Способ приготовления керамической формовочной массы

Изобретение относится к способам приготовления керамической массы для пластического формования и может найти применение в производстве стеновой керамики при изготовлении обычного и лицевого кирпича, а также камней. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента конструктивного качества и исключение брака. Способ включает приготовление керамической формовочной массы путем грубого, среднего измельчения карьерного глинистого сырья, вылеживания в глинохранилище с одновременной естественной подсушкой в среднем до 18% в поверхностных слоях, последующего прохождения его через вальцы тонкого измельчения с зазором 1-2 мм. Перед пропусканием через вальцы тонкого измельчения осуществляют доувлажнение глинистого сырья раствором уксусной кислоты с концентрацией 0,2 моль/л (1,2%) до формовочной влажности. 1 табл.

 

Изобретение относится к способам приготовления керамической массы для пластического формования и может найти применение в производстве стеновой керамики при изготовлении обычного и лицевого кирпича, а также камней.

Известен состав и способ приготовления керамической массы и лицевого кирпича на ее основе, приведенный в авт. свидетельстве России №2024463, МКл С04В 33/00, опубликованном в 1994 г.

Особенностью известного состава и соответствующего способа является наличие в составе формовочной массы повышенного содержания карбонатных компонентов (известняка - 10-20 мас.% и мела - 5-10 мас.%), которые тонко измельчаются механическим способом до удельной поверхности 5000-6000 см²/г известнякового компонента и до 7000-8000 см²/г - мела. Присутствие тонкодисперстных карбонатов в составе формовочных масс способствует «отбеливанию» естественного цвета (обычно красного) обожженного керамического кирпича вплоть до белого цвета, что в свою очередь исключает видимость светлых пятен (высолов) на поверхности стеновой и других видов керамики (см. Соков В.Н. Лабораторный практикум по технологии отделочных, теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов. - М.: Высш. шк., 1991. - 112 с.: ил., конкретно с.21-23).

Наряду с большими достоинствами известного способа изготовления фасадного лицевого кирпича (повышается архитектурная выразительность) имеются и недостатки, конкретно такие:

а) Сложная и энергоемкая технология приготовления керамической массы для пластического формования обычного и лицевого кирпича из-за необходимости тонкого измельчения карбонатных компонентов, содержащих или вводимых в состав таких глиняных масс.

б) Из-за повышенного содержания карбонатного компонента в составе массы (СаСО₃) и поэтому при обжиге увеличивается степень поризации массы керамического кирпича, что отрицательно отражается на прочности и морозостойкости.

Наиболее близким способом приготовления керамической массы для пластического формования керамического кирпича-сырца к предлагаемому является обычный традиционный «мокрый» способ, заключающийся в грубом, среднем предварительном измельчении карьерной глины (или суглинок) методом пропускания через вальцы грубого измельчения, пропускании через бегуны мокрого помола (измельчения). Потом глину вылеживают в глинозапаснике с одновременным изменением карьерной влажности (в среднем до 18%), более тонко измельчают методом пропускания через одну, две, а иногда и три пары (каскад) вальцев тонкого измельчения (зазор составляет от 1 до 2 мм), перемешивают без или с добавками в двухвальном смесителе с одновременным доувлажнением до формовочной влажности (20-22%) и пластическим способом формуют на ленточном прессе (см. И.И.Мороз. Технология строительной керамики. - Киев: Изд-во «Вища школа», 1980. - 381 с., конкретно с.62, дополнительно: с.129-130 (технологическая схема)).

Наряду с большими достоинствами известного способа (упрощенная технология приготовления массы), не требующего предварительной сушки глины и последующего тонкого ее измельчения, или шликерной технологии, т.е. превращения глины в шликер и последующей сушки в распылительной сушилке, имеется и недостаток, приводящий к браку, а конкретно:

а) Образование на поверхности и в массе обожженного кирпича красного тона, включений белого цвета типа оксидов (CaO+MgO) с размером частиц более 0,63 мм, образующихся при обжиге кирпича в результате разложения карбонатов СаСО₃ и MgCO₃. Оксиды CaO+MgO при взаимодействии с влагой окружающей среды гасятся, переходя в Са(ОН)₂ и Mg(OH)₂, увеличиваясь при этом в объеме с образованием трещин вплоть до разрушения керамических изделий, т.е. образуется брак - «дутик». Особенно это наблюдается при повышенном содержании в глинистом сырье карбонатных примесей (более 3-4 мас.% в пересчете на (CaO+MgO) и, особенно, по мере износа зазора между вальцами тонкого измельчения.

Задача изобретения - повысить коэффициент конструктивного качества и исключить брак «дутик» для обычного стенового или лицевого кирпича, изготовляемого из глинистого сырья, в состав которого входит повышенное содержание карбонатных примесей (при действии HCl - признаки вскипания).

Для разрешения поставленной задачи в способе приготовления керамической формовочной массы путем грубого среднего измельчения карьерного глинистого сырья, вылеживания в глинохранилище с одновременной естественной подсушкой в среднем до 18% в поверхностных слоях, последующего пропускания его через вальцы тонкого измельчения с зазором 1-2 мм и доувлажнения до формовочной влажности осуществляют раствором уксусной кислоты с концентрацией 0,2 моль/л (1,2%) перед пропусканием через вальцы тонкого измельчения.

1. Характеристика компонентов, принятых в опытах для реализации предлагаемого способа

В качестве глинистого сырья приняты Новомосковские суглинки, имеющие в своем составе повышенное содержание карбонатных примесей (СаСО₃+MgCO₃) и, несмотря на сравнительно новое оборудование кирпичного завода ОАО «Центргаз», где применяются эти глины для производства стенового и лицевого кирпича (г.Новомосковск, Тульск. обл.), наблюдаются на поверхности и в массе керамического кирпича включения белого цвета с размером более 0,63 мм, что приводит к браку «дутик».

Суглинок Новомосковский:

Отвечает требованиям ОСТ21-78-88. Гранулометрический состав, %:

- Содержание фракции менее 0,001 мм - 53,21;

- Содержание фракции менее 0,005 мм - 74,2;

- Содержание фракции менее 0,01 мм - 78,87;

- Содержание фракции 0,05-5 мм - 1,145.

Химический состав: (среднеарифметический для верхнего и нижнего пластов и, соответственно, усредненный за год). Содержание, мас.%: SiO₂ - 72,28; Al₂О₃ - 11,64; Fe₂O₃+FeO - 4,0; CaO+MgO - 4,39; Na₂O+K₂O - 3,14; SO₃ (следы); п.п.п.. - 4,35. При действии HCl - слабо вскипает.

Технологические свойства

После обжига имеют цвет светло-красный. Огнеупорность - 1250°С, т.е. легкоплавкое глинистое сырье. Воздушная линейная усадка - 7-8% (высокочувствительно к сушке). Предел прочности при сжатии, после обжига при температурах 950°С - 17,31 МПа, а при 1050°С - 23,0 МПа, при 980°С - 20,6 МПа, умеренно пластичное (Ч.П. - 12,6-12,7), кислое содержание Al₂O₃ - 11,64-11,8%. Относится к числу неспекающегося до 1250°С глинистого сырья.

В качестве увлажнителя глиняного сырья до формовочной массы использован раствор уксусной кислоты с концентрацией ρ=1,2% (0,2 моль/л), который практически не имеет запаха.

2. Порядок проведения опыта для реализации задачи.

1. Отобрана средняя проба Новомосковских суглинок с карьерной влажностью 18%. Масса пробы ω=18% - 8 кг. Массу сухой пробы «М_сух» (с ω=0%) определили по формуле профессора Рохалина А.И:

2. Предварительно по инструкции, приведенной в технической литературе [25], определили формовочную влажность суглинок, которая составила 21%. Для данного опыта израсходовано 1 кг суглинок от общей средней пробы.

3. Оставшуюся среднюю пробу суглинок (7 кг) разделили на две равные пробы по 3,5 кг, или масса сухой составит . Первую пробу (контрольную), принятую для сравнения, обозначим под номером №1, а вторую опытную - №2.

4. Пробу суглинок №1 дополнительно увлажнили водой до формовочной влажности 21% и поместили в отдельный полиэтиленовый (двойной) пакет и герметически закрыли для сохранения влажности. При увлажнении влажные суглинки измельчили (вручную).

5. Пробу суглинок №2 дополнительно увлажнили слабоконцентрированной уксусной кислотой с концентрацией 1,2% (0,2 моля CH₃COOH на 1 л) и плотностью 1 г/см³ до формовочной влажности (21%) и также поместили их в пакет, как в п.4.

6. Оба пакета с пробами суглинок №1 и №2 оставили на 3-е суток, моделируя тем самым процесс вылеживания глиняной массы в глинохранилище, с той целью, чтобы в контрольной пробе суглинок №2 химически вступили в реакцию карбонатные примеси в соответствии со следующими реакциями:

7. Определили расход уксусной кислоты указанной концентрации на 1 тонну суглинок:

а) Количество формовочной массы в пробе №2 составляет:

где 2,87 - сухая опытная проба суглинок.

Отсюда на опытную партию №2 уксусной кислоты было израсходовано: M_у.к=3,616-3,50=0,116 кг с учетом потерь принимаем 0,12 кг.

На доувлажнение 3,5 кг карьерных суглинок (с ω=18%) израсходовано 0,12 кг уксусной кислоты с плотностью 1 кг/л. Расход в литрах уксусной кислоты составил 0,12 л (120 см³). Расход уксусной кислоты с концентрацией 1,2% для химической обработки карьерных суглинок, взятых в количестве 1 тонны, определяется:

Итак, на обработку пульверизацией в глинохранилище 1 тонны карьерных суглинок потребуется 35 кг (литров) слабоконцентрированной уксусной кислоты.

8. Через трое суток контрольную пробу суглинок №1 (без химической обработки) и опытную №2 (с химобработкой) пропустили поочередно, причем дважды через лабораторные вальцы с зазором 2 мм и до момента формования вновь поместили в отдельные герметичные пакеты, чтобы сохранить формовочную влажность.

9. Формование опытных образцов. Образцы в виде цилиндров формовали пластическим способом на лабораторном прессе, под удельным давлением 2,5 МПа, т.е. под таким давлением, которое создает шнековый (ленточный) пресс в заводских условиях в процессе формования кирпича-сырца.

Высота образца-цилиндра была принята равной высоте кирпича-сырца, т.е. 7 см (с учетом общей усадки суглинок - 8,5%). Диаметр образца цилиндра - 5 см. Масса одного образца после формования составила 280 г. Всего было сформовано 24 образца по 12 шт. из каждой пробы (№1 и №2). Для сохранения влажности, как обычно, поместили образцы в пакеты. Сушили и обжигали их в заводских условиях (на ОАО Кирпичном заводе №1 в г.Тула).

10. Сушка и обжиг полученных образцов. Сушку образцов осуществляли совместно с керамическим кирпичом-сырцом в камерных сушилках периодического действия системы Росстромпроекта в течение 72-х часов при максимальной температуре 75±5°С. Обжигали образцы в кольцевой печи при максимальной температуре 1000°С.

После обжига контрольные и опытные образцы с механохимической обработкой исходных суглинок испытывали с соблюдением указаний ГОСТ.

Наличие на поверхности известковых (СаО) и магниевых (MgO)включений, приводящих к браку «дутик», с размером более 0,63 мм определяли визуально. Одновременно определяли влияние механохимической обработки суглинок на их среднюю плотность, прочность при сжатии, архитектурный вид (цвет, наличие выцветов). Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты испытаний образцов лицевой керамики
№ п/п	Параметры и свойства	Индекс обозначения	Размерность	Величина параметров свойств
Опытных образцов, изготовленных предлагаемым способом (образцы №2)	Опытных образцов, изготовленных по способу прототипа (образцы №1)
1	Средняя плотность	ρ0	кг/м3	1820	1850
2	Прочность при сжатии	Rсж	МПа	18,8	17,2
3	Коэффициент конструктивного качества Kк.к=Rсж/ρ0	Кк.к	МПа·м3/кг	0,0103	0,0093
4	Цвет образцов	Ц	-	светло-красный и без включений белого цвета	светло-красный с включениями белого цвета
5	Наличие высолов	ВС	-	нет	следы
6	Брак за счет наличия на поверхности изделия известковых включений	Б	%	0	8,33

3. Анализ результатов испытаний.

На основании результатов испытаний, приведенных в таблице 1, следуют выводы:

1) Средняя плотность опытных образцов №2 в сравнении с контрольными под №1 уменьшилась на 30 кг/м³. Это объясняется тем, что уксуснокислые карбонаты при обжиге разлагаются с выделением газа CO₂, т.е. идет незначительная поризация, причем дополнительная к потерям при прокаливании суглинков. Газы CO₂ образуются при обжиге и от сгорания органического остатка уксуснокислых солей кальция, магния. Например:

2) Предел прочности при сжатии (R_сж) опытных образцов, изготовленных с подготовкой массы предлагаемым способом, выше на 9,3%, чем предел прочности при сжатии контрольных опытных образцов, изготовленных по способу прототипа, а коэффициент конструктивного качества К_к.к выше на 10,7%.

3) Как видно из результатов испытаний, на поверхности контрольных образцов №1 имеются известковые включения, что составляет от общего количества 8,33% (брак).

4) Опытные образцы, изготовленные из суглинок с механохимической обработкой, дефектов в виде известковых включений не имеют.

5) Механохимическая обработка не влияет на естественный цвет обожженной керамики и не образует выцветов.

Физико-химическая сущность достижения цели состоит в следующем:

а) Принятая слабоконцентрированная уксусная кислота (0,2 моль/л или 1,2%) выполняет роль диспергатора, а не растворителя карбонатных примесей, содержащихся в суглинках, т.к. на полное растворение 4,39% в пересчете на (CaO+MgO) карбонатов требуется 96,8 л на 1 тонну суглинок 100%-ной уксусной кислоты, т.к. в одной тонне содержится 43,9 кг (CaO+MgO) или 80,47 кг в пересчете на (CaCO₃+MgCO₃).

В предлагаемом же способе принято всего лишь 0,633 кг 100%-ной концентрации СН₃СООН на 1 тонну суглинок или 35 литров с концентрацией 1,2%. Взятое количество слабоконцентрированной кислоты позволяет лишь снизить твердость карбонатных примесей в составе суглинок и, соответственно, легко разрушиться (диспергировать) под действием усилий вальцов тонкого измельчения до размеров, не дающих брак «дутик». В мелкодисперсном состоянии оксиды (CaO+MgO) выполняют положительную роль, т.е. роль плавня и отбеливателя.

б) Выбор слабоконцентрированной уксусной кислоты обоснован предотвращением создания в глиняной массе кислой среды и, соответственно, коррозии оборудования, а также экономической целесообразностью, т.к. предложенный способ позволяет взамен обычного стенового кирпича выпускать только лицевой, который на 20-30% дороже. Принятая концентрация кислоты не образует запаха в глинохранилище.

Экономическая целесообразность состоит в исключении 5-8% брака в производстве, что в 10-15 раз превосходит затраты на расход уксусной кислоты. Ожидаемая прибыль по заводу на 1000 шт. кирпича с внедрением предлагаемого способа составляет ≈18-20%.

Способ приготовления керамической формовочной массы, включающий грубое, среднее измельчение карьерного глинистого сырья, вылеживание в глинохранилище с одновременной естественной подсушкой в среднем до 18% в поверхностных слоях, последующее прохождение его через вальцы тонкого измельчения с зазором 1-2 мм и доувлажнение до формовочной влажности, отличающийся тем, что доувлажнение глинистого сырья осуществляют раствором уксусной кислоты с концентрацией 0,2 моль/л (1,2%) перед пропусканием через вальцы тонкого измельчения.