Способ изготовления стеновых керамических изделий, сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий и заполнитель для стеновых керамических изделий

Изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для получения теплоизоляционных изделий - кирпича, блоков, стеновых панелей и др. Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств при изготовлении прочных малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий. Способ включает смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, оксидов кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0-20,0% по отношению к массе стеклобоя, молотых совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция и/или магния. Далее следует увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом либо способом полусухого прессования, сушка и обжиг при температуре 900-945°С. 3 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для получения теплоизоляционных изделий - кирпича, блоков, стеновых панелей и др.

Известны способ изготовления стенового керамического изделия и сырьевая шихта для него, включающая молотую глину (53-93 мас.%) и заполнитель в виде зерен, расширяющихся в процессе нагревания с первоначальным размером не более 2 мм, состоящих из вермикулита, или гидрофлогопита, или гидробиотита (2-42 мас.%) и отощителя - песка, или золы, или шлака с размером частиц не более 2 мм (4-45 мас.%). Из перемешанной массы пластическим способом формуют изделия в виде кирпича, блоков, стеновых панелей, которые после сушки обжигают в тоннельной печи при 950°С с изотермической выдержкой 2 часа [Патент РФ №1780276, кл. 6 С04В 33/00, 1995].

Недостатками способа, сырьевой шихты и заполнителя являются: высокая плотность получаемых стеновых керамических изделий (1850...1990 кг/м³), что требует увеличения затрат материалов на стадии изготовления и, как следствие этого, утяжеляет массу стеновых конструкций; высокая огневая усадка (до 5...7,9 об.%), что способствует возникновению напряжений и дефектов структуры, отрицательно влияющих на прочностные характеристики обожженного материала. Эти недостатки ухудшают технологические и эксплуатационные характеристики стеновых керамических изделий.

Наиболее близкими к предлагаемому решению являются способ изготовления стеновых керамических изделий, сырьевая шихта и заполнитель для них. Способ заключается в смешивании молотой глины - 60-97 мас.% и заполнителя - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, при этом количество гидрофобизатора составляет 1...10% от массы стеклобоя. Из перемешанной массы формуют изделия, которые после сушки обжигают в тоннельной печи при 950°С с изотермической выдержкой 2 часа [Патент РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005].

Недостатками прототипа являются наличие общей усадки при сушке и обжиге и недостаточная прочность получаемых стеновых керамических изделий.

Предлагаемое изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств для производства малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий с сохранением и увеличением их прочности.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления стеновых керамических изделий, включающем смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом либо способом полусухого прессования, сушку и обжиг, согласно предлагаемому решению при помоле стеклобоя и порообразователя дополнительно вводят оксиды кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0...20,0% по отношению к массе стеклобоя, а обжиг проводят при температуре 900-945°С.

Технический результат достигается тем, что в сырьевой шихте для изготовления стеновых керамических изделий, включающей молотую глину - 60-97 мас.% и заполнитель - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, согласно предлагаемому решению вышеуказанный заполнитель дополнительно содержит оксиды кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0...20,0% по отношению к массе стеклобоя.

Результат достигается с помощью заполнителя для стенового керамического изделия в виде гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра и оболочки из гидрофобизатора, причем ядром является связанная между собой смесь дробленого боя стекла и порообразователя - карбоната кальция и/или магния, взятого в количестве 1-6% от массы стеклобоя, а количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, при этом согласно предлагаемому решению материал ядра дополнительно содержит оксиды кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0...20,0% по отношению к массе стеклобоя.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило установить, что предлагаемое решение отличается введением в состав ядра заполнителя дополнительно оксидов кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0...20,0% по отношению к массе стеклобоя, а также предложенной авторами температурой обжига изделий. Таким образом, предлагаемое решение обладает критерием «новизна».

При изучении других технических решений использование предложенного авторами, а именно: введение в состав ядра заполнителя дополнительно оксидов кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0...20,0% по отношению к массе стеклобоя, а также обжиг изделий при температуре 900-945°С, не выявлено, таким образом заявляемое решение не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».

Характеристика компонентов массы:

1. В качестве стеклобоя использовали дробленый бой зеленого тарного стекла, г.Воронеж.

2. В качестве порообразователя использовали мел технический дисперсный МТД-2 по ТУ-21-020350-06-92, ОАО «Стройматериалы», г.Белгород.

3. Оксид кремния по ГОСТ 22552.0-77.

4. Оксид алюминия по ГОСТ 8136-85, марка ОАА-1.

5. В качестве глины использовали суглинок Шебекинского месторождения, Белгородская обл. Огнеупорность 1180...1270°С. Водозатворяемость - 28,7% (по ГОСТ 9169-75). Основной глинистый минерал - монтмориллонит. Цвет после обжига зеленовато-желтый.

Химический состав сырьевых компонентов приведен в табл.1.

6. При гранулировании порошка стеклобоя, молотого совместно с порообразователем и оксидами кремния и алюминия, на тарельчатом грануляторе использовали водный раствор силикатного клея (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000. Количество связующего компонента при разных размерах гранул различно и определяется визуально: столько, чтобы сформированные гранулы нужного размера скатывались с наклонной поверхности тарельчатого питателя. Получающиеся ядра состоят из связанной между собой жидким стеклом смеси молотых боя стекла, оксида кремния, оксида алюминия и порообразователя - карбоната кальция и/или магния.

7. В качестве гидрофобизатора поверхности гранул заполнителя использовали парафин нефтяной марки П-2 (ГОСТ 23683-89) в расплавленном состоянии. Регулируя толщину парафинового слоя на поверхности гранулята, получают наиболее предпочтительные сферические и округлые поры в массе готового изделия.

Для получения гранулированного заполнителя дробленый бой стекла дозировали с карбонатами кальция (порообразователем) - мелом, известняком, либо с карбонатом магния, либо с доломитом, а также с оксидами кремния и алюминия весовым методом. Полученную шихту загружали в шаровую мельницу и производили помол до достижения удельной поверхности 300...500 м²/кг. Гранулирование полученной шихты, сушку ядер и их гидрофобизирование для получения оболочки гранул производили аналогично способу, описанному в патенте РФ №2277520.

Пример. Взвесили предварительно высушенный измельченный и просеянный через сито с размером отверстий 0,1 мм Шебекинский суглинок в количестве 7,5 кг (75%, см. табл.2, смесь 1), к этой глине добавили 2,5 кг заполнителя в виде гранул, полученного из стеклобоя, молотого совместно с 3 мас.% мела и 10 мас.% оксидов кремния и алюминия в соотношении 1:2,8, гранулированного, просеянного через сито с размером диаметра ячеек 2,0 мм, оставшегося на сите 0,1 мм и обработанного расплавленным парафином - 5% по отношению к массе стеклобоя, см. табл.2, смесь 1.

Смесь сухих компонентов (суглинок и заполнитель) увлажняли водой до формовочной влажности, перемешивали до равномерного распределения гранул и глины. Образцы сырцовых изделий из полученной смеси формовали пластическим способом на ленточном прессе. Образцы высушивали до остаточной влажности 0,5...2%, а затем обжигали при температуре 940°С, аналогично способу, описанному в патенте РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005.

После охлаждения образцы изделий испытывали на прочность, определяли общую усадку. Известные составы массы 4 и 8 изготавливали согласно прототипу (Патент РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005, табл.2, состав 1). Результаты испытаний приведены в табл.2 (смесь 1).

Изделия из смесей 5-7 (табл.2) получали способом полусухого прессования.

Анализируя результаты физико-механических испытаний серии экспериментальных образцов, можно сделать вывод, что формированию пористой структуры обожженных керамических материалов с заполнителем способствует совместному помолу стеклобоя с порообразователем и оксидами кремния и алюминия, в предложенных авторами соотношениях между сырьевыми компонентами, до достижения удельной поверхности 300...500 м²/кг.

Анализ данных табл.2 результатов испытаний образцов стеновой керамики показывает следующее.

1. Все смеси 1-3 и 5-7 отвечают требованиям ТУ 530-95 «Кирпич и камни керамические».

2. Введение в состав массы заполнителя в виде стеклобоя, молотого совместно с порообразователем и оксидами кремния и алюминия, гранулированного и гидрофобизированного, в заявляемых количествах и размером зерен 0,1...2,0 мм, а также последующий обжиг при температуре 900-945°С позволяет получать прочные высококачественные стеновые керамические изделия.

3. Обожженные керамические изделия, полученные из сырьевых смесей 3 и 7, имеют отрицательную усадку, т.е. наблюдается равномерное увеличение линейных и объемных размеров с допустимыми поверхностными дефектами обожженных образцов по сравнению с размерами исходных сырцовых изделий.

4. Уменьшать количество оксидов кремния и алюминия в гранулах менее 5 мас.%, соотношение между оксидами кремния и алюминия менее 1:2,2 и снижать температуру обжига менее 900°С нецелесообразно, т.к. получаемые керамические изделия по комплексным техническим характеристикам получаются недостаточно качественными из-за наличия усадочных явлений при сушке и обжиге, и несмотря на то, что физико-механические характеристики изделий отвечают требованиям ТУ 530-95, составы 2 и 6 из-за наличия небольших трещин приняты как граничные.

Увеличивать количество оксидов кремния и алюминия в заполнителе в виде стеклобоя, молотого с порообразователем свыше 20 мас.%, соотношение между оксидами кремния и алюминия более 1:3,4 и повышать температуру обжига более 945°С нецелесообразно, т.к. происходит падение прочности получаемых стеновых керамических материалов за счет появления дефектов расширяющейся структуры обжигаемых изделий и нарушения геометрических размеров. По этой причине, несмотря на то, что физико-механические характеристики изделий отвечают требованиям ТУ 530-95, составы 3 и 7 приняты как граничные.

Заявляемый способ изготовления стеновых керамических изделий имеет следующие преимущества:

1) предел прочности при сжатии увеличивается на 30-37%;

2) полученные в результате обжига стеновые керамические изделия имеют однородную замкнуто-поризованную упрочненную структуру с минимальными объемными усадочными дефектами.

Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: заполнитель в виде заявленных гранул, формируют пористую структуру сырца, причем за счет гидрофобизации поверхности гранул и наличия слоя гидрофобизатора, обработанная гранула имеет сглаженную поверхность, внутри которой заключена относительно рыхлая сухая масса. Сырцовые изделия имеют пониженную влажность, при сушке легко отдают влагу с минимальными усадочными явлениями. По этой причине в структуре сырца в процессе обжига формируются сферические остеклованные изнутри замкнутые поры в обожженном керамическом изделии.

Известно, что при достижении 820...850°С стеклопорошок размягчается, а из порообразователя выделяется при декарбонизации углекислый газ, который поризует стекломассу гранулы. Этот процесс, происходящий в поре, создает равномерный распирающий эффект, который активно препятствует возникновению и развитию огневой усадки стеновых керамических изделий в процессе термообработки. При повышении температуры до 945°С стекло переходит в жидкую фазу и активно взаимодействует с частицами глины по всей поверхности поры. Присутствие оксидов кремния и алюминия в заявляемых соотношениях между собой и количествах обеспечивает образование армирующих кристаллических структур порового пространства: вводимые оксиды в присутствии расплавленной стеклофазы, образующейся из порошка стеклобоя при температуре обжига керамических изделий (900-945°С), формируют объемную прочную кристаллическую структуру. Рентгенофазовые исследования показывают, что эта структура сформирована из кристаллов волластонита, анортита и муллита. Отличительной особенностью стеклофазы, образующейся при обжиге заявляемых керамических изделий, находящейся на стенках формируемых поровых структур и состоящей из расплава стеклобоя, насыщенного оксидами, входящими в состав глины, дополненного оксидами кремния и алюминия, является то, что формируемые в ее среде кристаллические структуры имеют преимущественно призматически-игольчатое строение. Авторами установлено, что высокая плотность остеклованных стенок пор, сформированных при обжиге изделия при температуре 900-945°С путем взаимодействия глинистых частиц, примыкающих к порам, с расплавленной стеклофазой из материала стеклогранул и оксидами кремния и алюминия, определяет высокие эксплуатационные характеристики получаемых стеновых керамических изделий. При охлаждении обожженного изделия эти упрочнено-поризованные участки, равномерно распределенные по объему полученных керамических изделий, препятствуют трещинообразованию, этим объясняется высокая прочность изделий и малое водопоглощение, даже при существенном снижении плотности готовых изделий по сравнению с прототипом (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Обеспечение равномерной замкнутой пористости с упрочненной внутренней структурой в керамических изделиях также обусловливает существенное улучшение их прочностных характеристик по сравнению с прототипом.

Сырьевая шихта для получения стеновых керамических изделий по прототипу, не включающая дополнительно оксиды кремния и алюминия, не позволяет достичь высокого результата, реализованного в заявляемом способе, т.к. армирующие кристаллы формируются в незначительном количестве, а кристаллы муллита, которые формируют наиболее прочный структурный каркас и обеспечивают низкую теплопроводность изделий, практически отсутствуют (доказано рентгенофазовыми исследованиями).

Получаемые по заявляемому способу стеновые керамические изделия обладают хорошими декоративными характеристиками, не имеют трещин.

Использование заявляемой сырьевой шихты решает задачу расширения арсенала технических средств при изготовлении прочных малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий (кирпича, блоков, стеновых панелей и др.), позволяет расширить сырьевую базу за счет применения в качестве сырья природных материалов - кварцевых песков и глин с большими усадочными свойствами при термообработке, ранее для производства стеновых керамических изделий не использовавшихся, причем данная технология не требовательна к чистоте исходных материалов.

1. Способ изготовления стеновых керамических изделий, включающий смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя, порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом, либо способом полусухого прессования, сушку и обжиг, отличающийся тем, что при помоле стеклобоя и порообразователя дополнительно вводят оксиды кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0-20,0% по отношению к массе стеклобоя, а обжиг проводят при температуре 900-945°С.

2. Сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий, включающая молотую глину - 60-97 мас.% и заполнитель - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, отличающаяся тем, что вышеуказанный заполнитель дополнительно содержит оксиды кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0-20,0% по отношению к массе стеклобоя.

3. Заполнитель для стеновых керамических изделий, в виде гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра и оболочки из гидрофобизатора, причем ядром является связанная между собой смесь дробленого боя стекла и порообразователя - карбонат кальция и/или магния, взятого в количестве 1-6% от массы стеклобоя, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, отличающийся тем, что материал ядра дополнительно содержит оксиды кремния и алюминия в соотношении 1:(2,2-3,4) в количестве 5,0-20,0% по отношению к массе стеклобоя.