close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Особенности формирования структуры и свойств объемно-окрашенного керамического кирпича с применением побочных продуктов металлургии

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Довженко Илья Георгиевич Шифр научной специальности: 05.17.11 - технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов Шифр диссертационного совета: Д 212.014.05 Название организации: Белгородский государственный технологичес
На правах рукописи
Довженко Илья Георгиевич
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ОБЪЕМНО-ОКРАШЕННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА С
ПРИМЕНЕНИЕМ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ МЕТАЛЛУРГИИ
Специальность: 05.17.11 – «Технология силикатных и
тугоплавких неметаллических материалов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Белгород – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Научный руководитель
- кандидат технических наук, доцент
Кондюрин Александр Михайлович
Официальные оппоненты
- Пантелеев Игорь Борисович
доктор технических наук, профессор
Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), зам. зав. каф.
химической технологии тонкой технической керамики по учебной работе
Рубанов Юрий Константинович
кандидат технических наук, доцент
Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.
Шухова, профессор каф. промышленной экологии
Ведущая организация
- ЗАО «ЮжНИИстром»
Защита состоится «5» декабря 2012 г. в 1230 на заседании диссертационного совета Д 212.014.05 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул.
Костюкова, 46, ауд. 242 ГК.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
БГТУ им. В.Г. Шухова.
Автореферат разослан «_____»_______________ 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д-р техн. наук, проф.
Л.Ю. Матвеева
1
Актуальность. В условиях рыночной экономики и в соответствии с принятым курсом на ресурсо- и энергосбережение, перед промышленностью строительных материалов ставятся такие приоритетные задачи, как снижение материало- и энергоемкости производственного процесса при одновременном повышении физико-механических показателей
изделий. Особенно актуальной данная тенденция является для производства керамического кирпича, которое характеризуется высокими энергозатратами на сушку и обжиг изделий. В этом контексте как мера по ресурсосбережению может рассматриваться проблема вовлечения в производство керамического кирпича многотоннажных побочных продуктов металлургической промышленности. Анализ рынка стеновой керамики в РФ
позволяет наблюдать стойкую тенденцию роста спроса как на рядовой,
так и на лицевой кирпич. В период с 2000 по 2011 гг. выпуск керамического кирпича вырос в среднем на 19,2 %. В связи с возрастающими требованиями к архитектурной выразительности застроек, большим спросом
пользуется лицевой керамический кирпич светлых тонов как долговечный
и декоративный строительный материал. Особое место в получении лицевого кирпича занимает технология объемного окрашивания, которая по
сравнению с другими видами декорирования изделий (ангобирование,
глазурование, двухслойное формование) является менее энергоемкой.
В отечественной и зарубежной литературе существует много публикаций, посвященных проблеме получения объемно-окрашенного в
светлые тона керамического кирпича. Они, как правило, основаны на
применении карбонатных материалов, таких как мел, мергель, дробленный известняк, золы и золошлаки ТЭС, дефекат. Полученные в результате
применения карбонатов изделия характеризуются повышенным водопоглощением (более 18 %). В связи с этим, применение карбонатов в производстве лицевого кирпича, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 5302007 по величине водопоглощения (менее 14,0 %), существенно осложняется. Выходами из сложившейся ситуации являются интенсификация спекания керамической матрицы посредством повышения максимальной
температуры обжига и времени изотермической выдержки изделий, изготовленных на основе дефицитных тугоплавких глин и мела, либо поиск
эффективных осветляющих добавок из числа побочных продуктов, содержащих в значительном количестве СаО в виде силикатов, что позволит
использовать легкоплавкое некондиционное глинистое сырье (суглинки).
Последний вариант является более рациональным с позиций ресурсосбережения и экологичности.
Цель работы. Разработка ресурсо- и энергосберегающей технологии производства объемно-окрашенного керамического кирпича светлых
тонов на основе комбинации легкоплавкого и тугоплавкого глинистого
сырья и побочных продуктов металлургии; исследование влияния метал-
2
лургических шлаков на физико-механические и цветовые характеристики
изделий, процессы спекания и структурообразования грубозернистой керамики.
Задачи работы:
- произвести термодинамический анализ возможных реакций силикатообразования в керамическом черепке, полученном при обжиге керамических масс на основе глинистого сырья различного химикоминералогического состава, сталеплавильного и алюминиевого шлаков;
- изучить с применением комплекса физико-химических анализов
процессы фазо- и структурообразования керамической матрицы;
- на основании проведенных экспериментов разработать теоретические основы ресурсосберегающей технологии производства объемноокрашенного в светлые тона лицевого керамического кирпича;
- произвести компьютерное моделирование распределения внутренних напряжений при сушке кирпича-сырца, изготовленного с применением природных и техногенных отощителей;
- разработать оптимальные шихтовые составы для производства лицевого керамического кирпича с применением побочных продуктов сталеплавильного и алюминиевого производств.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- разработан состав искусственного плавня на основе побочных продуктов сталеплавильного и алюминиевого производств. Получаемый путем совместного измельчения и смешивания рассматриваемых металлургических шлаков плавень позволяет при вводе его в керамические массы
снижать температуру обжига изделий на 30-50 °С в зависимости от применяемого глинистого сырья. Результатами комплекса физикохимических анализов выявлены особенности структурообразования керамики в зависимости от применяемого способа объемного окрашивания.
Установлено, что отбеливание керамического черепка происходит в результате взаимодействия глинистых минералов с силикатами кальция и
хлоридами щелочных металлов, содержащимися в шлаковом плавне. При
этом образуются фазы - анортит, волластонит и муллит, имеющие высокие значения коэффициента отражения и силикатные расплавы состава
Na2O∙2CaO∙3SiO2, Кa2O∙4SiO2, в которые входят ионы железа;
- установлено влияние модуля плавня (Мп) на спекаемость керамических масс, физико-механические свойства и цветность изделий. При
значениях Мп=0,81? 1,38 происходит интенсификация спекания керамической матрицы с образованием анортита, волластонита и пироксена при
температурах до 950…1000 °С. Повышение температуры до
1000…1050 °С приводит к образованию первичного муллита при использовании керамических масс, содержащих тугоплавкие глины. Пироксен
при температурах выше 1000 °С переходит в расплав;
3
- выявлен механизм снижения чувствительности глинистого сырья к
сушке при использовании сталеплавильного мелкозернистого шлака.
Часть воды, вводимой в керамические массы при формовании изделий,
адсорбируется пористой поверхностью шлака и удаляется только при
температурах выше 150 °С. Разработан расчетно-экспериментальный метод, позволяющий с применением компьютерного моделирования производить качественный и количественный анализ плоского напряженного
состояния в кирпиче-сырце при сушке;
- установлено оптимальное значение модуля плавня (Мп=1,38), позволяющее получать изделия с равномерно окрашенным черепком светложелтого и бежевого цвета. Исследование цветовых характеристик керамики на основе разработанного состава показало, что образцы, изготовленные с применением шлакового плавня ШП-2 по сравнению с образцами базового состава, имеющими красный цвет, характеризуются повышенной светлотой (L=79,0 % вместо Lбаз=58,2 %), а также сдвигом цветового тона в сторону желтого цвета (λ=580 нм вместо λбаз =589 нм).
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- разработана ресурсо- и энергосберегающая технология производства объемно-окрашенного в светлые тона лицевого керамического кирпича на основе комбинации легкоплавкого и тугоплавкого глинистого
сырья и шлакового плавня ШП-2;
- разработаны составы керамических масс для производства высококачественного лицевого кирпича с применением побочных продуктов металлургии;
- технологические рекомендации по производству керамического
кирпича внедрены на ООО «Шахтинский кирпичный завод»;
- расчетно-экспериментальный метод определения внутренних напряжений был использован в НИИ «Механики и прикладной математики»
имени И.И. Воровича (Южный федеральный университет) при подборе
отощающих материалов в керамические массы для получения кирпича,
обладающего оптимальными сушильными свойствами;
- материалы диссертации были использованы в учебном процессе
при подготовке лекционного курса «Оборудование и основы проектирования (заводы по производству керамики и огнеупоров)», читаемого в
Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте).
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях, семинарах, симпозиумах:
Международная конференция с элементами науч. шк. для молодежи к
125-летию со дня рождения Петра Петровича Будникова «Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии» (Белгород, 2010 г.),
Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и
4
молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна»
(Новочеркасск, 2010; 2011), Международная научно-техническая конференция «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии» (Минск, 2010), Международная научно-практическая конференция «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2011), Международная научно-практическая конференция «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2011), XIV Международная научнопрактическая конференция «Экономика природопользования и природоохраны» (Пенза, 2011), VII Mezinarodni vĕdecko-prakticka conference
«Aktualni vymozenosti vĕdy – 2011» (Praha, 2011), IV Международная научно-практическая конференция «Экология - образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2011), V Международная научнопрактическая конференция «Новые материалы и технологии их получения» (Новочеркасск, 2011), ХII Международная научно-практическая
конференция «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2011), 7 Международна научна практична конференция «Новини на научния прогресс –
2011» (София, 2011), VII Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji
«Perspektywiczne opracowania są nauką i technikami – 2011» (Przemyśl,
2011).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 22
печатных работах, получены 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, приложений. Работа изложена на 192 страницах
основного машинописного текста, включающих 61 таблицу, 28 рисунков,
220 литературных источников.
Автор выражает глубокую благодарность к.т.н. Тамазову Максиму
Владимировичу за оказанную помощь в обсуждении результатов и подготовке работы к защите; д.т.н., профессору кафедры «Прикладная математика» ЮРГТУ (НПИ) Бахвалову Юрию Алексеевичу за консультации по
вопросам математического моделирования технологических процессов;
коллективу химического факультета Южного федерального университета,
директору НИИ «Физической и органической химии» Южного федерального университета д.х.н., проф., академику РАН Минкину Владимиру
Исааковичу за помощь в проведении экспериментальных исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В аналитическом обзоре отмечено современное состояние производства керамического кирпича и основные тенденции повышения каче-
5
ства изделий. На основании патентного поиска и обзора отечественных и
зарубежных литературных источников, посвященных проблеме повышения качества керамического кирпича, отмечается, что в настоящее время
находят все большее применение в керамических массах техногенные
материалы различных производств, в том числе шлаки черной и цветной
металлургии. Ввод металлургических шлаков в шихту обосновывается их
каталитическим действием на спекание керамической матрицы ввиду наличия в их фазовом составе хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов. В процессе обжига керамики данные соединения
способствуют образованию жидкой фазы и кристаллизации новых фаз.
Способы получения объемно-окрашенного керамического кирпича светлых тонов сводятся к применению карбонатных материалов (CaCO3) или
использованию в больших объемах светложгущихся тугоплавких глин.
Актуальной проблемой является поиск недефицитных осветляющих добавок, представленных силикатными материалами, из числа побочных продуктов промышленности.
Методика исследований и характеристика материалов.
С целью изучения структуры и фазового состава керамических образцов выполнялся комплекс физико-химических анализов – рентгенофазовый анализ (РФА), синхронный термический анализ (СТА), инфракрасная спектроскопия (ИКС), электронная микроскопия, локальный
рентгеноспектральный анализ.
Для определения фазового состава керамических образцов применялся рентгенофазовый анализ (РФА), который выполнялся на дифрактометре ARL X'TRA (США - Швейцария). Обработка дифрактограмм производилась в программе WinPLOTR. Идентификация фаз осуществлялась
с применением порошковой базы данных PDF-2. С целью выявления особенностей спекания и фазообразования керамического черепка выполнялся синхронный термический анализ (СТА) на дериватографе Netzsch STA
449 C Jupiter. Скорость подъема температуры была принята 10 °С /мин,
температурный диапазон измерения – от 25 до 1000 °С, среда в печи –
воздух. Нагрев осуществлялся в корундовом тигле. Идентификацию воды
и соединений, входящих в состав стеклофазы, производили с помощью
метода инфракрасной спектроскопии (ИКС). Исследования методом ИКС
осуществлялись на ИК-Фурье спектрометре Varian «Scimitar 1000 FT-IR».
Микроструктура керамического черепка и применяемых шлаков изучалась с помощью электронной микроскопии совместно с локальным рентгеноспектральным анализом. Электронно-микроскопические исследования выполнялись на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ)
Quanta 200. Локальный рентгеноспектральный анализ осуществлялся на
рентгеновском микроанализаторе EDAX Genesis 2000 XMS. Снятие спектров отражения производилось на спектрофотометре Cary Varian 5000
6
(Австралия) в видимой области 380-780 нм при шаге сканирования 1 нм.
Гранулометрический состав шлаков исследовался ситовым анализом.
При проведении экспериментов в качестве пластичных компонентов
применялись легкоплавкие суглинки и тугоплавкие глины месторождений
Ростовской области (Россия) и Донецкой области (Украина). Указанные
глины и суглинки различаются по химико-минералогическому составу и
технологическим свойствам. Химический состав применяемого глинистого сырья приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав суглинков и глин
НаСодержание, % по массе
имено- SiO2 Fe2O3 Al2O3 TiO2
CaO
MgO R2O ППП
вание
Суглинки
М
57,19
5,32
11,75
0,68
9,26
1,94 1,18 11,20
О
58,58
4,42
12,35
0,66
8,48
1,94 3,44 10,14
В
56,09
5,23
12,76
0,75
8,57
3,02 2,64 10,26
Б
65,14
5,41
10,22
0,63
5,85
1,71 3,37 7,39
Тугоплавкие глины
ВКН-2 61,77
1,45
23,09
1,11
0,27
0,61 2,41 9,03
ВКС-2 59,63
2,59
23,60
1,04
0,37
0,59 3,27 8,08
ВКВ-2 60,70
3,80
23,84
1,09
0,61
0,26 2,47 7,51
К-II
62,32
1,20
22,16
1,60
0,84
0,48 2,78 8,62
М – Маркинское месторождение; О – Октябрьское; В – Власовское;
Б – Большелогское; ВК – Владимировское; К – Курдюмовское.
Исследования производились на литом и саморассыпающемся электросталеплавильных шлаках ООО «Ростовский электрометаллургический
завод». В качестве алюминиевого шлака применялся побочный продукт
производства алюминия из металлического лома, образующийся на ЗАО
Alcoa Металлург Рус. Химический состав используемых сталеплавильных
шлаков приведен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав сталеплавильных шлаков
Шлак
Содержание, % по массе
SiO2 Fe2O3 Al2O3 TiO2
CaO
MgO СаF2 ППП
Литой
18,80 14,70 0,60
1,14
36,40 26,56
1,70
Мел40,48
4,43
1,00
0,94
37,00 3,80
8,65
3,70
козернистый
Химический и гранулометрический составы алюминиевого шлака
по фракциям приведены в табл. 3.
7
Таблица 3
Химический состав алюминиевого шлака
Химическое
Содержание во фракциях, масс. %
соединение
от 30 до
от 15 до от 8 до от 2,5 до
менее
15
8 мм
2,5 мм
0,15 мм
0,15 мм
Al
25,03
20,31
18,46
8,23
3,42
Al2O3
15,25
16,69
20,27
23,67
26,80
SiO2
9,62
6,03
7,84
8,06
8,62
MgO
13,34
13,70
14,33
18,03
21,04
KCl
7,23
6,83
8,23
12,02
19,41
MgCl2
7,21
9,04
5,96
10,21
AlCl3
5,12
7,12
8,67
CaCl2
5,68
6,34
3,27
NaCl
10,07
12,36
14,54
15,06
18,80
Пр.
0,58
0,55
0,58
0,25
0,31
П.П.П.
0,87
1,03
1,12
1,20
1,60
Фазовый состав литого сталеплавильного шлака слагают монтичеллит СaO MgO SiO 2 , окерманит 2СaO MgO 2SiO 2 , диопсид
СaO MgO 2SiO 2 , β- и γ-модификации двухкальциевого силиката
2СaO SiO 2 ,
двухкальциевый
феррит
2СaO Fe 2O 3 ,
мелилит
Сa 2 (Al, Mg, Si )Si 2O 7 , ранкинит 3CaO 2SiO 2 . Мелкозернистый сталеплавильный шлак представлен фазами шеннонита 2СaO SiO 2 , периклаза
MgO , ранкинита 3CaO 2SiO 2 и флюорита СaF2 . В фазовый состав алюминиевого шлака входят: сильвин KCl, галит NaCl, шпинель MgO Al 2 O3 ,
глинозем Al 2 O 3 , периклаз MgO , кварц SiO 2 . Наличие в фазовом
составе металлургических шлаков хлоридов щелочных металлов и флюорита делает перспективным их использование в качестве плавней в керамических массах для производства кирпича. Из предварительно проведенных экспериментов было установлено, что для получения лицевого
керамического кирпича наиболее целесообразно применять алюминиевый
шлак с фракционным составом менее 2,5 мм.
Исследование влияния металлургических шлаков на сушильные и послеобжиговые свойства грубозернистой керамики.
При производстве лицевого керамического кирпича в случае применения в качестве глинистого сырья легкоплавких суглинков, отличающихся высокой чувствительностью к сушке, одной из важнейших технологических задач является создание оптимального режима сушки, позволяющего получать бездефектную продукцию. Оптимальный режим сушки
8
может быть обеспечен научно-обоснованным выбором сырьевых компонентов и их соотношения в керамической массе.
Анализ плоского напряженного состояния в кирпиче-сырце с учетом пластической деформации при вводе в керамические массы различных природных и техногенных отощителей производился с применением
компьютерного моделирования в программном пакете Elcut 5.6. На рис. 1
представлена принципиальная схема изменения линейных размеров изделия при сушке.
Рис. 1. Изменение линейных размеров изделия из-за разности влагосодержания: l- начальная длина изделия; lк- конечная длина изделия; lтп теоретически рассчитанная длина поверхностных слоев; lтц - теоретически
рассчитанная длина центральных слоев; Δl- фактическое изменение длины; Δlu- изменение длины вследствие перепада влажности Δu; S- толщина
изделия.
При расчетах напряжений, возникающих в изделии в процессе
сушки, была использована следующая математическая модель:
l тп,ц l0 ( 1 β l W)
У dl
l
β dl
l l dW
ц
п
lu l т l т
где У- воздушная усадка, отн. ед.;
9
W- влажность материала, %;
βl- коэффициент линейной усадки, 1/%
l0- линейный размер абсолютно сухого материала.
На рис. 2 представлено поле внутренних напряжений, возникающих при сушке кирпича-сырца, изготовленного из разных составов керамических масс, при перепаде влажности между центральным и поверхностными слоями ΔW=2 %.
Рис. 2. Цветовая схема распределения внутренних напряжений x в кирпиче-сырце при сушке для : а – суглинок Маркинский 100 %, б – 85 %
суглинка Маркинского+15 % мелкозернистого сталеплавильного шлака
Условие трещиностойкости изделия:
хi хпр
i
пр
y y ,
i
пр
xy xy
где xi , yi , xпр , упр - значения нормальных напряжений образца
i- го состава и предельно допустимых нормальных напряжений;
xyi , xyпр - значения касательных напряжений образца i- го состава
и предельно допустимых касательных напряжений.
На рис. 3 приведены ИК-спектры необожженных образцов, изготовленных из чистого глинистого сырья без добавок и с вводом мелкозернистого сталеплавильного шлака. Из рис. 3 видно, что пики 1682,220 и
1651,182 см-1, характерные для деформационных колебаний воды, у образцов, изготовленных с применением мелкозернистого сталеплавильного
10
шлака, присутствуют до температуры 150 °С. Этот факт может быть объяснен тем, что часть воды, вводимой при формовании образцов, адсорбируется на поверхности зерен шлака и удаляется только при температурах
выше 150 °С (рис. 3, кривая 5).
Рис. 3. ИК-спектры образцов: 1 – суглинок, высушенный при температуре
Т=20 °С; 2 – суглинок (Т=100 °С); 3 – 85 % суглинка+15 % мелкозернистого сталеплавильного шлака (Т=100 °С); 4 - 85 % суглинка+15 % мелкозернистого сталеплавильного шлака (Т=150 °С); 5 - 85 % суглинка+15 %
мелкозернистого сталеплавильного шлака (Т=250 °С).
Разработка состава объемно-окрашенного керамического кирпича светлых тонов с применением побочных продуктов сталеплавильного и алюминиевого производств.
При разработке состава керамической массы для производства объемно-окрашенного кирпича светлых тонов применялось легкоплавкое
глинистое сырье в комбинации с шихтами из тугоплавких глин, со средним и высоким содержанием оксида железа (III). В главе приведены результаты серии экспериментов по получению керамического кирпича
светлых тонов с применением традиционных технологий объемного окрашивания и разработанного состава шлакового плавня на основе мелкозернистого сталеплавильного и алюминиевого шлаков.
В качестве традиционной технологии рассматривается применение карбонатных пород, содержащих значительное количество карбоната
кальция совместно с высокожелезистым глинистым сырьем. Недостатка-
11
ми данного способа являются необходимость интенсификации спекания
керамического черепка путем повышения температуры обжига изделий в
зависимости от химико-минералогического состава и огнеупорности применяемых глин до 1050 – 1090 оС и уменьшение интервала спекания керамического черепка.
Наибольшее распространение на производстве получил способ
отбеливания путем использования глинистого сырья с низким содержанием оксида железа (III). Недостатком этого метода получения кирпича
светлых тонов является необходимость применения в большом объеме
дефицитных светложгущихся глин.
В качестве альтернативного варианта объемного окрашивания
предлагается использование шлакового плавня (ШП) на основе побочных
продуктов сталеплавильного и алюминиевого производств.
Предварительно компоненты ШП просеивались и тщательно перемешивались. ШП вводился в керамические массы в виде порошка. Составы ШП приведены в табл. 4.
Таблица 4
Составы ШП
Наименование шлака
Содержание компонента для состава, масс. %
ШП-1
ШП-2
ШП-3
ШП-4
Сталеплавильный мелкозерни90
80
70
60
стый
Алюминиевый
10
20
30
40
Химические составы ШП представлены в табл. 5.
Таблица 5
Химические составы ШП
Состав
Содержание, % по массе
SiO2 Fe2O3 Al2O3 TiO2
CaO MgO ΣRСl CaF2
ШП-1 38,64 4,13
4,06
0,88 34,38 5,72
3,96
8,19
ШП-2 35,26 3,66
7,08
0,78 30,50 7,49
7,90
7,26
ШП-3 31,90 3,20 10,08 0,68 26,63 9,26 11,83
6,34
ШП-4 28,55 2,74 13,06 0,58 22,77 11,01 15,73
5,42
Из керамической массы, содержащей 80 масс. % ВКС-2 и 20
масс. % ШП, изготавливали пластическим формованием образцы. Температура обжига принималась 950 °С. В качестве показателя для оценки
влияния химического состава плавня на процесс спекания керамики принимался модуль плавня – Мп:
СaF2 Fe 2 O3
Мп .
NaCl KCl
На рис. 4 приведены кривые изменения модуля плавня и предела
прочности при сжатии для разных составов ШП. При значениях
12
Мп=3,11? 0,81 происходит увеличение предела прочности при сжатии образцов. Образцы, изготовленные с применением ШП-3 обладают максимальными прочностными показателями (Rсж=40,20 МПа). Дальнейшее
уменьшение Мп до значения 0,52 приводит к снижению механической
прочности. Это объясняется растворением кристаллических новообразований в жидкой фазе, содержание которой заметно увеличивается. При
этом отмечается влияние применяемого плавня на цветность керамики.
Оптимальный интервал значений модуля плавня 0,81? 1,38. При этих значениях Мп возможно получение изделий с наиболее высокими прочностными показателями и равномерно окрашенным черепком желтого цвета.
Высокое содержание CaO в составе ШП способствует осветлению керамического черепка, изготовленного на основе высокожелезистых глин.
Хлориды щелочных металлов и флюорит интенсифицируют образование
жидкой фазы на более ранней стадии спекания керамики. На основе результатов предварительно проведенных экспериментов было установлено,
что при использовании шихт из тугоплавких глин ВКС-2 и ВКВ-2 для
получения равномерно окрашенного черепка светло-желтого и желтого
цветов необходимо вводить в керамические массы ШП-2.
Рис. 4. Изменение предела прочности на сжатие и модуля плавня
(Мп) для разных составов ШП.
Составы керамических масс для получения объемно-окрашенного
керамического кирпича светлых тонов приведены в табл. 6. Температура
обжига составов БВ-2 и ОВ-2, содержащих мел, принималась равной 1060
°С. Образцы БВ-1 и ОВ-2, изготовленные с применением ШП-2, обжигали
при температуре 970 °С. Обжиг образцов ВП-1 на основе светложгущейся
глины ВКН-2 производился при температуре 1020 °С.
13
Таблица 6
Составы керамических масс
Компонент
№ состава
БВ-1 БВ-2 ОВ-1 ОВ-2 ВП-1
Суглинок Большелогский
64
56
Суглинок Октябрьский
68
59,5
ВКН-2
85
ВКС-2
16
14
12
10,5
ШП-2
20
20
Мел Копанищенский
30
30
Песок Владимировский
15
Значения физико-механических и эксплуатационных свойств
обожженных керамических образцов приведены в табл. 7.
Таблица 7
Физико-механические свойства и цвет керамических образцов
Показатели
№ состава
БВ-1
БВ-2
ОВ-1
ОВ-2
ВП-1
Водопоглощение, %
12,1
15,0
12,5
15,7
12,3
Усадка, %:
- воздушная
4,7
6,0
5,1
6,3
6,2
- огневая
2,5
1,8
2,7
2,0
2,2
Прочность, МПа:
- при сжатии
42,8
29,2
36,3
24,3
40,3
- при изгибе
1,6
0,6
1,2
0,4
0,8
Морозостойкость,
56
38
54
35
50
цикл
Цвет
светлобежебежебежекреможелтый
вый
вый
вый
вый
Несмотря на повышенную температуру обжига образцы, содержащие 30 % мела, обладают невысокой механической прочностью и морозостойкостью. Водопоглощение образцов БВ-2 и ОВ-2 не соответствует
требованиям ГОСТ 530-2007, предъявляемым к лицевому кирпичу. Применение ШП-2 позволяет получить изделия стабильного светло-желтого и
бежевого цвета в зависимости от применяемого глинистого сырья. При
этом водопоглощение образцов составляет не более 12,5 %. Морозостойкость образцов БВ-1 и ОВ-1 находится в пределах 50 циклов.
Проведенные рентгенографические исследования образца БВ-1
(рис. 5) показывают, что основными фазами образца БВ-1 являются кварц,
анортит, волластонит и пироксен. Образовавшиеся кристаллические фазы
анортита и волластонита способствуют повышению прочностных показателей керамического кирпича.
14
Рис. 5. Рентгенограмма образца БВ-1: КВ – кварц, А – анортит, В – волластонит, Пн – пироксен.
На рис. 6 представлена микроструктура керамических образцов.
Рис. 6. Электронно-микроскопические снимки образцов керамики:
а - состав ВП-1, б – состав БВ-1.
Из кристаллических фаз в керамическом черепке ВП-1 (рис. 6 а)
идентифицируется кварц в виде вкраплений размером до 5 мкм. Керамический черепок БВ-1 (рис. 6 б) слагается фазами кварца, анортита, волластонита. Повышенное количество стеклофазы, наблюдаемое на электронно-микроскопическом снимке, и отсутствие полевых шпатов в виде кристаллических фаз позволяют сделать вывод о завершении процесса формирования керамической матрицы.
Для определения фазовых превращений, происходящих при обжиге керамики методом синхронного термического анализа были исследованы образцы БВ-0 (80% суглинок Большелогский+20% ВКС-2) и БВ-1.
15
а
б
Рис. 7. Дериватограммы образцов:
а – состав БВ-0 (80% суглинок Большелогский+20% ВКС-2);
б – состав БВ-1.
Кривая ДСК образца БВ-0 (рис. 7 а) характеризуется следующими
эндоэффектами: 132,3 0С – удаление адсорбционной воды; 440,5 0С, 546,2
0
С, 717,1 0С – удаление конституционной воды из глинистых минералов;
799,1 0С – диссоциация карбоната кальция. Наличие эндоэффекта при
172,2 °С на кривой ДСК образца БВ-1 (рис. 7 б), содержащего ШП-2, подтверждает, что при данной температуре начинается выделение адсорбци-
16
онной воды из пор сталеплавильного шлака. Эндотермический эффект
при 132,3 °С соответствует удалению адсорбционной воды; 446,8 °С,
545,3 °С, 713,5 °С – удалению конституционной воды из глинистых минералов; 770,1 °С – диссоциации карбоната кальция, содержащегося в применяемом глинистом сырье. Наблюдаются два экзотермических эффекта –
915,3 °С и 970,1 °С, обусловленные – кристаллизацией новых фаз – анортита и волластонита соответственно. При температуре 781,4 °С на кривой
ДСК наблюдается ступенька образования микрорасплава, обусловленная
плавлением хлоридов щелочных металлов. Таким образом, подтверждается высказанная рабочая гипотеза об интенсификации спекания керамической матрицы и образования фаз с высоким значением коэффициента отражения при использовании в керамических массах шлакового плавня.
Результаты опытно-промышленной апробации разработанных
составов и ресурсосберегающей технологии лицевого объемноокрашенного керамического кирпича светлых тонов.
В главе представлена разработанная технологическая линия по
производству лицевого керамического кирпича, содержащая дополнительную линию подготовки шлакового плавня. Предполагается, что совместный помол сталеплавильного и алюминиевого шлаков производится
в шаровой мельнице. Дозирование компонентов осуществляется весовыми дозаторами. Гомогенизация шихты производится в пневмомеханическом гомогенизаторе. Это позволяет достигнуть высокой эффективности
перемешивания компонентов шлакового плавня и получать равномерно
окрашенный керамический черепок светло-желтого и бежевого цветов в
зависимости от химико-минералогического состава применяемого глинистого сырья. Проведенные экономические расчеты подтверждают целесообразность внедрения рассматриваемой технологической линии в производство лицевого керамического кирпича светлых тонов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. С помощью термодинамического анализа рассматриваемых силикатных систем был установлен механизм протекания реакций силикатообразования, происходящих при обжиге объемно-окрашенной керамики с
применением высококальциевых силикатных материалов в комбинации с
хлоридами щелочных материалов. Были установлены особенности структурообразования керамической матрицы при использовании комбинации
легкоплавкого и тугоплавкого глинистого сырья совместно с металлургическими шлаками. Наиболее вероятно образование фаз анортита, муллита
и пироксена, в которых ионы железа замещают ионы алюминия по схеме
Fe 3 Al 3 . Движущая сила этих реакций очень высока и достигает при
максимальной температуре значений –188,96…–973,85 кДж/моль. При
17
условии ввода в керамические массы тугоплавкой каолинитовой глины и
обжиге при температурах выше 1000 °С образуется первичный муллит.
Проведенные физико-химические исследования полностью подтверждают
выдвинутые на основе термодинамических расчетов схемы протекания
реакций силикатообразования.
2. С позиций кислотно-основной концепции силикатных расплавов
и на основании результатов термодинамических расчетов произведено
обоснование
образования
силикатных микрорасплавов
состава
Na2O∙2CaO∙3SiO2 и Кa2O∙4SiO2;
3. Разработана ресурсосберегающая технология производства лицевого объемно-окрашенного керамического кирпича светлых тонов, включающая дополнительную линию подготовки шлакового плавня;
4. Установлено влияние мелкозернистого сталеплавильного шлака
на сушильные свойства глинистого сырья. При вводе шлака в керамические массы чувствительность глины к сушке снижается за счет того, что
часть формовочной воды адсорбируется пористой поверхностью зерен
шлака и удаляется только при температуре выше 150 °С. Экспериментально подтверждено, что значение критической влажности повышается
по сравнению с образцами на основе чистого глинистого сырья.
5. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения
внутренних напряжений при сушке стеновой керамики. Данный метод
позволяет получить качественное и количественное описание плоского
напряженного состояния в моделируемом изделии, а также визуальное
представление наиболее вероятных областей разрушения материала.
Предлагаемый метод основан на применении современного программного
обеспечения по компьютерному моделированию и удобен для выбора оптимальных отощающих компонентов в керамические массы;
6. Разработаны оптимальные составы лицевого керамического кирпича светлых тонов на основе комбинации легкоплавких суглинков и
шихт из тугоплавких глин с применением побочных продуктов сталеплавильного и алюминиевого производств;
7. Получаемый объемно-окрашенный лицевой кирпич имеет однородный бежевый цвет и обладает высокими прочностными показателями
(на сжатие – 21,1 МПа, на изгиб – 3,5 МПа), водопоглощением, удовлетворяющим требованиям ГОСТ 530-2007 (В=13,1 %), высокой морозостойкостью (56 циклов);
8. Проведенные расчеты основных экономических показателей производства лицевого керамического кирпича на основе предложенных составов керамических масс показывают, что годовой экономический эффект от предлагаемого технологического решения составит 43987630 руб.
при сроке окупаемости капиталовложений 8,5 месяцев.
18
Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Галенко А.А. Исследование возможности повышения качества
кирпича пластического формования, производимого с применением
техногенных отходов / А.А. Галенко, И.Г. Довженко // Известия вузов.
Северно-Кавказский регион. Технические науки. - 2009. - № 4 . - С. 100102.
2. Зубехин А.П. Повышение качества керамического кирпича с
применением основных сталеплавильных шлаков / А.П. Зубехин,
И.Г. Довженко // Строительные материалы. – 2011. - № 4. – С. 57-59.
3. Верещака В.В. Особенности процесса обжига объемноокрашенного керамического кирпича с применением высококальциевого
силикатного техногенного сырья / В.В. Верещака, М.В. Тамазов,
И.Г. Довженко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2011. - №4. – С. 3640.
4. Довженко И.Г. Оценка влияния технологических параметров на
свойства керамического кирпича с использованием сталеплавильного
шлака / И.Г. Довженко // Известия вузов. Северно-Кавказский регион.
Технические науки. – 2011. - № 2. - С. 96-99.
5. Довженко И.Г. Эффективность применения сталеплавильных
шлаков в грубозернистых массах для производства керамического
кирпича / И.Г. Довженко // Фундаментальные исследования. - 2011. № 4. - С. 78 – 82.
6. Довженко И.Г. Интенсификация спекания керамического
кирпича с применением побочного продукта алюминиевого производства
/ И.Г. Довженко // Фундаментальные исследования. - 2011. - №12. - Ч.2. –
С. 341-344.
7. Довженко И.Г. Лицевой керамический кирпич светлых тонов с
применением отхода черной металлургии / И.Г. Довженко // Стекло и
керамика. – 2011. - №8. – С. 11-13.
8. Довженко И.Г. Термодинамическое обоснование механизма
твердофазовых превращений при обжиге керамического кирпича светлых
тонов / И.Г. Довженко, М.В. Тамазов, А.М. Кондюрин, Н.А. Тамазова //
Стекло и керамика. – 2012. - №3. – С. 8-11.
Статьи и материалы конференций
9. Зубехин А.П. Разработка состава и исследование свойств
керамического кирпича на основе суглинков и промышленных отходов /
А.П. Зубехин, И.Г. Довженко // Студенческая научная весна - 2010 :
материалы регион. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых
ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. - С. 284-285.
19
10. Зубехин А.П. Исследование свойств керамического кирпича с
применением основных сталеплавильных шлаков / А.П. Зубехин,
И.Г. Довженко // Керамика и огнеупоры: перспективные решения и
нанотехнологии : сб. докл. Междунар. конф. с элементами науч. шк. для
молодежи к 125-летию со дня рождения Петра Петровича Будникова,
Белгород, 9-12 нояб. 2010 г. / Белгород. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова.
- Белгород: БГТУ, 2010. - С. 73-75.
11. Зубехин А.П. Ресурсосберегающая технология производства
керамического кирпича с использованием основных сталеплавильных
шлаков / А.П. Зубехин, И.Г. Довженко // Ресурсо- и энергосберегающие
технологии и оборудование, экологически безопасные технологии:
материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 24 - 26 ноября 2010 г. /
Белорус. гос. технолог. ун-т. - Минск, 2010. - С. 80 – 82.
12. Довженко И.Г. Расчет температурного поля в керамическом
кирпиче в процессе сушки с применением программного пакета ЕLCUT
5.6 / И.Г. Довженко // Методы и алгоритмы прикладной математики в
технике, медицине и экономике: материалы XI Междунар. науч.-практ.
конф., г. Новочеркасск, 28 фев. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. - С. 15-20.
13. Довженко И.Г. Моделирование напряженного состояния в
керамическом кирпиче при сушке / И.Г. Довженко // Моделирование.
Теория, методы и средства: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф.,
г. Новочеркасск, 31 марта 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. - С. 95-98.
14. Довженко И.Г. Искусственный плавень на основе техногенного
сырья / И.Г. Довженко, А.М. Кондюрин, М.В. Тамазов, В.В. Верещака,
Н.А. Тамазова // Новини на научния прогресс – 2011: материали за 7-а
Международна научна практична конференция, 17-25 август 2011 г.
София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2011. - С. 54-58.
15. Довженко И.Г. Аспекты ресурсо- и энергосбережения в
технологии лицевого керамического кирпича / И.Г. Довженко // Aktualni
vymozenosti vĕdy – 2011: materialy VII mezinarodni vĕdecko-prakticka
conference, 27 cervna-05 cervencu 2011 roku. – Praha: Publishing House
«Education and Science» s.r.o., 2011 – C. 77-78.
16. Довженко И.Г. Рециклинг побочных продуктов металлургии в
технологии керамического кирпича / И.Г. Довженко // Экономика
природопользования и природоохраны: сборник статей XIV Междунар.
науч.-практ. конф. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. – С. 62-64.
17.
Довженко
И.Г.
Расчетно-экспериментальный
метод
определения внутренних напряжений при сушке стеновой керамики /
И.Г. Довженко, М.В. Тамазов // Электронный журнал "Исследовано в
России", 47, 602-611, 2011. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/ 2011/047.pdf
20
18. Зубехин А.П. Объемно-окрашенный керамический кирпич
светлых тонов с применением карбонатного материала / А.П. Зубехин,
И.Г. Довженко // Студенческая научная весна – 2011: материалы региональной науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов
Ростовской обл. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск:
ЮРГТУ, 2011. – С. 372.
19. Довженко И.Г. Технология получения искусственного плавня из
шлаков черной и цветной металлургии / И.Г. Довженко, А.М. Кондюрин,
М.В. Тамазов, В.В. Верещака, Н.А. Тамазова // Новые материалы и технологии их получения: материалы V Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 10 ноября 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. С. 16-19.
20. Довженко И.Г. Ресурсосберегающая технология производства
объемно-окрашенного керамического кирпича светлых тонов / И.Г. Довженко, В.В. Верещака, М.В. Тамазов // Экология - образование, наука,
промышленность и здоровье: материалы IV Междунар. науч.-практ.
конф., Белгород, 15-18 нояб. 2011 г. / Белгород. гос. технол. ун-т им. В.Г.
Шухова. - Белгород : БГТУ, 2011. – Ч.1. – С. 41-46.
21. Довженко И.Г. Применение искусственного плавня для производства кирпича пластического формования на основе комбинации кремнистого и глинистого сырья / И.Г. Довженко, А.М. Кондюрин, М.В. Тамазов, В.В. Верещака, Н.А. Тамазова // Perspektywiczne opracowania są
nauką i technikami – 2011: materiały VII Międzynarodowej naukowipraktycznej konferencji, 07 - 15 listopada 2011 roku – Przemyśl: Nauka i
studia, 2011. P. 53-56.
22. Довженко И.Г. Термодинамическое моделирование твердофазовых процессов при обжиге объемно-окрашенного керамического кирпича
/ И.Г. Довженко, А.М. Кондюрин, М.В. Тамазов, В.В. Верещака,
Н.А. Тамазова // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: материалы ХII Междунар. науч.практ. конф., г. Новочеркасск, 9 декабря 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т
(НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. С. 45-49.
Патенты РФ
23. Патент на изобретение 2448926 РФ. МПК С04В 33/138. Керамическая масса для получения кирпича / А.П. Зубехин, И.Г. Довженко –
Опубл. 27.04.12 г. - Бюл. №12. – Заявка №2010142814/03 от 19.10.2010.
24. Патент на полезную модель 112087 РФ. МПК В28В 15/00. Технологическая линия для производства керамического кирпича /
И.Г. Довженко, М.В. Тамазов, В.В. Верещака – Опубл. 10.01.12 г. – Бюл.
№1. – Заявка №2011133995/03 от 12.08.2011.
Довженко Илья Георгиевич
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ОБЪЕМНО-ОКРАШЕННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА С
ПРИМЕНЕНИЕМ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ МЕТАЛЛУРГИИ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
05.17.11 – Технология силикатных и
тугоплавких неметаллических материалов
Подписано в печать 1.11.12 г. Формат 60х84 1/16. Усл. печ. л. 1,0.
Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз.
Отпечатано в Белгородском государственном технологическом
университете им. В.Г. Шухова.
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
228
Размер файла
1 503 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа