Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силикатные материалы строительного назначения из нерудного сырья. Монография
.pdf
ботка глины разновидности 3а, обладающей лучшей спекаемостью из
всего исследуемого сырья, не повлияла на характеристики образцов.
Механоактивация глинистого сырья разновидности 3б приводит к
увеличению прочности при сжатии на 75 %, плотности – на 0,07 г/см3.
Вероятно, это связано с тем, что в результате измельчения и
фракционирования глина обогащается, и большая часть глинистой
составляющей находится в тонкодисперсной фракции, которая
использовалась для формования образцов.
Одним из способов улучшения спекаемости является ультразвуковая обработка глинистого сырья. Однако такое воздействие на
глину с низкой формовочной влажностью затруднено в промышленных условиях вследствие комкования глиномассы. Поэтому из глины необходимо предварительно приготовить суспензию с отношением
Т : Ж = 1 : 20. Ультразвуковая обработка суспензии (время 4 и 7 мин.,
частота 22 и 44 кГц), приготовленной из глинистого сырья разновидности 3б, приводит к увеличению прочности при сжатии образцов
в 1,4-1,9 раза. При этом плотность керамического материала
возрастает на 0,08-0,13 г/см3.
Обезвоживание шликера на электрокинетической установке
позволяет повысить на 25 % прочность при сжатии образцов из сырья
разновидности 3б. Плотность практически не изменяется. Использование этого метода требует дополнительных затрат. Для получения
шликера необходимо доувлажнять глинистое сырье до влажности
~35-37 %. Как правило, естественная влажность сырья бывает ниже.
Кроме того, электрокинетическое обезвоживание в зависимости от
качества глинистого сырья по-разному влияет на свойства образцов.
Поэтому в каждом конкретном случае необходимо проводить экономические расчеты и только после этого делать окончательные выводы
о целесообразности применения электрокинетической установки.
С целью повышения прочностных свойств керамических
образцов в качестве жидкости затворения вместо технической воды
применялась электрохимически активированная вода. Ее использование для замачивания глины разновидности 3б позволяет увеличить
прочность при сжатии образцов на 18 %. Повышение рН до значения
9,6 незначительно сказывается на прочности при сжатии (она
снижается с 34,0 до 32,7 МПа). При хранении активированной воды в
течение месяца ее свойства теряются (прочностные характеристики
образцов несколько снижаются).
Последовательное использование двух способов обработки
61
глиномассы (применение активированной воды и электрокинетической сушки шликера) не улучшает спекаемость. Прочность при сжатии
образцов из глинистого сырья разновидности 3б практически не изменятся. Однако при этом снижается на 0,08 г/см
3
значение плотности.
Следует отметить, что формование образцов после такой двойной
обработки затруднено.
Таким образом, механоактивация, ультразвуковая обработка,
электрокинетическое обезвоживание и электрохимическая активация
глинистого сырья позволяют улучшить его спекаемость и тем самым
повысить прочностные свойства изделий на одну-две марки. Применительно к производству керамического кирпича для этой цели целесообразнее использовать для плохо спекающихся глин (например,
разновидности 5а) механоактивацию в виброизмельчителе в течение 5
-30 мин и электрохимическую активацию (с рН активированной воды
8,9). Данные способы переработки глиномасс эффективно применять
для сырья с высоким содержанием крупнозернистых включений.
Электромагнитная обработка необожженных образцов из глины разновидности 3б позволяет повысить (до 25 %) прочность при
сжатии. При этом плотность керамического материала практически не
изменяется. В одинаковой степени влияет на параметры образцов вид
тока (постоянный или переменный). Максимальное увеличение прочности при сжатии наблюдается при 30-секундной обработке. Однако,
учитывая тот факт, что на промышленном прессе реальное время
электромагнитного воздействия ограничивается 15 с, дальнейшие исследования проводились только в течение этого времени обработки.
Напряженность электромагнитного поля мало влияет на прочность образцов. При ее изменении от 1000 до 13000 э при времени
воздействия 15 с прочность при сжатии находится в пределах 32,334,1 МПа. При воздействии переменным током в течение 15 с наибольшие значения прочности при сжатии достигаются при напряжении 100 и 150 В.
Таким образом, прочность при сжатии керамических изделий,
отформованных из глинистого сырья разновидности 3б, может быть
увеличена и путем электромагнитного воздействия на глиняный
сырец. При этом время обработки должно составлять 15 с, напряженность поля – 1000-2500 э, напряжение переменного тока – 100150 В.
Как было уже отмечено, последовательное применение двух
способов (активированной воды для затворения и обезвоживание шли-
62
кера на электрокинетической установке) для улучшения спекаемости
не дает положительного эффекта.
Такой же результат получен и при использовании для обработки глиномассы трёх способов в следующей последовательности:
затворение активированной водой (рН = 9,6), электрокинетическое
обезвоживание, электромагнитное воздействие переменного поля (U –
100 В, τ – 15 с) на образец – сырец. Прочность при сжатии снижается
почти у всех образцов, полученных из следующих шихт: 1) 100 % глины разновидности 3б; 2) 60 % глины разновидности 3б, 40% ЦСКП;
3) 45 % глины разновидности 3б, 30 % ЦСКП, 10 % цеолитсодержащей глины, 15 % опилок; 4) 100 % глины разновидности 5а;
5) 50 % глины разновидности 5а, 50 % ЦСКП.
Следовательно, для улучшения спекаемости вышеперечисленные способы воздействия на глиномассу необходимо применять раздельно друг от друга, то есть выбрать один – в зависимости от экономической целесообразности и разновидности глинистого сырья (ранее было показано, что применение электрокинетического обезвоживания позволяет повысить прочность образцов при сжатии на 25 %,
активированной воды – на 18 %, электромагнитного воздействия – до
25 %).
3.3. Особенности получения кирпича полусухого прессования
из различных видов сырья
В случае применения малопластичного, засоренного повышенным количеством карбонатных включений и высокочувствительного к сушке глинистого сырья полусухой способ прессования изделий может быть более эффективным по сравнению с пластическим
формованием. Кроме того, себестоимость производства данным способом ниже вследствие меньших энергозатрат. Технологический процесс получения керамических изделий методом полусухого формования состоит из следующих двух основных стадий:
1) приготовление пресс-порошка определенного зернового
состава и влажности;
2) прессование (определяющей стадией этого технологичес-
кого цикла является операция непрерывного прессования, характеризуемая уплотнением порошка от начальной насыпной плотности до
конечной.
63
Изменение плотности порошка есть определенная функция
напряженного состояния. Для сжимаемых сред с зернисто-пористой
структурой относительное изменение объема определяется физикомеханическими свойствами порошка, размером и формой исходных
частиц, а также параметрами процесса прессования: скоростью прессования, его давлением и т.п. /13/.
Прочность прессованных образцов-сырцов зависит от влажности пресс-порошка и времени их выдержки на воздухе. При оптимальном значении влажности прочностные связи при одном и том же
давлении прессования увеличиваются. Возрастание прочности спрессованных образцов при более длительном их выдерживании на воздухе объясняется тем, что со временем завершаются кристаллизационные процессы в твердофазной системе, что и приводит к образованию дополнительных межчастичных связей. Структурообразование
керамических масс во многом зависит от ее начального влажностного
состояния. При этом очевидной становится возможность управления
путем изменения влажности процессами уплотнения керамических
строительных изделий.
Примеры оценки качества глинистого сырья и выбора оптимальных условий подготовки пресс-порошка с применением методики
определения оптимальной влажности представлены для 4 проб
различных разновидностей. В табл. 3.5 приведены величины мессбауэровского эффекта ε и рассчитанные по формулам доли: относительная (твердой фазы (Ci)) и отдельно – тонкодисперсной глинистой
составляющей (Ст
) – для каждой влажности пресс-порошка в
I
зависимости от условий его увлажнения. Величина Ci при влажности
30 % соответствует относительной доле твердой фазы крупнодисперсной составляющей (Ск) глинистого сырья.
По данным табл. 3.5 на рис. 3.1 приведены кривые зависимости
относительной доли твердой (конденсационной) фазы в структуре
частиц глинопорошка от содержания в нем поглощенной воды.
На пересечении кривой 1 (проба № 1, относится к разновидности 5а) зависимости Ст
ных граничных значений определен интервал влажности W
и значение оптимальной (средней) влажности W
от W с горизонтальными линиями указан-
I
= 4,2 %
инт.
= 8,1 % пресс-по-
опт.
рошка (табл. 3.6). Достаточно широкий интервал (4,2 %) влажности
позволяет с достаточной надежностью готовить увлажненный пресспорошок.
64
Таблица 3.5
Характе-
ристики
Р / Ро
W, %
0,43
0,84
0,92
0,98
10
30
Проба №1
ε
6,9
6,5
6,0
6,0
4,1
3,6
Ci
100
94
87
87
59
52 (Ск)
Ст
I
100
88
73
73
15
0
Проба №2
Ст
I
100
76
69
69
68 0
Проба №3
Ст
I
100
80
65
59
52
0
Проба №4
Ст
I
100
86
86
58
26
0
Влияние влажности и условий увлажнения на величины
мессбауэровского эффекта, относительной доли твердой фазы
и тонкодисперсной глинистой составляющей
Рис. 3.1. Изменение относительной доли твердой фазы тонкодис-
персной составляющей в зависимости от влажности глинопорошков
65
Таблица 3.6
№
пробы
Влажность
при Ст
I
= 50 %
Влажность
при Ст
I
= 75 %
W
инт.
, %
W
опт.
, %
1
10,2
6
4,2
8,1
2
>12,5
5,2
-
-
3
12,5
5
7,5
8,7 4 14
10,9
3,1
12,4
Интервалы эффективной влажности (W
влажности (W
) пресс-порошков
опт.
) и значения оптимальной
инт.
Проба № 2 относится к разновидности 6а. Величина обменной
емкости – 8 мг-экв., содержание монтмориллонита – 10 %. На рис. 3.1
пресс-порошок этого сырья характеризует кривая 2. В интервале 5075 % твердой фазы СтI зафиксирован практически горизонтальный ход
кривой, что указывает на отсутствие структурно-фазовых переходов
при изменении влажности. Воздействие давления прессования на
такой пресс-порошок будет недостаточным для получения прочного
сырца, т.е. сырье можно отнести условно к некондиционному для
полусухого прессования. Введение в глиномассу корректирующей
технологической добавки (поверхностно-активного вещества) привело
к активации структурно-фазовых переходов в интервале эффективных
значений влажности W
W
= 8,7 % (проба № 3). Сырье было переведено в категорию
опт.
= 7,5 % с оптимальной влажностью
инт.
кондиционного, пригодного для производства кирпича по технологии
полусухого прессования.
Проба № 4 относится к разновидности 3б. Величина обменной
емкости – 32 мг-экв, содержание МК – 34 %. Пресс-порошок этого сырья на рис. 3.1 характеризует кривая 4. В пределах 50-75 % твердой
фазы Ст
интервал влажности равен 3,1 %, а оптимальная влажность
I
составляет 12,4 %. При такой влажности в ходе прессования возможна запрессовка воздуха, что приводит к снижению качества сырца. Определение соотношения структурных фаз после прессования изделий
включает операции измерения величины мессбауэровского эффекта ε
с расчетом значений относительной доли твердой фазы тонкодисперсной составляющей глины Ст
в исходном пресс-порошке и в глино-
I
массе (порошке, извлеченном из любого участка спрессованного
сырцового изделия). Например, пресс-порошок имеет величину
66
Ст
= 65 %, а в образце, взятом из сердцевины прессованного изделия,
I
ее значение составляет 9,0 %. В этом случае произошел почти полный
переход коагуляционной фазы в конденсационную (твердую) под
воздействием давления прессования, и пресс-порошок характеризуется
как высококачественный материал. На основе этого пресс-порошка
получен кирпич марки 150.
Насыпная плотность пресс-порошка зависит от плотности материала и однородности, равномерности распределения частиц порошка. Одним из важных свойств пресс-порошка является сыпучесть. Использование порошков с хорошей сыпучестью облегчает (исключается
зависание) операцию его автоматического дозирования. Сыпучесть зависит от плотности, гранулометрического состава, формы и состояния
поверхности частиц. Основными факторами, определяющими сыпучесть порошковидных материалов, являются трение и сцепление
частиц между собой, затрудняющие их взаимное перемещение, то есть
когезионные силы взаимодействия между частицами.
Пресс-порошок для изготовления керамических изделий
должен иметь наибольшую плотность засыпки. В этом случае
упрощается процесс прессования, а сырец имеет лучшие показатели.
Для стабильности процессов прессования используются специально
гранулированные порошки, чаще всего со сравнительно узким
зерновым составом гранул. Существенным является выбор рациональной степени уплотнения гранул. Рекомендуется /14/ различный
гранулометрический состав пресс-порошка, обеспечивающий наибольшую плотность засыпки (табл. 3.7).
Содержание указанных фракций у разных авторов несколько
отличается. Для фр. 5-4 мм максимальное отличие составляет 16 %,
фр. 4-3 мм – 10,5 %, фр. 3-2 мм – 8 %, фр. 2-1 мм – 20 %, фр. 1-0,5 мм –
12,5 %, фр. 0,5-0,2 мм – 6 %, фр. 0,2-0,1 мм – 11 %, фр. менее 0,1 мм –
5 %. Наиболее выраженная разница в содержании фракций наблюда-
ется у Литцова и Фуллера. Рекомендации этих двух авторов и были
взяты при изучении влияния гранулометрического состава пресс-порошка на физико-механические характеристики керамических образцов. По другим сведениям и с учетом многолетнего опыта работы в
данной области оптимальным является пресс-порошок с зерновым
составом: фр. 1-2,5 мм – 50 %, фр. < 1 мм – 50 %.
Наибольшей прочностью обладают образцы, отпрессованные
из пресс-порошка с грансоставом по Литцову. Прочность при сжатии
выше на 14-24 %, при изгибе – на 4-15 %. Данные образцы имеют и са-
67
Таблица 3.7
Авторы
Содержание (%) частиц размером, мм
5-4
4-3
3-2
2-1
1-0,5
0,5-0,2
0,2-0,1
<0,1
Литцов
10
12
11
11
12
11
16
17
Полубояринов
16
14
16
17
13
17
17
13
17
5
5
5
5
17
17
14
17
17
13
16
16
13
Скола
-
22,5
21
11
12,5
11
10
12
Фуллер
-
20
19
20
12
11 6 12
Гранулометрический состав пресс-порошка,
обеспечивающий наибольшую плотность засыпки
мую высокую плотность. При таком грансоставе пресс-порошка и одинаковом давлении прессования обеспечивается наибольшая плотность
материала. В результате более плотной упаковки частиц интенсивнее
происходят реакции, протекающие в процессе обжига, и прочностные
свойства возрастают.
Подобная зависимость для светложгущихся образцов выражена менее четко. Незначительно возрастает (на 6 %) только прочность
при сжатии.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о
том, что одним из способов повышения прочностных характеристик
изделий является тщательный подбор грансостава пресс-порошка. Но
в промышленных условиях многотоннажного производства керамического кирпича добиться требуемого соотношения между узкими
фракциями (по Литцову) пресс-порошка будет трудно. Для этого необходимо организовать отдельный участок по производству пресс-порошка и получать его с заданным гранулометрическим составом путем
смешивания предварительно приготовленных фракций определенного
размера.
3.3.1. Фракционирование глинистого сырья
пульсационным методом
Отработка технологии обогащения сырья в пульсационном ап-
парате проводилась на глине разновидности 3б, которая представляет
широко распространенный тип глинистого сырья.
Определение важнейших физико-химических свойств наряду с
расчетом содержания монтмориллонитового компонента и нахождени-
68
ем содержания карбонатов дает надежные критерии оценки качества
сырья и прогноза качества рядового кирпича. При обработке на трехколонном пульсационном аппарате исходная глина фактически подразделяется на глиномассы трех разновидностей. К наиболее крупной
по размеру частиц I фракции относится в основном вся масса частиц
крупнее 0,063 мм. В результате в целом глиномасса соответствует
сырью разновидности 4б с пониженным содержанием монтмориллонитового компонента и преобладанием гидрослюды. Заметно
меньшее содержание МК (разновидность 4а) проявилось и во второй
фракции. Фракции III и IV оказались близкими по содержанию МК и
дисперсности (разновидность 3б). В самую тонкую (IV) фракцию
попала основная масса глины (62 %).
С целью более четкого отделения частиц разной крупности в
отдельные фракции и достижения быстрой диспергации глина до помещения в аппарат обрабатывалась активированной или подщелоченной водой. После обработки технической водой масса третьей фракции обезвоживалась как стандартным способом, так и методом электроосмоса. Режим электроосмотического обезвоживания: 1 стадия: сила тока – 1 А, напряжение – 75 В, время – 30 мин.; 2 стадия – сила тока – 1 А, напряжение – 50 В, время – 30 мин.
Наибольшее содержание МК наблюдается в третьей фракции, в
которой значительно увеличилась глинистая составляющая, о чем
можно судить по почти двойному возрастанию числа глинистости в
сравнении с исходной глиной. И это относится ко всем трем
фракциям. В целом почти в каждой фракции после обработки
уменьшилось содержание карбонатов и, что особенно существенно,
сохранившиеся частицы имели более тонкозернистый состав.
При полусухом прессовании, для реализации которого сушильные свойства масс играют второстепенную роль, более важное значение имеют дисперсность глиномасс, прессуемость и спекаемость глинопорошков.
Наиболее спекающейся и, соответственно, более прочной является керамика, полученная на основе III фракции глины, обработанной
электроактивированной водой. Прочность кирпича, полученного из
такого пресс-порошка, будет соответствовать не менее, чем марке 300.
Кирпичные глины многих месторождений оказываются недостаточно
качественными из-за присутствия крупнозернистых карбонатов (размером более 0,5 мм), неоднородности компонентов отдельных фракций по цвету в обожженном состоянии, неудовлетворительных су-
69
шильных свойств. Для такого сырья необходима разработка нетрадиционных способов обогащения и фракционирования сырья, каким и
является способ обработки глинистой суспензии в пульсационном
аппарате. Исследования показали, что лучшие результаты получаются
при переводе глиномассы в суспензию, содержащую свежеприготовленную электроактивированную воду (рН~11). Исключается необходимость в подсушке и дроблении кускового материала, улучшаются
технологические показатели на всех стадиях переработки. В конечном
итоге возрастает спекаемость и улучшаются основные физикомеханические характеристики керамического материала. Изделие
имеет более однородный и насыщенный цвет.
При использовании технологии обогащения с применением
пульсационного аппарата для глин разновидности 3б при необходимости удаления крупных включений, особенно карбонатных,
поставленная задача достигается с сохранением или повышением
прочностных характеристик керамических материалов. Можно ожидать еще более значительного эффекта от применения пульсационной
технологии для глин с пониженным содержанием монтмориллонитового компонента (разновидности 5б, 5а, 4б).
3.3.2. Изделия из нетрадиционных видов сырья
Образцы, изготовленные из известковистых глин, имеют
высокие прочностные характеристики (прочность при сжатии – 32,944,9 МПа, при изгибе – 6,9-12,0 МПа), но одновременно характеризуются и повышенным водопоглощением (23,2-28,7 %). Последний
факт объясняется их значительной пористостью вследствие большого
содержания в сырье карбонатов. Лишь образцы, полученные из пробы
с наименьшим количеством СаО, имеют водопоглощение заметно
ниже (16,8 %). Наблюдается прямая зависимость прочностных характеристик от содержания в сырье CaCO
. С его увеличением прочность
3
снижается, водопоглощение возрастает. Образцы, изготовленные из
смеси двух проб, имеют примерно их средние значения физикомеханических показателей. Следовательно, механическим смешиванием проб можно регулировать содержание в сырье карбоната кальция
без ухудшения качества образцов. Следует отметить, что у образцов
меньшее значение плотности по сравнению с красножгущимися
образцами из полиминеральных глин.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]