Керамическая масса для изготовления облицовочной плитки
Владельцы патента RU 2520308:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук (ИХТРЭМС КНЦ РАН) (RU)
Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении облицовочной керамической плитки для внутренних и наружных отделочных работ, а также облицовочного кирпича. Керамическая масса включает, мас.%: отходы обогащения медно-никелевых руд 39,8-58,5, нефелиновую добавку в виде отходов обогащения апатит-нефелиновых руд 19,0-39,8, отходы обогащения железных руд 14,6-19,9 и связующее - сульфитно-спиртовую барду 0,5-5,0. Отходы обогащения медно-никелевых руд включают, мас.%: хлорит, гидрохлорит 50,6-65,7, серпентиновые минералы 10,2-15,0, тальк 10,0-14,0, магнетит 3,2-7,1, пироксены, амфиболы 5,0-6,7, альбит 2,0-2,3, кварц 1,9-2,2, гипс 1,9-2,1. Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд содержат, мас.%: нефелин 56,8-61,1, эгирин 10,2-13,0, вторичные минералы по нефелину 7,5-10,2, полевой шпат 5,8-7,4, апатит 3,4-5,4, сфен 2,2-3,2, рудные минералы 0,9-1,7, слюда 1,5-2,3. Отходы обогащения железных руд имеют состав, мас.%: кварц 56,2-68,9, полевой шпат 17,0-25,5, слюда 4,4-8,4, амфибол и пироксен 1,5-3,4, сростки минералов 1,3-3,3, магнетит 1,2-3,2. Технический результат заключается в повышении прочности и снижении водопоглощения изделий, полученных из керамической массы. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении облицовочной керамической плитки для внутренних и наружных отделочных работ.
При изготовлении строительных изделий все более широкое распространение получает техногенное сырье в виде промышленных отходов горнорудных и металлургических предприятий. При производстве строительных изделий в виде керамической плитки с использованием отходов обогащения руд возникает проблема выбора оптимального исходного состава компонентов керамической массы с точки зрения получения изделий с улучшенными прочностными свойствами и показателями водопоглощения без увеличения температуры обжига.
Известна керамическая масса для изготовления облицовочной плитки (см. пат. 2093491 РФ, МПК6 C04B 33/00, 1997), содержащая глину легкоплавкую и отходы обогащения медно-никелевых руд, взятые в соотношении 1:0,67-0,80, что соответствует их содержанию, мас.%: глина легкоплавкая 40,1-44,4, отходы обогащения медно-никелевых руд 55,6-59,9. Отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:
| Серпентиновые минералы | 50,0-90,0 |
| Тальк | 0,3-20,0 |
| Магнетит | 5,0-15,0 |
| Оливины, пироксены, амфиболы | 0,2-20,0 |
| Кальцит, доломит | 0,1-5,0 |
| Пирротин, пирит, пентландит, | 1,0-3,0 |
| халькопирит |
Получаемые изделия при обжиге в диапазоне температур 1100-1170°C имеют водопоглощение 11-14%, кажущуюся плотность 2,45-2,70 г/см3, прочность на изгиб 15,7-29,0 МПа. При снижении температуры обжига до 1080°C водопоглощение повышается до 17%, прочность при изгибе снижается до 15 МПа.
Недостатками данной керамической массы являются повышенные значения водопоглощения и кажущейся плотности плитки и недостаточно высокая прочность на изгиб при повышенной температуре обжига (свыше 1100°C). Кроме того, керамическая масса содержит до 44% первичного сырья в виде легкоплавкой глины.
Известна также керамическая масса для изготовления облицовочной плитки (см. пат. 2278089 РФ, МПК C04B 33/16, 33/00 (2006.01), 2006), включающая, мас.%: глину легкоплавкую 30-40, отходы обогащения медно-никелевых руд 50-55 и нефелиновый концентрат 7-15.
Отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:
| Хлорит, гидрохлорит | 55,8-58,32 |
| Серпентиновые минералы | 11,3-14,65 |
| Тальк | 11,2-13,8 |
| Титаномагнетит, | 7,2-8,0 |
| магнетит, хромит | |
| Гипс | 1,9-2,1 |
| Альбит | 2,0-2,3 |
| Кварц | 1,9-2,2 |
| Пироксены | 1,0-1,6 |
| Амфиболы | 4,0-5,1 |
Получаемая облицовочная плитка в интервале температур обжига 1050-1100°C имеет водопоглощение 9,0-12,8%, прочность при изгибе 17,6 18,1-25,9 МПа и кажущуюся плотность 2,38-2,48 г/см3.
Недостатками известной керамической массы являются повышенные значения водопоглощения и кажущейся плотности получаемой плитки и недостаточно высокая прочность ее при изгибе. Кроме того, керамическая масса содержит до 65% первичного сырья в виде легкоплавкой глины и нефелинового концентрата.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении водопоглощения получаемой плитки и увеличении ее механической прочности при изгибе без повышения температуры обжига. Кроме того, технический результат заключается в расширении сырьевой базы и улучшении экологии за счет использования техногенных отходов.
Технический результат достигается тем, что керамическая масса для изготовления облицовочной плитки, включающая отходы обогащения медно-никелевых руд и нефелиновую добавку, согласно изобретению, масса дополнительно содержит отходы обогащения железных руд и связующее в виде сульфитно-спиртовой барды, а в качестве нефелиновой добавки - отходы обогащения апатит-нефелиновых руд при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Отходы обогащения медно-никелевых руд | 39,8-58,5 |
| Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд | 19,0-39,8 |
| Отходы обогащения железных руд | 14,6-19,9 |
| Сульфитно-спиртовая барда | 0,5-5,0 |
Достижению технического результата способствует то, что отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:
| Хлорит, гидрохлорит | 50,6-65,7 |
| Серпентиновые минералы | 10,2-15,0 |
| Тальк | 10,0-14,0 |
| Магнетит | 3,2-7,1 |
| Пироксены, амфиболы | 5,0-6,7 |
| Альбит | 2,0-2,3 |
| Кварц | 1,9-2,2 |
| Гипс | 1,9-2,1 |
Достижению технического результата способствует также то, что отходы обогащения апатит-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%:
| Нефелин | 56,8-61,1 |
| Эгирин | 10,2-13,0 |
| Вторичные минералы по нефелину | 7,5-10,2 |
| Полевой шпат | 5,8-7,4 |
| Апатит | 3,4-5,4 |
| Сфен | 2,2-3,2 |
| Рудные минералы | 0,9-1,7 |
| Слюда | 1,5-2,3 |
Достижению технического результата способствует и то, что отходы обогащения железных руд имеют следующий состав, мас.%:
| Кварц | 56,2-68,9 |
| Полевой шпат | 17,0-25,5 |
| Слюда | 4,4-8,4 |
| Амфибол и пироксен | 1,5-3,4 |
| Сростки минералов | 1,3-3,3 |
| Магнетит | 1,2-3,2 |
Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.
Использование в составе керамической массы отходов обогащения железных руд обусловлено тем, что основным компонентом массы является кварц. Он выступает в роли отощителя в керамической массе, способствуя снижению воздушной и огневой усадки при сушке и обжиге керамической плитки, препятствует образованию трещин. Содержание отходов обогащения железных руд в количестве 14,6-19,9 мас.% обеспечивает формирование многокомпонентной системы с пониженной температурой солидуса и последующим образованием минеральных фаз альбита, что способствует улучшению технических характеристик получаемой плитки, таких как водопоглощение и механическая прочность при изгибе. При содержании отходов обогащения железных руд более 19,9 мас.% происходит утяжеление массы, ухудшение спекаемости керамического материала и ухудшение технических характеристик плитки. Введение в шихту отходов обогащения железных руд менее 14,6 мас.% недостаточно для кристаллизации фаз альбита.
Использование в составе керамической массы в качестве нефелиновой добавки отходов обогащения апатит-нефелиновых руд в количестве 19,0-39,8 мас.% обусловлено тем, что отходы обогащения апатит-нефелиновых руд содержат до 61,1 мас.% нефелина и по своим функциональным свойствам не уступают нефелиновому концентрату. Нефелин относится к тугоплавким минералам, однако, в сочетании с кварцем, полевым шпатом, пироксенами, присутствующими в керамической массе, он образует легкоплавкие эвтектики, что приближает получаемую плитку по техническим свойствам к клинкерной керамике. Это позволяет улучшить технические характеристики получаемой плитки без повышения температуры обжига. Введение в состав керамической массы отходов обогащения апатит-нефелиновых руд менее 19,0 мас.% не обеспечивает образования достаточного количества жидкой фазы для кристаллизации фаз альбита. Введение отходов обогащения апатит-нефелиновых руд в количестве более 39,8 мас.% нежелательно по причине образования избыточного количества алюмосиликатного расплава, что влечет за собой чрезмерное увеличение плотности керамического материала, его теплопроводности, линейной и огневой усадки.
Введение в керамическую массу отходов обогащения медно-никелевых руд в количестве 39,8-58,5 мас.% обусловлено тем, что основными компонентами отходов являются хлориты и гидрохлориты, имеющие каолинитоподобную структуру, которые обеспечивают расширение интервала спекания и интенсифицируют протекание твердофазных реакций, что способствует улучшению технических характеристик керамической плитки. Введение отходов обогащения в количестве более 58,5 мас.% и менее 39,8 мас.% приводит к ухудшению спекаемости массы и, как следствие, увеличению водопоглощения и снижению прочностных характеристик материала. Это связано с тем, что в первом случае состав керамической массы оказывается в области с более высокой температурой солидуса, и при температурах обжига 1050-1100°C не достигается оптимального содержания расплава. Во втором случае состав компонентов массы переходит в более легкоплавкую область, что влечет за собой увеличение плотности материала, теплопроводности и огневой усадки.
Введение сульфитно-спиртовой барды в состав керамической массы предназначено для обеспечения временного связывания компонентов керамической массы. Связующее вводят в количестве 0,5-5,0 мас.% с учетом того, чтобы конечная влажность массы составила 8-10%. Это необходимо для обеспечения требуемой пористости плитки после обжига. Кроме того, введение связки способствует увеличению механической прочности сырца для проведения предварительных технологических операций до обжига без разрушения сырца. Содержание сульфитно-спиртовой барды менее 0,5 мас.% недостаточно для связывания компонентов при формовке сырца, что приводит к разрушению последнего. Содержание барды более 5,0 мас.% нежелательно по причине избыточного увлажнения массы.
Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для снижения водопоглощения получаемой плитки и увеличения ее механической прочности при изгибе без повышения температуры обжига, а также для расширения сырьевой базы и улучшения экологии.
В частных случаях осуществления изобретения предпочтителен следующий состав компонентов керамической массы для изготовления строительных изделий.
Главными компонентами отходов обогащения медно-никелевых руд являются хлориты и гидрохлориты, серпентиновые минералы, тальк, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 50,6-65,7, 10,2-15,0, 10,0-14,0. Второстепенные минералы представлены магнетитом, пироксенами и амфиболами, содержание которых составляет, мас.%: 3,2-7,1 и 5,0-6,7. Акцессорными минералами в составе отходов являются альбит, кварц и гипс, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 2,0-2,3; 1,9-2,2 и 1,9-2,1. Согласно изобретению, использование отходов обогащения медно-никелевых руд в сочетании с другими компонентами керамической массы позволяет получить необходимое количество алюмосиликатного расплава, обеспечивающего спекание массы и формирование керамического черепка, более прочного с повышенными значениями физико-механических характеристик. Кроме того, отходы обогащения медно-никелевых руд не требуют дополнительного измельчения, размер их частиц не превышает 20 мкм, что свидетельствует о высокой удельной поверхности и реакционной способности при обжиге, а также повышает экономичность подготовки керамической массы.
Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд представлены основным минералом - нефелином (56,8-61,1 мас.%). Кроме него основными компонентами являются также эгирин и вторичные минералы по нефелину, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 10,2-13,0 и 7,5-10,2. Второстепенные минералы представлены полевым шпатом и апатитом, содержание которых составляет, мас.%: 5,8-7,4 и 3,4-5,4. Акцессорными минералами являются сфен, рудные минералы и слюда, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 2,2-3,2, 0,9-1,7 и 1,5-2,3.
Главными компонентами отходов обогащения железных руд являются кварц и полевой шпат, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 56,2-68,9 и 17,0-25,5. Второстепенным минералом отходов обогащения железных руд является слюда (мусковит, биотит), содержание которой составляет 4,4-8,4 мас.%. Акцессорными минералами являются амфибол и пироксен, сростки минералов и магнетит, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 1,5-3,4, 1,3-3,3 и 1,2-3,2.
Сложный многокомпонентный состав керамической массы способствует снижению температуры солидуса и обеспечивает получение керамической плитки в широких пределах ее компонентов с улучшенными техническими характеристиками.
Керамическую массу согласно изобретению готовят следующим образом. Для приготовления массы используют отходы обогащения медно-никелевых руд, отходы обогащения апатит-нефелиновых руд, отходы обогащения железных руд и сульфитно-спиртовую барду. Каждый из отходов обогащения предварительно измельчают в барабане с фарфоровыми шарами до удельной поверхности не менее 3000 см2/г. Затем компоненты керамической массы смешивают в заявляемых соотношениях. Смесь тщательно гомогенизируют, увлажняют водным раствором сульфитно-спиртовой барды в количестве 0,5-5,0 мас.% до влажности 8-10%. Далее прессованием формуют образцы при удельном давлении 20 МПа, сушат при 105°C и обжигают при температуре 1100°C с изотермической выдержкой 1-2 часа в зависимости от размеров образцов. Остывание образцов проводят в печи в течение 8-10 часов.
Примеры составов керамической массы согласно изобретению приведены в Таблице 1, а основные свойства получаемой облицовочной плитки - в Таблице 2.
| Таблица 1 | ||||
| Компоненты керамической | Содержание, мас.% | |||
| массы | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 |
| Отходы обогащения медно-никелевых руд | 57 | 58,5 | 49,5 | 39,8 |
| Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд | 19 | 24,4 | 29,7 | 39,8 |
| Отходы обогащения железных руд | 19 | 14,6 | 19,8 | 19,9 |
| Сульфитно-спиртовая барда | 5 | 2,5 | 1,0 | 0,5 |
| Таблица 2 | ||||||
| Показатель | Примеры | Примеры по прототипу | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | |
| Температура обжига, °C | 1100 | 1100 | 1100 | 1100 | 1100 | 1100 |
| Прочность при сжатии, МПа | 138,7 | 142,5 | 187,6 | 154,5 | - | - |
| Прочность при изгибе, МПа | 45,2 | 45,6 | 38,5 | 70,3 | 25,9 | 24,2 |
| Кажущаяся плотность, г/см3 | 2,50 | 2,56 | 2,55 | 2,40 | 2,48 | 2,46 |
| Водопоглощение, % | 0,5 | 0,3 | 0,6 | 0,2 | 8,3 | 9,0 |
| Морозостойкость, циклы | >50 | >50 | >50 | >50 | - | - |
Из данных, приведенных в Таблицах 1 и 2, видно, что предлагаемая керамическая масса позволяет получить при температуре обжига 1100°C облицовочную плитку с пониженным водопоглощением (0,2-0,6%) и повышенной механической прочностью при изгибе (38,5-70,3 МПа) и сжатии (до 187,6 МПа). С учетом прочностных характеристик керамическая масса может быть также использована при изготовлении облицовочного кирпича. Применение в качестве компонентов керамической массы техногенных отходов позволяет расширить сырьевую базу и улучшить экологию.
1. Керамическая масса для изготовления облицовочной плитки, включающая отходы обогащения медно-никелевых руд и нефелиновую добавку, отличающаяся тем, что масса дополнительно содержит отходы обогащения железных руд, связующее в виде сульфитно-спиртовой барды, а в качестве нефелиновой добавки - отходы обогащения апатит-нефелиновых руд при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| отходы обогащения медно-никелевых руд | 39,8-58,5 |
| отходы обогащения апатит-нефелиновых руд | 19,0-39,8 |
| отходы обогащения железных руд | 14,6-19,9 |
| сульфитно-спиртовая барда | 0,5-5,0 |
2. Керамическая масса по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:
| Хлорит, гидрохлорит | 50,6-65,7 |
| Серпентиновые минералы | 10,2-15,0 |
| Тальк | 10,0-14,0 |
| Магнетит | 3,2-7,1 |
| Пироксены, амфиболы | 5,0-6,7 |
| Альбит | 2,0-2,3 |
| Кварц | 1,9-2,2 |
| Гипс | 1,9-2,1 |
3. Керамическая масса по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения апатит-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%:
| Нефелин | 56,8-61,1 |
| Эгирин | 10,2-13,0 |
| Вторичные минералы по нефелину | 7,5-10,2 |
| Полевой шпат | 5,8-7,4 |
| Апатит | 3,4-5,4 |
| Сфен | 2,2-3,2 |
| Рудные минералы | 0,9-1,7 |
| Слюда | 1,5-2,3 |
4. Керамическая масса по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения железных руд имеют следующий состав, мас.%:
| Кварц | 56,2-68,9 |
| Полевой шпат | 17,0-25,5 |
| Слюда | 4,4-8,4 |
| Амфибол и пироксен | 1,5-3,4 |
| Сростки минералов | 1,3-3,3 |
| Магнетит | 1,2-3,2 |
