Сырьевая смесь для изготовления керамических изделий
Изобретение относится к материалам для изготовления керамических изделий и может быть использовано при производстве керамических изделий различного назначения, например санитарных керамических изделий, керамических плиток для полов, кислотоупорного и клинкерного кирпича, а также посуды, изделий медицинского назначения, электрофарфора и других изделий. Сырьевая смесь для изготовления керамических изделий содержит, мас.%: глинистый компонент 15-50, фельзит 35-80, обогащенный каолин 0-20, шамот 0-15. Технический результат: расширение сырьевой базы при изготовлении широкой номенклатуры керамических изделий, характеризующихся показателями качества, удовлетворяющими предъявляемым требованиям. 2 табл.
Изобретение относится к производству керамических изделий различного назначения, например санитарных керамических изделий, керамических плиток для полов, кислотоупорного и клинкерного кирпича, а также посуды, изделий медицинского назначения, электрофарфора и других изделий.
Для керамической промышленности остается актуальной задача поиска экономически выгодного сырья для получения широкой номенклатуры качественных изделий.
Для этих целей известна полевошпатовая порода - гранодиорит (Патент РФ №2137731, публ.1999 г.) /1/.
Гранодиорит в смеси с глинистыми компонентами применяется для изготовления керамических изделий производственного назначения - клинкерного и кислотоупорного кирпича, а также керамических плиток для полов, санитарных керамических изделий.
Гранодиорит содержит более 3% красящих оксидов, в том числе оксидов железа, титана и других оксидов, которые по-видимому определяют цвет породы, практически черный. Номенклатура изделий, получаемых из гранодиорита, ограничена его цветом.
Из этого сырья экономически оправданно изготавливать кирпич производственного назначения, однако доля потребительских товаров, таких, например, как санитарные изделия, будет ограничена, а таких, как посуда, вообще исключена. Кроме того, изготовление потребительских изделий из такого материала требует особенных глазурей.
Известен природный материал для изготовления керамических изделий - фарфоровый камень, известный в Китае более четырех столетий.
Фарфоровый камень достаточно стабилен по составу и не требует дополнения многочисленных добавок, что значительно упрощает технологию изготовления. Его количественное содержание в сырьевой смеси нередко достигает 80% и более.
Содержание красящих оксидов в фарфоровом камне менее составляет 1%, а после обогащения - 0,1-0,2%, поэтому изделия из него имеют степень белизны около 90%. Кроме того, изделия из фарфорового камня имеют низкий удельный вес, большую механическую прочность, практически нулевое водопоглощение. Из такого материала изготавливают тонкую изящную посуду высокого качества.
Китайское месторождение фарфорового камня полностью выработано еще 350 лет назад.
В настоящее время известно два месторождения фарфорового камня, одно в Японии и другое "Маринское" на юге России /2/.
Однако широкое использование фарфорового камня в производстве керамических изделий ограничивается высокой температурой его спекания, которая составляет более 1350°С и высокой стоимостью самого сырья. На мировом рынке одна тонна фарфорового камня оценивается в 490 долларов.
Высокая цена ограничивает применение этого сырья для изделий, не требующих высокой степени белизны. Высокая температура спекания требует специального оборудования и повышенного расхода топлива, в то время как изготовление керамических изделий во многих случаях не требует таких температур.
Задача настоящего изобретения - выявить новый вид разрабатываемого природного сырья, соответствующего по своим основным показателям жестким требованиям изготовителей керамических изделий и его возможности для изготовления экономически выгодных качественных керамических изделий.
Поставленная задача была решена в результате исследований, которые позволили выявить горную породу - фельзит.
Фельзит - скрытокристаллическая, частично микрокристаллическая основная масса кислых эффузионных пород, состоящая в основном из плагиоклаза, кварца и ортоклаза, а также на сегодняшний день точно не определяемых составляющих, например стекла. Эта порода относится к сырью с высоким, более 25%, содержанием свободного кварца.
По своему химическому составу фельзит резко отличается от гранодиорита, но достаточно близок к фарфоровому камню. В табл.1 приведены данные по химическому составу гранодиорита, фельзита и фарфорового камня.
Содержание красящих оксидов в фельзите составляет менее 3%, что значительно меньше, чем в гранодиорите, но больше, чем в фарфоровом камне. Поэтому на сегодняшний день изделия из фельзита по степени белизны будут уступать изделиям из фарфорового камня, но по мере совершенствования технологии подготовки сырья, в том числе очистки его от красящих оксидов, этот недостаток будет скорее всего устранен.
По минеральному составу и керамическим свойствам фельзит резко отличается от фарфорового камня. В табл.2 приведены данные по минеральному составу фельзита и фарфорового камня.
Минеральный состав фельзита обеспечивает относительно низкую температуру начала спекания, составляющую 1100°С. Вместе с тем, присутствие в фельзите в разной степени более глиноземистых и менее щелочных по сравнению с полевыми шпатами слоистых силикатов, обеспечивает широкий температурный интервал спекания, который составляет более 150°С. В эксперименте, после обжига при температуре 1250°С у исследуемых образцов отсутствовали признаки начала деформации.
Кроме того, следует отметить высокую активность фельзита к спеканию с глинами и обогащенными каолинами разных составов. В эксперименте, после обжига при температуре 1250°С исследуемые образцы на основе различных композиций имели нулевое водопоглощение.
На сегодняшний день фельзит добывается и используется в виде щебня различных фракций для изготовления бетонных и железобетонных изделий и сооружений, а в основном для возведения и ремонта автодорожных магистралей и полотна железных дорог. Известно применение фельзита для изготовления полированных плит для настила полов.
В Свердловской и Челябинской областях выявлено два разрабатываемых месторождения фельзита. Это Покровское месторождение, находящееся в 130 км от г.Екатеринбурга, и Кизильское месторождение, которое находится в 80 км от г.Магнитогорска. Стоимость фельзита на сегодняшний день в десятки раз менее стоимости фарфорового камня.
Недостаточная изученность химического и минерального состава фельзита, а также его физических и керамических свойств не позволяла ранее использовать его в производстве керамических изделий. В результате более глубокого изучения свойств этого материала выяснилось, что данная порода может обеспечивать относительно низкую температуру начала спекания сырьевой массы.
Присутствие в породе более глиноземистых и менее щелочных по сравнению с полевыми шпатами слоистых минералов обеспечивает широкий температурный интервал спекания, что благоприятно для изготовления широкой номенклатуры изделий. Значительное количество свободного кварца придает породе безусадочные свойства. Использование этой породы для получения керамических изделий не требует введения специальных, корректирующих спекание, добавок. Объем месторождения фельзита, относительно низкая стоимость, широкий температурный интервал спекания, а также ненужность корректирующих добавок, позволят получать широкую номенклатуру керамических изделий при их высоком качестве и низкой себестоимости производства.
Известна керамическая масса для изготовления клинкера (SU № 1534034) /3/, содержащая риолитовую породу в композиции с глиной, кварцевым песком и стеклобоем. Известная масса может быть использована только для решения частных, конкретно поставленных задач, например, задачу получения клинкерного кирпича с качественными показателями в несколько раз превышающими нормативные требования стандарта. Известно, что риолиты, перлиты, полевые шпаты в керамических массах выполняют роль плавней. Из состава известной массы /3/ видно, что для выполнения этой функции риолита недостаточно, поэтому в нее в качестве плавня в большом количестве (до 20% по массе) добавлен стеклобой. Фельзит же обнаружил свойства интенсивного плавня, который может быть использован, как самостоятельный, без добавления других плавней.
Известная масса /3/ не может быть распространена на производство других видов керамики, таких, например, как посуда или санитарно-технические изделия, т.к. для этих изделий нет необходимости получать свойства, достигаемые этой массой.
Новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в расширении сырьевой базы при изготовлении широкой номенклатуры керамических изделий, характеризующихся показателями качества, удовлетворяющими предъявляемым требованиям.
Пример 1. Сырьевую смесь для изготовления санитарных керамических изделий - умывальников и унитазов - готовили путем размола фельзита в шаровой мельнице мокрым способом и роспуском глины и каолина в мешалке с последующим смешением компонентов. Количество компонентов сырьевой смеси: Фельзит - 65%, глина - 15%, обогащенный каолин - 20%.
Полученный шликер влажностью 30% заливали в гипсовые формы, соответствующие получаемым изделиям, и закрепляли композицию выдерживанием в формах до получения на ее стенках слоя толщиной 10-12 мм.
Остатки шликера сливали для последующего использования. Полученный полуфабрикат подвяливали, извлекали из формы и сушили при температуре 105-110°С. Далее покрывали слоем глазури, сушили и обжигали при температуре 1250°С. Полученные изделия имели общую усадку 13% (усадка может быть снижена до 10%), водопоглощение - 0,1%, предел прочности при сжатии - 110 МПа, кислотостойкость - 99,6%. (Опытным путем можно подбирать иные рецептуры сырья, предпочтительно в пределах: фельзит - от 50 до 80%, глинистая составляющая - от 20 до 50%).
Пример 2. Сырьевую смесь для изготовления керамических неглазурованных плиток для полов готовили путем размола фельзита и глины в шаровых мельницах мокрым способом и роспуском глины в мешалках с последующим смешиванием компонентов, дальнейшей сушкой в распылительных сушилках до получения пресс-порошка с влажностью 6-8%. Количество компонентов сырьевой смеси: Фельзит - 50%, глина - 50%.
Из порошка прессовали плитки требуемых размеров, сушили и обжигали при темпаратуре 1160°С. Показатели качества полученных плиток: водопоглощение - 3,0%, усадка - 4-4,5%, предел прочности при изгибе - 36 МПа, износостойкость - 25 г/см2, морозостойкость - 40 циклов.
Пример 3. Сырьевую смесь для изготовления кислотоупорного кирпича готовили путем совместного или раздельного помола составляющих компонентов до размера зерен менее 3 мм в шаровых или шахтных мельницах. Размолотые при раздельном помоле частицы смешивали в заданной пропорции и увлажняли водой до влажности 17-18%. Количество компонентов сырьевой смеси: Фельзит - 35%, глина - 50%, шамот - 15%.
Далее смесь проминали на глиномялке, уплотняли на вакуум-лентпрессе, нарезали заготовки, из которых формовали кирпичи. Отформованные кирпичи сушили при температуре 105-110°С и обжигали в туннельной печи открытого пламени при конечной температуре 1180°С. Полученный кирпич имел следующие показатели: водопоглощение - 4,2%, усадка 11-12%, предел прочности при сжатии - 80 МПа, термическая стойкость - более 10 теплосмен, кислотостойкость - 99,5%.
В приведенных примерах в качестве сырья использовали фельзит Покровского и Кизильского месторождений. В примере 1 использовали глину марки ДНО Дружковского месторождения (Украина). В примерах 2, 3 использовали Нижнеувельскую глину марки НУ 1 (Россия, Челябинская обл.). Показатели качества полученных изделий соответствуют принятым для них стандартам.
Полученные результаты позволяют предположить, что заявленная смесь может быть использован для более широкой номенклатуры керамических изделий. Это может быть посуда, изделия медицинского назначения, электрофарфор и другие.
При разработке технологии изготовления каждого конкретного изделия в зависимости от свойств компонентов исходной сырьевой смеси, в основном глинистых составляющих, технологии и оборудования, в том числе уже существующих в керамическом производстве, необходимо подбирать рецептуру сырьевой смеси, режимы обработки и пр.
| Таблица 1 | ||||||||||||||
| Наименование сырья | № пробы | Наименование компонентов, содержание, мас.% | ||||||||||||
| ппп* | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | К2О | Na2О | SO3 | TiO2 | Свободный SiO2 | Р2O5 | MnO | ||
| Фельзит Покровского месторождения | 1 | 1,7 | 74,58 | 14,41 | 1,84 | 1,39 | 0,40 | 3,23 | 2,56 | Не опр. | Не опр. | 38,70 | Не опр. | Не опр. |
| 2 | 1,2 | 76,46 | 13,32 | 1,21 | 0,16 | 0,13 | 4,21 | 3,29 | 0,31 | Не опр. | 42,40 | Не опр. | Не опр. | |
| Фельзит Кизильского месторождения | 3 | 0,86 | 75,60 | 13,12 | 0,32 | 0,22 | 0,056 | 4,40 | 3,57 | 0,28 | 0,23 | 40,15 | Не опр. | Не опр. |
| 4 | 0,95 | 75,52 | 12,08 | 0,72 | 0,23 | 0,17 | 4,27 | 3,90 | 0,16 | 0,22 | 37,20 | Не опр. | Не опр. | |
| Фарфоровый камень Маринского месторождения | 5 | 3,18 | 74,66 | 15,22 | 0,34 | 0,34 | 0,18 | 3,88 | 2,00 | 0,02 | 0,07 | Не опр. | 0,027 | 0,013 |
| Гранодиорит /1/ | - | - | 63,37-67,98 | 13,5-17,99 | 0,40-2,28 | - | - | 1,74-4,97 | 2,20-4,42 | - | - | - | - | - |
| * - потери при прокаливании Примечание: Химический состав проб фельзита определен испытательной аналитической лабораторией испытаний и сертификации при УГТУ (УПИ), г.Екатеринбург. |
| Таблица 2 | |||||||
| Наименование минерала | Исследуемое сырье | ||||||
| Фельзит Покровского месторождения | Фельзит Кизильского месторождения | Фарфоровый камень Марийского месторождения | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Свободный кварц | 35-40 | 38,6 | 44,2 | 25-40 | 30 | 35 | 38,0 |
| Плагиоклаз | 30-33 | 31,0 | 23,2 | 55-75 | 34 | 39 | - |
| Калиевый полевой шпат | 30-33 | 19,5 | 17,6 | 24 | 29 | - | |
| Серицит | 3-5 | 6,9 | 12,1 | - | 2 | 5 | - |
| Калионит | - | 2,3 | 1,5 | - | - | 2,7 | 23,0 |
| Лимонит | - | 1,4 | 1,4 | - | - | - | - |
| Хлорит | - | - | - | 5-7 | 5 | 7 | - |
| Магнетит | 2-3 | - | - | 0-2 | - | 2 | - |
| Альбит | - | - | - | - | - | 5 | 13,0 |
| Микроклин | - | - | - | - | - | - | 5,0 |
| Пироксен | - | - | - | - | - | - | 5,2 |
| Амфибор | - | - | - | - | - | - | 3,0 |
| Галлуазит | - | - | - | - | - | - | 5,0 |
| Карбонаты | - | - | - | - | - | - | 1,8 |
| Слюды | - | - | - | - | - | - | 6,0 |
| Акцессортные | апатит, циркон | - | - | сфен, лейкоксен, циркон | - | - | - |
| Примечание 1: | |||||||
| данные столбцов 2, 3 таблицы 2 соответствуют пробам 2, 3 табл.1; | |||||||
| данные столбцов 5, 6 соответствуют пробам 3, 4 табл.1; | |||||||
| данные столбца 7 соответствуют пробе 5 табл.1. | |||||||
| Примечание 2: | |||||||
| данные столбцов 1, 4 по свободному кварцу и серициту взяты из геологических отчетов Уральской КГЭ "Госгеологоразведка" МПСМ РСФСР 1965 и 1980 г.г., данные по остальным определенным минералам определены на кафедре СМВ УГТУ (УПИ), г.Екатеринбург. |
Сырьевая смесь для изготовления керамических изделий, содержащая глинистый компонент, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фельзит, обогащенный каолин и шамот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| глинистый компонент | 15-50 |
| фельзит | 35-80 |
| обогащенный каолин | 0-20 |
| шамот | 0-15 |
