Получение керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов минеральной ваты

При получении керамического  кирпича использовались следующие  сырьевые компоненты Самарской области: в качестве глинистого сырья – бейделлитовая глина Образцовского месторождения, гидрослюдистая глина Даниловского месторождения была взята для сравнения, а каолинитовая глина Чапаевского месторождения для получения глазурованного кирпича; в качестве отощителей и интенсификаторов спекания – отходы производства минеральной ваты.

Химический состав исследуемых  компонентов приведен в табл. 1.

 

 Усредненные химические составы компонентов материалов            Таблица 1

Компоненты	Содержание оксидов, мас. %
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	R2O	SO3	п.п.п.
Глинистые материалы  месторождений
Образцовского	55,13	19,25	2,00	1,32	7,72	1,50	1,01	8,80
Даниловского	64,20	10,30	5,68	2,20	4,02	2,50	0,50	8,40
Чапаевского	69,80	16,38	3,02	1,42	3,10	0,20	0,20	5,08
Отходы производства минеральной ваты
«Королек»	43,20	7,30	23,60	14,60	6,72	2,79	0,90	0,80
Продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты	15,30	7,98	31,20	7,60	10,60	6,79	0,98	19,30

 

Минералогические составы и технологические свойства глинистых материалов  представлены в табл. 2 и 3.

 

Минералогический состав глинистых материалов                              Таблица 2

Глинистые материалы  месторождений	Содержание минералов, мас. %
	Гидро-слюда	Кварц	Гипс	Поле-вой шпат	Каоли-нит	Бейдел-лит	Оксиды железа
Даниловского	25-30	25-30	5-7	10-15	10-15	¾	4-5
Образцовского	5-10	20-25	2-3	10-15	3-5	35-45	5-7
Чапаевского	¾	10-20	2-4	20-30	45-50	¾	1-3

 

Технологические свойства глинистых материалов                              Таблица 3

Глинистые материалы  месторождений	Число пластич-ности	Содержание  глинистых частиц размером менее 0,005 мм	Огнеупор-ность, оС	Спекаемость без деформационных искривлений
Даниловского	7-9	15-25	1100-1200	Не спекается
Образцовского	15-24	40-55	1320-1350	Не спекается
Чапаевского	10-15	30-35	1520-1550	Спекается

 

В процессе производства минеральной ваты не все капли  расплава успевают вытянуться в нити. Часть их принимает форму шариков, жгутиков и пр. Такие включения называются «корольками». Продукт очистки отходящих дымовых газов от вагранки при получении расплава при производстве минеральной ваты (ВПР минваты) также является отходом и удаляется при производстве минеральной ваты в отдельные приемники.

На рис. 1 представлены снимки «королька» и продукта очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты, сделанные на электронном растровом сканирующем микроскопе Phillips 525M.

 

                А            Б   В

   I    

II 

 

Рис. 1. «Королек» – I; продукт очистки отходящих дымовых газов

 ВПР минваты – II: 1 – органика; 2 – стеклофаза; 3 – гематит.

Увеличение: I А х50, I Б и I В х200; II А х100, II Б х1000

Исследования показали, что отходы производства минеральной ваты, содержащие стеклофазу, содержат и незначительное количество муллита, который будет центром кристаллизации муллита при обжиге керамических материалов. Кроме того, продукт очистки отходящих дымовых газов от вагранки при получении расплава при производстве минеральной ваты имеет повышенное содержание потерь при прокаливании (п.п.п.), что будет способствовать обжигу внутри кирпича. Стекловидная фаза «королька» и продукта очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты неоднородна и под микроскопом представлена  желто-бурым цветом, обусловленным наличием оксида железа, поэтому их светопреломление высокое N₀ = 1,6 - 1,63.                                                                                                   

 

В третьей главе «Исследование  реологических, сушильных свойств  и оптимизация составов керамических масс по физико-механическим показателям» сказано, что для экономичности процесса сушки необходимо использовать глинистые материалы с минимальной влажностью. Исследования показали, что в глине Образцовского месторождения, в отличие от гидрослюдистой глины Даниловского месторождения, наличие разбухающего минерала бейделлита способствует более резким изменениям вязкости и повышенному содержанию влаги. Поэтому для получения керамического кирпича на основе бейделлитовой глины в составы керамических масс необходимо вводить отощители.

Для исследования влияния  «королька» на сушильные свойства керамического кирпича были исследованы составы, представленные в табл. 4.

 Составы керамических масс                                                                Таблица 4

Компоненты	Содержание компонентов, мас. %
	1	2	3
Бейделлитовая легкоплавкая глина	70	60	50
«Королек»	30	40	50

 

Керамические материалы  формовались пластическим методом  при влажности шихты 20-25 % (в зависимости  от содержания бейделлитовой глины). Физико-механические свойства высушенного кирпича приведены в табл. 5.

 Физико-механические свойства высушенного кирпича                  Таблица 5

Свойства	Состав
	1	2	3
Температура, при которой  появляются трещины,ºC	130	145	155
Влажность конца усадки, %	6	7	10
Относительная усадка, %	5,8	3,4	2,0
Время сушки до остаточной влажности 8 %, час	72	68	48
Механическая прочность при сжатии высушенного сырца до остаточной влажности 7-8 %,  МПа	8,6	7,8	5,5

 

Для изучения влияния содержания «королька» на физико-механические показатели обожженного керамического кирпича были исследованы составы, приведенные в табл. 6. Составы керамических материалов готовились пластическим способом при влажности шихты 20-25 %. Сформованные образцы, высушенные до остаточной влажности не более 7-8 %, обжигались при температуре 1050 °С.

 

Составы керамических масс                                                                    Таблица 6 

Компоненты	Содержание компонентов, мас. %
	1	2	3	4	5	6	7	8
Бейделлитовая глина	100	80	75	70	65	60	55	50
«Королек»	0	20	25	30	35	40	45	50

 

Морозостойкость и механическая прочность керамического кирпича  составов 1-8 представлены в табл. 7.

 

Физико-механические свойства керамического кирпича                    Таблица 7

Показатели	Содержание компонентов, мас. %
	1	2	3	4	5	6	7	8
Морозостойкость, циклы (Y1)	67	85	91	103	105	108	98	82
Механическая прочность     на сжатие, МПа (Y2)	17,3	19,3	20,9	22,7	23,8	24,8	21,4	18,9

 

При исследовании зависимости  между содержанием «королька» и  основными физико-механическими характеристиками, такими как морозостойкость и механическая прочность кирпича, использовался достаточно распространенный метод линейной регрессии. Графики зависимостей показателей кирпича: Y₁, Y₂ – от X имеют вид, представленный на рис. 2.

 

Рис. 2. График зависимости морозостойкости и механической прочности

на сжатие от содержания «королька»: а – морозостойкость, б – механическая прочность. 1 – экспериментальные данные, 2 – модель+95 % доверительного интервала, 3 –  модель–95 % доверительного интервала

 

В результате исследований оказалось, что показатели керамического  кирпича Y₁, Y₂ нелинейно зависят от содержания в составе «королька», обе зависимости имеют качественно подобный характер. Экспериментальные данные достоверно описываются полиномом второй степени. Для описания зависимостей морозостойкости и механической прочности на сжатие использовалась модель: , найденная в результате дополнительного исследования, которая хорошо описывает эксперимент и имеет достаточно простой вид. Установлено, что если в шихте содержание «королька», в котором СаО составляет 23,6 %,  превысит 35 %,   то спекание при температуре 1050 ^оС начинает ухудшаться, но до 40% совсем незначительно, а затем резко (рис. 2). Это объясняется тем, что увеличение содержания СаО в керамической массе, значительно интенсифицирует кристаллизацию анортита, который препятствует спеканию.

Аналогичные исследования были проведены и с составами, содержащими продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты. Для описания зависимостей Y₁ (водопоглощения) и Y₃ (морозостойкости) от Х также использовалась вышеуказанная модель, а для зависимости Y₂ (прочности на сжатие) от Х – другая модель: . Эксперименты подтвердили, что при увеличении содержания продукта очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты в керамической массе более 35 % спекание начинает медленно ухудшаться, а после 40% – резко.

 

В четвертой  главе «Физико-химические процессы при обжиге кирпича» были проведены исследования фазовых превращений при обжиге оптимальных составов. Изучению подвергались образцы оптимальных составов, мас. %: 1) бейделлитовая глина – 65, «королек» – 35; 2) бейделлитовая глина – 65, продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты – 35.

Исследования показали, что при обжиге керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов от производства минеральной ваты при температуре 950 ^оС происходит образование жидкой фазы, которая инициирует начало кристаллизации муллита при 1050 ^оС.