Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса, аналитический обзор патентной и научно-технической литературы по теме исследования 18
1.1 Производство лицевого керамического кирпича с использованием зарубежных технологий 18
1.2 Анализ, состояние и перспективы развития отечественной практики производства лицевого керамического кирпича 23
1.3 Влияние металлосодержащих добавок на свойства строительной керамики 27
1.4 Использование техногенных отходов в производстве керамического кирпича 33
1.5 Применение добавок природного происхождения в технологии изготовления керамического кирпича 38
1.6 Глазурование стеновой керамики 42
1.7 Выводы по главе 1 45
2 Методика проведения экспериментальных исследований 48
2.1 Методика отбора проб 48
2.2 Методика определения химического и минералогического составов глинистого сырья и сырьевых компонентов 50
2.3 Методика определения технологических свойств сырья 51
2.4 Методики изготовления керамических образцов и их физико- механических испытаний после обжига 54
3 Общая характеристика исследуемых месторождений глинистого сырья 59
4 Результаты экспериментальных исследований 66
4.1 Химический и минералогический состав используемого сырья .. 67
4.2 Общая характеристика и технологические свойства сырьевых компонентов и смесей, изготовленных на их основе 78
4.3 Химический состав обожженных керамических изделий 84
4.4 Особенности процессов фазообразования при обжиге образцов 85
4.5 Физико-механические свойства керамических образцов 94
5 Экономическая оценка проектных решений 107
5.1 Материальный баланс производства 107
5.2 Расчет стоимости сырья для производства керамического кирпича 109
5.3 Стоимость оборудования, транспортных средств, амортизационных отчислений и расчет численности фонда заработной платы 112
Основные выводы и результаты 117
Список литературных источников 119
- Производство лицевого керамического кирпича с использованием зарубежных технологий
- Методика определения технологических свойств сырья
- Химический и минералогический состав используемого сырья
- Стоимость оборудования, транспортных средств, амортизационных отчислений и расчет численности фонда заработной платы
Введение к работе
Актуальность темы
Керамический кирпич на протяжении многих веков являлся основным строительным материалом. Это значение он не потерял и поныне и именно в этой области особенно ярко проявляется отсталость отечественной промышленности стройматериалов. Излишнее увлечение бетоном, железобетоном, панельным домостроением наряду с рядом объективных причин поставило эту отрасль в тяжелое положение. Повышение качества керамических материалов (особенно лицевого кирпича), снижение энергетических и материальных затрат на их производство, расширение номенклатуры керамических изделий, увеличение объемов производства остаются на сегодняшний день важнейшими задачами для многих предприятий керамической отрасли, которая на сегодняшний день хотя и развивается достаточно высокими темпами, но не полностью удовлетворяет запросам современного строительства. Действующие заводы выпускают продукцию в недостаточных объемах, а нередко и невысокого качества ввиду неизученности исходного сырья и отсутствия разработок технологических линий, ориентированных на использование местного сырья. По уровню технического оснащения и качеству продукции мы по-прежнему отстаем от передовых стран Европы и Американского континента.
Закупка импортного оборудования не в состоянии решить все возникающие проблемы керамической промышленности, так как не может компенсировать низкий уровень технологических разработок с учетом особенностей местных сырьевых ресурсов. Глины, являясь основным сырьем керамической промышленности, представляют собой сложные структуры и требуют серьезного подхода к разработке технологий с учетом специфики сырья. Еще с древнейших времен (Китай, Средний Восток) переработке сырья уделялось первостепенное внимание. Технологии изготовления различного рода керамических изделий складывались на основе практического опыта, который передавался из поколения в поколение на протяжении веков. Панельное домостроение и излишнее увлечение железобетоном привели в 50-60-е годы к упадку отечественной керамической отрасли. Был утерян опыт и традиции, складывающиеся в течение многих десятилетий. Как результат, на предприятиях керамической промышленности стало уделяться меньше внимания вопросам качественной подготовки и переработки сырьевых материалов с учетом специфики производства. В связи с этим исследование комплекса технологических и физико-химических особенностей глинистого сырья, основанное на современных научных концепциях, приобретает особую важность и актуальность. Во многих регионах центрального федерального округа РФ остро стоит проблема производства высококачественного керамического лицевого кирпича. Большинство сезонных заводов выпускает низкомарочную продукцию (М 75-100, F<25), часто не соответствующую требованиям нормативных документов, отсутствует расширенный ассортимент, не выпускается декоративный кирпич, необходимый для строительства малоэтажных домов (дачные, коттеджные застройки), поскольку для реализации подобной программы необходимо, прежде всего, детальное изучение технологических и физико-химических особенностей глинистого сырья. В связи с этим актуальным является разработка составов и технологии получения лицевого керамического кирпича более высокого качества с учетом специфики местного сырья.
Цель диссертационной работы – получение высококачественного лицевого керамического кирпича, в том числе его декоративных разновидностей, из низкосортного глинистого сырья (суглинков и супесей).
Задачи диссертационной работы:
– исследование минералогического, химического составов и технологических свойств глинистого сырья некоторых месторождений центрального региона РФ;
– исследование влияния условий подготовки глинистого сырья на качество продукции;
– изучение влияния на процессы фазовых превращений и спекание керамического черепка физико-химических процессов, происходящих при обжиге изделий;
– изучение влияния способа формования изделий на закономерности изменения физико-механических свойств керамических изделий с внесенными в шихту различными добавками;
– на основе проведенных исследований разработать составы и технологическую схему получения лицевого керамического кирпича, в том числе его декоративных разновидностей.
Научная новизна работы:
– установлена возможность использования четвертичных суглинков и супесей с низким содержанием глинистого компонента для получения лицевого кирпича марки 250-300 без использования корректирующих добавок;
– выявлено, что глинистый компонент, содержащийся в исследуемых суглинках и супесях в небольших количествах (<10%), влияния на процесс фазообразования в исследуемой системе не оказывает, а ограниченное содержание алюминия смещает процесс фазообразования в сторону формирования волластонита в результате взаимодействия карбоната кальция и кварца. Образующийся ортосиликат кальция обеспечивает на стадиях твердофазных реакций (700-900С) начало спекания глинистой массы. Глинистый компонент при этом играет роль лишь пластифицирующей добавки. Вторая стадия спекания (жидкофазное спекание), связанная с образованием низкоплавкой эвтектики, образующейся в результате взаимодействия между полевыми шпатами и оксидом железа, начинается выше 1000С;
– учитывая установленные экспериментальны результаты и теоретические предпосылки, выявлена возможность использовать теоретически обоснованные искусственные составы (включая компоненты шихты в виде побочных продуктов промышленных производств) для получения керамического кирпича с заданными физико-механическими и эстетическими параметрами, а в качестве пластификатора использовать или монтмориллонитовые глины или любой недорогой органический пластификатор;
– научно обоснована возможность использования каолинитовых глин в качестве добавок, устраняющих высолы на поверхности керамических изделий.
Автор защищает:
– разработанные составы шихт для получения лицевого кирпича объемного окрашивания широкой цветовой палитры с высокими эксплуатационно-техническими характеристиками;
– результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических свойств керамических образцов, изготовленных на основе разработанных составов шихт;
– предложенную технологическую схему производства керамического кирпича методом полусухого формования с подготовкой сырья по пластическому методу.
Достоверность и обоснованность предложенных в диссертационной работе технических решений, сформулированных научных положений и выводов основывается на том, что:
– научно-технические разработки базируются на основных положениях физической химии и законах фазовых превращений в силикатных системах;
– использовались комплексы современных физико-химических методов анализа (химический, рентгенофазовый, в том числе количественный);
– экспериментальные исследования выполнены с необходимым количеством повторных испытаний, с привлечением непосредственных методов изучения структуры и с использованием вычислительной техники;
– при анализе и определении свойств сырья использовались широкомасштабные исследования, включающие отбор проб по простиранию и глубине разреза месторождений.
Методы исследований
Экспериментальная часть работы выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих стандартные методики определения технологических и физико-механических характеристик исходного сырья и получаемого конечного продукта. Применены программные средства диагностики (программные комплексы «Дифрактометры», «PDWin 3.0», «PELDos», «Difwin») и расчеты на ЭВМ, методы химического и рентгенофазового (в том числе количественный) анализов.
Практическое значение и реализация результатов работы
С учетом особенностей технологических свойств глинистого сырья (высокая чувствительность к сушке, наличие растворимых солей, низкое содержание глинистой составляющей, высокое содержание полевых шпатов, наличие карбонатных включений) предложен полусухой метод формования, упрощающий процесс сушки и снижающий возможность трещинообразования. При этом в связи с невысокой формовочной влажностью (8-10%) значительно замедляются процессы диффузии влаги в сырце и вынос водорастворимых солей к поверхности изделий.
Комплексным исследованием 16 месторождений глинистого сырья центрального региона РФ определены минералогический, химический составы и технологические свойства суглинков и супесей четвертичного возраста. Экспериментально доказана возможность получения высококачественного керамического кирпича, в том числе различной цветовой гаммы, на основе глинистого сырья с содержанием глинистой составляющей менее 10-15%. Составлен технологический регламент изготовления керамического кирпича, особенностью которого является подготовка сырья по пластическому методу. Полученные научные и практические результаты диссертационных исследований включены в план развития промышленного комплекса Орловской области, выполняемого ОАО «Орелдорстрой».
Результаты проведенных исследований были использованы автономной некоммерческой организацией «Орловский академический научно-творческий центр Российской академии архитектуры и строительных наук» при выполнении научно-исследовательских работ и внедрены в учебный процесс Архитектурно-строительного института ГОУВПО «Орловский государственный технический университет» при подготовке студентов по специальностям 270100.62 «Строительство»; 270102 «Промышленное и гражданское строительство»; 270105 «Городское строительство и хозяйство»; 270301 «Архитектура»; 270114 «Проектирование зданий».
Апробация работы и публикации
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:
– научных чтениях «Вопросы механики нелинейных сплошных сред и конструктивной безопасности», посвященных 80-летию со дня рождения чл.-корр. РААСН, Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Г.А. Гениева. – Орел: Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН), ГОУВПО «Орловский государственный технический университет», Центральное региональное отделение РААСН, АНО «Орловский академический научно-творческий центр Российской академии архитектуры и строительных наук», 2007;
– 12-ой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Неделя науки – 2007» Орловского государственного технического университета. – Орел: ОрелГТУ, 2007;
– Международных академических чтениях «Биосферно-совместимая безопасная среда обитания с позиции архитектурно-градостроительного комплекса», 29-30 ноября 2007 г. – Брянск: Брянская инженерно-технологическая академия (БГИТА), 2007;
– 13-ой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Неделя науки – 2008» Орловского государственного технического университета. – Орел: ОрелГТУ, 2008;
– 14-ой и 15-ой научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов «Неделя науки» Архитектурно-строительного института ОрелГТУ. – Орел: АСИ ОрелГТУ, 2009-2010.
– VII Международной научно-практической конференции «Развитие керамической промышленности России: КЕРАМТЭКС-2009».
Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкций и материалы» («СКиМ») Архитектурно-строительного института ГОУВПО «Орловский государственный технический университет» (г. Орел, АСИ ОрелГТУ, 29.12.2009 г.).
По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, в которых должны быть опубликованы результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук («Известия ОрелГТУ». Серия «Строительство. Транспорт»; «Строительные материалы»).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с основными выводами и результатами, списка литературы, трех приложений и содержит 158 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 21 таблицу. Список используемых источников включает 142 позиции.
Производство лицевого керамического кирпича с использованием зарубежных технологий
Удельный вес керамических материалов в строительстве за рубежом достигает 60% [81]. Многовековой опыт применения керамических стеновых материалов показал, что кирпичи и камни обладают неограниченными архитектурными возможностями, позволяющими строить здания и сооружения с неповторимым внешним обликом. Здания из керамического кирпича по показателю комфортности сопоставимы с деревянными [6, 8]. В странах Западной Европы керамические строительные материалы используются очень широко и представлены более чем 100 видами наименований [56]. За последние годы производство керамических стеновых материалов увеличилось в Германии на 28,4%, Австрии - 15,8%, Франции - 18,8%. В США 96% всего производства керамического кирпича составляет лицевой кирпич [69, 118]. В нашей стране лишь единичные заводы имеют возможность выпускать высококачественный кирпич (марка по прочности 150-200) с ограниченной цветовой гаммой [31, 64]. Ежегодные международные выставки керамических изделий и оборудования для керамической промышленности поражают воображение ассортиментом и качеством изделий. Но обнаружить изделия и оборудование наших предприятий не представляется возможным. Их нет, и вряд ли они появятся в ближайшем будущем.
В настоящее время в промышленно развитых странах выпуск керамического кирпича базируется на полностью автоматизированных линиях с компьютерным управлением и с использованием микропроцессорной техники. За рубежом до 80% объема выпуска керамического кирпича составляют пустотелые керамические камни, ряд которых не имеет отечественных аналогов, в том числе производятся крупноразмерные керамические конструкционные элементы, кирпичные и керамобетонные панели, пазогребне- вый кирпич, выпускаются изделия различной цветовой гаммы. Широко используется безрастворная кладка. После обжига керамические блоки шлифуются с точностью до 0,15 мм, покрываются клеевой композицией, после чего производится кладка [38, 80].
Зарубежные линии по производству лицевого и клинкерного кирпича, как правило, оснащаются специализированными колпаковыми герметичными печами с широким и низким каналами, которые позволяют обжигать изделия в регулируемой газовой среде от нейтральной до кислой и восстановительной. В окислительной среде получают традиционный красный кирпич, либо кирпич более светлых оттенков, а в восстановительной — темные тона: коричневый, синий, черный [60, 61, 127, 142].
Американская фирма «J.C. Steele & Sons» (г. Стейтсвил, штат Северная Каролина) свыше двухсот лет занимается производством кирпича и свыше ста лет (с 1889 г.) производит оборудование для кирпичной промышленности. Фирма производит оборудование не только для своих заводов, но и расширяет рынки сбыта (в настоящее время ее оборудование работает на всех пяти континентах, более чем в 60 странах). На ее оборудовании производится свыше 15% мирового выпуска керамического кирпича и почти 100% мирового выпуска «жестко» экструдированного кирпича. Свыше 70 лет фирма является основным разработчиком технологии и оборудования «жесткой» экструзии и почти монопольно владеет мировым рынком [17]. «Жесткая» экструзия является доминирующей технологией при производстве керамического кирпича в США, Канаде, Англии, ЮАР, Австралии и большинстве стран Азии, в т.ч. Южной Корее, Японии, Саудовской Аравии и др. В настоящее время фирма выпускает широкий спектр оборудования для переработки сырья и «жесткой» экструзии для заводов по производству керамического кирпича.
В отличие от полусухого и пластического формования «жесткая» экструзия была не очень хорошо известна в СССР, хотя эта технология наилучшим образом подходит почти для всех типов сырья [53, 125]. В России сейчас успешно работают три завода, использующие такую технологию (г. Но- ябрьск Тюменской области, г. Коркино Челябинской области, г. Москва).
«Жесткая» экструзия характеризуется давлением около 100 бар в конусе мундштука при высокой степени вакуумирования и низкой влажности. Для этого фирма строит тяжелые, очень прочные и надежные машины, большинство которых бесперебойно работают свыше 30 лет.
При «жесткой» экструзии получается очень прочный и плотный пустотелый или полнотелый кирпич-сырец, который можно укладывать вручную или автоматом-садчиком на под печных вагонеток в пакеты высотой до 1,8 м для сушки и обжига, при этом пакеты кирпича-сырца после садки проходят сушку в туннельной сушилке и обжиг в туннельной печи без перекладки, что значительно упрощает технологическую схему, снижает количество машин и, соответственно, эксплуатационные и трудовые затраты. Основные преимущества и достоинства технологии «жесткой» экструзии: - «жесткая» экструзия позволяет работать с высокопластичными аллювиальными и кембрийскими глинами, а также использовать аргиллиты, запе- соченные и низкопластичные глины и суглинки, в т.ч. содержащие каменистые включения. Подготовка сырья может быть менее тщательной, чем при «пластичной» технологии. Все, что может «пластичная» экструзия, может и «жесткая», но не наоборот, а это увеличивает гибкость и возможности производителя в удовлетворении потребности рынка. Учитывая, что большинство глин и суглинков России имеют низкую пластичность и содержат большой процент песчаных частиц, «жесткая» технология идеально подходит для производства качественного кирпича на российских кирпичных заводах; - «жесткий» метод дает возможность экструдировать сырье при влажности 12-18% (оптимальная влажность 14-16%), поэтому при сушке требуется удалять меньше влаги. Общая усадка при этой технологии не выше 4-5%, что положительно влияет на качество кирпича; - высокая прочность бруса после экструзии позволяет наносить любую текстуру или красители на поверхность кирпича; - изделия, полученные методом «жесткой» экструзии, имеют высокое качество поверхности и значительно более высокие прочностные и геометрические характеристики. В связи с высокой степенью плотности и компактности массы и отсутствия каверн снимаются проблемы морозостойкости изделий. Кирпич, изготовленный методом «жесткой» экструзии, имеет морозостойкость свыше 50 циклов; - инвестиции в строительство новых кирпичных заводов с применением технологии «жесткой» экструзии примерно на 30-35% ниже, чем при строительстве заводов с технологией «пластичной» экструзии, а площадь зданий на 40-45% меньше; - одним из наиболее эффективных методов реконструкции существующих кирпичных заводов является их перевод на технологию «жесткой» экструзии, позволяющий выпускать высококачественный кирпич. Особенно легко могут быть реконструированы заводы полусухого прессования. Практически все заводы, имеющие туннельные печи, и большинство заводов с кольцевыми печами могут быть легко реконструированы на технологию «жесткой» экструзии. Стоимость реконструкции зависит от объема реконструкции и мощности завода, причем большая реконструкция может производиться в несколько этапов и почти без остановки завода.
В результате применения «жесткой» экструзии производитель кирпича получает возможность выпускать лицевой керамический кирпич, по своим качественным характеристикам значительно превосходящий кирпич, полученный методом «пластичной» экструзии или полусухим прессованием.
Методика определения технологических свойств сырья
В последние годы на рынке керамической продукции особенно возрос спрос на изделия светлых оттенков, востребованных в основном для отделки зданий. Для удовлетворения сложившегося спроса перспективной является технология получения светлого лицевого кирпича из обычных красножгу- щихся глин методом объемного окрашивания массы тонкомолотыми известняком, мелом, доломитом и т.п. Сущность технологии заключается в тонком измельчении в шаровой или струйной мельнице карбонатных пород до фракции, проходящей через сито 0,063 мм в количестве не менее 90% и тщательном смешивании полученного порошка с пластичной глиномассой. Осветление кирпича карбонатами в основном определяется образованием в процессе обжига железосодержащих минералов, связывающих оксиды железа, - двух- кальциевого феррита и мелилита. Вместе с тем показано также, что ввод в шихту мела, содержащего легкоплавкий калиевый полевой шпат К20хА120з х68Ю2, приводит к вовлечению части оксидов железа в сложные алюмосили- катные комплексы, бесцветные или с малоинтенсивной окраской.
Примером промышленного внедрения одной из таких технологий получения лицевого кирпича способом объемного окрашивания массы тонкомолотыми карбонатными породами может служить организация выпуска лицевого кирпича светлых тонов в Правобережном объединении строительных материалов (ОСМ) в Ленинградской области [10]. В качестве сырьевых материалов в объединении применяется кембрийская легкоплавкая глина месторождения «Красный бор», кварцевый намывной песок, природный дисперсный мел Белгородского месторождения. Состав основной шихты (в масс. %): глина кембрийская - 45, песок кварцевый - 20, мел тонкодисперсный - 35. Получаемый кирпич светло-кремового цвета по внешнему виду и физико- механическим показателям соответствует требованиям ГОСТ 7484-78. По прочности он относится к марке М175, по морозостойкости — к марке F50.
Проведенными исследованиями установлено, что обожженный при температуре 1020С лицевой кирпич красного цвета и кирпич светло- кремового цвета значительно отличаются по минералогическому составу.
С одной стороны, ввод в шихту мела вызвал образование новых кристаллических соединений: волластонита (CaSi03), двухкальциевого феррита (Ca2Fe205) и в меньшем количестве мелилита (Ca2(Al,Mg,Fe)S207), являющегося твердым раствором геленита и железистого окерманита. Эти кальциевые соединения придают изделию светлую окраску. При этом показано, что в образце с мелом происходит также образование железистого кордиерита (Al3(Mg,Fe)2(S5A10i8)). Особо следует отметить отсутствие в черепке кирпича свободного оксида кальция (СаО) и продукта его гидратации (Са(ОН)2), что свидетельствует о полном вовлечении тонкодисперсного мела в физико- химические реакции в процессе обжига [30].
Рахимовым Р.З. исследована возможность получения кирпича плотностью менее 1450 кг/м методом пластического формования. Установлено, что введение в шихту отощающе-выгорающих добавок в виде шелухи гречки, древесной пыли в количестве 24-61% позволяет получить изделия с эффективной плотностью, а введение подмыленного щелока в количестве 0,5-3% приводит к повышению механической прочности изделий [105].
Одним из вариантов освоения производства керамического кирпича из монтмориллонитовых высокочувствительных к сушке глин служит JIo- евский комбинат строительных материалов [77]. Снижение чувствительности к сушке достигалось введением в качестве добавок намывного песка и гранитного отсева. Для улучшения сушильных свойств глины и уменьшения количества брака исследовалось несколько составов шихт с добавлением песка и гранитного отсева в количестве от 20 до 50% с интервалом в 10%. Исследования привели к оптимальному содержанию добавок в количестве 25-30%. Полузаводские испытания привели к результатам, не укладывающимся в сложившиеся стереотипы технологии производства кирпича: количество отощающей добавки для получения бездефектных изделий возросло до 45%! Получен кирпич со следующими физико-механическими характеристиками: водопоглощение 6-8%; морозостойкость 100 циклов; марка кирпича 100-200. Однако использование гранитного отсева при низкой формовочной влажности может привести к быстрому износу оборудования и оснастки, что в нынешних условиях практически недопустимо, а говорить о выпуске декоративного (лицевого) кирпича с различными цветовыми оттенками пока рано.
Сырье для производства керамического кирпича не всегда пригодно для технологии ускоренного обжига. Так, при значительном содержании в нем выгорающих компонентов при обжиге могут возникать нежелательные деформационные процессы, в связи с чем была исследована возможность улучшения способности сырья к ускоренному обжигу за счет добавки в сырьевую смесь до 20% того же сырья, подвергнутого предварительной тепловой обработке при температурах 300, 500, 700С с последующим его помолом до размера зерен 1 мм. Добавка сырья, обожженного при 700С, позволяет получать качественные изделия при снижении общего времени на обжиг на 50%. Наблюдаемое при этом повышение пористости компенсируется увеличением максимальной температуры обжига на 20% [90].
Особого внимания заслуживают работы по исследованию глинистого сырья и керамических изделий на его основе, проводимые на Железногор- ском кирпичном заводе (г. Железногорск, Курская область). Для производства строительной керамики здесь используется сырьевая база месторождения тугоплавких глин Большая Карповка. В полезной толще месторождения выявлены четыре разновидности, что существенно осложняет выпуск кирпича однородной окраски. Как показал опыт работы завода, наиболее отрицательно сказывается на внешнем виде изделий наличие вкраплений чёрного цвета, что объясняется большим содержанием включений в составе исходной глины. Химический и минеральный состав включений, механизм появления их на поверхности изделий, а также возможность снижения негативного влияния этих включений на качество изделий не исследовались. Кирпич, выпущенный заводом из смеси, содержащей 30% суглинка Михайловского месторождения Орловской области и 70% глины месторождения Большая Карповка, имел на поверхности очень интенсивные высолы, а это свидетельствует о значительном содержании серы в исходной глине. Следует отметить, что такой важный фактор как содержание в глине серы не был принят во внимание при оценке качества сырья. Для глинистого сырья, используемого в производстве кирпичной продукции, содержание серы имеет принципиальное значение, так как этот показатель определяет качество продукции, работоспособность оборудования и экологическую ситуацию в рабочей зоне.
В результате исследований были получены партии керамических изделий с широкой цветовой палитрой (около 14 оттенков). Однако данный факт носит скорее негативный характер ввиду невозможности получения стабильной окраски образцов. Следует отметить также большой диапазон (разброс) значений общей усадки и водопоглощения образцов из глин одной и той же разновидности, что подтверждает невыдержанность состава и свойств сырья даже в одном слое. Это говорит также и о необходимости проведения исследований по более мелкой сетке.
Исследования, проведённые ВНИИстромом, показывают возможность получения на основе глин месторождений Михайловское и Большая Карповка клинкерной продукции - брусчатки, дорожной плитки. Можно прогнозировать и положительные результаты в разработке технологии клинкерного кирпича, однако здесь нужны специальные исследования.
Химический и минералогический состав используемого сырья
В изучаемых породах установлено повышенное содержание оксида кальция и оксида железа до 6% и почти 7% соответственно. Выявлено, что все рассматриваемые глинистые отложения имеют сложный полиминеральный состав, в котором значительная роль принадлежит кварцу, карбонату кальция и полевым шпатам. Из железосодержащих минералов присутствуют сидерит и гетит. По результатам РФА установлено, что отражения, характерные для глинистых минералов (каолинита, иллита, монтмориллонита), выражены слабо (среднее содержание глинистой составляющей в сырье исследуемых месторождений и участков не превышает 10-15%).
Для рассматриваемого глинистого сырья характерна также высокая чувствительность к сушке (КЧС, определяемый по методике, предложенной З.А. Носовой, в среднем равен 1,4-4,5), наличие водорастворимых солей, карбонатных включений и значительное содержание полевых шпатов.
За основу технологических разработок было выбрано одно из месторождений - Казначеевское, ближе всего расположенное к областному центру, обладающее благоприятными горно-геологическими условиями, свободное от застройки й имеющее балансовый запас сырья категорий А+В+С1 в количестве 3 766 тыс. м3. Глинистое сырье этого месторождения и явилось основным объектом исследования. Ниже приведено краткое описание Казначе- евского месторождения кирпичных суглинков и супесей как основного источника сырья, используемого в работе. Казначеевское месторождение суглинков расположено в Орловской области в 10 км северо-восточнее г. Орла и в 0,5 км юго-восточнее д. Казна- чеево, в 3 км восточнее железнодорожной станции Оптуха [91, 111]. Месторождение ограничено естественными границами, имеет прямоугольную форму площадью около 127 га, вытянутую по правобережному склону долины р. Оптухи в широтном направлении. Площадь месторождения, расположенная на склоне борта долины, имеет ясно выраженный характер волнистости с расчленением в средней части неглубокой балкой с нешироким днищем (10-15 м). Месторождение разведано по сети 50x50 м, 100x100 м и 200x200 м и скважинами глубиной 1,6-9,0 м. Полезная толща представлена четвертичными суглинками с повышенным содержанием карбонатов. Толща суглинков залегает горизонтально с небольшим уклоном в юго-западном, юго-восточном направлениях и имеет однородное строение по всей площади месторождения. Мощность полезной толщи изменяется от 1,2 до 7,6 м, в среднем составляет 3,6 м. К вскрышным породам относится почвенно-растительный слой мощностью от 0,2 до 1,2 м, в среднем 0,6 м. Подстилающими породами являются пески меловой системы и известняки верхнего девона. По результатам разведки и технико-экономических расчетов утверждены балансовые запасы суглинков Казначеевского месторож о дения по состоянию на 01 января 2005 года в следующих количествах (тыс. м ): категории А - 374, В - 805, С! - 2587, категорий (А+В+С0 - 3 766. Исследования, связанные с разработкой технологии получения лицевого керамического кирпича, проводились на основе глинистого сырья одного из наиболее перспективных месторождений центрального региона Российской Федерации (Орловская область, Орловский район, Казначеевское месторождение) и вводимых к нему добавок. Научно-технической основой получения лицевого керамического кирпича из низкосортного глинистого сырья явились основные положения физической химии, законы фазовых превращений в силикатных системах, а также следующие положения. Первое. При высокотемпературном обжиге глинистого сырья, содержащего значительное количество полевошпатных пород и железосодержащих минералов, интенсифицируется процесс спекания керамического черепка за счет образования легкоплавкой эвтектики и растворения в ней других компонентов шихты, что способствует жидкофазному спеканию, образованию новых фаз и получению материала с высокими физико-механическими характеристиками. Второе. Для ликвидации высолов, образующихся на поверхности керамических изделий, изготовленных на основе глинистого сырья со значительным содержанием водорастворимых солей, содержащих натрий, возможно использование каолинитовых глин. Образующийся при разложении под действием температуры каолинита А120з взаимодействует с кремнеземом и водорастворимыми солями с образованием нерастворимых в воде соединений - алюмосиликатов, в частности, альбита (ТМа[А181308]). Третье. Расширение цветовой гаммы керамических изделий может быть достигнуто введением в состав шихты добавок в определенных пропорциях и при различных температурах обжига изделий. Таким образом, были определены составы шихт для получения лицевого керамического кирпича. В качестве добавок использовались высокоглиноземистая каолинитовая светложгущаяся глина Малоархангельского месторождения (Орловская область, Малоархангельский район), пиролюзитовая руда с содержанием основного вещества [Мп02] 85,3% и гематитовый концентрат с содержанием основного вещества [ТегОз] 98%. Исследование разработанных составов и полученных на их основе керамических образцов показало следующие результаты.
Результаты химического анализа проб глинистого сырья, используемого в экспериментальной части, приведены в таблице 4.1. Химический анализ сырья Казначеевского месторождения ввиду его однородности и большого количества проб проводился не для всех отобранных 17 проб, а для 9 (рассматривались верхний, средний и нижний горизонты шурфов).
Стоимость оборудования, транспортных средств, амортизационных отчислений и расчет численности фонда заработной платы
При выявлении целесообразности использования строительного материала в несущих или ограждающих конструкциях необходимо учитывать его способность сопротивляться реальным нагрузкам без нарушения сплошности и размеров. Материал должен надежно сопротивляться воздействующим силам. Одновременно необходимо учитывать стойкость материала к воздействию ожидаемых физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе через 0С, водной среды и др.) и химических (кислоты, щелочи, солевые растворы и др.) факторов. Следовательно, для обоснованного выбора материала приходится учитывать комплекс его технологических, физических и эксплуатационных свойств, которые во многом зависят от химического и минералогического составов исходного сырья и дополнительно вводимых компонентов.
В настоящей работе содержание основных химических составляющих в глинистых породах оценивалось по количественному содержанию диоксида кремния (8Ю2), в том числе свободного кварца, оксидов алюминия (А1203), железа (Ре203) и кальция (СаО) с определением потерь массы при прокаливании (п.п.п) гравиметрическим способом.
Химический анализ проводился в условиях аккредитованной (аттестат аккредитации Госстандарта России № 0001.510504 до 04.07.08 г.) комплексной испытательной аналитической лаборатории ООО «Белгородгеология» по общепринятым методикам (ГОСТ 2642.3-97-ГОСТ 2642.5-97; ГОСТ 2642.797). Определение потери массы при прокаливании проводилось по методике, приведенной в ГОСТ 3594.15-93 (приложение А).
Минералогический состав исследуемых глинистых пород и сырьевых компонентов изучался методом рентгенофазового анализа (РФА, [43]), который проводился в автоматизированном режиме на дифрактометре ДРОН-ЗМ по методу порошка, согласно ГОСТ 16865-79, ГОСТ 25473-82 и ГОСТ 4.19885, в рентгеновской лаборатории ГОУВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» по методике, изложенной в ГОСТ 21216.10-93, при следующих характеристиках и режимах работы аппарата: трубка рентгеновская - БСВ-23(Си); напряжение на трубке - 20 кВ; фильтр — анодный ток — 20 мА; скорость поворота счетчика - 8 град./мин.; размер щелевых диафрагм: 1-я (у рентгеновской трубки) — 2x10 мм, 2-я (у рентгеновской трубки) — 1x10 мм, 3-я (у счетчика) - 0,25x10 мм; счетчик сцинтилляционный — БДС-6-05; диапазон двойных углов 29 - 4-4-56. Обработка дифрактограмм проводилась с использованием программных комплексов «РЕЪсЬэ» и «Дифрактометры».
При проведении количественного анализа обработка данных осуществлялась с помощью программного комплекса «011\ут». Определение условной концентрации минералов производилось с помощью программного комплекса «РБ\Уш» (Н1111 «Буревестник», г. Санкт-Петербург) без учета возможной аморфной составляющей и без учета минералов, находящихся в образцах, условная концентрация которых лежит в нерасчетной области.
При характеристике качественных показателей сырья и установлении его пригодности в производстве строительной керамики важнейшее значение имеют его физико-химические и технологические свойства: формовочная влажность, пластичность, коэффициент чувствительности к сушке (КЧС), линейная воздушная, огневая и полная усадки, содержание водорастворимых солей в сырье и др. Физико-механические и технологические характеристики глинистых пород и смесей на их основе, исследуемых в данной работе, определялись и устанавливались по соответствующим нормативным документам и общепринятым методикам с выполнением требований ГОСТ 30416-96, ГОСТ 2642.0-86, ГОСТ 21216.0-93 на основании результатов испытаний лабораторных проб, подготовка которых носила индивидуальный характер.
Для более точного определения нормальной рабочей влажности, во избежание влияния субъективных факторов, имеющих место при определении формовочной влажности органолептическим методом, нормальная рабочая влажность глиняной массы определялась с использованием прибора Вика. Истинное значение формовочной влажности принималось как среднее арифметическое трех параллельных испытаний.
Определение пластичности глинистого сырья проводилось в соответствии с ГОСТ 5180-84 и ГОСТ 21216.1-93 методом, основанным на определении разности значений влажностей глинистой массы, соответствующих нижней границе текучести и границе раскатывания. Отбор и подготовка проб для анализа проводились в соответствии с ГОСТ 3226-93. Наименование группы глинистого сырья определялось по числу пластичности в соответствии с классификацией, приведенной в ГОСТ 9169-75 , разновидность глинистых грунтов - по ГОСТ 25100-95.
Чувствительность к сушке устанавливалась через коэффициент чувствительности к сушке (КЧС), который определялся по методике, рекомендо- . ванной З.А. Носовой, заключающейся в определении отношения объемной воздушной усадки к истинной пористости образца в воздушно-сухом состоянии. КЧС определялся на образцах, изготовленных из массы с нормальной формовочной влажностью.
Линейная воздушная усадка Ьв измерялась по изменению расстояния между метками, нанесенными штангенциркулем (в направлении двух диагоналей) на поверхность свежесформованных образцов в количестве 3 шт. для каждой пробы сырья в виде плиток размером 60x30x8 мм, изготовленных в металлических формах для прессования с выталкивателем.
Огневая усадка Ьог определялась на тех же образцах, на которых определялась воздушная усадка. Испытываемые образцы обжигались при пяти температурах с шагом в 50С в интервале температур 900-1100С. При каждой температуре обжигалось по три плитки в камерной печи ПК-20/12,5 (производство ЗАО «НАКАЛ») с программным управлением в автоматизированном режиме. Скорость подъема температуры составляла 100 град./час; при конечной температуре образцы выдерживались в течение 6 часов. Плитки охлаждались со скоростью 100 град./час, после чего вынимались из печи и осматривались. Дефектных плиток выявлено не было. Полная (общая) усадка определялась как сумма воздушной и огневой усадки.
