Введение к работе
Актуальность темы. Пирофиллитовые породы, содержащие более 50% минерала пирофиллита, являются нетрадиционным видом сырья в керамической и огнеупорной промышленности. Перспективным считается их использование при производстве изделий из стекла и керамики (включая огнеупоры), наполнителей при изготовлении бумаги, красок, картона, пластмасс, резины, инсектицидов и другой подобной продукции. С этой целью ведутся разработки месторождений пирофиллита во многих промышленных странах мира, например в таких, как США, Япония, Австрия, Южная Корея, Китай и др.
На территории бывшего СССР было выявлено около 20 месторождений с содержанием значительного количества пирофиллита. Наиболее крупные разведанные залежи находятся на Украине (Овручская провинция) и в России (Урал и Дальний Восток). В 80-е годы на ряде месторождений уральского региона были осуществлены геолого-разведочные и научно-исследовательские работы, направленные на детальное исследование состава этих пород, их технологических свойств; определены возможные области их применения. Результаты исследований показали технико-экономическую целесообразность практического использования пирофиллитового сырья отдельных месторождений, что позволило бы дополнить действующую сырьевую базу производства керамических, огнеупорных, пластмассовых и других материалов, снизить себестоимость изделий, расширить ассортимент выпускаемой продукции и улучшить её качество. Применение минерала пирофиллита в производстве керамики и огнеупоров определяется также рядом ценных технологических свойств, присущих ему - хорошей механической обрабатываемостью, высокой химической стойкостью, низким содержанием оксидов щелочных металлов и красящих оксидов, применением в качестве отощающей добавки и т.п.
Перспективным для этих целей является пирофиллитовое сырье месторождения Куль-Юрт-Тау, расположенное в Республике Башкортостан, подготовленное к разработке в промышленном масштабе. Проведенные лабораторно-технологические исследования и производственные испытания подтвердили предположение о пригодности пород этого месторождения в качестве сырья для получения фасадной и облицовочной плиток, санитарно-технической керамики, кислотоупорных изделий, полнотелого и пустотелого кирпича, шамотных и жаростойких изделий, антицементационных обмазок и других материалов. Это позволяет обоснованно говорить об уральском пирофиллитовом сырье как о потенциальном источнике для керамической, огнеупорной и других отраслей промышленности России.
Среди немногочисленных обобщающих работ по пирофиллитовому сырью наибольший интерес представляют труды В.В.Зайкова, Г.Г.Кораблева, В.Н.Удачина «Пирофиллитовое сырье палеовулканических областей» (1989 год), У.Ш. Шаяхметова, А.Г. Мустафина, Р.А. Амирова «Пирофиллит и материалы на его основе» (2007 год), а также работы, проведенные в последние годы под руководством ВАПерепелицына, В.З.Абдрахимова, в которых систематизированы сведения по пирофиллитовому сырью, представлена типология месторождений
пирофиллита на современной геотектонической основе, рассмотрен состав сырья и возможные области его использования в керамической, огнеупорной и других отраслях промышленности, проведён анализ размещения пирофиллитового сырья в палеовулканических областях на территории бывшего СССР, включая рудные разработки медно-колчеданных, медно-порфировых и железорудных месторождений. В них также приведены данные по петрографии, химизму, технологическим свойствам, условиям формирования пирофиллитовых месторождений Украины, Кавказа, Казахстана, Урала, Приморья.
Актуальность исследования связана с тем, что полученные результаты позволят обосновать замену дорогостоящих видов традиционного сырья в составах керамических и огнеупорных композитов на пирофиллитовое и использование его в качестве основного компонента для производства керамики и огнеупоров и другой подобной продукции строительного назначения. При производстве материалов и изделий из пирофиллитового сырья могут быть использованы различные технологические способы. Особый интерес представляет безобжиговая технология получения композитов на фосфатных связующих. Также является актуальным проведение научных исследований, направленных на изучение технологических свойств пирофиллитового сырья и процессов, проходящих при формировании структуры композитов на его основе при нагреве, с целью установления возможности его использования в керамическом, огнеупорном производстве и в промышленности строительных материалов.
Цель работы заключается в разработке технологии получения безобжигового композиционного материала строительного назначения из пирофиллитового сырья месторождения Куль-Юрт-Тау на основе фосфатного связующего.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать физико-химические процессы при нагревании пирофиллитового сырья месторождения Куль-Юрт-Тау;
исследовать закономерности кинетики структурообразования, установить последовательность физико-химических процессов и фазовый состав продуктов взаимодействия в композициях на основе пирофиллитового сырья и фосфатных связующих (ФС) в диапазоне температур до 1450С;
изучить физико-химические процессы, протекающие при формировании технических свойств в композициях состава: пирофиллитовое сырье — ФС и зернистый наполнитель - пирофиллитовое сырье - ФС;
изучить деформационные характеристики в процессе твердения, упрочнения, спекания и ползучести композиции по разработанной методике, определить основные физико-технические свойства пирофиллитового сырья и композиционного материала;
обосновать выбор основных технологических параметров производства композиционных материалов на основе пирофиллитового сырья и фосфатного связующего;
разработать технологию получения керамического сырья и композиционных материалов в опытно-промышленных условиях, оценить технико-экономическую эффективность их внедрения, разработать схему технологической линии производства изделий.
Научная новизна работы
Предложена технология получения керамического сырья из пирофилли-товых минералов месторождения Куль-Юрт-Тау и определены его физико-технических свойства.
Предложена технология получения огнеупорного керамического композиционного материала строительного назначения на основе пирофиллитового сырья месторождения Куль-Юрт-Тау.
Впервые на основе экспериментальных исследований установлено, что твердение композита происходит при нагревании до 300С, полимеризация большей части фосфатов - при температуре до 700С, разрушение полимерных фосфатов с образованием аморфной фазы - при 700-900С, высокотемпературное взаимодействие составляющих с образованием поликристаллической структуры - при температурах выше 900С.
Изучены деформационные свойства композиций для различных режимов нагрева и внешних нагрузок, эволюция структуры в процессе нагрева под нагрузкой и ползучести.
Установлена закономерность деформации, которая является характерной для безобжиговых фосфатных материалов.
Обоснован выбор основных технологических параметров производства огнеупорных композиционных материалов строительного назначения на основе пирофиллитового сырья месторождения Куль-Юрт-Тау и фосфатного связующего.
Разработана технология получения пирофиллитового сырья и безобжиговых композиционных материалов на его основе, установлены составы этих композиций и предложены технологические схемы производства сырья и изделий строительного назначения.
Предложенные технические решения, представленные в диссертации, подтверждены патентами.
Практическая значимость работы заключается в получении сырья для производства керамики, разработке составов, технологических режимов и схем производства композиционных керамических материалов с использованием пирофиллитового сырья и фосфатного связующего. Данные, полученные на основе исследования деформации, позволили рекомендовать разработанные составы для использования в качестве конструкционных материалов, работающих под воздействием механических нагрузок. Разработаны огнеупорные массы, предназначенные для футеровки тепловых агрегатована которые получен патент. Созданы линия для изготовления керамических плиток и система производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья.
Реализация результатов исследования. Основные положения и выводы, полученные в диссертационной работе, были использованы при разработке технологических регламентов на выпуск опытно-промышленной партии горе-лочных камней и изделий электротехнического назначения и внедрение их в производство. Изготовлены и выпущены футеровочные элементы тепловых агрегатов сложной конфигурации для термических печей обжига керамического кирпича, электроизоляционные втулки, трубки, изделия различного назначения,
которые внедрены в производстве на предприятиях ОАО «БелЗАН» (г. Белебей), ИПСМ РАН (г. Уфа), кирпичный завод ЛМЭСТРОЙ (г. Бирск), ПФГК «Страт-Такт» (г. Москва). На защиту выносятся
процессы, происходящие при нагреве в пирофиллитовом сырье месторождения Куль-Юрт-Тау;
установленные особенности кинетики структурообразования в композиционных материалах на основе пирофиллитового сырья путем химического связывания с фосфатными связующими;
особенности деформации композиции на основе пирофиллитового сырья при нагреве и ползучести в зависимости от нагрузки и температуры обработки;
основные физико-механические и эксплуатационные свойства пирофиллитового сырья и разработанных композиционных материалов на основе пирофиллитового сырья и фосфатного связующего;
основные технологические процессы производства композиционных материалов для футеровки термических агрегатов производства строительной керамики;
технологические схемы получения материалов и изделий для строительной промышленности и рекомендованная производственная линия.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: Ежегодной международной конференции огнеупор-щиков и металлургов (апрель 2005 г., Москва); конференции, посвященной 50-летию ГУП институт «БашНИИстрой» (сентябрь 2006 г., Уфа); научно-техническом совете ГУП институт «БашНИИстрой» (2007 г., Уфа); XVIII Международной научно-практической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (октябрь 2007 г., Обнинск); Всероссийской конференции «Технология керамических композитов в материаловедении» (сентябрь 2008 г., Уфа); Международной научно-практической конференции «Высокотемпературные материалы и технологии в XXI веке» (ноябрь 2008 г., Москва); VII Научно-практической конференции «Развитие керамической промышленности России» («Керамтекс-2009», апрель, г.Казань).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 работ в центральных и региональных изданиях, в том числе 4 работы в журналах по перечню ВАК, получено 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературных источников (145 наименований) и приложений. Общий объем работы 187 страниц машинописного текста, 82 рисунка и 20 таблиц.
