ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ
|
|
|
Керамическими называют материалы и изделия, получаемые из порошкообразных веществ различными способами и подвергаемые в технологический период обязательной термической обработке при высоких температурах для упрочнения и получения камневидного состояния. Такая обработка носит название обжига. Среди сырьевых порошкообразных материалов -- глина, которая имеет преимущественное применение при производстве строительной керамики [1].
По структурному признаку все изделия разделяют на две группы: пористые и плотные. К пористым условно относятся те изделия, которые показывают водопоглощение свыше 5% по массе: кирпич обыкновенный, черепица, дренажные трубы. Плотными принимают изделия с водопоглощением меньше 5% по массе, и они практически водонепроницаемые, например плитки для пола, канализационные трубы, кислотоупорный кирпич и плитки, дорожный кирпич, санитарный фарфор. Абсолютно плотных керамических изделий не имеется, так как испаряющаяся вода затворения, вводимая в глиняное тесто, всегда оставляет некоторое количество микро- и макропор.
Отличительная особенность всех керамических изделий и материалов состоит в их сравнительно высокой прочности, но малой деформативности. Хрупкость чаще всего относится к отрицательным свойствам строительной керамики. Она обладает высокой химической стойкостью и долговечностью, а форма и размеры изделий из керамики обычно соответствуют установленным стандартам или техническим условиям [1].
В настоящее время запасы природного сырья постепенно исчезают. Очень актуальным становится вопрос использования вторичного сырья [2], которое образуется в результате деятельности химической, горнодобывающей, угольной промышленности, черной и цветной металлургии. Данные отрасли промышленности наряду с огромным выпуском продукции способствуют накоплению большого количества отходов, которые могут содержать ценные компоненты для производства различной продукции, в том числе строительных материалов.
Целью работы и научной значимостью является исследование свойств вторичных сырьевых материалов и возможности использования их для производства строительной плотной керамики.
Данная работа заключается в получении плотных керамических изделий из вскрышных пород разных глин с добавлением плавней, а также подборе оптимальных составов, режимов обжига и свойств изделий.
Практическая ценность результатов исследований заключается в получении изделия из вскрышных глинистых пород, которые будут отвечать таким же техническим требованиям как и изделия, изготовленные из сырья первого сорта, что значительно удешевит процесс производства строительных плотных материалов.
Аналогов теме: «Керамические плотные материалы с использованием вторичных сырьевых материалов» не найдено. В основном студенты предыдущих лет использовали описание такой же технологии пластического формования образцов и приводили результаты исследаваний схожих сырьевых материалов.
Аналогов теме не найдено. В основном встречается рекламма керамических и строительных материалов, А так же статьи по утилизации сырья и о керамике в целом.
Аналогов теме не найдено. В основном встречаются статьи по описанию и утилизации вторичного сырья, а так же о керамических материалах, сырье для производства керамики, огнеупорах и рекламма.
Плотными керамическими изделиями называются такие изделия, которые отличаются плотностью, твердостью и мелкозернистостью [3, c. 90]. Черепок в изделиях высшего сорта имеет белую окраску, в изделиях низшего сорта – обычно серую, желтую или бурую [4, c. 84].
Плотные керамические изделия в зависимости от их применения можно подразделить на несколько групп:
1)строительные материалы:
а) клинкерный кирпич;
б) плитки для пола;
в) канализационные трубы;
2) аппаратура и изделия для производств, пользующихся химическими реагентами:
а) кирпич и плитка для футеровки химической аппаратуры, изделия для сельского хозяйства;
б) химическая аппаратура и ее детали;
3) хозяйственно - бытовые изделия:
а) посуда;
б) санитарные изделия [5, c. 179].
| Показатели | Значение |
| Предел прочности при растяжении, кг/см2 | 110-530 |
| Предел прочности при сжатии, кг/см2 | 5800 - 8200 |
| Предел прочности при растяжении, кг/см2 | 110 - 530 |
| Предел прочности при изломе, кг/см2 | 410 - 980 |
| Модуль упругости, кг/мм2 | 4200 - 5600 |
| Предел прочности при кручении, кг/см2 | 210 - 320 |
| Предел прочности при изгибе ударом, кг см/см2 | 1,8 - 4,7 |
| Износ от действия песчаной струи, см3 | 2 - 5,0 |
| Коэффициент линейного расширения 10-6 | 1 - 6,0 |
| Теплопроводность, ккал/м*м2 час град. | 2 - 4 |
Клинкерный кирпич – кирпич, обожженный до полного спекания черепка без остеклования поверхности и признаков деформации [6].
Свойства клинкера характеризуются такими показателями: предел прочности при сжатии – от 640 до 1400 кг/см2, водопоглощение – от 0,9 до 5,5%, износ при сильном движении по дороге в течении (10 – 12) лет; для строительного клинкера прочность при сжатии – не менее 350 кг/см2, для гидротехнического клинкера водопоглощение – не более 2,5%. Морозостойкость высокая – не менее 25 циклов замораживания при -15°С. Объемный вес (1,85 – 1,95) [5, c. 183].
Для изготовления клинкера используются главным образом тугоплавкие глины с широким интервалом спекания (190 – 200°С). При обжиге изделия должны спекаться и не обнаруживать при этом признаков деформации. Обожженные изделия должны обладать высокой механической прочностью [3, c. 91 - 92].
Основными составляющими глиняного сырья, влияющими на производство клинкерного кирпича являются:
- Оксид алюминия (17 - 25%). Оксид алюминия снижает вязкость сплава и позволяет уменьшить деформацию кирпича в процессе обжига.
- Оксид железа (6 - 8%). В зависимости от количества железа в клинкерном кирпиче после обжига изделие может окрашиваться от виншево - красного до темно - фиолетового цвета. Однако при переизбытке железа на клинкерном кирпиче образуется сплошная корка, препятствующая удалению углекислого газа.
- Оксид кальция (7 - 8%). Повышение содержания оксида кальция в составе глиняного сырья обуславливает повышение интервала спекания, что может увеличить пористость готового клинкерного кирпича. При этом в глине могут происходить усадка и расширение и, как следствие, деформация кирпича.
- Оксид магния (3 - 4%). Существенный недостаток магнезиальных глин заключается в том, что они имеют относительно большую усадку.
- Щелочные оксиды (1,5 - 4,5%). Оксиды натрия и калия имеются в небольшом количестве в керамической глине, а при недостаточном спекании или слишком высокой температуре обжига следует корректировать их состав добавлением плавней.
- Минералы каолинитовой группы (20 - 30%). При повышении содержания минералов каолинитовой группы в составе глины уменьшается интервал спекания и наступает быстрая деформация кирпича.
Остальные минералы в кирпичных глинах, используемых для производства клинкерного кирпича, имеются в небольших количествах и значительного влияния на процесс клинкерообразования не оказывают [7].
Керамическими плитками для полов называются изделия, изготавливаемые из чистой глины или глиняной массы с добавками (с окрашивающими примесями и без них), сформованные из полусухих масс и обожженные до спекания. Лицевая сторона делается одноцветной или с узором, гладкой, шероховатой или тесненной [3, c. 96].
Для изготовления керамических плиток для полов применяют высокосортные пластичные глины с большим интервалом спекания или смесь глин с отощающими и флюсующими добавками. Плитки из этих глин или масс, обожженные до температуры спекания (около 1150 – 1250°С), не должны деформироваться. Если глины спекаются при более высоких температурах, к ним добавляют для снижения температуры спекания полевой шпат или пегматит в смеси с тонкоизмельченным кварцевым песком [1, c. 97].
Основные показатели свойств плиток приводятся в таблице 2 [5, c. 186].
Таблица 2 «Показатели свойств плиток для пола»
| Свойства | Плитки для пола | Мозаичные плитки марки | |
|---|---|---|---|
| А | Б | ||
| Водопоглощение, %, не более | 4 | 1 | 4 |
| Потеря в весе после истирания, г/см2, не более | 0,1 | 0,1 | 0,25 |
| Толщина, мм | 10 | 8 | 6 |
Каменно – керамическими канализационными трубами называются водонепроницаемые обожженные трубы, изготовляемые из пластичных огнеупорных или тугоплавких глин с низкой температурой спекания и покрытые изнутри и снаружи глазурью [3, c. 112].
Канализационные трубы изготавливают, как правило, круглого сечения с одинаковой толщиной стенок по всему сечению. Размеры и качество труб стандартизированы.
Каменно – керамические канализационные трубы применяются для отвода сточных городских вод, для отвода кислот, щелочных и других агрессивных бросовых вод и растворов на химических заводах и в лабораториях. Иногда используются для устройства водопроводов.
Для изготовления канализационных труб применяют пластичные огнеупорные или тугоплавкие глины с низкой температурой спекания (около 1100 – 1180°С) и значительным интервалом спекания.
Химический состав глин, пригодных для производства канализационных труб, колеблется в широких пределах: SiO2 – (51,0 – 67,0)%; Al2O3 – (21,0 – 32,0)%; TiO2 – (0,5 – 2,5)%; Fe2O3 – (0,8 – 8,0)%; CaO – (0,1 – 2,5)%; MgO – (0,02 – 1,5)%; K2O – (0,2 – 3,0)%; Na2O – (0,1 – 2,5)%; П.п.п. (6,0 – 12,5)% [3, c. 112]. При этом глина не должна содержать серного колчедана и гипса.
Колчедан при обжиге образует окись железа, которая при более высокой температуре и в восстановительной газовой среде превращается в закись или окись железа. Этот процесс сопровождается выделением газов и образованием на трубе вздутий. Кроме того, закись железа образует с кремнеземом легкоплавкие силикаты, которые способствуют появлению выплавок.
Гипс при высоких температурах разлагается на СaO и SO2;
Сернистый газ при этом также образует вздутия на трубах, а СаО с алюмосиликатами дает легкоплавкие силикаты, снижающие температуру размягчения изделий.
Для уменьшения усадки к глине добавляют отощающие вещества – шамот и кварцевый песок. В некоторых случаях для понижения температуры спекания глины и уплотнения материала в шихту добавляют или полевой шпат, или пегматит, или легкоплавкую глину. Шамот в шихте заменяют иногда дегидратированной глиной [3, c. 112].
Объектом исследования являются вскрышные породы глин месторождения «Белая балка» и русиновская глина.
В настоящее время добытая глина экспортируется за рубеж, а вскрышные породы сваливаются в отвалы и не находят применения. Хотя при анализе химического состава, можно предположить о их возможном использование для производства силикатных материалов и изделий. Например, для производства керамических изделий – керамического кирпича и плитки, труб, черепицы [8].
Поэтому экспериментальная часть заключается в исследовании свойств вскрышных глинистых пород и возможности использования их для производства строительной плотной керамики.
Приблизительный состав исследуемых глин приведен в таблице 3
Таблица 3 «Приблизительный состав исследуемых глин»
| Компоненты | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | CaO | K2O + Na2O | SO3 | П.п.п |
| Содержание, % | 45 - 80 | 7 - 23 | 2 - 15 | 0,0 - 4 | 0,5 - 25 | 0,3 - 5 | 0 - 3 | 3 - 16 |
Первым этапом эксперимента является исследование данных вскрышных пород на ряд свойств. Формование образцов происходит по пластической технологии.
Для изготовления образцов по пластичной технологии глину высушивали при температуре 100 - 110 °С, тщательно измельчали и просеивали через сито 05. Взвешивали навески глины, перемешивали в сухом виде, затворяли водой для получения массы нормальной рабочей влажности, вакуумировали. Из полученной массы формовали образцы. После формования образцы высушивали в естественных условиях и в сушильном шкафу при температуре 105 - 120 °С.
Для определения оптимального интервала спекания изделий их обжигали при температурах 950, 1000, 1050 и 1100°С.
Главными свойствами керамических изделий являются: водопоглощение, пористость, усадка, механическая прочность, плотность, морозостойкость, химическая стойкость, декоративные и др.
Водопоглощением называют [9, c. 25] отношение, выраженное в процентах массы воды, поглощенной образцом при полном насыщении к массе сухого образца.Водопоглощение рассчитывается по формуле:
Где В – водопоглощение, %;
m - масса сухого образца, г;
m1 - масса образца, насыщенного водой, г.
Пористость строительных материалов [9, c. 25] - степень заполнения объема материала порами. По величине пор материалы подразделяют на мелкопористые и крупнопористые.
Воздушная усадка [9, c. 14] – существенное уменьшение объема сырца, происходящее при удалении влаги в результате сушки.
Огневая усадка – изменение размеров изделия, происходящее при обжиге. Воздушную и огневую усадку на лабораторных образцах определяли путем измерения размеров образцов до сушки, после сушки и после обжига.
Морозостойкость [9, c. 28] – это способность керамических изделий, насыщенных водой, выдерживать многократное попеременное замораживание в воздушной среде и оттаивание в воде без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Показатель морозостойкости – количество теплосмен, которое выдерживает образец без признаков разрушения.
Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т. д., твердость, пластичность, упругость, истираемость.
Прочность [9, c. 32] — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Предел прочности при изгибе рассчитывается по формуле:
где S – расчетная площадь поперечного сечения образца, см2 ;
Р - нагрузка, кг;
Химическая стойкость [9, c. 37] – это способность материалов в течение длительного времени противостоять действию химически активных реагентов.
На полученных образцах определялись воздушная, огневая и полная усадки, величина водопоглощения и механическая прочность [9, c. 14 - 34]. Данные характеристики образцов приведены в таблице 4 (полукислый каолин, суглинки и ожелезненный каолин из месторождения «Белая Балка» и глина «Русиновского» месторождения (Р - 3)).
Таблица 4 «Свойства сырья, которое исследуется»
| Свойства | Суглинок | Каолин ожелезненный | Каолин полукислый | Р - 3 |
| Абсолютная влажность, % | 26 | 17 | 12 | 20 |
| Число пластичности | 26 | 29 | 18 | 30 |
| Вода затворения, % | 34 | 35 | 29 | 32 |
| Полное водопоглощение, % | 25 | 26 | 22 | - |
| Воздушная усадка, % | 11 | 14 | 7 | 7,0 |
| Огненная усадка, % | 4 | 0,3 | 1 | 3,9 |
| Общая усадка, % | 15 | 14,3 | 8 | 10,9 |
По полученным результатам можно сделать вывод:
Данное сырье можно использовать для производства строительной керамики, например, строительного кирпича.
Таким образом данные вскрышные глинистые породы могут использоватся в производстве строительных материалов, что значительно удешевит процесс добычи глинистых и процесс производства строительной керамики.
Изготовить и исследовать на свойства образцы, сформованные из глин месторождения «Белая Балка» и «Русиновского месторождения» с добавлением плавней: доменного шлака, нефелина, стекла и перлита. Подбор оптимального состава и интервала спекания. Формование образцов будет происходить по технологии полусухого прессования.
ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Автобиография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Ротвейлер