ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ
|
|
|
Керамічними називають матеріали і вироби, що отримують з порошкоподібних речовин різними способами і що піддаються в технологічний період обов'язковій термічній обробці при високих температурах для зміцнення і отримання каменевидного стану. Така обробка носить назву випал. Серед сировинних порошкоподібних матеріалів - глина, яка має переважне застосування при виробництві будівельної кераміки [1].
За структурною ознакою всі вироби розділяють на дві групи: пористі і щільні. До пористих умовно відносяться ті вироби, які показують водопоглинання понад 5% за масою: цегла звичайна, черепиця, дренажні труби. Щільними приймають вироби з водопоглинанням менше 5% за масою, і вони практично водонепроникні, наприклад плитки для підлоги, каналізаційні труби, кислототривка цегла і плитки, дорожня цегла, санітарний фарфор. Абсолютно щільних керамічних виробів не має, оскільки вода зачиннення, яка вводиться в глиняне тісто випаровується і завжди залишає деяку кількість мікро- і макропор.
Відмітна особливість всіх керамічних виробів і матеріалів полягає в їх порівняно високій міцності, але малій деформативності. Крихкість найчастіше відноситься до негативних властивостей будівельної кераміки. Вона володіє високою хімічною стійкістю і довговічністю, а форма і розміри виробів з кераміки зазвичай відповідають встановленим стандартам або технічним умовам [1].
У наш час запаси природної сировини поступово зникають. Дуже актуальним стає питання використання вторинної сировини [2], яка утворюється в результаті діяльності хімічної, гірничодобувної, вугільної промисловості, чорної і кольорової металургії. Дані галузі промисловості разом з величезним випуском продукції сприяють накопиченню великої кількості відходів, які можуть містити цінні компоненти для виробництва різної продукції, зокрема будівельних матеріалів.
Метою роботи і науковою значимістю є дослідження властивостей вторинних сировинних матеріалів і можливості використання їх для виробництва будівельної щільної кераміки.
Дана робота полягає в отриманні щільних керамічних виробів зі вскришних порід різних глин з додаванням плавнів, а також підборі оптимальних складів, режимів і властивостей виробів.
Практична цінність результатів полягає в тому, щоб отримати матеріал з вторинної сировини, який не поступатиметься за технічними вимогами матеріалу з сировини першого сорту, що значно здешевить процес виробництва будівельної кераміки.
Аналогічної теми не знайдено. Здебільш зустрічається реклама керамічних і будівельних матеріалів, а так само статті по утилізації сировини і про кераміку.
Аналогів темі не знайдено. Здебільш зустрічаються статті по опису і утилізації вторинної сировини, а так само про керамічні матеріали, сировину для виробництва кераміки, вогнетривах і реклама.
Щільними керамічними виробами називаються такі вироби, які відрізняються щільністю, твердістю і дрібнозернистістю [3, c. 90]. Черепок у виробах вищого сорту має білий колір, у виробах нижчого сорту – зазвичай сірий, жовтий або бурий [4, c. 84].
Щільні керамічні вироби залежно від їх застосування можна підрозділити на декілька груп:
1)будівельні матеріали:
а) клінкерна цегла;
б) плитки для підлоги;
в) каналізаційні труби;
2) апаратура і вироби для виробництв, що користуються хімічними реагентами:
а)цегла і плитка для футеровки хімічної апаратури, виробів для сільського господарства;
б) хімічна апаратура і її деталі;
3) господарсько - побутові вироби:
а) посуд;
б) санітарні вироби [5, c. 179].
Рисунок 1 - Керамічні щільні матеріали (Кадрів 6. Повторень 5. Затримка 2 секунди. Зроблено в MP Gif Animator. Розмір 64,3 Kb).
Кам'яні керамічні вироби мають високу механічну міцність і кислототривкість. Тому вони широко застосовуються в будівництві, хімічній промисловості, сільському господарстві, санітарії і в домашньому ужитку [3, c. 91].
Показники технічних властивостей щільних виробів наведені у таблиці 1 [5, c. 179 - 180].
Таблиця 1: «Показники технічних властивостей щільних виробів»
| Показники | Значення |
| Межа міцності при стисненні, кг/см2 | 5800 - 8200 |
| Межа міцності при розтягуванні, кг/см2 | 110 - 530 |
| Межа міцності при зламі, кг/см2 | 410 - 980 |
| Модуль пружності, кг/мм2 | 4200 - 5600 |
| Межа міцності при крученні, кг/см2 | 210 - 320 |
| Межа міцності при вигині ударом, кг см/см2 | 1,8 - 4,7 |
| Знос від дії піщаного струменя, см3 | 2 - 5,0 |
| Коефіцієнт лінійного розширення 10-6 | 1 - 6,0 |
| Теплопровідність, ккал/м*м2 час град. | 2 - 4 |
Клінкерна цегла – цегла, обпалена до повного спікання черепку без остеклування поверхні і ознак деформації [6].
Властивості клінкеру характеризуються такими показниками: межа міцності при стисненні – від 640 до 1400 кг/см2, водопоглинання – від 0,9 до 5,5%, знос при сильному русі по дорозі в перебігу (10 – 12) років; для будівельного клінкеру міцність при стисненні – не менш 350 кг/см2, для гідротехнічного клінкеру водопоглинання – не більше 2,5%. Морозостійкість висока – не менш 25 циклів заморожування при -15°С. Об'ємна вага (1,85 – 1,95) [5, c. 183].
Для виготовлення клінкеру використовуються головним чином тугоплавкі глини з широким інтервалом спікання (190 – 200°С). При випалі вироби повинні спікатися і не виявляти при цьому ознак деформації. Обпалені вироби повинні мати високу механічну міцність [3, c. 91 - 92].
Основними складовими глиняної сировини, що впливають на виробництво клінкерної цегли є:
- Оксид алюмінія (17 - 25%). Оксид алюмінію знижує в'язкість сплаву і дозволяє зменшити деформацію цегли в процесі випалу.
- Оксид заліза (6 - 8%). Залежно від кількості заліза в клінкерній цеглі після випалу виріб може забарвлюватися від виншево - червоного до темно - фіолетового кольору. Проте при надлишку заліза на клінкерній цеглі утворюється суцільна кірка, що перешкоджає видаленню вуглекислого газу.
- Оксид кальцію (7 - 8%). Підвищення змісту оксиду кальцію у складі глиняної сировини обумовлює підвищення інтервалу спікання, що може збільшити пористість готової клінкерної цегли. При цьому в глині можуть відбуватися усадка і розширення і, як наслідок, деформація цегли.
- Оксид магнію (3 - 4%). Істотний недолік магнезійних глин полягає в тому, що вони мають відносно велику усадку.
- Лужні оксиди (1,5 - 4,5%). Оксиди натрію і калію є в невеликій кількості в керамічній глині, а при недостатньому спіканні або дуже високій температурі випалу слід коректувати їх склад додаванням плавнів.
- Мінерали каолінітової групи (20 - 30%). При підвищенні змісту мінералів каолінітової групи у складі глини зменшується інтервал спікання і наступає швидка деформація цегли.
Решта мінералів в цегляних глинах, використовуваних для виробництва клінкерної цегли, є в невеликих кількостях і значного впливу на процес клінкероутворення не роблять [7].
Керамічними плитками для підлоги називаються вироби, що виготовляються з чистої глини або глиняної маси з добавками (з офарблюючими домішками і без них), сформованні з напівсухих мас і обпалені до спікання. Лицьова сторона робиться одноколірною або з узором, гладкою, шорсткою або тісненою.
Для виготовлення керамічних плиток для підлоги застосовують високосортні пластичні глини з великим інтервалом спікання або суміш глин зі спіснюючими і флюсуючими добавками. Плитки з цих глин або мас, обпалені до температури спікання (близько 1150 – 1250°С), не повинні деформуватися. Якщо глини спікаються при вищих температурах, до них додають для зниження температури спікання польовий шпат або пегматіт у суміші з тонкоздрібненим кварцевим піском [3, c. 96].
Основні показники властивостей плиток наведені у таблиці 2 [5, c. 186].
Таблиця 2 «Основні показники властивостей плиток для підлоги»
| Властивості | Плитки для підлоги | Мозаїчні плитки марки | |
|---|---|---|---|
| А | Б | ||
| Водопоглинання, %, не более | 4 | 1 | 4 |
| Втрата маси після стертя, г/см2, не більш | 0,1 | 0,1 | 0,25 |
| Товщіна, мм | 10 | 8 | 6 |
Кам'яно – керамічними каналізаційними трубами називаються водонепроникні обпалені труби, що виготовляються з пластичних вогнетривких або тугоплавких глин з низькою температурою спікання і покриті зсередини і зовні глазур'ю [3, c. 112].
Каналізаційні труби виготовляють, як правило, круглого перетину з однаковою товщиною стінок по всьому перетину. Розміри і якість труб стандартизовані.
Кам'яно – керамічні каналізаційні труби застосовуються для відведення стічних міських вод, для відведення кислот, лужних і інших агресивних негодящих вод і розчинів на хімічних заводах і в лабораторіях. Іноді використовуються для пристрою водопроводів.
Для виготовлення каналізаційних труб застосовують пластичні вогнетривкі або тугоплавкі глини з низькою температурою спікання (близько 1100 – 1180°С) і значним інтервалом спікання.
Хімічний склад глин, придатних для виробництва каналізаційних труб, коливається в широких межах: SiO2 – (51,0 – 67,0)%; Al2O3 – (21,0 – 32,0)%; TiO2 – (0,5 – 2,5)%; Fe2O3 – (0,8 – 8,0)%; CаO – (0,1 – 2,5)%; MgO – (0,02 – 1,5)%; K2O – (0,2 – 3,0)%; Na2O – (0,1 – 2,5)%; В.п.п. (6,0 – 12,5)% [3, c. 112]. При цьому глина не повинна містити сірчаного колчедану і гіпсу.
Колчедан при випалі утворює окисел заліза, який при вищій температурі і у відновному газовому середовищі перетворюється на закис або окисел заліза. Цей процес супроводжується виділенням газів і утворенням на трубі здуття. Крім того, закис заліза утворює з кремнеземом легкоплавкі силікати, які сприяють появі виплавок.
Гіпс при високих температурах розкладається на СаО і SO2;
Сірчистий газ при цьому також утворює здуття на трубах, а СаО з алюмосилікатамі дає легкоплавкі силікати, що знижують температуру розм'якшення виробів.
Для зменшення усадки до глини додають спіснюючі речовини – шамот і кварцовий пісок. В деяких випадках для пониження температури спікання глини і ущільнення матеріалу в шихту додають або польовий шпат, або пегматіт, або легкоплавку глину. Шамот в шихті замінюють іноді дегидратованою глиною [3, c. 112].
Об'єктом дослідження є вскришні породи глин родовища «Біла балка» і русиновська глина (Р - 3).
У наш час здобута глина експортується за рубіж, а вскришні породи звалюються у відвали і не знаходять застосування. Хоча при аналізі хімічного складу, можна припустити про їх можливе використання для виробництва силікатних матеріалів і виробів. Наприклад, для виробництва керамічних виробів – керамічної цегли і плитки, труб, черепиці [8].
Тому експериментальна частина полягає в дослідженні властивостей вскришних глинистих порід і можливості використання їх для виробництва будівельної щільної кераміки.
Приблизний склад досліджуваних глин приведений в таблиці 3
Таблиця 3 «Приблизний склад досліджуваних глин»
| Компоненти | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | CaO | K2O + Na2O | SO3 | В.п.п |
| Вміст, % | 45 - 80 | 7 - 23 | 2 - 15 | 0,0 - 4 | 0,5 - 25 | 0,3 - 5 | 0 - 3 | 3 - 16 |
Першим етапом експерименту є дослідження даних вскришних порід на ряд властивостей. Формування зразків відбувається за пластичною технологією.
Для виготовлення зразків за пластичною технологією глину висушували при температурі 100 - 110 0С, ретельно подрібнювали і просівали через сито 05. Зважували навішування глини, перемішували в сухому вигляді, зачиняли водою для отримання маси нормальної робочої вологості, вакуумували. З отриманої маси формували зразки. Після формування зразки висушували в природних умовах і в сушильній шафі при температурі 105 - 120 °С.
Для визначення оптимального інтервалу спікання виробів їх обпалювали при температурах 950, 1000, 1050 і 1100°С.
Головними властивостями керамічних виробів є: водопоглинання, пористість, усадка, механічна міцність, щільність, морозостійкість, хімічна стійкість, декоративні і ін.
Водопоглинанням називають [9, 25] відношення, виражене у відсотках маси води, поглиненої зразком при повному насиченні до маси сухого зразка.Водопоглинання розраховується по формулі:
де В – водопоглинання, %;
m - маса сухого виробу, г;
m1 - маса віробу, насиченого водой, г.
Пористість будівельних матеріалів [9, c. 25] - ступінь заповнення об'єму матеріалу порами. По величині пір матеріали підрозділяють на дрібнопористі і крупнопористі.
Повітряна усадка [9, c. 14] – істотне зменшення об'єму сирцю, що відбувається при видаленні вологи в результаті сушки.
Вогняна усадка – зміна розмірів виробу, що відбувається при випалі. Повітряну і вогняну усадку на лабораторних зразках визначали шляхом вимірювання розмірів зразків до сушки, після сушки і після випалу.
Морозостійкість [9, c. 28] – це здатність керамічних виробів, насичених водою, витримувати багатократне поперемінне заморожування в повітряному середовищі і відтавання у воді без ознак руйнування і без значного пониження міцності. Показник морозостійкості – кількість теплозмін, яке витримує зразок без ознак руйнування.
Механічні властивості характеризуються здатністю матеріалу чинити опір всім видам зовнішніх дій з додатком сили. По сукупності ознак розрізняють міцність матеріалу при стисненні, вигині, ударі, крученні і т. д., твердість, пластичність, пружність, стирання.
Міцність [9, c. 32] — властивість матеріалу чинити опір руйнуванню під дією напруги, що виникає від навантаження. Межа міцності при вигині розраховується по формулі:
де S – Розрахована площа перетину зразка, см2;
Р - навантаження, кг;
Хімічна стійкість [9, c. 37] – це здатність матеріалів протягом тривалого часу протистояти дії хімічно активних реагентів.
На отриманих зразках визначалися повітряна, вогняна і повна усадки, величина водопоглинання і механічна міцність [9, c. 14 - 34]. Дані характеристики зразків приведені в таблиці 4 (напівкислий каолін, суглинки і озалізнений каолін з родовища «Біла Балка» і деякі властивості глини «Русиновського» родовища (Р - 3)).
Таблица 4 «Властивості сировини яка досліджується»
| Властивості | Суглінок | Каолін озалізнений | Каолін напівкислий | Р - 3 |
| Абсолютна вологість, % | 26 | 17 | 12 | 20 |
| Число пластичності | 26 | 29 | 18 | 30 |
| Вода затворення, % | 34 | 35 | 29 | 32 |
| Повне водопоглинання, % | 25 | 26 | 22 | - |
| Повітряна усадка, % | 11 | 14 | 7 | 7,0 |
| Вогнева усадка, % | 4 | 0,3 | 1 | 3,9 |
| Загальна усадка, % | 15 | 14,3 | 8 | 10,9 |
По отриманих результатах можна зробити висновок: дану сировину можна використовувати для виробництва будівельної кераміки, наприклад, будівельної цегли.
Таким чином дані вскришні глинисті породи можуть використовуватися у виробництві будівельних матеріалів, що значно здешевить процес здобичі глінистих і процес виробництва будівельної кераміки.
Виготовити і досліджувати на властивості зразки, сформованні з глин родовища «Біла Балка» і «Русиновського родовища» з додаванням плавнів: доменного шлаку, нефеліну, скла і перліту. Підбір оптимального складу і інтервалу спікання. Формування зразків відбуватиметься за технологією напівсухого пресування.