Основы формирования структуры и технологии строительной керамики на базе алюмомагнезиального сырья Гурьева, Виктория Александровна

Введение к работе

Актуальность работы. Важнейшей задачей развития строительной отрасли является создание эффективных ресурсо- и энергосберегающих технологий для производства современных материалов, в том числе керамических: облицовочная плитка, кирпич, черепица и др. Область применения строительной керамики определяет комплекс свойств изделий, которые формируются в результате физико-химических процессов, происходящих в сырье в условиях термического синтеза. Один из способов регулирования процессов структуро- и фазообразования - использование искусственной рационально подобранной малокомпонентной шихты, состоящей из смеси алюмосиликатного глинистого сырья и техногенных продуктов.

В России одной из основных разновидностей техногенных продуктов являются отходы горно-обогатительных комбинатов (далее ГОКов), в виде изверженных горных пород ультраосновного состава, в том числе, содержащих силикаты магния. В ряде случаев данное сырье является готовым по степени помола материалом, а его объем, накопленный в отвалах горно-обогатительных предприятий (Ковдорский, Донской, Коршуновский, Качканарский и др. ГОКи) соизмерим с потребностью стройиндустрии в минеральном сырье.

В настоящее время известны ресурсосберегающие технологии, базирующиеся на структурно-кристаллических закономерностях магнезиальных силикатов, их генетических особенностях, высоких технических свойствах и распространенности в природе, для получения вяжущих веществ, материалов автоклавного синтеза, огнеупорной керамики. Существенный вклад в развитие данного направления внесли ученые кафедры строительных материалов СПбГАСУ: П. И. Боженов, З.Н. Ракицкая, В.В. Прокофьева и др. Однако, система «глина + техногенное магнезиальное сырьё», прошедшая спекание в условиях низкотемпературного обжига (1000-1200 ^оС), по сравнению с огнеупорами отличается фазовым составом черепка, процессами структурообразования, происходящими вследствие образования эвтектической жидкой фазы, физико-механическими свойствами. При наличии отдельных положительных результатов получение строительной керамики на основе данной сырьевой композиции является сложной технологической задачей, зависящей от множества независимых друг от друга характеристик. Разработка методологии комплексного подхода к оптимизации научно-технических основ ресурсосберегающих технологий производства новых видов керамики, базирующихся на нетрадиционном техногенном магнезиальном сырье, является на сегодняшний день ключевой задачей в формировании структуры изделий, характеризующихся стандартными физико-механическими и декоративными свойствами.

Таким образом, замена традиционного для керамической технологии сырья на более дешевое техногенное и производство на его основе изделий приобретает особую актуальность, способствуя решению важных вопросов оздоровления воздушного и водного бассейнов промышленных регионов.

Цель работы. На основе типичного алюмосиликатного глинистого и техногенного магнезиального сырья, разработать ресурсосберегающие технологии отделочных, стеновых, кровельных изделий без использования дефицитных интенсификаторов спекания, глушителей и пигментов.

Задачи исследования:

разработать методологию системно-структурного подхода к применению нетрадиционного техногенного магнезиального сырья для получения изделий в условиях пирогенного синтеза оптимальной структуры, обеспечивающей комплекс физико-механических свойств, удовлетворяющих соответствующим стандартам;

изучить минералогический состав магнезиальных техногенных пород разного происхождения и глин; выявить особенности термических фазовых изменений исходного сырья и свойств, оценить их пригодность для производства строительной керамики;

установить закономерности влияния магнитных и электрических полей на реологические свойства шликерных масс, эксплуатационные свойства изделий;

разработать технологические основы управления структурой и физико-техническими свойствами ресурсосберегающих керамических материалов с применением техногенных силикатов магния и низкосортных алюмосиликатов при различных способах подготовки сырья и формования смесей, введении оксидов щелочных металлов, техногенного пирофиллита;

изучить модифицирующую роль силикатов магния в процессах структуро- и фазообразования в условиях пирогенного синтеза керамического черепка состава «глина + техногенные магнезиальные продукты» и их влияние на формирование свойств керамических изделий различной номенклатуры;

выполнить теоретические и практические исследования по применению магнезиального техногенного сырья в технологии скоростного обжига с целью синтеза структуры и свойств цветных глухих глазурей;

провести промышленную апробацию полученных научных результатов и оценить экономическую эффективность применения техногенного магнийсодержащего сырья в производстве изделий строительной керамики.

Научная новизна:

1. 1. На основе теоретических обоснований и в результате исследований расширена область применения магнезиального сырья. В отличие от ранее проведенных работ, направленных на использование данной разновидности сырья для огнеупорной керамики, предложена и доказана возможность получения в условиях пирогенного синтеза нового поколения изделий строительной керамики, базирующейся на композиции техногенного магнезиального и низкосортного глинистого сырья.

   2. Выявлены и систематизированы особенности структурно-фазовых изменений, происходящих при термической обработке в интервале 500-1300 ^оС техногенных магнезиальных продуктов, основными породообразующими минералами которых являются: оливин, серпентин в виде лизардита и хризотила, и пирофиллит-кварц-серицита; их технологические свойства (водопоглощение, общая усадка, предел прочности при сжатии, средняя плотность, пористость). Это позволило теоретически обосновать применение магнезиальных продуктов ГОКов в качестве основного минерального сырья в производстве строительной керамики и оценить влияние структурных изменений на технологические свойства полуфабрикатов и эксплуатационные характеристики конечного продукта.

   3. Установлена реакционная активность в условиях пирогенного синтеза магнезиального техногенного сырья в структурно-фазовых превращениях, увеличении количества жидкой фазы и формировании форстерита, кристаллических новообразований типа (Mg,Fe)₂Al₃[AlSi₅O₁₈], кордиерита, муллита, устойчивых при высоких температурах, и улучшающих физико- механические свойства керамических изделий (усадочные деформации, температурный коэффициент линейного расширения др.).

   4. Доказано влияние магнитной активации, электроактивации (при изменении силы тока от 0,5 до 2,0 А) воды, применяемой при помоле компонентов шихты и для затворения керамических масс, на дисперсность, пептизирующие свойства глинистого ядра различного химико- минералогического состава и магнезиальное сырье. Это обеспечивает необходимую степень спекания сырца, структуру и комплекс стандартных физико-механических свойств готовых изделий алюмомагнезиального состава. Выявлена возможность получения шликерных масс на активированной воде без применения электролитических добавок.

   Установлены особенности трансформирования структуры и технологических свойств керамического композита состава «глина + магнезиальное техногенное сырье» в зависимости от химического и минералогического составов глинистой составляющей, вида магнезиального сырья, способа активации воды, температуры обжига.

   1. 4. 1. Определены закономерности изменения структуры, дообжиговых и термических свойств строительной керамики в зависимости от содержания в двухкомпонентной шихте магнезиального техногенного сырья разного состава, технологических условий (способ подготовки исходных масс, формовочная влажность, давление прессования и др.), комплексного влияния времени и среды.

         Выявлена возможность получения при введении в керамическую смесь магнезиального продукта малоусадочных масс для различных режимов обжига, в том числе и для скоростного, использования в производстве малопригодных ранее местных глин с узким интервалом спекания (50-70 ^оС), отказа от применения высоко щелочных добавок: пегматитов, нефелинового концентрата.

         1. 4. 2. Определены и научно обоснованы области технологически рационального изменения в шихте техногенного сырья: содержащего силикаты магния и пирофиллит, исследовано их совместное влияние на процессы фазо- и структурообразования алюмомагнезиальных керамических масс в условиях низкотемпературного обжига и эксплуатационные свойства изделий в зависимости от химического и минералогического составов глинистого компонента, способа формования, температурного режима обжига.

               3. Выявлено при введении магнезиального сырья в состав глазурей образование в условиях термического воздействия микронеоднородностей, характеризующихся различной концентрацией ионов Mg²+, Са²+, Fе³+, А1³+, Si⁴+, и установлен ликвационно-кристаллизационный механизм глушения, что обеспечивает снижение ТКЛР стекла, устранение возникновения дефектов на поверхности глазури, необходимую степень ее глушения.

               Для глазурей с применением магнезиального сырья определена температурная зона наиболее интенсивного формирования кристаллических образований (форстерит, клиноэнстатит, хромпикопит, кристобалит) - 9501050 ^оС.

               1. 4. 4. Установлено образование твердых растворов клиноэнстатитов типа (MgbxFex^S^O^, окисление Cr³+ до Cr⁶+ при термическом синтезе глазурей с применением техногенного дунита в виде продукта обогащения хромсодержащих руд в зависимости от содержания хромофоров МgО, Сг₂О₃, Fе₂О₃, характера газовой среды, что позволило получить беспигментные глазури с высокой кроющей способностью от светло-бежевого до темно- коричневого тонов.

                     Достоверность полученных результатов. Обоснование формирования структуры и разработка технологических основ строительной керамики на базе алюмомагнезиального сырья выполнено с использованием фундаментальных основ и закономерностей материаловедения, научных положений и технологий, разработанных ведущими учеными данной области: Ю.Б. Баженов, П.И. Бо- женов, П.Г. Комохов, С. Ф. Коренькова, В.В. Прокофьева, Р. З Рахимов, Л.Б. Сватовская, Н.Г. Чумаченко и др.

                     Достоверность полученных результатов и выводов по работе обеспечена:

                     1. методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных и современных методов (рентгенофазовый, дифференциально-термический, электронно-микроскопический анализы);

                     2. использованием аттестованного лабораторного оборудования;

                     3. применением математических методов планирования эксперимента и вероятностно-статистических методов обработки результатов;

                     4. опытно-промышленными испытаниями и их высоким практическим эффектом.

                     Практическая значимость работы:

                     5. Научно-практические результаты разработок по проблеме использования магнезиальных техногенных продуктов в строительной керамике пирогенного синтеза с учетом данных по генезису, максимальному использованию химической активности, дисперсности сырья, дают возможность расширить область применения магнезиального сырья и местную сырьевую базу регионов.

                     6. Разработаны составы сырьевых шихт на базе композиции магнийсодержащего техногенного сырья и местных низкосортных глин, различных химико-минералогических составов, и оптимизированы технологические параметры производства керамических изделий строительного назначения (плитка, кирпич, черепица, изразцы); способ получения изделий строительной керамики, не склонных к трещинообразованию, имеющих низкую усадку в процессе сушки и обжига, улучшенные показатели механической прочности и морозостойкости, что достигается применением воды, предварительно нагретой до 40-60 ^оС, и прошедшей физическую активацию до эффективности насыщения 40-60 %; с использованием составов масс различной композиции алюмомагнезиального сырья.

                     7. Получены глухие матовые полуфриттованные и фриттованные глазури без использования дефицитного и дорогостоящего циркониевого сырья, высокая кроющая способность которых позволяет использовать для керамической основы глины с различным содержанием красящих оксидов.

                     8. Внедрение в технологию производства строительной керамики нетрадиционного сырья - техногенных магнезиальных продуктов ГОКов способствует организации местных производств изделий расширенной номенклатуры с улучшенными физико-механическими свойствами, применением высококачественных декоративно-защитных эмалевых покрытий по разработанным ресурсосберегающим технологиям с привлечением низкосортных легкоплавких глин. Полученные практические результаты могут быть использованы для решения технологических задач оптимизации и управления процессами формирования структуры и свойств изделий, при разработке бизнес-планов нового строительства или реконструкции действующих керамических предприятий и способствуют развитию материальной базы строительного комплекса в различных регионах страны.

                     9. Широкое применение техногенного магнезиального сырья способствует комплексному решению вопросов: максимально полной переработке сырья и снижению себестоимости рудной продукции ГОКов, исключению затрат на геологическую разведку и строительство новых карьеров традиционного керамического сырья, улучшению экологической ситуации региона и рациональному землепользованию.

                     10. Экономическая эффективность разработанных технологических основ строительной керамики выражается в снижении затрат на приобретение сырья (доля используемых специально добываемых глинистых материалов в шихте снижается до 20-45 %); отказе от использования природного, подвергаемого обогащению, щелочесодержащего сырья (нефелиновый концентрат, пегматит) и существенном снижении доли стеклобоя (на 67-82 %); сокращении расхода добавки электролита до наименьшего количества (менее 0,1 %) или полном отказе от ввода электролита при приготовлении шликерных масс; уменьшении количества компонентов сырьевой керамической шихты с 7-8 наименований до 2-3; отказе от использования при производстве глазурей дорогостоящего циркониевого концентрата и пигментов; уменьшении затрат на помол, автотранспортные расходы; улучшении физико-механических и декоративных свойств изделий.

                     Реализация результатов исследований.

                     В период 1986-1987 гг. выпущены опытно-промышленные партии плитки для внутренней отделки стен с использованием в качестве сырья дунитов и глины Донского месторождения в плиточном цехе ЛЗКИ (п. Никольское Ленинградской обл.). На основе полученных результатов разработаны документы: технологический регламент и ТЭП проектирования цеха по производству керамической облицовочной плитки, на основании которых в 1987 г. Президиумом Совета Министров Казахской ССР принято решение по созданию на ДГОКе завода облицовочной плитки мощностью 1млн м в год с использованием местного сырья. В 1992 г. завод пущен в эксплуатацию с внедрением результатов выполненных научных изысканий.

                     Результаты опытно-промышленных испытаний по применению сырья Оренбуржья (глины месторождений: Соль-Илецкое, Кумакское и техногенные пирофиллитовые продукты Гайского ГОКа) в производстве керамической плитки для внутренней отделки стен (ЛЗКИ, п. Никольское, 1990 г.) внедрены в 2000 г. в цехе керамической плитки ОАО «Гайский ГОК» (Оренбургская обл.).

                     В цехе производства керамического кирпича ООО «Завод строительных материалов и конструкций» (г. Салават, Башкортостан) проведены опытно- промышленные испытания способа электрохимической активации воды, примененной для затворения массы при изготовлении кирпича пластического способа формования (2005 г.).

                     Внедрена в производство майоликовых изделий масса на основе техногенных серпентинитовых продуктов Халиловского ГОКа с применением для ее затворения электроактивированной воды на предприятиях: ООО «Русская керамика» (п. Саракташ, Оренбургская обл., 2006 г.), ООО «ЭкоЮнит» (г. Оренбург, 2007 г.).

                     В заводских условиях апробированы массы на основе техногенных дунитов, серпентинитов, пирофиллит-серицит-кварцевого сырья для производства кирпича, черепицы, изразцов (ООО «Энергостройматериалы», г. Оренбург, 2007 г.; ООО «Промкерамика», с. Октябрьское Оренбургской обл, 2008 г.). По полученным результатам разработаны и переданы предприятию ООО «Энергостройматериалы» технологический регламент на производство пустотелого керамического кирпича и результаты расчетов экономической эффективности реконструкции завода (2007 г.). Опробованные составы внедрены в производство (ООО «Энергостройматериалы» 2008 г.).

                     Разработаны и переданы ООО «Оренбургский магнезит» технологический регламент производства керамической плитки на базе техногенного серпентинита и глины Кумакского месторождения и результаты расчетов экономической эффективности строительства завода (2010 г.).

                     Результаты исследований реализованы в учебном процессе (лекции, курсовое и дипломное проектирование, методические указания) при подготовке инженеров различных специальностей по направлению «Строительство».

                     На защиту выносятся:

                     10. 5. Структурно-фазовые изменения техногенных магнезиальных продуктов ГОКов и алюмосиликатного сырья Южного Урала, происходящие в условиях обжига с учетом их структурно-минералогических особенностей, степени серпентинизации, и их технологические свойства.

                         6. Концептуальные основы разработки составов, технологических режимов, формирования структуры и эксплуатационных свойств керамических изделий на базе магнийсодержащего техногенного сырья с применением местных низкосортных глин и добавок.

                         7. Режимы и технология активации воды внешним воздействием магнитных и электрических полей, ее влияние на реологические свойства шликерных масс, изменение гранулометрического состава, структуру и эксплуатационные свойства керамических изделий. Физическая модель структурообразования керамики на основе техногенного магнезиального сырья при воздействии электромагнитных полей.

                         8. Структурно-фазовые изменения, происходящие в керамическом черепке в условиях пирогенного синтеза, в присутствии техногенных магнезиальных продуктов.

                         9. Составы, свойства, структурно-фазовые превращения, происходящие при синтезе глазурей для керамических изделий, получаемых в условиях скоростного обжига с использованием в качестве глушителя и хромофора техногенных силикатов магния.

                         10. Результаты внедрения экспериментально разработанных технологических основ производства изделий строительной керамики на базе техногенного магнезиального сырья и их экономическая эффективность.

                         Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях регионального, всероссийского и международного уровня в Оренбурге (1992-2010 гг.), Самаре (1995 г, 2011 г.), Санкт- Петербурге (2002, 2004 гг.), Ростове-на-Дону (2002 г., 2007 г.), Новосибирске (1993, 2006 гг.), Белгороде (2007, 2009, 2010 гг.), Улан-Удэ (2008 г.), Воронеже (2008 г.), Волгограде (2009 г.).

                         Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ, в том числе 16 статей в рекомендуемых ВАК РФ журналах. По результатам исследований опубликована монография, научная новизна технических решений подтверждена 2 авторскими свидетельствами СССР и 2 патентами Российской Федерации на изобретение.

                         Личный вклад автора. Постановка задачи, проведение экспериментов, анализ и интерпретация результатов исследований, разработка оптимальных составов композиций, промышленная апробация экспериментальных данных принадлежат лично автору или были проведены при его непосредственном участии.

                         Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов, изложена на 321 страницах, содержит 95 рисунков, 52 таблицы, библиографический список из 305 наименований и 17 приложений, отражающих результаты производственных апробаций, внедрений и экономическую эффективность.

                         Похожие диссертации на Основы формирования структуры и технологии строительной керамики на базе алюмомагнезиального сырья

                         Повышение эффективностипроцессов структурообразования формирования строительных плит на основе отходов растительного сырьяКурдюмова, Валентина Мефодьевна

                         

                         Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов Пухаренко Юрий Владимирович

                         Формирование структур твердения при получении строительных материалов на основе оксидов двухвалентных металловСаркисов, Юрий Сергеевич

                         

                         Мелкозернистые бетоны для монолитного строительства на основе сырья Ханты-Мансийского автономного округаГринев, Анатолий Петрович

                         Гранулированный наноструктурирующий заполнитель на основе сырья различного типа для легких бетоновМаксаков, Алексей Викторович

                         Мелкоштучные стеновые материалы на основе сырья Чеченской РеспубликиАласханов, Арби Хамидович

                         

                         Эффективные стеновые материалы на основе местного сырья для эксплуатации в суровом климатеЕгорова Анастасия Дмитриевна

                         

                         Создание и исследование свойств утеплителей на основе местного сырьяСолдатов Сергей Николаевич

                         

                         Пустотело-пористая стеновая керамика на основе местного сырьяМавлюбердинов Азат Рашидович

                         

                         Технический пенообразователь на основе белоксодержащего сырья для производства неавтоклавного пенобетонаГурова Елена Викторовна