Сырье для производства керамических строительных материалов

Учитывая, что объем гидроокиси по сравнению с СаО увеличивается  более чем в четыре раза, в черепке  возникают значительные внутренние напряжения, вызывающие образование  трещин. В случае, если этих включений  много, возможно полное разрушение керамического  изделия.

Железистые  примеси окрашивают керамику в разные цвета: от светло-коричневого до темно-красного и даже черного. Органические примеси при обжиге выгорают, они существенно влияют на сушку изделия, так как вызывают большую усадку, что приводит к образованию трещин.

2.3 Химический состав глин.

Содержание основных химических составляющих в глинистой породе оценивают по количественному содержанию диоксида кремния, в том числе  свободного кварца, сумме оксидов  алюминия и титана, железа, кальция  и магния, калия и натрия, сумме  соединений серы (в пересчете на SO₃), в том числе сульфидной.

Обычно химический состав легкоплавких глин составляет, %: SiO₂ – 60…85; Al₂O₃ вместе с TiO₂ – не менее 7; Fe₂O₃ вместе с FeO- не более 14; CaO + MgO – не более 20; R₂ O (K₂O + Na₂O) – не более 7.

Сравнительная характеристика химического состава различных  глин приведена в табл. 1.

 

Таблица 1. Химический состав глин

Тип глин	Содержание, %
	SiO2	Al2O3 + TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O + Na2O	nnn
Огне-упорные	46-62	25-39	0,4-2,7	0,2-0,8	0,2-1	следы -0,5	0,3-3	8-18
Тугоплавкие	53-73	16-29	1-9	0,5-2,0	0,3-2,6	следы -0,6	0,7-3,2	4-12
Легко-плавкие	55-80	7-21	3-12	0,5-15 и более	0,5-3	следы -3	1-5	3-15 и более

 

Кремнезем (SiO₂) находится в глинах в связанном и свободном состояниях. Первый входит в состав глинообразующих минералов, а второй представлен кремнеземистыми примесями. С увеличением содержания SiO₂ пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Предельное содержание SiO₂ – не более 85%, в том числе свободного кварца – не более 60%.

Глинозем (Al₂O₃) находится в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. С увеличением содержания Al₂O₃ повышается пластичность и огнеупорность глин. Обычно по содержанию глинозема косвенно судят об относительной величине глинистой фракции в глинистой породе. Глинозема содержится от 10-15% в кирпичных и до 32-35% - в огнеупорных глинах.

Оксиды щелочноземельных металлов (СаO и MgO) в небольших количествах участвуют в составе некоторых глинистых минералов. При высоких температурах СаО вступает в реакцию с Al₂O₃ и  SiO₂ и, образуя эвтектические расплавы в виде алюмо-кальций-силикатных стекол, резко понижают температуру плавления глин.

Оксиды щелочноземельных металлов (Na₂O и K₂O) входят в состав некоторых глинобразующих минералов, но в большинстве случаев участвуют в примесях в виде  растворимых солей и в полевошпатовых песках. Они понижают температуру плавления глины и ослабляют красящее действие Fe₂O₃ и TiO₂. Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности.

В качестве предельного значения соединений серы в пересчете на SO₃ принимается не более 2%, в том числе сульфидной – не более 0,8%. При наличии SO₃ более 0,5%, в том числе сульфидной не более 0,3%, в процессе испытаний глинистой породы должны определяться способы устранения высолов и выцветов на необожженных изделиях путем перевода растворимых солей в нерастворимые.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III. Технологические свойства глинистых материалов

3.1 Гранулометрический состав глин – это распределение зерен в глинистой породе по их величине. Обычно зерновой состав различных глин характеризуется данными, приведенными в таблице 2.

Таблица 2 . Зерновой состав глин

Тип глин	Размер частиц в мм
	Более 0,25	0,25-0,05		0,05-0,01	0,01- 0,005	0,005-0,001	Менее 0,001
Огнеупорные	0-5	0-15	1-16		1-25	4-33	45-86
Тугоплавкие	0,5-15	0,5-1,5	2-27		0,5-16	4-34	18-80
Легкоплавкие	0,2-19	0,5-18	9-55		4-24	6-25	10-50

 

Сравнивая данные таблиц химического (табл.1) и гранулометрического (табл.2) составов можно сделать вывод  о значительных их колебаниях для  различных глин, что не позволяет  точно установить взаимосвязь со свойствами сырья. Однако имеются определенные общие закономерности. Незначительное содержание глинозема (Al₂O₃)  при высоком содержании кремнезема (SiO₂) свидетельствует о большом содержании свободного кремнезема, который в основном находится в грубодисперсной составляющей глин и является естественной отощающей добавкой.

Для легкоплавких глин характерно наибольшее содержание SiO₂ и   плавней  (R₂O, RO, Fe₂O₃)  и наименьшее содержание Al₂O₃. Здесь глинозем практически полностью входит в состав глинообразующих минералов, на что указывают и данные табл.2, где содержание частиц менее 0,001 мм в легкоплавких глинах наименьшее по сравнению с тугоплавкими и огнеупорными.

Повышенное содержание Al₂O₃  в глинах свидетельствует о большом количестве глинистого вещества, большей его дисперсности, и следовательно, большей пластичности и связанности материала. Большое содержание плавней и в особенности R₂O (Na₂O и K₂O) при малом содержании Al₂O₃ свидетельствует о низкой огнеупорности глины. Чем меньше в глине содержится плавней, тем она более огнеупорна и спекается при более высоких температурах. Однако, одновременное присутствие в глине значительного количества щелочных окислов (главным образом K₂O) при одновременном высоком содержании Al₂O₃ и малом содержании других плавней может обусловить и высокую огнеупорность глин и способность спекаться при низких температурах, что дает возможность изготовлять широкий ассортимент пористых и спекшихся изделий. Таким образом, на основе знания химико-минералогического и зернового состава сырья можно приближенно оценить его свойства.

 

3.2 Технологические свойства глин характеризуют материал на разных стадиях его обработки в процессе изготовления из него изделий. Технологические свойства глинистых пород изучаются в лабораторных условиях, а результаты исследования, как правило, проверяются в полупромышленных условиях. Для бентонитовых, огнеупорных глин и керамического сырья результаты лабораторных исследований проверяются в промышленных условиях. При намечаемом использовании глинистых пород для назначений, по которым отсутствует опыт переработки в промышленных условиях, а также при изучении возможности использования сырья, не отвечающего требованиям стандартов и технических условий, технологические исследования проводятся по специальной программе, согласованной с заинтересованными организациями.

Важнейшими технологическими свойствами глинистых пород, определяющими  их использование в промышленности, являются пластичность, огнеупорность, спекаемость, вспучивание, а также  набухание, усушка, усадка, адсорбционная  способность, связующая способность, укрывистость, окраска, способность  образовывать устойчивые суспензии  с избытком воды, относительная химическая инертность. Эти свойства обусловливаются процессами, происходящими в материале при затворении его водой, формовании, сушке, обжиге.

Если сухой глинистый  порошок смочить водой, его температура  повысится. Это объясняется тем, что молекулы воды прочно связываются  с глинообразующими минералами и  располагаются на них в определенном порядке.

 

Влагоемкость характеризует способность глины вмещать в себя определенное количество воды и удерживать ее. С увеличением дисперсности глины ее влагоемкость возрастает. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей влагоемкостью, каолинитовые - наименьшей.

 

Набуханием называют способность глины увеличивать свой объем за счет поглощения влаги из воздуха или при ее непосредственном контакте с водой. Процесс набухания во времени затухает. Рыхлые породы глин набухают быстрее, чем плотные. Запесоченность глин понижает степень их набухания. Монтмориллонитовые глины набухают сильнее, чем каолинитовые.

 

Размокание представляет собой распад в воде крупных глинистых агрегатов на более мелкие или элементарные частицы. Первая стадия распада глинистого агрегата происходит при его набухании, когда молекулы воды, втягиваясь в промежутки между зернами глины, расклинивают их. По мере увеличения толщины водной оболочки ослабляется связь между отдельными зернами глины, и они начинают свободно перемещаться в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии,— происходит полное размокание глины. Чтобы ускорить процесс размокания, глину перемешивают, механически разрушая ее куски, или подогревают воду.

Глина в воде размокает. Плотные  глины размокают очень трудно. Предварительное дробление и  перемешивание во время размокания ускоряют этот процесс. При размокании вода, проникая в поры между частицами  глины, расклинивает их. Агрегированные частицы распадаются на более  мелкие зерна или элементарные частички глинистых минералов с образованием полидисперсной системы. Одновременно глинистые частицы начинают впитывать  воду, которая поглощается между  слоями групп атомов («пакета») кристаллической  решетки частиц глины. При этом частицы  набухают, увеличиваются в объеме.

Вода в глине всегда содержит некоторое количество растворенных солей, молекулы которых диссоциированы на ионы. Катионы этих солей, являясь  носителями положительных зарядов, также окружены «собственной» водной оболочкой и вместе с ней могут находиться либо в диффузном слое, либо на поверхности зерна глинообразующего минерала, создавая так называемый сорбированный комплекс.

Процессы, происходящие с  участием обменного комплекса ионов, резко влияют па стабильность (устойчивость к оседанию) глинистых суспензий  шликеров, фильтрацию воды в глиносодержащих  массах при процессах обезвоживания (фильтр-прессования) масс или при  сушке. Влияют они на механические свойства пластичных глинистых масс и сухого полуфабриката.

 

Тиксотропное  упрочнение - свойство влажной глиняной массы самопроизвольно восста­навливать нарушенную структуру и прочность. Так, если свежеприготовленный шликер (глиняная масса жидкой консистенции) оставить на некоторое время в покое, то он загустеет и упрочнится, а после перемешивания его текучесть восстановится. Так может повторяться многократно. Самоупрочнение глины происходит вследствие процесса переориентации частиц глины и молекул воды, что увеличивает силу их сцепления. При этом часть свободной воды переходит в связанную. Тиксотропия глин имеет большое значение при приготовлении шликеров, пластичного теста и формовании изделий.

 

Явления тиксотропного упрочнения глиняного шликера в керамической промышленности называется загустеваемость. Величина загустезаемости зависит  от характера глин, содержания электролитов и влагосодержания.

 

Разжижаемость - свойство глин и каолинов образовывать при добавлении воды подвижные устойчивые суспензии. Количество воды, необходимой для разжижения, определяется ми­нералогическим составом глин и регулируется добавлением электролитов. Оптимальное разжижение, т. е. сочетание достаточной текучести и наименьшего содержания поды, достигается при правильном выборе электролита и его концентрации. В качестве электролитов применяют обычно 5 % или 10 %-ные растворы соды, жидкого стекла, пирофосфата натрия и др.

Пластичность - способность глины образовывать при затворении водой тесто, которое под воздействием внешних механических усилий может принимать любую форму без разрыва сплошности и сохранять эту форму после прекращения действии усилий. Пластичность глин зависит от зернового и минералогического составов, а также запесоченноети глин. С повышением дисперсности глин их пластичность возрастает, наибольшей пластичностью обладают монтмориллонитовые глины, наименьшей каолинитовые.

 

Связующая способность - свойство глин связывать частицы неэластичных материалов (песка, шамота), сохраняя при этом способность массы формоваться и давать после сушки достаточно прочное изделие. Связующая способность зависит от зернового и минералогического состава глины.

Изменения, которые происходят в глиняной массе при ее сушке, выражаются в таких свойствах, как воздушная усадка, чувствительность глин к сушке и влагопроводящая способность.

 

Воздушной усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема глиняного образца при его сушке. Величина воздушной усадки зависит от количественного и качественного состава глинистого вещества и влагоемкости глины и колеблется от 2 до 10%. Монтмориллонитовые глины обладают наибольшей усадкой, каолинитовые — минимальной. Запесоченность глин понижает воздушную усадку.