Керамическая масса
Владельцы патента RU 2488566:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский государственный строительный университет" (РГСУ) (RU)
Котляр Владимир Дмитриевич (RU)
Устинов Андрей Викторович (RU)
Терехина Юлия Викторовна (RU)
Изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности стеновых керамических изделий, и может быть использовано при производстве керамического кирпича и камней. Техническим результатом изобретения является снижение средней плотности и теплопроводности изделий. Керамическая масса включает опал-кристобалитовую породу - опоку, воду и флотационные отходы углеобогащения, при этом опока и флотационные отходы углеобогащения используются со степенью измельчения менее 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанная опока - 45-60; флотационные отходы углеобогащения - 5-30; вода - остальное. 6 табл.
Изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности стеновых керамических изделий, и может быть использовано при производстве керамического кирпича и камней.
Известна керамическая масса на основе кремнистых пород (опок) с незначительным количеством легкоплавких примесей (В.Н.Иваненко. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород, Будевельник, Киев, 1978, стр.10, 22-23).
Наиболее близким техническим решением является керамическая масса, включающая опал-кристобалитовую породу - опоку, измельченную до максимальной крупности 0,315 мм, дополнительно содержащую в составе в качестве пластифицирующей добавки суперпластификатор С-3, при следующем соотношении компонентов, масс.%: указанная опока - 80-90, суперпластификатор С-3 - 0,2-2,0, вода - остальное (патент на изобретение RU №2303020, C04B 35/14, 20.07.2007).
Недостатком известной массы являются относительно высокие показатели средней плотности и теплопроводности изделий, невысокая пластичность и связность формовочных масс.
Задачей настоящего изобретения является получение керамических изделий с улучшенными показателями средней плотности и теплопроводности при достаточной прочности и значительно меньших затратах на обжиг.
Сущность изобретения заключается в том, что керамическая масса, включающая опал-кристобалитовую породу - опоку, воду, дополнительно содержащую в составе флотационные отходы углеобогащения (угольные шламы), при этом опал-кристобалитовая порода - опока и флотационные отходы углеобогащения используются со степенью измельчения менее 1 мм, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Указанная опока - 45-60;
Флотационные отходы углеобогащения - 5-30;
Вода - остальное.
Технический результат заключается в следующем.
Введение флотационных отходов углеобогащения позволяет в значительной степени повысить пластичность, что позволяет производить формовку изделий и по пластическому способу формования, снизить внутреннее и внешнее трение при формовании изделий, и, как следствие, повысить прочность свежеотформованных изделий (в силу высокой связующей способности шламов), достичь максимальной равноплотности керамического черепка, значительно снизить среднюю плотность и теплопроводность изделий (зольность шламов составляет 50-60% и при обжиге, за счет выгорания угольной составляющей, снижается плотность черепка, и его теплопроводность), обеспечить необходимую прочность обожженных изделий (шламы углеобогащения являются легкоплавкими, содержат большое количество плавней, что увеличивает спекаемость черепка и, как следствие, повышается прочность), существенно уменьшить расход газа на обжиг (до 70%, так как теплотворная способность угольных шламов составляет 3-4 тыс. ккал/кг и они выступают в качестве топливосодержащей добавки).
Измельченная до крупности зерен менее 1 мм опал-кристобалитовая порода - опока приобретает формовочные свойства и способность к спеканию при обжиге, а также способность к активному взаимодействию с частицами угольных шламов, и, как следствие, улучшаются прочностные показатели готовых изделий. Повышенная природная микропористость опок, а также межзерновая пористость изделий обеспечивают пониженную среднюю плотность и теплопроводность.
Использование флотационных отходов углеобогащения с крупностью частиц менее 1 мм способствует их равномерному распределению в формовочной массе, формированию тонкодисперсной пористой равномерной структуры, способствует изотропности свойств изделий. Гранулометрический состав измельченной опоки и шламов углеобогащения представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| Гранулометрический состав измельченной опоки и шламов углеобогащения | |||||
| Название компонента шихты | Степень измельчения, менее | Содержание фракций, мм, % по массе | |||
| 1,0-0,5 | 0,5-0,25 | 0,25-0,10 | <0,10 | ||
| опока | 1 мм | 16-22 | 22-26 | 24-28 | 28-34 |
| шлам | 1 мм | 6-16 | 16-36 | 22-38 | 24-42 |
Характеристики исходных материалов
1. Опал-кристобалитовые породы - опоки.
Легкие плотные тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших (менее 0,005 мм) частиц опал-кристобалита. Средняя плотность их составляет 1100-1600 кг/м3, пористость достигает 55% (обычно 30-40%). Это не чистые силициты, а многокомпонентные системы. Постоянной составляющей их наряду с аморфным кремнеземом являются глинистые минералы, содержавшиеся в том или ином количестве. В качестве примеси могут присутствовать песчано-алевритовый и карбонатный материал, частички которого обычно не превышают 0,01 мм. В связи с этим выделяются различные литологические разности кремнистых пород - глинистые, песчанистые, карбонатные и смешанные. Разнообразие состава обуславливает широкий диапазон физико-технических и технологических свойств. Усредненный химический состав опал-кристобалитовой породы - опоки, приведен в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||||
| Усредненный химический состав опал-кристобалитовой породы - опоки, % по массе | ||||||||
| п.п.п. | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O | Na2O |
| 5,20 | 74,90 | 11,25 | 3,47 | 2,19 | 0,83 | 0,45 | 1,02 | 0,69 |
Россия располагает крупнейшей сырьевой базой кремнистых опал-кристобалитовых пород. На территории России широко встречаются в районах Поволжья и Дона, Западной Сибири, на юге России, в центральных и западных областях Европейской части России, Ленинградской области, Дольнем Востоке, Кольском полуострове, на Камчатке. Способствуют получению изделий светлых оттенков.
2. Флотационные отходы углеобогащения.
Флотационные отходы углеобогащения представляют собой тонкодисперсный порошок черного, темно-серого цвета. Их минеральный состав обусловлен составом исходных угольных пород и последующим воздействием процессов обогащения угля. Минеральный состав представлен глинистыми минералами, хлоритом, слюдами, полевыми шпатами, тонкодисперсными карбонатами, кварцем и угольным веществом в количестве 10-30%. Усредненный химический состав представлен в таблице 3.
| Таблица 3 | |||||||||
| Усредненный химический состав флотационных отходов углеобогащения, % по массе | |||||||||
| п.п.п. | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O | Na2O | Сорг. |
| 18-4 | 30-42 | 6-12 | 3-6 | 1-6 | до 2 | до 2 | 1-4 | до 2 | 5-30 |
Пример. Для экспериментальной проверки заявляемых составов масс были изготовлены стандартные образцы кирпича полнотелого размером 250×120×65 мм с различным соотношением вышеперечисленных компонентов. В качестве сырья была использована опал-кристобалитовая порода Шевченковского месторождения Ростовской области.
Образцы изготовлялись следующим образом.
Предварительно опал-кристобалитовая порода подсушивалась до воздушно-сухого состояния, затем измельчалась на щековой дробилке и дезинтеграторе (или молотковой дробилке), после чего просеивалась на ситах с заданным размером ячеек, но не более максимальной крупности частиц 1 мм. Затем измельченная опал-кристобаллитовая порода тщательно перемешивалась с подсушенным угольным шламом при необходимом соотношении масс и равномерно увлажнялась. Приготовленная масса вылеживалась в герметичных емкостях 6-12 часов и поступала на формование. После подсушки изделия обжигались с выдержкой при максимальной температуре 1000°С 2 часа. После чего определялись их физико-механические свойства. Влияние степени измельчения опок и составов керамических масс на среднюю плотность и предел прочности при сжатии приведены в таблице 4 и 5.
Наилучшие прочностные показатели достигаются при более тонком измельчении опоки, т.к. скорость и достигаемая степень спекания (и соответственно прочность) сильно возрастают при уменьшении размера зерен.
| Таблица 4 | ||||
| Зависимость физико-механических характеристик готовых изделий от степени измельчения опал-кристобалитовой породы - опоки | ||||
| Показ-ли | Степень измельчения менее 0,5 мм |
Степень измельчения менее 1 мм | Степень измельчения менее 1,5 мм | Степень измельчения менее 2,0 мм |
| Rсж, МПа | 44,5 | 39,1 | 22,7 | 17,6 |
| Плотность, г/см3 | 1,31 | 1,27 | 1,25 | 1,24 |
| Таблица 5 | ||||
| Зависимость физико-механических характеристик готовых изделий от степени измельчения флотационных отходов углеобогащения | ||||
| Показ-ли | Степень измельчения менее 0,5 мм |
Степень измельчения менее 1 мм | Степень измельчения менее 1,5 мм | Степень измельчения менее 2,0 мм |
| Rсж, МПа | 40,9 | 39,1 | 31,4 | 26,1 |
| Плотность, г/см3 | 1,28 | 1,27 | 1,27 | 1,26 |
Поэтому для интенсификации спекания желательно более тонкое измельчение материала. Это объясняется рядом факторов: увеличением начальной общей поверхности зернистого тела, что равносильно повышению свободной поверхностной энергии, движущей силы процесса спекания, сокращением пути диффузии вакансий и атомов (уменьшением расстояний между источниками и поглотителями вакансий), увеличением числа контактов зерен в единице объема, т.е. числа перемычек, перемещение которых приводит к заполнению пор материалом. В результате повышения степени дисперсности для достижения одной и той же степени спекания удается значительно снизить температуру обжига. Однако, с другой стороны, увеличение степени измельчения опок приводит к повышению воздушной усадки и ухудшению сушильных свойств. Поэтому оптимальной для опок является степень измельчения до фракции 0-1 мм. При этой степени измельчения достигаются необходимые прочностные показатели согласно ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» при низкой средней плотности.
Физико-механические показатели, подтверждающие свойства изделий, полученных на основе керамических масс, включающих опоки и флотационные отходы углеобогащения представлены в таблице 6.
| Таблица 6 | |||||||
| Физико-механические характеристики изделий, полученных на основе различных составов керамических масс, включающих опоки и флотационные отходы углеобогащения | |||||||
| № | Состав предлагаемый | Физико-механические характеристики | |||||
| Опал-кристобалитовая порода, % | Флотационные отходы углеобогащения, % | Супер-пластификатор С-3,% | Вода, % | Rсж, МПа | Плотность, г/см3 | Коэффициент теплопроводности (λ), Вт/(м·°С) | |
| 1 | 43 | 35 | - | 22 | 19,5 | 1,15 | 0,29 |
| 2 | 45 | 30 | - | 25 | 28,4 | 1,19 | 0,33 |
| 3 | 52 | 18 | - | 30 | 39,1 | 1,27 | 0,39 |
| 4 | 60 | 5 | 35 | 37,6 | 1,36 | 0,42 | |
| 5 | 65 | 3 | 32 | 36,8 | 1,38 | 0,46 | |
| Состав известный | |||||||
| 80-90 | 0,2-2,0 | 8,0-19,8 | 19,2-36,5 | 1,31 -1,48 | 0,56-0,62 |
Керамическая масса, включающая опал-кристобалитовую породу - опоку, воду, дополнительно содержит в составе флотационные отходы углеобогащения, при этом опал-кристобалитовая порода - опока и флотационные отходы углеобогащения используются со степенью измельчения менее 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| указанная опока | 45-60 |
| флотационные отходы углеобогащения | 5-30 |
| вода | остальное |
