4.2 Отходы углеобогащения в производстве керамической

плитки и кирпича

Подбор гранулометрического состава. Подбор гранулометрического состава проводился с применением математического планирования эксперимента. Была избрана методика планирования шестифакторного эксперимента [25], позволяющая так спланировать сочетание различных факторов, чтобы при минимальном числе опытов равномерно охватить все возможные их сочетания, одновременно графически выразить зависимость от основных факторов.

Рассматривалось влияние на отклик – предельную прочность на сжатие, среднюю плотность, коэффициент конструктивного качества (ККК) керамики – шести факторов: содержания фракции 2,5 мм – Х₁, фракции 1,2 мм – Х₂, фракции 0,6 мм – Х₃, фракции 0,3 мм – Х₄, фракции 0,14 мм – Х₅, фракции менее 0,14 мм – Х₆ (таблица 4.5).

Основным условием составления матрицы планирования является то, что в строках и в столбцах не должно быть повторных сочетаний (рисунок 4.11).

Заштрихованные квадраты на матрице показывают, при каких значениях факторов необходимо формовать образцы. Для экспериментального выполнения всех возможных сочетаний требуется поставить 625 опытов (5⁴, где 4 – число факторов). Математический метод позволяет сократить объем экспериментов до 25 опытов.

Таблица 4.5 – Факторы и интервалы варьирования

Факторы варьирования (содержание фракций)	Ед. изм.	Обозна-чение	Значение факторов варьирования
			1	2	3	4	5
2,5 мм	% по сухой массе	Х1	0	5	10	15	20
1,2 мм		Х2	25	20	15	10	5
0,6 мм		Х3	5	10	15	20	25
0,3 мм		Х4	25	20	15	10	5
0,14 мм		Х5	15	20	25	30	35
менее 0,14 мм		Х6	30	25	20	15	10

Рисунок 4.11 – Матрица рационального планирования эксперимента для шести переменных факторов (точка внутри заштрихованного квадрата показывает значение для двух крайних факторов Х₂ и Х₆)

Методика изготовления образцов и подбора режима термообработки. Порода углеобогащения с ЦОФ подвергалась дроблению до фракции менее 2 мм, затем рассеивалась на фракции 2,5; 1,2; 0,6; 0,3; 0,14; менее 0,14 мм. Из расчета полной навески 1 кг для каждого эксперимента взвешивалось соответствующее количество фракций. Подобранный состав затворялся водой из расчета 10 % от общей навески. Из полученной шихты формовалось 6 образцов на прессе при давлении 15 МПа. Образцы в течение суток выдерживались и обжигались по режиму (рисунок 4.15). Термообработка осуществлялась ступенчатым способом.

Проводилась выдержка при температуре:

300…400 ⁰С – с целью выгорания органических веществ;

500…600 ⁰С – для полного процесса полиморфных превращений кварца. При этой же температуре начинается химическое превращение глинистых составляющих (дегидратация);

800…900 ⁰С – для достаточно полного выгорания углерода и начала спекания керамического черепка.

Максимальная температура, при которой формируется керамический черепок, соответствовала 1000 ⁰С.

С целью определения усадочных деформаций образцы взвешивались и обмерялись до и после обжига. Объемная усадка для всех образцов находится в пределах 1…3 %.

После обжига образцы охлаждались в печи в течение 12 часов и далее испытывались на сжатие; определялась средняя плотность; рассчитывался ККК (таблица 4.6).

По результатам предела прочности на сжатие проводилось усреднение значений по факторам Х₁, Х₂, факторам Х₄, Х₅, факторам Х₂, Х₆, факторам Х₃, Х₆ [26]. Результаты исследований приведены на рисунке 4.12.

Исследования показали, что максимальные значения предельной прочности на сжатие, минимальные значения средней плотности и максимальные значения коэффициента конструктивного качества получены при определенных гранулометрических составах (таблица 4.7).

Установлено, что для получения максимального значения ККК необходима шихта с размером фракций менее 1 мм, причем содержание последней не должно превышать 10 %.

Анализ результатов исследований показывает, что на значение предельной прочности на сжатие различные фракции влияют неодинаково. Так фракция 2,5 мм оказывает явно отрицательное значение – при увеличении ее содержания прочность образцов заметно снижается. Из этого следует, что присутствие фракции 2,5 мм а шихте нежелательно.

Фракции 1,2; 0,6; 0,3; 0,14; менее 0,14 мм оказывают на прочность примерно одинаковое влияние, следовательно, все фракции должны присутствовать в шихте в предложенных количествах.

Результаты исследований показали, что значение средней плотности составляет 1,55…0,6 г/см³. Эти значения для фракций 2,5; 1,2 ;0,6; 0,14 мм соответствует предельная прочность около 5…6 МПа. Лишь для фракций 0,3 и менее 0,14 мм им соответствуют максимальные значения предельной прочности – 7…8 МПа.

Оптимизация давления прессования. Основным признаком полусухого прессования керамических изделий является формование их из порошков путем компрессионного прессования под значительным удельным давлением 15…80 МПа [15]. Прессование пресс-порошка производилось под различным давлением. Давление повышалось и одновременно с помощью индикатора фиксировалось изменение высоты образца, соответствующее определенному давлению.

Таблица 4.6 – Составы для шестифакторного эксперимента

№ опыта	Факторы варьирования, их уровни, содержание фракций, %												Результаты опытов
	Х1		Х2		Х3		Х4		Х5		Х6		Rсж, МПа	, г/см3	ККК, МПа
	уровень	%	уровень	%	уровень	%	уровень	%	уровень	%	уровень	%
1	1	0	3	15	1	5	2	20	4	30	4	15	3,37	2,5	1,35
2	2	5	5	20	1	5	3	15	3	25	1	30	1,08	1,4	0,77
3	3	10	5	5	1	5	4	10	2	20	5	10	4,44	1,45	3,0
4	4	12	1	25	1	5	1	25	5	35	2	25	1,28	2,30	0,56
5	5	30	4	10	1	5	5	5	1	15	3	20	1,21	2,15	0,56
6	1	0	4	10	2	10	3	15	5	35	1	30	17,00	1,7	10,0
7	2	5	3	15	2	10	4	10	4	30	5	10	8,8	1,67	5,27
8	3	10	2	20	2	10	5	5	3	25	2	25	6,91	1,67	4,13
9	4	15	5	5	2	10	2	20	1	15	3	20	4,3	1,55	2,80
1 0	5	20	1	25	2	10	1	25	2	20	4	15	1,90	1,55	1,22
11	1	0	1	25	3	15	5	5	2	20	5	10	4,58	1,56	2,94
12	2	5	4	10	3	15	1	25	1	15	2	25	7,13	1,60	4,46
13	3	10	3	15	3	15	2	20	5	35	3	20	5,45	1,62	3,36
14	4	15	2	20	3	15	4	10	3	25	4	15	11,06	1,75	6,32
15	5	20	5	5	3	15	3	15	4	30	1	30	11,31	1,67	6,77
16	1	0	5	5	4	20	4	10	1	15	2	25	7,18	1,65	4,35
17	2	5	1	25	4	20	5	5	5	35	3	20	4,65	1,65	2,82
18	3	10	4	10	4	20	1	25	4	30	4	15	9,26	1,61	5,75
19	4	15	3	15	4	20	3	15	2	20	1	30	7,66	1,65	4,64
20	5	20	2	20	4	20	2	20	3	25	5	10	4,45	1,61	2,76
21	1	0	2	20	5	25	1	25	3	25	3	20	6,29	1,62	3,88
22	2	5	5	5	5	25	2	20	2	20	4	15	6,35	1,56	4,07
23	3	10	1	25	5	25	3	15	1	15	1	30	2,12	1,50	1,41
24	4	15	4	10	5	25	5	5	4	30	5	10	7,8	1,63	4,7
25	5	20	3	15	5	25	4	10	5	35	2	25	6,81	1,63	4,17

Рисунок 4.12 – Результаты оптимизации гранулометрического состава

Таблица 4.7 – Оптимизированные грансоставы

Фактор Отклик	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	Х6
	2,5 мм	1,2 мм	0,6 мм	0,3 мм	0,14 мм	<0,14мм
Предел прочности на сжатие	0 %	10 %	15 %	15 %	30 %	30 %
Средняя плотность	5…10%	5 %	25 %	15 %	20 %	30 %
Коэффициент конструктивного качества	0 %	10 %	15 %	15 %	30 %	30 %

В результате построения компрессионных кривых была выявлена область оптимального давления прессования для различной влажности пресс-порошка, которое составило для обоженной породы 28…40 МПа (среднее значение 30 МПа было принято для экспериментов), рисунок 4.13.

Определение оптимальной температуры обжига. Цель эксперимента: определить, как влияет повышение температуры обжига на свойства черепка. Для проведения эксперимента использовалась термоактивированная порода, фракция 0,6 мм и менее. Порода затворялась водой из расчета 6% по массе. Прессование образцов осуществлялось при минимальном давлении – 20 МПа. Изготавливались образцы – цилиндры диаметром 2 см по 3 экземпляра.

Изделия подсушивались и обжигались. В лабораторных условиях обжиг производится по режиму, представленному на рисунках 4.14, 4.15. С целью определения усадочных деформаций определялись размеры образцов до и после обжига.

После обжига образцы охлаждались и далее испытывались на сжатие, определилось их водопоглощение. Для определения водопоглощения образцы взвешивались в сухом и в насыщенном водой состоянии. Определение водопоглощения было проведено в соответствии с требованиями ГОСТ 6141-91. Результаты представлены в таблице 4.8.

Установлено, что увеличение температуры обжига способствует повышению прочности черепка, повышается также огневая усадка. С повышением температуры обжига снижается и стабилизируется величина водопоглощения.

Выявлена оптимальная температура обжига изделий – 1000…1050^оС, изделие обоженное при этой температуре, имеет водопоглощение 17%, что соответствует требованиям ГОСТ 6141-91.

При увеличении давления прессования увеличилась прочность черепка с 5,9 МПа до 10,6 МПа, снизилась величина водопоглощения до 13,1%, снизилась величина огневой усадки с 4% до 1,6%. Плотность образца после обжига 1,84 г/см³. Следовательно, для изготовления образцов принимаем давление прессования 30 МПа при влажности пресс-порошка до 10%.

Рисунок 4.13 – Компрессионные кривые для определения оптимального давления прессования и влажности пресс-порошка на основе отходов углеобогащения

Рисунок 4.14 – Режим обжига плиток (двойной обжиг)

Рисунок 4.15 – Режим термообработки керамики из отходов ЦОФ ЗСМК

Таблица 4.8 – Влияние увеличения температуры обжига на свойства

образцов

№ образцов	Максимальная температура, оС	Огневая усадка, %	Прочность на сжатие, МПа	Водопоглощение по массе, %	Прочность на сжатие в насыщенном состоянии, МПа	Коэффициент размягчения	Примечание
1	900	0	1,9	21	0	0	не водост
2	1000	4	5,9	17,4	5,6	0,94	водост.
3	1100	7	10,6	17,3	8,6	0,81	водост.
4	1150	1,67	10,6	13,1	9,1	0,88	водост.
Примечание: для образцов № 1, 2, 3 давление прессования 20 МПа, для №4 – давление 30 МПа. Средняя плотность образцов после обжига составила 1,71 г/см3.

Подбор корректирующих добавок. Химический, минералогический и вещественный анализы показали необходимость введения комплекса добавок: глиноземсодержащих и плавней с целью повышения прочности черепка (таблица 4.9).

Гудрон, нейтрализованный щелочами КОН, NаОН (ВНГ) – это попутный продукт, образующийся при нефтепереработке. ВНГ является пластификатором. Щелочи способствуют спеканию и уплотнению массы за счет заполнения расплавом, образующимся при обжиге пустот между тугоплавкими зернами. А это способствует, в свою очередь, цементированию их и приданию материалу высокой прочности. ВНГ является водорастворимым, срок хранения его неограничен, при отрицательных температурах не замерзает, а лишь увеличивает вязкость. Термостойкость его 120^оС. В ходе тепловой обработки при температуре свыше 120^оС происходят необратимые процессы полимеризации связующего. ВНГ относятся к разделу малотоксичных материалов. Ранее добавка применялась в шихту для производства керамзита (А.С. № 2844913/29-33 от 27.11.79).

Алюмохромфосфатная связка (АХФС) является концентрированным раствором кислых фосфатов алюминия и хрома с примесью ангидрида. Материалы, входящие в состав АХФС, общедоступны и недефицитны, что позволяет ориентироваться на их широкое применение. Содержание в ней Cr₂O₃ – 5…8%; соотношение Al₂O₃ : Cr₂O₃ = 3 : 2,5. Таким образом, присутствие Al₂O₃ (6…9%) позволяет применять АХФС в качестве добавки для повышения прочности черепка на основе углеотходов. АХФС представляет собой жидкость темно-зеленого цвета, плотностью 1,55…1,65 г/см³. Вязкость АХФС уменьшается при разбавлении водой и повышении температуры и несколько возрастает при длительном хранении.

Таблица 4.9 – Характеристика добавок

Наименование материала	Краткая характеристика	Поставщик
Гудрон, нейтрализованный щелочами КОН, NаОН (ВНГ)	Попутный продукт, образующийся при нефтепереработке; водорастворим, малотоксичен.	Омский нефтеперерабатывающий комбинат, г. Омск
Алюмохромфосфатная связка (АХФС)	Концентрированный раствор кислых фосфатов алюминия и хрома с примесью ангидрида; взрыво- и пожаробезопасна; малотоксична.	Актюбинский завод хромовых соединений, г. Актюбинск
Жидкое стекло	Коллоидный водный р-р силиката натрия или силиката калия; воздушное вяжущее вещество
Стеклобой	Отходы стекольного производства	г. Новокузнецк
Мел	Карбонатная порода; при обжиге образуется СаО, плавень с небольшим интервалом оплавления
Отходы обогащения железных руд (рудные «хвосты»)	Мелкодисперсные железистосодержащие иловые отходы аглофабрики	Абагурская аглофабрика г. Новокузнецк
Глинозем		г. Каменск-Уральский Свердловская обл.
Глина Апрелевского месторождения	Каолиновая, однородная глина	г. Гурьевск Кемеровская обл.
Глина Мойского месторождения	Каолиновая, однородная, структура плотная, комковатая	с. Мойск Павлодарская обл. Казахстан
Глина Бусульская	Каолиновая глина	г. Магнитогорск
Глина Часовъярская (огнеупорная)	Каолиновая; тонкодисперсное сырье; низкая температура спекания, содержание Al2O3 28,3…38,7%
Суглинок Байдаевский	Легкоплавкий, температура спекания 1080оС	г. Новокузнецк Кемеровская обл.

В герметической емкости при обычных температурах (18…20^оС) АХФС хранится не менее 1 года без выделения кристаллической фазы. АХФС взрыво- и пожаробезопасна (работает без потери прочности материала до 1000^оС), морозоустойчива (при 30^оС не теряет химических свойств), относится к разделу малотоксичных материалов.

Жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия или силиката калия, плотностью 1,3…1,5 г/см³ при содержании воды 50…70%. Состав щелочных силикатов выражается формулой R₂О×mSiO₂, где R - это Na или К; m – модуль жидкого стекла [19].

Для производства керамических изделий с целью повышения пластичности шихты используют глины. В эксперименте исследованы различные глины и суглинки (таблица 4.10).

Отходы обогащения железных руд рекомендованы как добавка к отходам углеобогащения в качестве плавня, а также в качестве структурирующей добавки [24]. Рудные «хвосты» представлены в основном кремнеземом SiO₂ (35,36%), оксидами железа (до 27%) (таблица 3.7). В отходах фракции менее 0,3 мм наблюдается значительное увеличение оксидов железа (1,5…1,7 раза) при одновременном уменьшении кремнезема, алюмосиликатной и карбонатной составляющих. Оксид железа (FeO) снижает температуру плавления сырья. Высокое содержание оксидов железа позволяет использовать рудные «хвосты» в качестве плавня. Для их использования рекомендуется применять мелкодисперсные отходы из зон отвала, наиболее удаленных от места выброса, или так называемую иловую часть «хвостов».

Влияние добавок на свойства черепка. Проведен предварительный эксперимент по выбору эффективных добавок. В качестве основного сырья (100%) принимались ОУО фракции 0,6 мм и менее, необожженные и обоженные при температуре 500^оС в течение 1 часа.

Добавки вводились такой же фракции (в процентах) к основному сырью. Пресс-порошок затворялся водой или раствором пластификатора из расчета 10% от общей навески. Для проведения эксперимента изготавливались образцы-цилиндры диаметром 2 см не менее 6 шт.

Прессование образцов осуществлялось следующим образом: для образцов на основе необожженной породы – давление прессования 20 МПа; для образцов на основе обожженной породы – давление прессования 30 МПа. Образцы подсушивались и обжигались при температуре 1050^оС. Результаты эксперимента приведены в таблице 4.10.

Установлено, что наиболее эффективными являются результаты с обожженной породой. Образцы из необожженной породы имеют недостаточную прочность, большое водопоглощение.

Термоактивированная (500^оС) порода обеспечивает увеличение прочности образцов до 11 МПа (в 2 раза). Наилучшими добавками к термоактивированной породе являются: раствор гудрона (концентрация 1:10), раствор АХФС (1:10), стеклобой, рудные «хвосты», пластичные глины. Эти добавки повышают прочность черепка, водопоглощение этих образцов не превышает 17%. Огневая усадка не превышает 2…3%.

Оптимизация состава шихты для керамических изделий методом рационального математического планирования эксперимента. Для определения состава шихты для керамических изделий выделены три наиболее эффективные добавки: глина, стеклобой и рудные «хвосты».

Проектирование оптимального состава шихты осуществлялось методом математического планирования эксперимента [25]. К основному сырью (обожженная порода 100%) вводились три переменных фактора: рудные «хвосты» (Х₁), стеклобой (Х₂), глина (Х₃). Такое планирование позволяет сократить количество экспериментов с 75 до 15 [26, 27].

Таблица 4.10 – Влияние добавок на свойства черепка из отходов

углеобогащения

№ шихты	Состав шихты	Прочность на сжатие, МПа	Водопоглощение, %	Огневая усадка, %	Плотность, г/см3
1	Необожженная порода 100%	5	23	2	1,63
2	Необожженная порода после отмучивания 100%	0	31	-	1,33
3	Обоженная порода 100%	11	13,1	1,67	1,84
Шихта с пластификатором
4	Необожженная порода 100% + р-р гудрона (1:10) 10%	6	14,7	2,47	1,69
5	Обожженная порода 100% + р-р гудрона (1:10) 10%	19	11,2	2,6	1,86
6	Обожженная порода 100% + р-р АХФС (1:10) 10%	14	13,3	2,59	1,88
Шихта с плавнями
7	Обожженная порода 100% + жидкое стекло 10%	0	16,9	1,47	1,55
8	Обожженная порода 100% + стеклобой 15%	12	-	-	-
9	Обожженная порода 100% + мел 5%	13	-	-	-
10	Обожженная порода 100% + рудные «хвосты» 10%	18	15,7	1,56	1,85
Шихта с алюминатными добавками
11	Обожженная порода 100% + глина Апрелевская 15%	16	17,1	1,26	1,81
12	Обожженная порода 100% + глина Мойская 15%	12	16,9	0	1,78
13	Обожженная порода 100% + глина Часовъярская 15%	30	15,5	1,71	1,83
14	Обожженная порода 100% + глинозем 15%	2	20,4	0,36	1,64
15	Обожженная порода 100% + глина Апрелевская 30%	10	15,1	2,1	1,78
16	Рудные «хвосты» 100%	0	27,4	0,69	1,86

Результаты исследования и их анализ показали, что:

• содержание рудных «хвостов» в количестве 5…10% резко повышает прочность черепка на основе ОУО, но при введении этой добавки свыше 10% способствует снижению прочности черепка; наиболее низкая величина водопоглощения изделий наблюдается при введении «хвостов» в количестве 5%, ввод их свыше 5% повышает водопоглощение черепка (рисунок 4.16);

• при введении в шихту стеклобоя прочность образцов сначала резко снижается, но увеличение содержания плавня, способствует повышению прочности. Максимальное значение прочности соответствует содержанию стекла в количестве 20%. Наиболее низкое значение водопоглощения соответствует 15% содержания стеклобоя, при увеличении содержания стеклобоя (до 20%) в шихте увеличивается и величина водопоглощения;

• ввод в шихту глины способствует повышению прочности черепка и снижению водопоглощения. Оптимальное содержание глины – 10%.

Рисунок 4.16 – Зависимость предела прочности на сжатие от

факторов Х₁, Х₂. Х₃

В результате проведенного эксперимента, составленного методом рационального математического планирования, получен оптимальный состав шихты:

отходы углеобогащения 100%

глина (каолиновая) 10%

стеклобой 15…20%

рудные «хвосты» 5…10%

Для дальнейшего эксперимента изготавливались образцы следующего состава: ОУО – 100%; глина – 10%; стеклобой – 20%; рудные «хвосты» - 5%.

Использовались 3 вида глин: Мойская, Апрелевская и Бускульская, а также суглинок Байдаевский. Суглинок добавлялся в количестве 20% от основного сырья. Образцы испытывались на сжатие, на изгиб, определялась их водопоглощение и огневая усадка. Для испытания на сжатие изготавливались образцы-цилиндры, а для испытания на изгиб – плитки размером 150×150×5 мм. Испытание на изгиб и определение водопоглощения образцов проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 6141-91.

Один из составов шихты затворялся раствором гудрона (концентрация 1:10) в количестве 10% от общей навески. Результаты всех испытаний приведены в таблице 4.11.

Таблица 4.11 – Свойства образцов оптимального состава

№ шихты	Состав шихты	Прочность на сжатие, МПа	Прочность на изгиб, МПа	Водопоглощение, %	Огневая усадка, %	Плотность, г/см3
1	ОУО обоженные 100%, глина Мойская 10% стеклобой 20% рудные «хвосты» 5%	27,7	14,1	12	1,13	1,93
2	ОУО обоженные 100%, глина Мойская 10% стеклобой 20% рудные «хвосты» 5% р-р гудрона (1:10)	14,2	-	12	0,32	1,88
3	ОУО обоженные 100%, глина Апрелевская 10% стеклобой 20% рудные «хвосты» 5%	17	-	10	1,05	1,88
4	ОУО обоженные 100%, глина Бускульская 10% стеклобой 20% рудные «хвосты» 5%	24,3	11,5	12	1,89	1,91
5	ОУО обоженные 100%, суглинок Байдаевский 20% стеклобой 20% рудные «хвосты» 5%	17	-	11	1,00	1,90

Установлено, что наилучшими являются составы с применением Мойской и Бускульской глин. Малой прочностью обладают образцы, для которых в качестве алюминатной добавки использовалась Апрелевская глина и Байдаевский суглинок. Огневая усадка образцов не превышает 2%. Средняя плотность – 1,9 г/см³. Водопоглощение образцов – 10…12% - не превышает допустимую величину (17%) по ГОСТ 6141-91.

Для испытания на изгиб изготавливались плитки размером 150×150 мм и толщиной 5 мм. Прессование плитки осуществлялось под давлением 30 МПа. Рассчитана масса пресс-порошка, необходимая для заполнения пресс-формы размером 150×150 мм:

m=j·v=2·15·15·0,5=225 г,

где j = 2 г/см³ – средняя плотность образцов до обжига;

v = 15×15×0,5 см³ – объем плитки (112,5 см³).

С учетом огневой усадки при обжиге (в среднем 1,5%) эту массу увеличиваем на 3,38 г из расчета, что усадке равной 1,5% соответствует объем 1,69 см³. По массе это составит:

112,5 · 1,5% / 100% · 2 г/см³ = 3,38 г

Следовательно, для изготовления одной плитки размером 150×150×5 мм требуется 228 г пресс-порошка. Высота засыпки пресс-формы 1,8 см.

Обоженные плитки, изготовленные с применением Мойской и Бус­кульской глин, испытывались на изгиб. Результаты испытаний показали, что прочность керамической плитки на изгиб с использованием Мойской глины – 14 МПа – отвечает требованиям ГОСТ 6141-91. Прочность кера­мической плитки с использованием Бускульской глины – 11,5 МПа, что несколько ниже допустимой (12 МПа).

Технология производства керамической плитки. Формование плиток осуществляется пластическим формованием и полусухим прессованием.

Основным признаком полусухого прессования керамических изделий является формование их из порошков путем компрессионного прессования под значительным удельным давлением 15…80 МПа. Прессовое давление, приложенное к штампу, затухает в направлении толщины изделия. На равноплотность прессовки очень большое влияние оказывает режим прессования. Для предотвращения трещин расслаивания рекомендуется применять порошки с возможно большей однородностью зерен по их крупности, а также повышать влажностную однородность порошка. Качество прессовки зависит также от длительности приложения прессующей нагрузки. При плавном приложении нагрузки увеличивается плотность прессовки, возрастает равноплотность, наиболее полно удаляется воздух из прессуемого порошка.

Керамические порошки готовят сушильно-помольным и шликерным способами. Конечная влажность пресс-порошка 6…12% [29]. При сушильно-помольном способе шихту подвергают последовательно грубому дроблению, сушке, помолу, просеву и увлажнению. При подготовке пресс-порошков не всегда удается после помола получить порошок с влажностью, необходимой и достаточной для прессования. Чтобы обеспечить производительную работу помольных машин и необходимую тонину помола, приходится иногда сушить и молоть шихту при влажности несколько ниже прессовочной, а затем порошок вновь увлажнять. Такое увлажнение осуществляют распылением воды в глиномешалках или паром в специальных аппаратах. В некоторых случаях порошок увлажняется специальными органическими пластификаторами.

При шликерном способе подготовки пресс-порошка шихту «распускают» горячей водой в шликер влажностью 40…45%. Затем его под давлением 0,25 МПа накачивают для отделения каменистых включений в дуговые сита, откуда очищенным он сливается и подается в распылительную сушилку, затем порошок с влажностью 10% поступает через контрольное сито в расходные бункера.

Шликерный способ подготовки сырья имеет большие преимущества перед сушильнопомольным. По гранулометрическому составу порошок приближается к монофракционному, вследствие чего он равномерно пропрессовывается при более низких давлениях. Шликерный способ приготовления порошка более сложный и применяется в основном в тонкой керамике.

При обжиге сырца, отпрессованного из порошкообразной массы, следует учитывать своеобразие его структуры. Отдельные частицы шихты имеют между собой поверхности раздела в отличие от сырца пластического формования, имеющего сплошную массу «коллоидального вяжущего». Вследствие этого каждая частица в сырце будет претерпевать усадку локально, и сокращаться в размерах будет не весь массив сырца, а в отдельности каждая частица, отодвигаясь от соседней, вызывая появление напряжений и трещин на поверхностях раздела спрессованных частиц. Для заполнения этих трещин жидкой фазой необходимо увеличенное ее количество, которое возможно получить лишь за счет повышения температуры обжига или введения добавок-плавней [15].

Для повышения прочности и снижения водопоглощения изделий на основе углесодержащей шихты нагрев до 970…1030^оС проводят в нейтральной среде с изотермической выдержкой при этой температуре в течение 1,5…2 ч в сильноокислительной среде с последующим нагревом до максимальной температуры в восстановительной среде (А. С. № 1175921, Бюл. № 3, 08.30.85). С целью интенсификации процессов выгорания углерода и улучшения качества керамики парогазовоздушную смесь в зону с температурой 800…1050^оС подают с содержанием пара 0,15…0,25 г/л и коэффициентом избытка воздуха  - 1,25…1,5. Обжиг керамических плиток производят в роликовых туннельных печах.

Для снижения водопоглощения и улучшения внешнего вида керамическую плитку покрывают слоем глазури. Глазурь представляет собой стекловидное покрытие толщиной 0,1…0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом при температуре 900^оС…1000^оС. Глазурь наносится методом пульверизации, обливания, окунания.

Методом пульверизации можно глазуровать изделия не только предварительно обожженные, но и до обжига, если они тщательно высушены перед глазурованием. Глазурование методом пульверизации облегчает переход от двукратного к однократному обжигу в производстве плиток. Отпрессованные плитки направляются на сушку, анпример, в конвейерную сушилку, затем глазуруются на глазуровальной установке и вновь подсушиваются, после чего направляются в обжиговую печь.

Конвейерные установки для глазурования методом обливания изделий глазурь также используется в производстве плиток и других видов облицовочной керамики. При глазуровании методом обливания боковые кромки плитки смазываются нагретым парафином для предохранения их от покрытия глазурью.

Для глазурного слоя шликер готовят на основе циркониевых или стронциевых фритт (90…93%) с низкой температурой плавления: первая – плавкость 840^оС…880^оС и вторая – 870^оС…960^оС. При приготовлении глазурного шликера в качестве стабилизирующего материала лучше использовать глину (а не каолин), что обеспечивает лучшее сцепление глазурного слоя с керамическим черепком.

Глазури могут быть прозрачными и глухими, белыми и окрашенными, блестящими и матовыми. Цветные глазури получают путем добавления к смеси оксидов и солей различных металлов или специальных огнеупорных красок. К глазурям всех видов и назначений предъявляется основное требование – согласовать коэффициент термического расширения глазури и керамического черепка покрываемого изделия.

Керамические изделия, применяемые для облицовки зданий, подразделены на 2 группы – для облицовки фасадов и для внутренней облицовки помещений. В связи с этим применяются несколько составов глазури для плиток различного назначения.

Например, глазурь для плиток, предназначенных для наружной отделки зданий, состоит из следующих компонентов: фритта – 33…90%, глина Мойская – 10% и сверх 100% добавляют клей КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза) – 0,25% для лучшего сцепления с плиткой. Фритта имеет следующий состав (%): бура – 16,5; борат кальция – 26; углекислый барий – 4,4; оксид цинка – 1,5; оксид магния – 2,0; кварцевый песок – 35; глинозем – 6,6; циркон – 8.

Температура варки фритты – 1350^оС. Фритта фасуется в мешки и завозится с завода «Сантехлит» (г. Новокузнецк).

Основные требования к керамическим плиткам: размеры плиток 150×150×5(6) мм, допускаемые отклонения: по длине и ширине - ±1,2 мм, по толщине - ± 0,5 мм; водопоглощение – менее 17%; средняя величина предела прочности при изгибе – более 12 МПа; по внешнему виду плитка должна соответствовать требованиям 1-го, 2-го или 3-го сорта.

Производственный эксперимент. Сырье для плитки состояло из предварительно обожженных ОУО при 550^оС с добавкой глины и плавня (заявка на патент № 2003178050/03 от 29.12.2003).

Характер сцепления глазури с черепком из опытной шихты определялся в промышленных условиях, в керамическом цехе ЗЖБК-1 в г. Новокузнецке. Исследуемые образцы 150×150×5 мм из шихты 100% ОУО по конвейеру направлялись в сушилку (температура 150^оС…180^оС, продолжительность сушки 8 мин.). Затем поступали на глазуровальную установку (глазурование осуществлялось методом пульверизации), после чего заглазурованные изделия подвергались повторной сушке (температура 200^оС…250^оС, время 3 мин). Затем по конвейеру направлялись в печь для обжига (температура 1000^оС, время 1,5 ч). После обжига образцы охлаждались и снимались с конвейера. Скорость движения изделий в сушилках и печи 0,5 м/мин.

Глазуровались 2 партии плиток. Образцы первой партии первично обжигались в лабораторных условиях, а после глазурования подвергались повторному обжигу. Образцы второй партии обжигались однократно, глазурь наносилась на образец после сушки.

Визуально выявлено, что при однократном обжиге (в течение 1,5 часа) происходит коробление плиток. Одностадийный режим обжига (1,5 часа) не подходит для исследуемых плиток 150×150×5 мм. Глазурь ложится хорошо на предварительно обожженный черепок и в заводских условиях.

Характер сцепления глазурного слоя с черепком определен в результате испытаний образца на термостойкость, в соответствии с требованиями ГОСТ 6141-82. Образец нагревался до температуры 125^оС и резко охлаждался до 5…20^оС. В результате испытаний не было выявлено разрушений черепка, дефектов глазурного слоя (появления цека глазури).

Технология производства керамического кирпича из ОУО на Абашевском кирпичном заводе осуществляется методом полусухого прессования (рисунок 4.17).

Отходы углеобогащения крупностью 200…250 мм поступают в бункер приемного отделения. Из бункера ленточным питателем отходы дозируются на ленточный конвейер. Дальше отходы попадают на транспортер крутонаклонный и подаются в бункер приемного отделения. Из бункера ленточным питателем отходы дозируются в роторную дробилку на дробление до крупности частиц 3…20 мм. После дробления сырье по скребковому конвейеру попадает в дезинтегратор, где производится помол до крупности менее 0,3 мм. Из дезинтегратора пресс-порошок по скребковому транспортеру попадает в глиномешалку с фильтрующей головкой СМ-1238А, которая предназначена для тонкой очистки, перемешивания и прогрева керамической массы. В глиномешалке обеспечивается однородность массы по количеству составляющих ее компонентов и влажности. При продавливании через решетку улучшается переработка керамической массы и происходит очистка ее от органических и твердых включений размером более 25 мкм.

В случае снижения в породе содержания глинистых (<17 %)предложено устройство узла введения добавки. Предлжено добавлять в шихту железосодержащие добавки. Из расходного бункера ленточным питателем добавка дозируется в вальцы тонкого помола с гладкими валками, в которых происходит ее измельчение. Затем порошок через течку попадает в глиномешалку, куда подается порошок из ОУО.

1 – грохот; 2 – промежуточный бункер; 3 – качающийся питатель; 4, 6, 7 – ленточный конвейер; 5 – перегрузочный узел; 8 – железоотделитель; 9 – породные бункера; 10 – щековая дробилка; 11,12, 16 – ленточный конвейер; 13 – плужковый сбрасыватель; 14 – породные бункера; 15 – весовые дозаторы; 17 – молотковая дробилка; 18 – сепаратор; 19 – подтопок; 20 – прямоточный циклон; 21 – батарея циклонов; 22 – скоростной промыватель; 23 – вентилятор; 24 – ячейковые питатели; 25 – бункер; 26 – пневмовинтовые насосы; 27 – двухходовые переключатели; 28 – бункера готового порошка (товарный); 29 – бункера; 30 – винтовые питатели; 31 – двухвальный смеситель; 32 – стержневой смеситель; 33, 36, 37 – ленточные конвейеры; 34 – мешалка-питатель; 35 – пресс; 38 – вагонетка; 39 – туннельная печь-сушилка

Рисунок 4.17 – Технология получения керамического кирпича из отходов углеобогащения

Далее смесь поступает в мешалку-питатель, которая предназначена для приема массы влажностью 4…8 % и перемешивания шихты для усреднения ее влажности и гранулометрического состава. Далее по течке масса поступает в засыпной ящик пресса. Отходы от пресса собираются и возвращаются по скребковому конвейеру в глиномешалку. Отпрессованный кирпич подается специальным рольгангом от пресса на печную вагонетку размером 3,0 3,0 м. Укладку кирпича на вагонетку производит автомат-укладчик. Вагонетка с кирпичом при помощи электропередаточной тележки попадает в печь, где происходит сушка и обжиг кирпича. Готовую продукцию увозят на объект или склад.

Итак, отходы обогащения угля эффективно использовать для обжиговых керамических материалов. Возможна активация «хвостов» методом предварительного обжига измельченной породы при температуре 500…600^оС. При обогащении шихты глинистой составляющей и плавнями возможно получение не только стеновой керамики, но и керамической плитки.