Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 .Основные виды искусственных пористых алюмосиликатных заполнителей (АИПЗ) 14
1.2. Факторы, влияющие на качество АИПЗ 20
1.3. Способы регулирования свойств АИПЗ 26
1.4. Методы оценки качества сырья и прогнозирования свойств АИПЗ 33
1.5. Рабочая гипотеза и задачи исследования 39
Глава 2. Методы и объекты исследований 44
2.1. Стандартные и общепринятые методы 44
2.2. Применение вероятностно-статистических и других математических методов исследований 46
2.3. Характеристика используемого сырья и добавок 49
Глава 3. Разработка оценочной части метода проектирования шихты оптимального состава 56
3.1. Компьютерный метод расчета количества и состава расплава, образующегося в керамических массах при обжиге 56
3.1.1. Усовершенствований метод расчета количества и состава расплава, образующегося в керамической шихте при обжиге 58
3.1.2. Влияние химического состава минерального сырья на расчет количества и состава расплава 60
3.1.3. Влияние размера зерен кварца на количество аморфного кремнезема, способного участвовать в образовании расплава 61
3.1.4. Исходные данные для расчетной оценки
минерального алюмосиликатного сырья 61
3.1.5. Математическая модель процесса плавления алюмосили кат ной шихты 62
3.2. Выбор критериев для прогнозирования качества строительной керамики и искусственных пористых материалов 70
3.2.1. Критерии оценки пригодности алюмосиликатного сырья для получения из него спекшихся материалов 71
3.2.2. Критерии оценки пригодности алюмосиликатного сырья для получения из него искусственных пористых заполнителей 73
3.3. Расчёт границ области шихты оптимального состава 76
3.3.1. Расчёт границ области оптимальных соотношений между эвтектическими расплавами 77
3.3.2. Определение границ области оптимальных расплавов 80
3.3.3. Расчёт границ области оптимальных составов 83
3.3.4. Оценка достоверности найденных границ области оптимальных составов 88
3.4. Оценка интервала вспучивания 89
3.5. Выводы по главе 3 92
Глава 4. Разработка расчётной части метода проектирования шихты оптимального состава 93
4.1. Выбор критериев для проектирования состава многокомпо нентной алюмосиликаты ой шихты 93
4.4. Математическая модель процесса проектирования многокомпонентной, алюмосиликатной шихты оптимального состава 96
4.5. Компьютерная реализация метода 99
4.6. Рекомендации по использованию программного комплекса 106
4.7. Выводы по главе 4 107
Глава 5. Компьютерное проектирование составов шихт для АИПЗ 108
5.1. Компьютерная оценка минерального алюмосиликатного
сырья с целью получения из него спекшихся материалов 109
5.2. Компьютерная оценка алюмосиликатного сырья для производства поризованных алюмосиликатных заполнителей 113
5.3. Компьютерное проектирование шихты на основе глинистого сырья 118
5.3.1. Разработка составов для получения прочного и лёгкого
АИПЗ 118
5.3.2. Разработка составов для получения сверхлёгкого АИПЗ 124
5.4. Компьютерное проектирование шихты нетрадиционного состава 130
5.4.1. Выбор компонентов шихты 130
5.4.2.0ценка влияния состава шихты на свойства АИПЗ 135
5.4.3.Выбор критериев для многокритериального проектирова
ния состава шихты 142
5.4.4. Выбор вариантов имеющих максимальную эффективность 143
5.5. Выводы по главе 5 153
Глава 6. Экспериментальная и заводская проверка созданных составов 156
6.1. Оценка влияния технологических факторов 156
6.2. Особенности применения пористых алюмосиликатных заполнителей в лёгких и конструкционных бетонах 164
6.3. Промышленная апробация разработанных составов 167
6.4. Экономическая эффективность применения «Программного комплекса для оценки минерального алюмосиликатного сырья» 170
6.5. Выводы по главе 6 175
Общие выводы 177
Библиографический список 180
- Способы регулирования свойств АИПЗ
- Применение вероятностно-статистических и других математических методов исследований
- Влияние размера зерен кварца на количество аморфного кремнезема, способного участвовать в образовании расплава
- Математическая модель процесса проектирования многокомпонентной, алюмосиликатной шихты оптимального состава
Введение к работе
Актуальность работы
Ведущее место в номенклатуре искусственных пористых заполнителей многие годы занимал керамзитовый гравий, поскольку технология производства этого заполнителя с широким диапазоном свойств была хорошо освоена, а сырье широко распространено. Однако в настоящее время появилась негативная тенденция к понижению значимости этого заполнителя и закрытию ряда предприятий. Это происходит, прежде всего, из-за ограниченности запасов кондиционного керамзитового сырья.
Одним из направлений модернизации производства алюмосиликатного искусственного пористого заполнителя (АИПЗ) является переход на многокомпонентные природные и техногенные алюмосиликатные шихты, что, как правило, приводит к увеличению количества компонентов с 1-2 до 4-10. Для реализации данного подхода необходимо уметь оперативно разрабатывать эффективные составы шихт, которые обеспечили бы получение материалов с заданными свойствами при оптимальном сочетании технико-экономических показателей. Подобную задачу приходится решать неоднократно при переходе на новые источники сырья из-за истощения запасов или ухудшения качества эксплуатируемых месторождений, а также при использовании нетрадиционного сырья, например, промышленных отходов.
В этих условиях существующие методы оценки пригодности сырья для производства АИПЗ и проектирования составов становятся мало эффективными. Поэтому при проектировавин составов из многокомпонентных сырьевых шихт необходим качественно новый подход, основанный на использовании методов математического моделирования и специального программного обеспечения.
Цель и задачи исследования
Целью работы являлась разработка метода компьютерного проектирования шихт оптимального состава из традиционного и нетрадиционного сырья для получения искусственного пористого алюмосиликатного заполнителя с заданными свойствами.
Поставленная цель определила следующие задачи:
усовершенствование метода расчета количества и состава расплава, а также нерастворившегося остатка, образующихся в керамических массах при обжиге;
определение границ областей оптимального химического состава сырьевых шихт, обеспечивающих получение АИПЗ с заданными свойствами;
обоснование критериев оценки пригодности алюмосиликатного сырья для производства различных видов АИПЗ;
разработка математических моделей, описывающих: процесс образования расплава в алюмосиликатной шихте при обжиге, процедуру оценки алюмосиликатного сырья, процесс моделирования многокомпонентных алюмоси-ликатных шихт по химико-минеральному составу сырья;
рос национальная]
БИБЛИОТЕКА | СЛемр«ррг VI 1,1
реализация математических моделей на ЭВМ в виде метода компьютерного проектирования шихт АИПЗ;
определение достоверности результатов оценки алюмосиликатного сырья выполненной с помощью разработанной системы;
разработка составов АИПЗ с заданными техническими свойствами, а также технологическими и экономическими характеристиками, на основе традиционного (глинистого) и нетрадиционного сырья;
- экспериментальная и заводская проверка запроектированных составов.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в разработке методологии математического моделирования процесса формирования фазового состава АИПЗ в процессе обжига алюмосиликатного сырья. При этом:
-
Усовершенствован метод расчета количества и состава расплава, а также нерастворившегося остатка, образующихся в алюмосиликатных массах при обжиге.
-
Впервые созданы математические модели для алюмосиликатных составов, описывающие процессы:
формирования фазового состава при обжиге;
оценки сырья для производства АИПЗ;
- моделирования многокомпонентных шихт по химико-минеральному
составу.
-
Впервые определены точные границы областей существования шихт оптимальных составов для получения АИПЗ трех видов: сверхлегкого, легкого и прочного.
-
Разработан компьютерный метод, позволяющий проводить:
оценку алюмосиликатного сырья для использования в производстве АИПЗ;
проектирование шихт для получения АИПЗ с заданными свойствами из традиционного и нетрадиционного сырья.
-
Впервые проведено компьютерное проектирование шихт АИПЗ, состоящих только из промышленных отходов.
-
Доказана возможность использования расчетных критериев, учитывающих соотношение оксидов в расплаве и составе шихты для прогнозирования прочности и плотности АИПЗ.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов оценки алюмосиликатного природного (керамзитовых глин) и техногенного сырья, выполненной с помощью разработанного компьютерного метода, обеспечена:
- сходимостью полученных результатов с результатами других исследо
вателей;
- количеством проведенных оценочных испытаний.
Достоверность проектирования шихт для получения АИПЗ с заданными
свойствами из традиционного и нетрадиционного сырья разработанным компьютерным методом обеспечена:
- сходимостью полученных экспериментальных данных с результатами
других исследователей;
количеством образцов - близнецов в партии, обеспечивающим при фактической статистической изменчивости значения исследуемых характеристик с доверительной вероятностью 0,95-0,97, при погрешности 5-Ю %;
применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов;
использованием аттестованного лабораторного оборудования;
использованием комплекса современных физико-химических методов;
проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях.
Практическая значимость работы
Практическая ценность работы заключается в создании удобного для использования метода компьютерного проектирования шихт для получения АИПЗ. Разработанное программное обеспечение - «Программный комплекс для оценки минерального алюмосиликатного сырья» (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 990185, выданное ГОСФАП), реализующее разработанный метод, состоит из двух программ: «Оценка» и «Вариант».
Программа «Оценка» предназначена для оценки минерального алюмосиликатного сырья (кирпично-черепичных и керамзитовых глин, промышленных отходов) с целью прогнозирования качества обожженных материалов и технологических параметров обжига. Система позволяет по химическому составу минерального сырья сделать прогноз:
о возможности его применения без корректировки состава для выпуска АИПЗ разной степени вспучивания, а также спекания;
о технологических параметрах производства (температуре обжига, интервале спекания или вспучивания);
о виде необходимых добавок для получения материалов с необходимой степенью вспучивания или спекания.
Программа «Вариант» предназначена для оценки многокомпонентных алюмосиликатных шихт с числом компонентов до 10 с целью прогнозирования качества обожженных материалов и технологических параметров обжига, а также подбора состава многокомпонентных шихт, обеспечивающих получение АИПЗ с заданными свойствами. Результаты оценки представляются в удобном графическом и табличном видах.
Программный комплекс рекомендуется использовать:
- действующим и вновь организованным керамзитовым и кирпичным за
водам для повышения качества продукции и расширения номенклатуры;
-геологическим службам по природным ресурсам для разработки рекомендаций по использованию разведанных месторождений глинистого сырья;
- промышленным предприятиям для выбора направлений использования
промышленных минеральных отходов.
АИПЗ может быть эффективно использован в производстве как легкого бетона для изготовления эффективных ограждающих конструкций, так и бетона для производства несущих конструкций.
Реализация результатов работы
Разработанный программный комплекс использован:
при оценке разведанных месторождений глинистого керамзитового сырья Самарской области, Башкирии и Татарии;
при проектировании составов АИПЗ из искусственных шихт для завода КПД г. Димитровграда (Самарской обл.).
Разработанные положения включены в учебное пособие «Разработка составов сырьевых шихт для производства керамических материалов» и используются в учебном процессе СГАСУ при: подготовке инженеров по специальности 290600, чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине «Керамические и плавленые материалы», подготовке магистров и аспирантов, выполнении дипломных проектов.
На защиту выносятся:
-
Усовершенствованный метод расчета количества и состава расплава, а также нерастворившегося остатка, образующихся в керамических массах при обжиге.
-
Границы областей оптимального химического состава сырьевых шихт, обеспечивающих получение АИПЗ с заданными свойствами.
-
Критерии оценки пригодности алюмосиликатного сырья для производства АИПЗ различных видов: сверхлегкого, легкого с повышенной прочностью, прочного.
-
Математические модели для алюмосиликатных составов, описывающие процессы: формирования фазового состава при обжиге; оценки сырья для производства АИПЗ; моделирования многокомпонентных шихт по химико-минеральному составу, сводящего процесс проектирования шихты для получения АИПЗ разных видов к решению задачи нелинейной оптимизации.
-
Метод компьютерного проектирования шихт оптимального состава для получения алюмосиликатных искусственных пористых заполнителей с заданными свойствами.
-
Программное обеспечение для ЭВМ, реализующее разработанный метод компьютерного проектирования.
-
Разработанные рецептуры сырьевых шихт для производства АИПЗ с заданными техническими свойствами, а также технологическими и экономическими характеристиками, на основе традиционного (глинистого) и нетрадиционного сырья.
8. Результаты производственной апробации.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на международных, всесоюзных, республиканских и межотраслевых конференциях: Академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Самара, 1995); VIII Международном конгрессе «Актуальные проблемы экологии человека» (Самара, 2003); международных НПК «Ресурсо - и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Новосибирск, 1997) и «Информационная среда вуза» (Иваново, 1999); Всесоюзном совещании «Методы аналитических и технологических ис-
следований неметаллических полезных ископаемых» (Казань, 1999); Региональных 54-61 НТК СГАСУ «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» и «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» (Самара, 1997- 2003); Региональной НТК «Автоматизированные информационные системы при строительстве и эксплуатации зданий, сооружении и объектов жизнеобеспечения» (Самара, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 202 наименований и 9 приложений. Работа изложена на 176 страницах компьютерного текста, включающего в себя 42 таблицы и 39 рисунков.
Способы регулирования свойств АИПЗ
Кремнистые опаловые породы - перспективное сырьё для производства тремолита [151], который получают обжигом породы до спекания. Основной недостаток такого заполнителя - высокая насыпная плотность: от 900 до 1000 кг/м3. Для вспучивания кремнистых пород В.Н. Иваненко [77] в порошок исходной кремнистой породы вводил растворы щелочей в количестве от 8 до 20 %. Автором, на основании испытания кремнистых пород 20 месторождений, было установлено, что при введении в сырьевую смесь 15 % щелочей температура вспучивания сырцовых гранул составляет 750-900 С, уменьшение содержания щелочных добавок до 6-8 % приводило к увеличению температуры обжига до 1000 С. Полученный на основе кремнистых пород особо лёгкий АИПЗ имел насыпную плотность от 100 до 300 кг/м .
Легкий заполнитель, по своим свойствам близкий к керамзиту, был получен: из трепела в сочетании: с не большим количеством щелочей [27]; глиежей с небольшим количеством сульфитно-спиртовой барды [19].
В работе М.Н. Барановой [33] ппредлагаются методы термохимической обработки сырья, направленные на стабилизацию структуры заполнителя и повышение его химической поверхностной активности. Обработка камневидных кремнистых пород водными растворами щелочей и суспензиями из алюминатов позволила снизить температуру обжига на 100 - 200С и повысить морозостойкость получаемого АИПЗ с 15 до 50 циклов. В результате использования этих методов был получен АИПЗ из различных кремнистых пород: опоки, диа-томитов, трепелов с насыпной плотностью от 550 до 990 кг/м при прочности от 4,2 до 11,8 МПа.
В работе [88] установлено, что в процессе высокотемпературного обжига могут быть получены пористые материалы из магматических, силикатных и алюмосиликатных горных пород. Необходимым условием при этом является использование суперплавней, которые в процессе обжига обеспечивают (подобно щелочным гидрооксидам) совмещение процессов перехода шихты в пи-ропластическое состояние с процессом активного газовыделения. Наилучшие результаты (насыпная плотность заполнителя 350-670 кг/м3 при прочности от 1,4 до 3,3 МПа) были получены при использовании в качестве суперплавня нефтешламовых отходов, образующихся при чистке резервуаров на нефтяных месторождениях.
В настоящее время разработано большое количество составов на основе зол и шлаков ТЭЦ, как включающих в себя глинистые минералы в небольшом количестве (не больше 16 %) [22, 25, 28], так и не включающие их [20, 23]. Как правило, в этих составах основную роль играют зола или шлак, к которым, при необходимости, добавляются щёлочесодержащие или железосодержащие компоненты, Изменение соотношения компонентов позволяет менять свойства АИПЗ в достаточно широких пределах: - Различные варианты смеси золы и шлака ТЭЦ [23] позволили получить материал с насыпной плотностью от 280 до 290 кг/м при прочности от 0,5 до 0,7 МПа. - Лёгкий АИПЗ [28] с неплохими характеристиками (насыпная плот 18 ность от 210 до 360 кг/м при прочности от 1,4 до 2,2 МПа) удалось получить при добавке к щлаку ТЭЦ небольшого количество глины и лигнина. - Низкотемпературный прочный АИПЗ [20] с насыпной плотностью от 400 до 700 кг/м при прочности от 5,5 до 9,3 МПа получен из гранулированного фосфорного шлама, позволившего снизить температуру обжига до 950-980 С. - Использование вулканического пепла позволило снизить температуру обжига при получении легкого АИПЗ до 850-970 оС (насыпная плотность от 310 до 380 кг/м" при прочности от 1,32 до 1,7 МПа).
В работах [96, 108, 138] С.Ф. Кореньковой, В.П. Петрова и Б.А. Максимова описывается новый строительный материал - шлакозит, получаемый из шлаков тепловых электростанций, и его применение для производства шлакозито-бетона, применяемого в однослойных стеновых панелях. В работе Б.А. Максимова [108] даются практические рекомендации по технологии производства АИПЗ марок 250-350 из шлаков тепловых электростанций со свойствами, необходимыми и достаточными для организации производства однослойных ограждающих конструкций. Для шлакозитобетона [96] использовался АИПЗ с насыпной плотностью от 189 до 216 кг/м и прочностью от 1,28 до 1,7 МПа. При производстве [138] АИПЗ (насыпная плотность от 200 до 250 кг/м3 при прочности от 1 МПа) для однослойных стеновых панелей использовался шлак тепловых электростанций конкретного химического состава: Si02 - 56,37 % А1203 + ТІО2-21.22 %. FeO- 6,98%, RO- 8,93%, R20- 6,51 %, размолотый до удель А
ной поверхности 4000 - 6000 см /г,
Кроме зол и шлаков всё чаще при производстве АИПЗ находят применение и другое техногенное сырьё. Так смесь, содержащая: бокситовый шлам, отходы производства фтористого алюминия, известковые отходы сахарной промышленности, осадок сточных вод гальванического производства [21] позволила создать прочный АИПЗ (насыпная плотность от 415 до 660 кг/м3 при прочности от 2,8 до 6 МПа), а шихта содержащая: кислый ваграночный шлак, осадок станций водоочистки и горелую землю [26] - сверхлёгкий и достаточно прочный АИПЗ ( насыпная плотность от 310 до 380 кг/м3 при прочности от 1,32 до 1,7 МПа). Это связано с тем, что в ней присутствует Мп02, позволяющий, как отмечают авторы, снизить вязкость смеси в пиропластическом состоянии. Это происходит за счёт образования ферромарганцевых соединений с А120з и FeO и изменения соотношения Si02:CaO:Al203 в сторону увеличения Si03, при этом интервал вспучивания увеличивается. Оптимальное значение поверхностного натяжения расплава способствует получению закрытой пористости и снижению открытой пористости до 4 - 6 % от общей пористости гранул. Это ведёт к получению АИПЗ оптимальной структуры. Кроме того, использование, входящей в состав шихты горелой земли в мелкодисперсном состоянии, приводит к образованию таких высокопрочных соединений, как форстерит.
Наряду с плотностью и прочностью существенную роль при выборе области применения и получаемых свойств бетонов на их основе играет структура искусственного пористого заполнителя. Различают два основных вида структур: крупнопористая и ячеистая со спёкшейся корочкой.
Крупнопористая структура характерная, например, для аглопоритового гравия, образуется в результате выгорания топлива и органических веществ, испарения влаги, контактного спекания отдельных минеральных зёрен и частичного вспучивания, а также вследствие давления газов в гранулах, находящихся в зонах, удалённых от очагов горения.
Внутренняя ячеистая структура со спекшийся корочкой характерна для АИПЗ, полученных вспучиванием массы. Например, керамзитового гравия. Основным условием, обеспечивающим вспучивание глинистых пород при обжиге для получения керамзитового гравия, как подчёркивается многими исследователями [66, 132 - 134], является совмещение во времени пиропластическо-го состояния обжигаемой массы оптимальной вязкости с равномерно распределённым газовыделением.
Применение вероятностно-статистических и других математических методов исследований
Важно чтобы интенсивное газообразование происходило при температурах образования оптимальной вязкости пиропластической массы. Источники газообразования изучались многими исследователями [35-37, 42, 52, 60, 111, 161]. В обзорах, приведённых в работах СП. Онацкого [131] и А.В. Жукова [65] говорится, что вспучивать АИПЗ могут различные газы: С02, СО, 02, S02, образующиеся в результате восстановления железа (1000 - 1200 С), диссоциации карбонатов: карбоната кальция (850-900 С), карбоната магния (500 -600 UC), карбоната железа (400 - 500 С), испарения конституционной воды (180- 990 С), диссоциации сульфатов натрия, кальция, магния и алюминия совместно с ортофосфорной кислотой (1100 - 1450 С), Кроме того, многими авторами отмечается, что при высокой скорости обжига, часть процессов перемещается в область более высоких температур.
В работах В.Ф. Павлова [133-135] отмечается, что введение магнийсодер-жащих добавок в глину увеличивает прочность черепка, это связано с образованием при 1250 С мелкокристаллического кордиерита и кристаллизацию муллита. Эта добавка повышает прочность самого стекла. Температура образования кордиерита может быть снижена на 150-200 С при использовании щелочных добавок.
М. К. Кабановой [117] отмечен ряд новых факторов, связанных с применением многокомпонентных шихт. Например, установлено положительное влияние на процесс муллитообразования добавки А120з в гидрооксидной форме, вследствие быстрого подъема температур, характерного для технологии керамзита, удаление связанной воды из А1(ОН)3 происходит не при 200 - 500 С, а сдвигается в более высокотемпературную область. При этом продукт дегидратации, вследствие разрушения кристаллической решетки гидрата, проявляет большую реакционную способность и при указанных условиях активно участвует в формировании новообразований, в данном случае муллита. Многокомпонентные шихты со стимуляторами кристаллизации дают наиболее значимые изменения фазово-минералогического состава керамзита, что и приводит к оптимальному повышению физико-механических свойств, в том числе термических. Возрастает интенсивность минералообразования, увеличивается суммарное содержание кристаллических фаз; изменяется не только количественная, но и качественная сторона процесса формирования фазового состава и микроструктуры заполнителя. Появляются новообразования, обычно не свойственные керамзиту: энстатит, корунд, алюмохромит, придающие ценные свойства материалу заполнителя. Тонкая микроструктура материала приобретает целый ряд особенностей, в том числе удается добиться сравнительно равномерной мелкокристаллической микроструктуры ситаллоподобного вида. При этом степень закристаллизованное возрастает на 10 - 30 %, а со стимуляторами на 15-36%. Значительное увеличение муллита, шпинели {в 2 -4 раза) особенно характерно для образцов с большим содержанием вводимых компонентов — 30 % и более. Общая особенность фазовых изменений - резкое снижение содержания кварца (растворение и дополнительное минералообразо-вание), тогда как в обычном керамзите кварц - одна из основных составляющих кристаллической фазы. Автором делается вывод, что добиваться необходимых свойств АИПЗ, получаемого из многокомпонентной шихты нетрадиционного состава можно меняя соотношение входящих в неё компонентов. При этом важно знать границы допустимого изменения количества каждого оксида и его влияние на свойства АИПЗ, в связи с этим М. К. Кабановой [117] подчёркивается что: - возрастание доли Na20 и К20 снижает насыпную плотность и темпера туру обжига, увеличивает интервал вспучивания и способствует появлению муллита и других новообразований при более низкой температуре; - FeO и е20-$, являясь основными источниками газа для вспучивания, позволяют, кроме того, сохранить необходимую вязкость расплава для образо ванию оптимальной структуры материала; - появлению муллита в АИПЗ способствует, увеличение количества гли зо нозёма в шихте, причём соотношение количества 8Ю2 и А1203 должно приближаться к такому же соотношению в муллите; - небольшое количество СаО и MgO в шихте позволяет сохранить необходимую вязкость расплава более длительное время, способствуя увеличению интервала вспучивания и образованию оптимальной структуры материала; - присутствие Мп02 приводит к образованию ферромарганцевых соединений с А12Оз и FeO, способствуя получению закрытой пористости и кристаллизации форстерита;. - образованию равномерной мелкокристаллической микроструктуры си-таллоподобного вида способствуют компоненты, содержащие катализаторы кристаллизации, например MgO.
Влияние щелочных добавок на фазовые превращения при обжиге золог-линяных материалов исследовалось в работе [60], здесь было установлено, что введение в сырьевые смеси щелочных добавок - один из путей направленного регулирования фазового состава и снижения температуры обжига керамических материалов. Авторы показали, что добавка щелочных оксидов в исследуемые золокерамические массы в зависимости от вида и свойств исходных компонентов снижает температуру образования жидкой фазы примерно на 100 С, например с 900 - 850 до 800 - 750С. Такое понижение температуры обжига обусловлено образованием легкоплавких эвтектик в двухкомпонент-ных (Na20 - Si02) и (К20 - Si02) и трё хкомпонентных (Na20 -СаО- Si02) системах. Ввод ЇС20 в золошлаковые образцы приводит к увеличению количества образующегося расплава и замедлению процесса кристаллизации кристобали-та из аморфного кремнезёма.
Влияние размера зерен кварца на количество аморфного кремнезема, способного участвовать в образовании расплава
Основное место в процессе проектирования шихты, из которой можно получить алюмосиликатный заполнитель с заданными свойствами, занимает оценка пригодности её компонентов и подбор состава шихты. Всё это можно быстро и эффективно сделать с помощью разработанного программного комплекса. В процессе проектирования с его использованием можно выделить следующие этапы: - Оценка пригодности глинистого минерала для производства спекшего ся или вспученного материала с заданными свойствами (система «Оценка»). Оценка пригодности многокомпонентной шихты для производства, спекшегося или вспученного материала с заданными свойствами (система «Оценка»). - Выбор компонентов для корректировки исходного состава. Производится, если глина или шихта не пригодна для производства выбранного материала. Включает в себя анализ рекомендаций, выдаваемых системой и выбор компонентов для корректировки исходного состава (система «Оценка»), - Подбор оптимального состава шихты для производства алюмосиликат-ного заполнителя с заданными свойствами (система «Вариант»).
В этой главе описывается процесс оценки и проектирования с помощью систем «Оценка» и «Вариант». Результаты исследований по данному разделу опубликованы в следующих работах автора [172, 176, 177, 186, 189, 192, 193, 194]. Приведённые примеры позволяют, во первых, проиллюстрировать возможности программного комплекса и произвести оценку достоверности результатов работы входящих в него систем, а во вторых спроектировать ряд нетрадиционных шихт, целиком состоящих из промышленных отходов. Показана возможность использования системы «Вариант», при многокритериальном проектировании состава шихты для получения АИПЗ, позволяющем одновременно учесть большое количество критериев экономического, технического и технологического характера.
109 5.1. Компьютерная оценка минерального алюмосиликатного сырья с целью получения из него спекшихся материалов
Оценочными критериями для алюмосиликатного сырья с целью получения из него спекшихся материалов служат; А) химический состав; Б) количество эвтектического расплава; В) состав расплава; Г) температура обжига; Д) интервал спекания; Н) состав не растворившегося остатка.
Значения критериев позволяющих оценить пригодность сырья для получения материалов разной степени спекания приведены в табл. 3.4. В качестве примера приведены результаты оценки пригодности глины Чапаевского месторождения, для производства частично спекшихся материалов, состоящие из; - графика «Динамика образования расплава» (рис. 5.1); - расчёта количества и состава расплава глинистого сырья (табл. 5.1); - заключения по оценке пригодности сырья для производства частично (полностью) спекшихся материалов (табл. 5.2).
Заключение по оценке пригодности глины Чапаевского месторо-ждения для производства частично спекшихся материалов Заключение по оценке пригодности сырья для производства частично спекшихся материалов Выполнено программным комплексом для оценки минерального алюмоснликатного сырья Авторы: Чу дин А.Н., Чумаченко Н,Г Программный комплекс зарегистрирован в в ГОСФАП № 990185 Сырье Чапаевская глина ІДата оценки; 15 дек, 2001 и время оценки : 18:35 Значения оценочных критериев (расчетные характеристики, химический и минеральный состав, динамика образования расплава)
Для улучшения технологических параметров: для снижения температуры обжига Не рекомендуются для расширения интервала спекания Рекомендуются добавки, содержащие отсутствующий плавень магния. Количество добавки должно быть таким, чтобы обеспечить образование нужного количества расплава.
Наличие в составе зерен кварца определяет целесообразность помола сырья.
Оценка кирпично-черепичных глин Самарской области показала, что для глин большинства месторождений характерен короткий интервал спекания. Многие глины не будут спекаться из-за малого количества расплава. Эти свойства определяют низкое качество выпускаемых частично спекшихся материалов, в первую очередь керамического кирпича, и невозможность получения из этих глин без корректировки состава полностью спекшихся керамических материалов. С помощью системы «Оценка» была оценена пригодность большого количества месторождений глинистого сырья: 62 месторождения кирпично-черепичного сырья Самарской области (приложение 2); 12 эксплуатируемых и 45 не эксплуатируемых месторождений кирпично-черепичного сырья Башкирии (приложение 3). Акты внедрения, подтверждающие это, приведены в приложениях 2 и 3.
На рис 5.2. приведена «Динамика образования расплава» кирпично-черепичных глин нескольких месторождений имеющих наиболее характерный вид. Глины, представленные на рис. 5.2. можно разбить на три группы: - К первой группе можно отнести глины, не подходящие для производства и частично и полностью спекшихся материалов (Шенталинское, Двубрат-ское). Как правило, они имеют короткий интервал спекания и высокую темпе 113 ратура обжига. Количество добавки должно быть таким, чтобы обеспечить образование нужного количества расплава. Сырье, даже при достаточной степени гомогенизации, без добавок не обеспечит получение качественных частично спекшихся материалов из-за короткого интервала спекания и возможного пережога или недожога изделий. Рекомендуются добавки, содержащие недостающие в сырье оксиды-плавни.
Ко второй группе можно отнести глины подходящие, для частично спекшихся материалов (Старо Семейкинское, Красноглинское, Покровское). Их температура обжига тоже достаточно высока, а в химическом составе зачастую отсутствуют некоторые оксиды плавней.
К третьей группе можно отнести глины, подходящие для частично и полностью спекшихся материалов (Батракское, Безымянское, Краснополян-ское, Карджановское). Как правило, имеют не высокую температуру обжига. Часто химический состав не растворившегося остатка не обеспечивает керамическому черепку высокой прочности. Поэтому рекомендуются кремнезем и глиноземсодержащие добавки в таком количестве, чтобы в не растворившемся остатке соотношение глинозема и кремнезема приближалось к 2,55.
Результаты оценки качества керамических материалов из кирпично-черепичных глин без добавок и предлагаемые технологические параметры их производства согласуются с экспериментальными данными, полученными геологическими службами и в заводских условиях, что подтверждает достоверность оценочной части метода.
Математическая модель процесса проектирования многокомпонентной, алюмосиликатной шихты оптимального состава
Пористые алюмосиликатные заполнители по прочности и при непосредственном испытании в бетоне показали, что их можно использовать в конструкционных бетонах требуемой марки.
Особенности применения АИПЗ в конструкционных бетонах видны при сравнении этих бетонов с бетонами такой же прочности на щебне марки 800 из осадочных пород Марки бетонов назначались по прочности искусственных заполнителей. Сравнение бетонов на разных заполнителях проводилась при равных условиях: расход цемента и объём крупного заполнителя одинаковый расход воды рассчитывался с учётом водо поглощения заполнителя.
Проведённые испытания показали, что пористые алюмосиликатные заполнители могут заменить природный щебень в конструкционных бетонах. При одинаковом расходе цемента получены практически одинаковые прочности бетона. Использование пористых алюмосиликатных заполнителей взамен щебня приводит к значительному снижению плотности бетона (на 10-20%).
Промышленная апробация разработанных составов
В период с 20 июля по 18 августа 1998 г. в цехе керамзитового гравия завода крупнопанельного домостроения г.Димитровграда проведены заводские испытания глины Смышляевского месторождения и двух искусственных шихт. Цель испытаний состояла в определении принципиальной возможности производства искусственного пористого алюмосиликатного заполнителя из искусственных, не содержащих глину, шихт. Состав шихты был рассчитан с помощью компьютерной системы «Вариант», позволяющей по химическому составу компонентов рассчитать многокомпонентную смесь заданного состава. За эталонный был взят состав, обеспечивающий образование при обжиге достаточного количества расплава для вспучивания и муллита для повышения прочности. В приложениях 5 и 6 приведены акты о выполнении на заводе КПД г. Дмитровограда работ по выпуску из искусственной шихты опытной партии: S лёгкого поризованного алюмосиликатного заполнителя марок 500 и П200; S лёгкого поризованного алюмосиликатного заполнителя марок 300 и П35.
В качестве компонентов искусственной шихты были выбраны промышленные отходы и недефицитное природное сырье следующих видов: кремнеземистый - отработанный силикагель Новокуйбышевского НПЗ; глиноземистый - отработанный катализатор процесса Клауса при добыче серы из сероводорода Самарского НТК; железистый - пиритные огарки - отход сернокислотного производства; кальцийсодержащий - мел месторождения Шигоны Самарской области; магнийсодержащий - тальк; щелочесодержащий - шлам щелочного травления алюминия Самарского металлургического предприятия САМЕКО и полевой шпат - микроклин; органический - уголь. Химический состав компонентов смышляевскои глины и шихт приведен в таблице 2.2, а состав искусственных шихт в таблице 5.21. Испытания глины Смышляевского месторождения и искусственных шихт проводились на технологической линии цеха керамзитового гравия следующим образом. Сухие компоненты искусственной шихты предварительно взвешивались и подвергались совместному помолу в молотковой мельнице ММТ-1300. Полученная шихта направлялась в двухвальный смеситель технологической линии, где увлажнялась до 22 %, а потом в барабанный гранулятор. Сушка сырцовых гранул проводилась в сушильном барабане диаметром 1,6 м и длиной 8 м при температуре газа 200 С в течение 10-12 мин. При этом влажность сырцовых гранул на выходе из сушильного барабана составляла 16 %, Обжиг сформованных гранул производился во вращающейся печи диаметром 2,2 м и длиной 16 м. Подача материалов в печь составляла 2,4 м / час. Продолжительность обжига - 30 - 35 мин. Температура обжига 1150 С.
После обжига заполнитель охлаждался в аэрожелобе - холодильнике до температуры 50 С. От каждой партии полученного заполнителя отобраны пробы. Физико-механические характеристики полученных заполнителей приведены в таблице 6.9. В результате испытаний установлено: Из двух искусственных восьмикомпонентных гомогенных шихт не содержащих глину получен искусственный пористый алюмосиликатный заполнитель, по физико-механическим свойствам соответствующий требованиям ГОСТ 9757-90. Гравий, щебень и песок искусственный пористый.
Марки полученного из шихты № 4 заполнителя по насыпной плотности и прочности соответствуют керамзитовому гравию из Смышляевской глины, химический состав которой был взят за основу компьютерного расчета состава многокомпонентной шихты.
Из шихты № 14 получен прочный искусственный пористый алюмосиликатный заполнитель марки 500 по насыпной плотности и П 200 - по прочности. Марка по прочности превосходит в два раза требуемую по ГОСТ 9757-90 для марки 500 прочность.
