способ получения изделий строительной керамики

Формула изобретения

Способ получения изделий строительной керамики, включающий подготовку сырьевых материалов серпентинсодержащих попутных продуктов и глины различного химико-минералогического состава, смешивание, затворение их водой, формование изделий методом пластической технологии, сушку и обжиг, отличающийся тем, что воду для затворения нагревают до 40-45°С, а затем при помощи электролиза насыщают ионами металлов электродов Al³⁺, Fe³⁺, Cu²⁺ до эффективности электроактивации воды ионами металлов не ниже 40%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления строительных материалов, а именно к производству строительной керамики, и может быть использовано в производстве изделий широкой номенклатуры (кирпич, черепица, изразцы и другие) методом пластического формования при применении сырьевой смеси, включающей серпентинсодержащие попутные продукты и глину различного химико-минералогического состава.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления строительного кирпича (а.с. № 1164223, С04В 33/02, Б.И. № 24, 1985) путем смешивания легкого суглинка, каменноугольной золы теплоэлектростанций (ТЭС) в соотношении 3:2. Смесь данных компонентов затворяется водным раствором связующего - сульфитно-спиртовой бардой, которое предварительно активируется электролизным способом в специальном приборе. В поле постоянного тока образуются щелочная и кислая среды. Растворы обеих сред используются раздельно. Из смеси формуются пластическим способом образцы, подсушиваются в интервале температур: начальная 35-40°С, конечная 100-105°С в течение 10-15 часов, затем обжигаются при температуре 800°С в течение 1 часа.

Недостатком этого решения является повышенная формовочная влажность - 26-27%, низкая пластичность формовочной смеси, низкая производительность электролизера, плохая воспроизводимость результатов, ограничение области использования (данный способ наиболее эффективен для узкого диапазона сырья - суглинков в композиции с каменноугольной золой ТЭС). Повышенная формовочная влажность определяет увеличение энергозатрат на удаление механически примешанной воды и длительность сушки керамического сырца. Кроме того, суглинки по происхождению не относятся к глинистым породам. Только после смачивания их водой они проявляют свойственную глинам способность к формообразованию, однако рассматриваемый в способе состав сырьевой смеси (суглинки 60%, каменноугольная зола ТЭС 40%), даже после затворения ее активированным связующим ССБ не позволяет получить искусственный камень заявленной прочности.

Технической задачей является получение изделий строительной керамики, обладающих высокой прочностью, не склонных к трещинообразованию и имеющих низкую усадку в процессе сушки и обжига, улучшенными показателями водопоглощения, средней плотности, морозостойкости.

Техническая задача достигается тем, что в способе получения изделий строительной керамики, включающем подготовку сырьевых материалов серпентинсодержащих попутных продуктов и глины различного химико-минералогического состава, смешивание, затворение их водой, формование изделий методом пластической технологии, сушку и обжиг, воду для затворения нагревают до 40-45°С, а затем при помощи электролиза насыщают ионами металлов электродов Al⁺³, Fe⁺³, Cu⁺² до эффективности электроактивации воды ионами металлов не ниже 40%.

Достижение улучшенных физико-механических показателей объясняется тем, что в результате электроактивации вода насыщается ионами металлов электродов (Al³⁺, Fe⁺³, Cu ⁺²), которые изменяют поверхностное натяжение воды, увеличивают адсорбционные свойства частиц твердой фазы, увеличивают способность глины набухать и распускаться в воде. Увеличение дисперсности частиц повышает пластичность в целом керамической массы, ее связующую способность, механическую прочность после обжига. Объемные деформации в процессе обжига природных силикатов магния обуславливают снижение общей усадки в процессе сушки и обжига и позволяют получить малоусадочные изделия, стойкие к трещинообразованию. При электрообработке вода насыщается ионами металлов электродов, которые играют роль дополнительных центров кристаллизации, что катализирует образование длинных минеральных молекул, которые армируют керамические изделия во время сушки и обжига, и способствует формированию структурообразующих минералов типа муллита, клиноэнстатита, форстерита (данные фазового и структурного рентгеновского анализа, проведенные совместно с лабораторией «Нанотехнологии» ОАО «Технопарк» ОГУ), что объясняет повышение трещиностойкости и механической прочности изделий. Степень эффективности электроактивации ниже 40% не оказывает влияния на изменение технологических показателей и физико-механических свойств изделий, что делает экономические затраты на активацию воды неэффективными. В то же время при степени эффективности электроактивации выше 60% в зависимости от применяемых электродов наблюдается повышение температуры обжига изделий (в случае применения алюминиевых электродов), изменение цвета керамического черепка (в случае применения электродов из железа) и т.д., что нежелательно.

Способ осуществляется следующим образом. Исходные глины могут характеризоваться различным химико-минералогическим составом, числом пластичности. При проведении эксперимента применялась глина Чернореченского месторождения Оренбургской области, относящаяся по числу пластичности к группе умеренно-пластичных глин. По минералогическому составу глины Чернореченского месторождения - смешанослойные образования хлорито-гидрослюдистого состава, с примесью кварца, полевого шпата. Доля непластичной составляющей глины порядка 30%. Огнеупорность глин колеблется от 1180°С до 1200°С. Максимальная температура спекания - 1150°С. Чувствительность глины к сушке - высокая. Химический состав глин представлен в таблице 1.

Таблица 1
Химические составы исходного сырья
Вид сырья	Содержание оксидов, %
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	R2O	п.п.п.
Глина Чернореченского месторождения	60,57	11,27	4,7	8,74	2,42	3,23	9,07	100,0
Серпентинсодержащие попутные продукты	35,51	0,67	8,0	0,85	41,04	0,24	13,69	99,98

В качестве комплексной добавки применяются вскрышные и вмещающие горные породы ультраосновного состава, получаемые как попутные продукты на горно-обогатительных комбинатах. Основными породообразующими минералами являются оливин (до 25%), серпентин (48-75%). В небольших количествах встречаются шпинели (2-3%), магнетит (до 1%), тальк (12-14%) и другие минералы. Данное техногенное сырье не используются в огнеупорной промышленности.

Для проведения эксперимента применялась сырьевая смесь следующего состава: глина - 30%; серпентинсодержащие попутные продукты - 70%. Глина и попутные продукты промышленности предварительно подвергаются грубому и тонкому помолу. Нами установлено, что повышение температуры воды перед ее электроактивацией значительно увеличивает эффективность насыщения воды ионами металлов при электролизе, очевидно, за счет увеличения подвижности ионов. Увеличение температуры на 10°С улучшает эффективность электроактивации на 3-5%. Кроме того, увеличение температуры воды для затворения сырьевой смеси облегчает процесс кристаллообразования при сушке и формовании изделий керамики. Поэтому перед электроактивацией вода для затворения подогревалась. В ходе проведения эксперимента выполнено три серии опытов, в которых воду для затворения смеси подогревали до температуры 40; 43; 45°С, а затем ее насыщали ионами металлов, пропуская между электродами из металлов, ионы которых принимают активное участие в структуро- и фазообразовании керамики. Авторами установлено, что для керамического производства наиболее эффективной парой электродов является алюминиевый анод и медный катод. Данная пара элементов и использовалась при проведении эксперимента. Расстояние между электродами 3 мм, площадь электродов 12 см².

На электроды подавали постоянное напряжение до достижения эффективности электроактивации не ниже 40%. Эффективность электроактивации определяли по соотношению времен осаждения порошка оксихлорида висмута в активированной (t_A) и неактивированной (t_H) воде по формуле:

В таблице 2 указаны условия проведения эксперимента. Например, для серии 1 получены: t_H=58,8 с; t_A=42 с, поэтому Э=40%.

Таблица 2
Условия проведения эксперимента
Условия проведения эксперимента	Предлагаемый способ	Прототип
Серия 1	Серия 2	Серия 3
1	2	3	4	5
Температура подогрева воды, °С	40	43	45	-
Эффективность электроактивации, %	40	40	40	-

Количество воды затворения (в примере использовалось 18%) изменяется в зависимости от природы глинистого сырья и соотношения между компонентами. Подготовленная смесь вылеживается в течение 1 суток с целью равномерного распределения влаги по объему материала и подвергается формованию. Далее изделие - сырец подвергается сушке при температуре от 35-40°С (начальная) до 100-105°С (конечная) в течение 10-15 часов, затем обжигаются при температуре 920-950°С в течение 30 минут.

В таблице 3 приводятся данные о физико-механических характеристиках керамических изделий, изготовленных по предлагаемой технологии.

Таблица 3
Физико-механические свойства изделий
Показатели	Предлагаемый способ	Прототип
Серия 1	Серия2	Серия 3
1	2	3	4	5
усадка общая, %	7,82	7,90	7,95	11,45
коэффициент чувствительности к сушке	0,12	1,03	0,14	0,51
средняя плотность, г/см3	1,72	1,74	1,76	1,4
водопоглощение, %	15,10	15,0	14,97	20
предел прочности при сжатии, кгс/см2	182,4	188,1	193,5	80
предел прочности при изгибе, кгс/см2	50,2	52,4	53,7	22
морозостойкость, циклы	50	50	50	25

В качестве прототипа приведены данные образцов, полученных по технологии прототипа. Образы были изготовлены в соответствии с технологией, принятой на предприятиях строительной керамики. Испытания на прочность проводились по стандартной методике (ГОСТ 7025-91) на гидравлическом прессе. Среднюю плотность определяли с помощью электронных весов по ГОСТ 7025-91. Общую усадку, коэффициент чувствительности к сушке, водопоглощение определяли в соответствии с ГОСТ 27180-2001, ГОСТ 7025-91. Морозостойкость исследовали по ГОСТ 7025-91. В каждой серии опытов для определения физико-механических свойств изготавливалось по 4 вида образцов стандартной формы (кубики, плиточки), которые усреднялись.

В процессе обогащения обрабатываемой воды ионами металлов электродов последние в процессе обработки будут расходоваться. Элементарный расчет показывает, что для активации 1 л воды необходимо израсходовать от 3,5 до 4,0 миллиграммов алюминия (в случае использования алюминиевых электродов).

Таким образом, по сравнению с прототипом изделия, изготовленные по заявляемому способу, характеризуется:

- водопотребность формовочной массы снижена на 30,8-33,3%;

- более высокой порочностью: прочность на сжатие и изгиб возрастает в 2,28-2,44 раза;

- более низкой усадкой в процессе сушки и обжига: уменьшается на 31-32%;

- меньшей склонностью к трещинообразованию при сушке и улучшенными показателями водопоглощения: водопоглощение уменьшается на 24,5 - 25,2%; коэффициент чувствительности к сушке уменьшается на 72,5-76,5%;

- увеличением морозостойкости в два раза.