В настоящее время перед промышленностью строительных материалов ставится ряд стратегически важных задач, среди которых приоритетное значение имеют следующие: обеспечение промышленного и гражданского строительства качественными и экологичными материалами, снижение себестоимости выпускаемых изделий, реализация в условиях производства ресурсо- и энергосберегающих технологий, расширение сырьевой базы. Данная тенденция относится и к предприятиям по выпуску керамического кирпича [1]. При производстве рядового кирпича в качестве основного глинистого сырья применяются, как правило, низкосортные суглинки с высоким содержанием оксида железа (III), карбонатных включений и сульфатных соединений. Для производства лицевых изделий, удовлетворяющих требованиям ГОСТа [2], широко применяются высококачественные тугоплавкие глины с низким и средним содержанием оксида железа (III). Температура обжига лицевого кирпича на основе тугоплавкого глинистого сырья колеблется от 1000 до 1050 ºС. При таких температурах происходит интенсификация спекания керамической матрицы и формирование структуры и фазового состава, достигается стабилизация цвета керамического черепка. С целью снижения ресурсо- и энергоемкости производства в шихту могут вводиться легкоплавкое глинистое сырье и побочные продукты промышленности [3].
Одним из таких побочных продуктов является малоиспользуемый при производстве строительных материалов алюминиевый шлак [4]. На сегодняшний день в России ежегодно на предприятиях по выпуску алюминиевых изделий образуется около 100 тыс. тонн солевых шлаков, которые практически в полном объеме подлежат захоронению на специально отведенных полигонах [5]. Эффективных способов рециклинга алюминиевого шлака пока не существует. На его захоронение затрачиваются значительные материальные средства. При этом происходит утрата ценного энергетического потенциала техногенного сырья. Вследствие вышесказанного разработка рациональной технологии керамического кирпича с применением малоиспользуемого побочного продукта алюминиевого производства является весьма актуальной задачей. Наличие значительного количества хлоридов и глинозема позволяет использовать рассматриваемый алюминиевый шлак для интенсификации спекания керамики и получения изделий высокого качества.
Цель работы - исследование влияния вводимого в грубозернистые керамические массы побочного продукта алюминиевого производства на процессы фазо- и структурообразования кирпича, оценка возможности интенсификации спекания керамической матрицы и снижения энергоемкости обжига изделий.
При проведении исследований в качестве компонента, интенсифицирующего спекание керамической матрицы применялся алюминиевый шлак, характеризующийся следующим химическим составом, масс. %: Al2O3 - 26,80; SiO2 - 8,62; MgO - 21,04; KCl+NaCl - 38,21; пр. оксиды - 0,31; Al - 3,42 %; П.П.П. - 1,60. Гранулометрический состав рассматриваемого шлака представлен преобладающей фракцией с размером зерен менее 0,14 мм, что делает перспективным его использование в грубозернистых керамических массах в качестве плавня. Элементный рентгеноспектральный анализ выполнялся на оборудовании ЦКП «Нанотехнологии ЮРГТУ (НПИ)» - рентгеновском микроанализаторе EDAX Genesis. Результаты рентгеноспектрального анализа побочного продукта приведены на рисунке.
Результаты рентгеноспектрального анализа алюминиевого шлака. Анализируемый алюминиевый шлак имеет следующий элементный состав, в масс. %: Al - 17,61; О - 25,56; Cl - 20,63; Mg - 12,69; K - 10,18; Si - 4,03; Na - 7,40
В качестве пластичных компонентов применялись шихты из тугоплавких глин Владимировского (ВКС-2) и Курдюмовского (К-II) месторождений, легкоплавкий полиминеральный суглинок Маркинский с высоким содержанием оксида железа (III). Данные о химическом составе глинистого сырья приведены в табл. 1.
Таблица 1. Химический состав глинистого сырья
|
Наименование |
Содержание, % по массе |
||||||||
|
SiO2 |
Fe2O3 |
Al2O3 |
TiO2 |
CaO |
MgO |
R2O |
SO3 |
ППП |
|
|
Суглинок Маркинский |
57,19 |
5,32 |
11,75 |
0,68 |
9,26 |
1,94 |
1,18 |
1,21 |
11,20 |
|
Марка шихты: - ВКС-2 - К-II |
59,63 62,32 |
2,59 1,20 |
23,60 22,16 |
1,04 1,60 |
0,37 0,84 |
0,59 0,48 |
3,27 2,78 |
- - |
8,08 8,62 |
Из предварительно проведённых исследований было принято оптимальное соотношение между компонентами. Алюминиевый шлак вводился в массы в количестве 10 %. Песок использовался в качестве отощающей добавки. Шихтовые составы и принимаемый режим обжига образцов приведены в табл. 2.
Таблица 2. Составы керамических масс и параметры обжига образцов
|
Номер состава |
Температура обжига, ºС |
Время выдержки, ч |
Содержание компонентов, масс. % |
||||
|
ВКС-2 |
К-II |
Суглинок |
Шлак алюминиевый |
Песок |
|||
|
В.0 |
1000 |
2 |
72,5 |
- |
12,5 |
- |
15 |
|
В.1 |
950 |
1 |
72,5 |
- |
12,5 |
10 |
5 |
|
В.2 |
1000 |
1 |
72,5 |
- |
12,5 |
10 |
5 |
|
К.0 |
1000 |
2 |
- |
72,5 |
12,5 |
- |
15 |
|
К.1 |
950 |
1 |
- |
72,5 |
12,5 |
10 |
5 |
|
К.2 |
1000 |
1 |
- |
72,5 |
12,5 |
10 |
5 |
Керамические образцы формовались пластическим способом при формовочной влажности 20-25 %. После сушки образцы обжигали в муфельной печи. Физико-механические и эксплуатационные свойства образцов приведены в табл. 3.
Таблица 3. Свойства обожженных образцов
|
Показатель |
В.0 |
В.1 |
В.2 |
К.0 |
К.1 |
К.2 |
|
Предел прочности на сжатие, МПа |
32,7 |
36,0 |
44,5 |
30,2 |
33,8 |
42,1 |
|
Средняя плотность, кг/м3 |
1700 |
1720 |
1750 |
1670 |
1700 |
1730 |
|
Огневая усадка, % |
2,2 |
2,6 |
3,0 |
2,0 |
2,4 |
3,0 |
|
Водопоглощение, % |
12,8 |
11,7 |
9,0 |
13,3 |
12,0 |
9,6 |
|
Морозостойкость, цикл |
50 |
54 |
65 |
50 |
53 |
62 |
Из табл. 3 видно, что образцы В.1 и К.1, изготовленные с применением алюминиевого шлака при более низкой температуре по сравнению с базовыми образцами В.0 и К.0, имеют повышенную огневую усадку и среднюю плотность. Механическая прочность и морозостойкость значительно не изменяются. Образцы В.2 и К.2 имеют повышенную механическую прочность на сжатие (на 36 и 39 % соответственно) и морозостойкость (на 15 и 12 циклов) по сравнению с базовыми составами.
Было установлено, что алюминиевый шлак не оказывает существенного влияния на цветность образцов. Образцы В.0, В.1 и В.2 имеют красный цвет, образцы К.0, К.1 и К.2 - бежевый цвет. Красный цвет керамического черепка образцов В.0, В.1 и В.2 объясняется большим содержанием оксида железа (III) в применяемом глинистом сырье и кристаллизацией в процессе обжига гематита. Бежевый цвет образцов К.0, К.1 и К.2 обусловлен преобладанием в керамической массе беложгущейся тугоплавкой глины с низким содержанием оксида железа (III) и повышенным содержанием щелочей, за счет чего не происходит кристаллизации гематита, а окислы железа переходят в щелочно-силикатный расплав [6].
Для выявления влияния алюминиевого шлака на процессы фазообразования были проведены рентгенографические исследования. Результаты рентгенофазового анализа приведены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты РФА
|
Фаза |
Наличие фаз в образце |
|||||
|
В.0 |
В.1 |
В.2 |
К.0 |
К.1 |
К.2 |
|
|
Муллит 3Al2O3 * 2SiO2 |
- |
- |
+ |
- |
- |
+ |
|
Кварц β - SiO2 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Плагиоклаз (Ca,Na) [(Al,Si)AlSi2O8] |
+ |
- |
- |
+ |
- |
- |
|
Гематит α - Fe2O3 |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
У образцов, изготовленных с применением шлака, на дифрактограммах отмечается наличие интенсивного гало. Результатами электронной микроскопии было подтверждено, что в обожженных образцах, содержащих алюминиевый шлак (В.1, В.2, К.1, К.2), наблюдается повышенное по сравнению с образцами базовых составов (В.0, К.0) количество стеклофазы. Высокая механическая прочность и морозостойкость образцов с применением алюминиевого шлака может быть объяснена образованием значительного количества стеклофазы и кристаллизацией первичного муллита. Наиболее вероятно, что процесс муллитообразования происходит по следующим схемам [7]:
Реакция 1 протекает за счет взаимодействия γ-модификации глинозема, вводимого в керамические массы алюминиевым шлаком, с кварцем, содержащимся в глинистом сырье. Образование муллита по реакции 2 происходит из метакаолинита с аморфизацией части кремнезема. Обе вышеприведенные реакции термодинамически вероятны в рассматриваемом температурном интервале [8].
На основании проведенных экспериментов были сделаны следующие выводы:
-
при вводе в керамическую массу 10 % побочного продукта происходит интенсификация процессов спекания и фазообразования керамического черепка, которая осуществляется за счет увеличения количества стеклофазы и кристаллизации муллита;
-
отсутствие в обожженном керамическом черепке плагиоклаза свидетельствует о том, что он полностью входит в расплав;
-
возможно протекание реакций образования в процессе обжига первичного муллита при температуре обжига 1000 ºС из исходных сырьевых компонентов;
-
существует возможность снижения энергоемкости процесса обжига керамического кирпича за счет снижения максимальной температуры обжига на 50 ºС и времени выдержки без потери качества продукции;
-
применение алюминиевого шлака позволяет разработать ресурсо- и энергосберегающую технологию производства лицевого керамического кирпича;
-
вследствие того, что интенсификация спекания происходит под действием хлоридов щелочных металлов, отсутствует необходимость реализации дополнительных мер по предупреждению высолообразования на лицевых поверхностях изделий [9].
Рецензенты:
-
Бахвалов Ю.А., д.т.н., профессор кафедры «Прикладная математика» Южно-Российского государственного технического университета, г. Новочеркасск;
-
Евстратов В.А., д.т.н., профессор, декан факультета сервиса машин и оборудования ШИ филиал Южно-Российского государственного технического университета, г. Шахты.
Работа поступила в редакцию 30.05.2011.