Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
1. Влияние качества сырья и газовой среды при обжиге на
структуру и свойства строительной керамики 10
Современное состояние производства строительной и бытовой керамики 10
Влияние качества сырья и технологических параметров производства на спекание и свойства керамических изделий 18
Влияние качества сырья на спекание легкоплавких глинистых пород 18
Газовая среда как фактор интенсификации процесса обжига... 37
Влияние давления газовой среды на формирование структуры керамического черепка 56
Эффективность обжига керамических изделий при пониженном давлении 60
Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 68
2. Методология проведения исследований и изучение
сырьевых материалов 71
2.1 Объекты и методы проведения исследований 71
Объекты исследований 71
Методы проведения исследований 72
2.2 Изучение сырьевых материалов 77
Глинистые породы Тувы 77
Природные и техногенные материалы, применяемые в качестве добавок 101
Выводы по главе 2 107.
3. Исследование процессов, протекающих при обжиге
глинистых пород в условиях пониженного давления и
изменяющегося состава газовой среды 109
3.1 Особенности газовыделения при понижении давления среды
обжига 111
Источники газовыделения 111
Выгорание органических веществ. Состав и характер газовой среды 121
3.2 Процессы, протекающие при обжиге глинистых пород в
среде с пониженным давлением и восстановительным характером
газовой среды 138
Изменение процесса дегидратации глинистых пород при понижении давления газовой среды обжига 138
Реакции с участием железистых соединений при понижении давления и изменении характера газовой среды 143
Выводы по главе 3 152
4. Особенности фазообразования и формирования структуры
черепка при обжиге в среде с пониженным давлением и
восстановительным характером 154
4.1 Особенности фазообразования керамического черепка из
глинистых пород различного минералогического состава при обжиге в
условиях пониженного давления 154
Монтмориллонитовые глинистые породы 154
Гидрослюдистые глины и суглинки 168
Каолинитовые глинистые сланцы 177
4.2 Формирование структуры черепка при обжиге в среде с
пониженным давлением 189
Выводы по главе 4 206
5. Свойства керамических изделий, обожженных в среде с
пониженным давлением и восстановительным характером газовой
среды 209
Прочность 209
Водопоглощение 220
Морозостойкость 226
Изменение цвета черепка 231
Выводы по главе 5 239
6. Разработка технологии обжига керамических изделий при
пониженном давлении и результаты опытно-промышленных
испытаний 242
6.1 Особенности и техническое обеспечение обжига при
пониженном давлении 242
Особенности технологии обжига 242
Техническое обеспечение обжига при пониженном
давлении 244
6.2 Определение оптимальных параметров и режимов обжига при
пониженном давлении 246
Влияние величины остаточного давления на свойства керамических изделий 246
Оптимальная продолжительность изотермической выдержки при обжиге 250
Влияние создания пониженного давления на отдельных этапах обжига на свойства изделий 252
6.3 Технологический регламент производства стеновых
керамических облицовочных материалов с обжигом при пониженном
давлении на основе сырья Тувы 256
6.4. Сравнительный анализ расхода электроэнергии при обжиге керамических изделий в условиях пониженного и нормального давления .. 261
Выводы по главе 6 263
Основные выводы 264
Список литературы 268
Приложения 295
Введение к работе
Актуальность работы. Растущие объемы капитального строительства в целом в стране и отдельных регионах в рамках национального проекта по жилищному строительству требуют увеличения выпуска строительных материалов, в том числе стеновых и облицовочных керамических изделий.
Республика Тыва испытывает большой дефицит в керамических материалах, так как при потребности 20-22 млн. шт. усл. кирпича, местный завод выпускает в год всего 2-3 млн. шт. полнотелого кирпича марки М75. Стоимость привозных керамических изделий из соседнего Красноярского края и Хакасии за счет транспортных расходов в 1,5-1,7 раза больше отпускной цены.
Поэтому изучение местных глинистых пород, природных и техногенных сырьевых материалов для увеличения объема и расширения ассортимента выпускаемых керамических изделий и разработка новых технологических приемов является актуальной проблемой.
В технологии обжига керамических изделий для интенсификации процесса спекания в основном используется единственный технологический параметр - температура. Практически для ускорения реакций не привлечены такие технологические факторы, как давление и состав газовой среды, минеральные особенности сырья, что может позволить интенсифицировать спекание керамических масс и получить качественные изделия.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с целевой про-грамммой «Развитие строительного комплекса Республики Тыва до 2010г.», подпрограмма «Развитие минерально-сырьевой базы и производства местных строительных материалов», по плану НИР Тывинского государственного университета на 2004-20 Юг., раздел «Прикладные исследования», а также по плану НИР НГАСУ на 2003-2006гг. № 7.1.3. раздел «Получение строительной керамики при изменяющихся параметрах обжига»
Научная новизна. Установлено интенсифицирующее действие пониженного давления и состава газовой среды обжига на физико-
химические процессы, протекающие при термической обработке глинистых пород различного химико-минералогического состава, позволяющие регулировать структуру и фазовый состав черепка, а также функциональные свойства керамических изделий.
Выявлено, что глинистые породы Республики Тыва отличаются высоким содержанием (5-9 %) железистых соединений, 85-90 % которых присутствуют в свободной форме в виде гидрооксидов железа, кроме того, содержат значительное количество органических веществ (0,61-0,86 %), что предопределяет протекание восстановительных процессов.
Определено, что из глинистых пород при обжиге в условиях пониженного давления выделяются следующие газы: Нг, СО, СОг, Ог, N2 и SO3, что связано с интенсивным разложением органических веществ и протеканием восстановительных реакций с образованием железа (+2).
Установлено, что при пониженном давлении общее содержание водорода и оксида углерода в составе газовой среды составляет 20-60 % в зависимости от температуры обжига, что обеспечивает благоприятную для спекания керамики восстановительную газовую среду.
4. Установлено, что создание пониженного давления и
восстановительного характера газовой среды обжига способствует раннему и
интенсивному переходу значительной части (до 85 %) железистых
соединений в активную закисную (FeO) форму, которая ускоряет разложение
и аморфизацию глинистых минералов с образованием стеклофазы,
содержание которой на 30-40 % больше, чем при нормальном давлении.
5. Установлено, что спекание керамических масс на основе глинистых
пород различного химического и минерального состава при уменьшении
давления и создании восстановительной газовой среды начинается на 50-100
С ранее и сопровождается интенсивным протеканием эндо- и
экзотермических реакций с образованием новых стабильных фаз (фаялит,
герценит, анортит, муллитоподобная фаза и др.).
6. Выявлено интегрированное воздействие пониженного давления и восстановительного характера газовой среды, позволяющее снизить температуру обжига на 70-100 С, повысить механическую прочность изделий на 30-50 % и морозостойкость их в 2-3 раза за счет укрупнения пор до 4-5 мкм, а также изменить окраску материала от светлой до темной в зависимости от режима термообработки.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Теоретические и практические положения работы использованы в качестве основы Концепции развития минерально-сырьевой базы и производства местных строительных материалов Республики Тыва до 2010г.
1. Предложен способ обжига, обеспечивающий снижение температуры
термической обработки керамических изделий на 70 - 100 С, сокращение
продолжительности нагрева, изотермической выдержки и повышение
качества керамических изделий с увеличением марки до Ml 50,
морозостойкости более 50 циклов.
Разработаны составы керамических облицовочных материалов и майоликовых изделий на основе тувинских легкоплавких глинистых пород с высоким содержанием железистых соединений и отходов промышленности, обеспечивающие регулирование цвета черепка от светлых (желтый) до темных (черный) тонов.
По разработанному технологическому регламенту на строящемся Кызылском заводе керамических изделий предусмотрена линия производства облицовочных стеновых материалов с обжигом при пониженном давлении.
4. На Рябовском заводе керамических изделий (Ленинградская
область), ГП «Тувастройматериалы» и Кызылском предприятии
«Тувасувенир» внедрена технология обжига при пониженном давлении
путем строительства вакуумных электропечей.
Результаты работы используются в учебном процессе в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете и Тывинском государственном университете при чтении лекций по курсу
«Материаловедение строительное», «Технология изделий стеновой керамики» и вошли в учебное пособие «Производство стеновых и теплоизоляционных керамических изделий».
На защиту выносятся: 1. Основные особенности формирования функциональных свойств керамических изделий, обожженных при пониженном давлении и восстановительном характере газовой среды.
2. Положения об изменении характера газовой среды при разложении
органических веществ, минералов глинистых пород и углесодержащих
примесей при обжиге керамических масс в условиях пониженного давления.
3. Схема последовательности превращения железосодержащих
минералов до FeO и силикатов железа (+2) при обжиге глинистых пород в
условиях пониженного давления и в среде выделяемых газов, а также их
влияние на спекание керамических масс.
Особенности спекания и фазообразования керамических масс на основе глинистых пород различного химико-минералогического состава при обжиге в восстановительной газовой среде с пониженным давлением.
Особенности формирования структуры керамического черепка из глинистых пород различного минерального состава при дифференцированном и интегрированном воздействии пониженного давления и характера газовой среды.
Технология обжига керамических изделий в условиях пониженного давления, позволяющая улучшить эксплуатационные свойства материалов и сократить продолжительность термической обработки.
Апробация работы. Результаты научно-экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней: Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (1997-2003гг.); Республиканской научно-технической конференции (г. Кызыл, 1986-2004); Всероссийской научно-технической конференции «Достижения в теории и практике
производства строительных материалов» (г. Санкт-Петербург, 2000-2004г.); Международной научно-практической конференции «Наука и технология силикатных материалов - настоящее и будущее» (г. Москва, 2003г.); на научно-технических конференциях НГАСУ (СИБСТРИН), (г. Новосибирск, 2002-2006гг.); Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2005г.); на 3 и 4 международных научно-технических конференциях «Развитие керамической промышленности России» (г. Москва, 2005, 2006гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 46 научных статьей в журналах «Строительные материалы», «Стекло и керамика», «Известия вузов. Строительство» и других научных изданиях. Получены 2 авторских свидетельства и 2 патента РФ на изобретение. Отдельные результаты исследований включены в учебное пособие «Производство стеновых и теплоизоляционных керамических изделий», изданное в соавторстве с профессором В.Ф. Завадским и рекомендованное Новосибирским региональным отделением УМО вузов РФ по образованию в области строительства.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка использованной литературы из 302 наименований и приложений. Работа изложена на 307 страницах, содержит 39 таблиц и 62 рисунка.
