кандидат технических наук,Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева
ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
Suvorova Olga Vasilievna
PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected] Manakova Nadezhda Kimovna
PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.897-901 УДК 666.923
СТРОИТЕЛЬНАЯ ИЗВЕСТЬ НА ОСНОВЕ КАРБОНАТНОГО КОНЦЕНТРАТА В. В. Тюкавкина1, Ю. Е. Брыляков2, Б. И. Гуревич1
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия
2 ООО «ЕвроХим — Научно-исследовательский центр», г. Апатиты, Россия Аннотация
Приведены исследования по получению строительной извести с использованием карбонатного концентрата, получаемого из апатит-карбонатитовых руд. Изучена кинетика обжига карбонатного концентрата, определены оптимальные параметры обжига. В лабораторных условиях из карбонатного концентрата при температуре обжига 1100 оС получена опытная партия извести. Ключевые слова:
карбонатный концентрат, обжиг, кинетика, строительная известь.
BUILDING LIME ON THE BASIS OF CARBONATE CONCENTRATE
V. V. Tyukavkina1, Yu. E. Brylyakov2, B. I. Gurevich1
1 I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials
of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
2 EuroChem — Scientific Research Center Open Company, Apatity, Russia
Abstract
We have conducted the studies on obtaining of building lime with the use of carbonate concentrate extracted from the apatite-carbonatite ores. The kinetics of calcination of the carbonate concentrate was investigated and the optimal parameters for roasting were determined. In laboratory conditions the pilot batch of the lime was obtained from carbonate concentrate at the temperature of firing 1100 оС. Keywords:
carbonate concentrate, roasting, kinetics, construction lime.
Организация производства вяжущих материалов является одной из актуальных задач развития промышленности строительных материалов в Мурманской области. Вопрос о создании производства цемента и извести поднимался неоднократно и каждый раз не находил решения ввиду отсутствия соответствующей сырьевой базы. Имеющиеся запасы известняков и карбонатитов, основная часть которых сосредоточена на Ена-Ковдорском месторождении, характеризуются неоднородностью минерального и химического составов, низким содержанием оксида кальция и требуют решения вопросов дообогащения.
В настоящее время Ковдорским ГОК апатит-карбонатитовые руды рассматриваются как перспективный источник фосфорсодержащего сырья. В связи с этим ведутся исследования по комплексной переработке руд с получением не только апатитового концентрата, но и карбонатного (КК) и железорудного концентратов.
