Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силикатные материалы строительного назначения из нерудного сырья. Монография
.pdf
прямоугольного и круглого сечения (соленоид). Схема установки
приведена на рис. 2.2.
Электрохимическая активация глинистого сырья заключается в
применении для затворения глиномассы активированной воды. Для ее
получения в 0,1 М раствор нитрата натрия помещают электрохимический активатор, и через него пропускают ток (3-14 А). При этом
значение рН активированной воды составляет 8,9-9,6.
Наиболее распространенным способом улучшения качества
глинистого сырья является введение в шихту технологических добавок
различного назначения. Для получения кондиционной продукции необходимо найти оптимальное соотношение в шихте между плавнями и
порообразующими добавками. В качестве таких добавок используются
торф, битуминозные доломиты, карбонатные породы, опилки древесные, а добавок-плавней – тугоплавкие и цеолитсодержащие глины, а
также цеолитсодержащие кремнистые породы, причем последние
являются добавкой «двойного действия», то есть одновременно
выполняют функции порообразователя и плавня.
Комбинированный способ включает в себя элементы вышеперечисленных методов. В зависимости от качества исходного глинистого сырья и поставленной конечной задачи, в комбинированный
метод могут включаться те или иные способы переработки с целью
получения оптимального результата.
Использование вышеперечисленных способов позволяет улучшить формовочные и сушильные свойства, спекаемость и вспучиваемость глинистого сырья, и тем самым повысить эксплуатационные
характеристики изделий.
5 6
~ ~ 220В
2 3
1
4
Рис. 2.2. Схема установки для электромагнитной обработки образцов:
1 – образец; 2 – соленоид; 3 – измеритель напряженности;
4 – переключатель; 5 – выпрямитель; 6 – регулятор напряжения
21
Эффективными нетрадиционными способами обогащения сырья являются: активация в электромассклассификаторе (ЭМК), пульсационное обогащение и электрокинетическое воздействие. При их
применении в сырье протекают различные процессы. При обработке в
ЭМК происходит механическая активация, при пульсационном обогащении – фракционирование частиц, при электрокинетическом воздействии – активация вследствие явления электрофореза.
Электромассклассификатор типа СМГ-ЭМК-005-1 представляет класс аппаратов, где реализован способ активации и улучшения
качественных характеристик материала, основанный на использовании
совокупности электрофизических и инерционных характеристик частиц. На данном аппарате в результате ударно-истирающего действия
происходит измельчение и структурное изменение сырья. Электромассклассификатор обеспечивает получение однородных порошковых материалов с размерами частиц в диапазоне от 0,1 до 500 мкм. Производительность установки – 50 кг/ч, режим работы – периодический.
ЭМК состоит (рис. 2.3) из металлического каркаса (3), камеры
активации (5), блока шкивов (2), связанных с электродвигателем,
загрузочного бункера (1), патрубка для отсева крупной фракции (6),
Рис. 2.3. Общий вид электромассклассификатора
22
опорной станины (7), передвижной платформы (10), ротора (4), съемного стакана (9), бункера мелкой фракции (8).
Сырье через загрузочный бункер подают в камеру активации.
Обработка порошковых сыпучих компонентов производится в сухом
виде (влажность – не более 7 %) в замкнутом объеме. Мелкодисперсные частицы оседают в приемнике, а крупнодисперсная фракция
выводится через патрубок и собирается в матерчатую или металлическую тару. После окончания работы вынимают стакан с тонкодисперсной фракцией. Вставка стакана в бункер позволяет разделить
мелкодисперсные частицы на две фракции, отличающиеся по размеру.
Так как гранулометрический состав глин является одним из
факторов, влияющих на свойства получаемой продукции (это связано
с различием минерального состава грубо- и тонкодисперсных фракций), то способ переработки с применением новых технологических
приемов разделения глин на фракции может быть перспективным. Метод пульсационной обработки позволяет произвести относительно быструю оттирку глинистых частиц от зернистого материала и получить
несколько глинистых фракций для последующего подбора консистенций шликера. К преимуществам метода относятся также небольшие энергозатраты, возможность введения в суспензию различных реагентов (щелочей, электрохимически активированной воды и т.д.). Использование концентратора глиномасс позволяет сгущать суспензии,
быстро отделять основную массу воды и вновь пускать ее в оборот.
В основу разработки конструкции пульсационного аппарата
для разделения глинистой суспензии положен аппарат Пратта, представляющий собой коаксиально расположенные цилиндрический корпус и центральную пульсационную трубу с насадкой в виде ситчатых
тарелок в кольцевом канале аппарата. Пульсация передается с помощью поршня, совершающего возвратно-поступательное движение.
На рис. 2.4 показано, как устроена лабораторная установка.
Первая секция состоит из двух коаксиально расположенных
стеклянных труб с внутренним диаметром 60 и 40 мм, а также высотой
600 мм. Внешняя труба через сужение переходит внизу в патрубок диаметром 40 мм, к которому снизу радиально присоединен штуцер для
подвода воды. В верхней части внешней трубы расположен капиллярный штуцер подвода воздуха. На 100 мм ниже капилляра, с противоположной стороны трубы, установлен сливной штуцер диаметром
25 мм для слива суспензии. Вверху секции обе трубы герметично соединены между собой по технологии дьюаровского спая.
23
Глина (шликер)
Ф
2
Ф
1
Воздух
Вода
Рис. 2.4. Схема установки для пульсационной переработки сырья
Вторая секция представляет собой стеклянную трубу диаметром 60 мм, открытую сверху и переходящую внизу в патрубок
диаметром 20 мм, через который выгружается вторая фракция частиц
глины. Приемный штуцер второй секции, через который происходит
перелив частично разделенной суспензии в третью секцию, расположен с противоположной стороны трубы.
Устройство третьей секции аналогично устройству второй,
только диаметр основной трубы здесь составляет 80 мм. Секции
соединены шлангами, на выходе третьей секции шланг проведен в
емкость для сбора суспензии с наиболее тонкой фракцией глины.
Исходная полусухая глинистая масса в установке подвергается
измельчению до минимально возможных размеров частиц. Затем разбавляется водой в массовом соотношении 1:1, после чего загружается
в верхнее приемное отверстие первой секции (в открытую сверху
внутреннюю трубу) и отмывается свежей водой, поступающей снизу в
импульсирующем режиме. Импульсы воздуха (с периодом 7 с и длительностью 2 с) обеспечивают колебание суспензии амплитудой в
интервале 16-18 см.
Качество сырья можно улучшить также путем электрокинетического воздействия на шликер. При этом происходит следующее:
24
а) электроосмотическое обезвоживание, сопровождаемое суш-
1
2
3
4
5
6
7
кой исходного глинистого сырья;
б) электрофоретический перенос заряженных частиц в электрическом поле, и как следствие, активация глинистых минералов.
Все эти процессы находятся в прямой зависимости от состава,
структурных изменений минералов, а также природы и количественных характеристик налагаемого электрического поля. Электрокинетическая технология позволяет вовлечь в производство глинистое сырье,
засоренное карбонатными, каменистыми и иными включениями. При
этом одновременно снижаются (в 2-4 раза) энергозатраты на удаление
влаги, а электрохимическая активация глинистых минералов в
процессе обезвоживания позволяет повысить прочность керамики.
Электрокинетическая установка (рис. 2.5) состоит из источника постоянного тока типа У-300 мощностью 1 кВт (1), импульсного
генератора типа Г5-54 с диапазоном частот 1105 Гц (2), нестандартного импульсного усилителя мощности (3), электроизмерительных
приборов (4), алюминиевой пластины с отверстиями диаметром 1 мм
(5), служащей анодом, ячейки (6) размером 200х100х100 мм, собранной из текстолита и латунной сетки (7) с отверстиями 0,25х0,25 мм,
служащей катодом.
Конструкция ячейки обеспечивает исключение неоднородности фильтрационного влагопереноса и максимально приближается к
возможным условиям производства на установке непрерывного
действия. Шликер с влажностью 30 % пропускается через сито с
размерами ячеек 1 мм с целью удаления крупнозернистых включений.
Рис. 2.5. Схема электрокинетической установки
25
После этого его помещают в ячейку, и включают один из источников
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,5 1 2 3 4 5 10
20
30
40
50
внешней энергии (источник постоянного тока или импульсный
генератор). Процесс электрокинетического воздействия на шликер
заканчивается при достижении формовочной влажности.
Структурно-минералогические изменения сырья
при его переработке
Механическая активация в различных аппаратах (виброизмельчителе, электромассклассификаторе и шаровой мельнице) глинистого
сырья заметно улучшает его спекаемость, вследствие чего увеличиваются (в 1,3-2,2 раза) прочностные характеристики керамического
материала. Чтобы прогнозировать возможности данного метода активации для улучшения технологических свойств сырья, необходимо
знать механизм дефектообразования и кинетики структурных
преобразований минеральных составляющих глины.
Показателем степени активации может быть не только изменение дисперсности частиц (рис. 2.6), но и, как показано ниже, соотношение долей ионов Fe3+, находящихся в структуре монтмориллонита в позициях П
точных отрицательных зарядов) и П
(ионы активно участвуют в компенсации избы-
2
(ионы не участвуют в ком-
1
пенсации избыточных отрицательных зарядов).
При механоактивации размер частиц заметно уменьшается.
Например, у глины разновидности 3б (табл. 5.2) количество частиц
менее 2 мкм увеличивается на 10-20 %, менее 10 мкм – на 28-32 %.
Рис. 2.6. Влияние времени активации (τ) глины разновидности 3б на
дисперсность частиц (♦ – τ = 0 мин.; х – τ = 5 мин.; ▲ – τ = 10 мин.)
26
Значимых различий термоаналитических характеристик исходного и активированного (30 мин.) образцов не отмечено (рис. 2.7).
Удаление межслоевой (слабосвязанной) воды в интервале 40-4000С
зарегистрировано в количестве 9,6 % для исходного и 9,8 % – для
активированного образца; межслоевой структурной воды в процессе
дегидратации при интервале 400-6200С – в количестве 1,9 % для обоих
образцов. Величина потери массы при нагреве в интервале 20-1000
0
С
составляет 12,0 % для исходного образца, 12,1 % – для активированного образца. Содержание монтмориллонита, определенное при
условии отсутствия фаз, содержащих слабосвязанную воду, составляет
37 % в исходном и 36 % – в активированном образцах.
Рис. 2.7. Термограммы глины разновидности 3б
(1 – исходной; 2 – активированной)
Отличие исследованных методом ИК-спектроскопии образцов
глины разновидности 3б-исходной и активированной (30 мин.) заключается в незначительном изменении интенсивностей полос поглощения при 480 см
-1
(O-Si-O), 795-805 см-1 (Si-O-Si), 1100 см-1 (Si-O) –
рис. 2.8. Активированный образец характеризуется большей интен-
27
Рис. 2.8. Ик-спектры глины разновидности 3б
(1 – исходной; 2 – активированной)
сивностью полос. Это можно объяснить увеличением степени
упорядоченности кристаллической составляющей в октаэдрических
слоях монтмориллонита. Вероятно, это является следствием того, что
при искажении части октаэдров одновременно происходит снятие
напряжений в тетраэдрической сетке.
Методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии были
оценены степень искажения кристаллической структуры монтмориллонита, входящего в состав глинистого сырья, в процессе
механоактивации в зависимости от ее длительности и связь между
степенью искажения кристаллической структуры монтмориллонита и
механической прочностью керамических образцов. ЯГР-спектры
поглощения изученных образцов для изотопа
57
Fe представлены на
рис. 2.9 и 2.10, спектроскопические параметры – в табл. 2.1.
Исследование глинистого сырья разновидности 3б показало,
что механическая прочность обожженных образцов, предварительно
подвергнутых механоактивации в виброизмельчителе, тем выше, чем
больше величина квадрупольного расщепления для ионов Fe2+ в
структуре монтмориллонита. Величина квадрупольного расщепления
растет с увеличением времени активации.
Было также отмечено, что в результате механоактивации глинистого сырья происходит «переход» части ионов Fe3+ из менее искаженной позиции П
лентные катионы) в более искаженную позицию П
(где в ближайшем их окружении находятся изова-
1
(где ионы Fe
2
3+
со-
28
448000
452000
456000
460000
464000
468000
-2,5
-1,5
-0,5
0,5
1,5
2,5
3,5
Vмм/с
имп/кан
408000
412000
416000
420000
424000
428000
-2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5 3,5
Vмм/с
имп/кан
П1
П2
П3
Рис. 2.9. Гамма-резонансный спектр
исходной глины разновидности 3б
Рис. 10. Гамма-резонансный спектр
активированной глины разновидности 3б
29
Таблица 2.1
Глина, время
активации
Fe3+
Fe3+
δ1 ∆1 Г1 П1 δ2 ∆2 Г2 П
2
Исходная
0,33
0,47
0,45
0,47
0,33
0,85
0,5
0,42
Активированная, 15 мин.
0,35
0,45
0,47
0,45
0,33
0,85
0,48
0,45
Активированная, 30 мин.
0,35
0,45
0,43
0,36
0,33
0,85
0,57
0,53
Спектроскопические параметры спектров ЯГР в монтмориллоните,
входящем в состав глины разновидности 3б*
*Примечание: δi – изомерный сдвиг к α-Fe, мм/с, ±0,02; ∆1 – квадрупольное расщепление, мм/с, ±0,02; Г1 – полуширина линий, мм/с, ± 0,02; П1 –
доля ионов железа в соответствующей позиции; Г – полуширина всего
спектра.
седствуют с гетеровалентными катионами и вакантными октаэдрическими позициями). Для активированной в течение 30 мин. глины
содержание ионов Fe3+ в позиции П2 превышало их содержание в
позиции П1. В этом случае образцы оказались в 2,2 раза прочнее
образцов из исходного сырья.
Структурные нарушения в ЯГР-спектрах проявляются: через
уширения линий дублетов; некоторым увеличением величины квадрупольного расщепления ионов Fe
ионов Fe
3+
в более искаженную позицию П2. При этом, если измене-
2+
; посредством «перехода» части
ния, затрагивающие основные структурные многогранники (их расширение, сплющивание, разворот и др.), могут объяснить первые два из
трех наблюдаемых превращений ЯГР-спектров, то последнее из них
требует более подробных разъяснений. Поскольку величина квадрупольного расщепления для ионов Fe3+ определяется степенью искажения ближайшего к ним анионного и катионного окружений, вышеупомянутый «переход» ионов Fe3+ из позиции П1 в более искаженную позицию П
должен быть следствием изменений в соседних координа-
2
ционных сферах. Наименее стабильно в этом отношении состояние
гидроксильных групп в ближайшем к иону Fe3+ анионной сфере.
Под влиянием внешних воздействий (механического, термического) сначала разрушается межслоевой промежуток, что приводит
к ослаблению или полному разрушению связи между межслоевыми
катионами и гидроксильными группами. В результате изменяется угол
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]