способ улучшения формовочных и сушильных свойств глинистого сырья

Формула изобретения

1. Способ улучшения формовочных и сушильных свойств глинистого сырья, включающий введение технологической минеральной добавки, отличающийся тем, что добавку, представляющую породу с развитой каркасно-полостной пористостью, подвергают сушке при температуре 200-250°С в течение 2-4 ч для раскрытия порового пространства, измельчению до размеров менее 1 мм, равномерному распределению по объему массы с последующим вылеживанием керамической массы при температуре 30-40°С в течение не менее 24 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технологической минеральной добавки используют цеолитсодержащую породу в количестве 10-15%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству керамических материалов на основе глинистого сырья и может быть использовано, например, для изготовления рядового и лицевого строительного кирпича, черепицы, облицовочной керамической плитки и др.

Известен способ улучшения сушильных свойств за счет введения безусадочных (каменистых) материалов природного (например, кварцевый песок) и искусственного (шамот, дегидратированная глина, золы, шлаки и др.) происхождения. /Кашкаев И.С., Шейман Е.Ш. Производство глиняного кирпича. - М.: Высшая школа, 1978, с.24-32/. Недостатки такого способа определяются природой отощителя. Например, добавка кварцевого песка, уменьшая усадку и чувствительность к сушке, ухудшает спекаемость глины и, как следствие, негативно сказывается на эксплуатационных свойствах готовых изделий (прочность и морозостойкость). Добавка шамота и дегидратированной глины существенно усложняет и удорожает производство ввиду необходимости введения дополнительных операций обжига части глины на шамот, его помола и классификации (рассева) для обеспечения заданного зернового состава отощителя.

Известен способ оптимизации сушильных свойств кирпичных масс без применения каменистых отощителей, согласно которому снижение величины воздушной усадки и чувствительности к сушке достигается за счет комбинирования глин различного качества, отличающихся, главным образом, минералогическим и гранулометрическим составами, определяющими различие в технологических свойствах данных глин /Ткачев А.Г., Козярский А.Я., Ткачева О.Н. Оптимизация рецептуры кирпичной массы по сушильным свойствам. - Стекло и керамика, 1999, №8, с.33-34/. Недостатком данного способа является трудность достижения в производственных условиях высокой однородности керамической массы, состоящей из смеси пластичных компонентов с большой разницей в свойствах. Кроме того, не всегда реальное производство строительной керамики располагает возможностью эксплуатации разнородного глинистого сырья.

Известно, что объемные изменения глиносодержащего сырца при сушке, являющиеся первопричиной появления внутренних напряжений и дефектов, завершаются при удалении механически связанной воды, заполняющей собой свободное пространство между частицами, что соответствует значениям влажности порядка 10-15%, после этого из образца удаляется только «вода пор» (или порозная вода), не влияющая на усадку. Поэтому на чувствительность глины к сушке существенно влияет пористость высушенного образца или объемное содержание воды пор в момент окончания усадки. С увеличением указанного объема пор отношение глины к сушке, как правило, улучшается. Это связано с облегченным процессом удаления влаги (т.е. повышенной влагопроводностью) на заключительной стадии объемных изменений /Бакунов B.C., Балкевич В.Л. и др. Практикум по технологии керамики и огнеупоров. - М.: Изд-во лит-ры по строит., 1972. - с.67-71/.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ регулирования формовочных и сушильных свойств за счет введения в состав кирпичной массы горных полевошпатовых пород гранит-порфирового состава в количествах 20-40%, согласно которому улучшение сушильных свойств массы достигается путем использования отощителя разного фракционного состава: крупная фракция (2 мм) получается посредством рассева исходной гранитно-порфировой крошки, а мелкозернистая фракция - путем доизмельчения крошки в шаровой мельнице до размеров менее 1 мм, затем подготовленный бифракционный отощитель смешивается с порошкообразной глиной, измельченной в шахтной мельнице. Тщательное перемешивание компонентов достигается установкой двух глиномешалок - одной - сухого перемешивания, другой - с пароувлажнением до пластичного состояния /Валюшев Р.Ф., Шиманис Г.Н. Использование горных полевошпатовых пород для производства лицевого кирпича. - Сборник трудов ВНИИстром им. П.П.Будникова «Использование местного сырья и отходов в производстве строительных материалов», вып.8, 1985, с.13-26/.

Недостатком данного способа является необходимость достаточно энергоемкого измельчения твердой горной породы в шаровой мельнице - помольном оборудовании, нетипичном для кирпичных технологий, а также сушки глины при ее измельчении в шахтной мельнице, что значительно удорожает и усложняет технологию получения керамического кирпича.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение формовочных и сушильных свойств высокочувствительного к сушке глинистого сырья.

Изобретение заключается в улучшении формовочных свойств керамической массы и в регулировании процесса сушки кирпича-сырца на основе высокочувствительного к сушке глинистого сырья путем перераспределения соотношения между свободной и связанной водой в составе керамической массы при введении технологической минеральной добавки, состоящей преимущественно из минералов с развитой каркасно-полостной пористостью, что обеспечивается комплексом операций, заключающихся в предварительной подготовке минеральной добавки, состоящей в ее сушке при температуре 200-250°С в течение 2-4 часов, измельчении до размеров менее 1 мм, равномерном распределении ее по объему массы с последующим вылеживанием массы в шихтозапаснике при температуре 30-40°С в течение не менее 24 часов.

В качестве технологической минеральной добавки используется добавка в количестве 10-15% цеолитовой породы с содержанием цеолитовых минералов более 80%.

Выбор цеолитсодержащих пород как разувлажяющей и отощающей минеральной добавки определяется особенностями строения цеолитовых минералов, слагающих такие породы, поскольку цеолиты - это водные алюмосиликаты щелочных и щелочно-земельных металлов, обладающие развитой пористой структурой. Кристаллический трехмерный каркас цеолитов пронизан в нескольких направлениях крупными полостями (порами, каналами), связанными друг с другом и с поверхностью кристалла. Суммарный объем пор и каналов может достигать 50% от объема минерала. Алюмосиликатный каркас цеолитов является полимерным анионом, отрицательный электрический заряд которого обычно компенсируется на стенках внутрикристаллических полостей катионами Na⁺, К⁺, Са⁺². Внутрикристаллические полости и каналы заполнены так называемой цеолитовой водой, которая, имея с каркасом слабые водородные связи, легко выделяется из кристаллов при медленном нагреве в интервале температур 150-400°С без нарушения структуры каркаса.

Сушка минеральной добавки при температуре 200-250°С вызывает полное удаление адсорбированной воды и частичное (до 70% от общей цеолитной воды) внутриканальной воды и обеспечивает раскрытие необходимого порового пространства.

Использование предварительной сушки минеральной добавки при температурах ниже 200°С не обеспечивает полноты протекания процессов перераспределения соотношения между свободной и связанной водой в системе «глина-цеолит».

Увеличение температуры сушки добавки более 250°С нецелесообразно ввиду повышенного расхода теплоносителя.

Измельчение технологической добавки до крупности менее 1 мм необходимо для создания однородной мелкозернистой массы, равномерно распределенной по всему объему глинистой массы и обладающей развитой поверхностью контакта с глинистыми частицами.

Измельчение цеолитовой породы до крупности более 1 мм приводит к ухудшению пластических и формовочных свойств глино-цеолитовых масс на основе малопластичных кирпичных суглинков.

Сопоставимость по твердости цеолитовых пород и глины позволяет в качестве помольного оборудования использовать валковые дробилки, широко применяемые в технологии подготовки масс для керамического кирпича.

Вылеживание массы в шихтозапаснике в течение не менее 24 часов при температуре 30-40°С необходимо для обеспечения полноты протекания массообменных процессов в системе «глина - цеолит», заключающихся в переводе части свободной воды, вносимой с обводненный глинистой породой, в связанное состояние путем вхождения ее в канально-каркасное пространство цеолита. Необходимость обеспечения указанной температуры (30-40°С) при вылеживании массы связана с зависимостью скорости перемещения влаги в пластичной массе от вязкости и поверхностного натяжения воды, а именно: скорость движения воды тем больше, чем меньше ее вязкость и больше поверхностное натяжение. С повышением температуры вязкость воды и ее поверхностное натяжение уменьшаются. Однако вязкость снижается значительно сильнее, чем поверхностное натяжение, поэтому с повышением температуры процессы влагопереноса ускоряются.

Снижение температуры вылеживания менее 30°С и времени вылеживания менее не обеспечивают полноты протекания процессов структурообразования в глиноцеолитовых композициях.

Повышение температуры массы более 40°С при вылеживании приводит к высыханию поверхностных слоев и к нарушению ее однородности по влажности.

Уменьшение количества вводимой минеральной добавки менее 10% не обеспечивает необходимого уровня сушильных свойств (воздушной усадки и чувствительности к сушке) без введения другого отощителя.

Увеличение содержания добавки более 15% обусловливает необходимость повышения температуры обжига более 1000°С для интенсификации процесса спекания с целью повышения степени упрочнения керамического материала и уменьшения разрыхляющего действия цеолита на формирующуюся керамическую структуру.

Пример

Изделия по заявляемому способу изготавливаются по общепринятой технологии производства керамического кирпича способом пластического формования с обжигом при температуре 950-1000°С.

В качестве глинистого сырья для керамического кирпича используют легкоплавкий суглинок, характеристика которого по химическому составу приведена в табл.1. Особенностью данного суглинка является повышенная карьерная влажность (W_отн более 22-24%), которую необходимо снижать до уровня формовочной влажности (обычно до 18-19%) либо за счет сушки, либо за счет введения разувлажняющей добавки. Кроме того, высокая чувствительность к сушке обусловливает необходимость отощения такого глинистого сырья с целью доведения количественных показателей сушильных свойств (воздушной усадки и чувствительности к сушке) до безопасных величин.

Подготовка глинистого сырья включает грубое и тонкое измельчение в валковых дробилках до размеров менее 1 мм.

В качестве технологической минеральной добавки используют породы, состоящие преимущественно из минералов с развитой каркасно-полостной пористостью - цеолитовые породы Сахаптинского месторождения (Красноярский край), Холинского месторождения (Читинская область), Пегасского месторождения (Кемеровская область). По внешнему виду эти породы рыхлые, с зернами неправильной угловатой формы светло-коричневого цвета, фракцией 6±1 мм. Сахаптинское сырье характеризуется как клиноптилолизированные туфы полиминерального цеолитового состава, представленного смесью клиноптилолита, гейландита и морденита с преобладанием клиноптилолита, холинское - смесью морденита и клиноптилолита с преобладанием морденита, пегасское - смесью клиноптилолита и гейландита. Во всех используемых породах содержание собственно цеолитовых минералов составляет более 80%.

Подготовка технологической минеральной добавки (цеолитовой породы) включает в себя сушку добавки в сушильном барабане при температуре 200-250°С и тонкое измельчение в валковой дробилке до размера менее 1 мм. Предварительная сушка цеолитовой породы определяет эффективность разувлажняющего и отстающего действия минеральной добавки.

Приготовление керамической массы заключается в смешении глинистой породы с технологической добавкой в количествах 10-15% (составы масс приведены в табл.2), тщательной гомогенизации смеси и вылеживании массы при температуре 30-40°С в течение не менее 24 часов.

Формование кирпича-сырца производят традиционным пластическим способом.

Далее сырец равномерно высушивают в сушилах до влажности 4-6%.

Технологические свойства пластических масс и высушенного полуфабриката в зависимости от состава масс и условий подготовки минеральной добавки приведены в табл.3-5.

Обжиг полуфабриката производится при температурах, традиционно принятых в технологии керамического кирпича пластического формования - 950-1000°С в течение 36 часов с выдержкой при конечной температуре не менее 2 часов. Понижение температуры обжига менее 950°С не обеспечивает полноты протекания процесса спекания и формирования структуры керамического кирпича, обжиг при температурах более 1000°С нецелесообразен по экономическим соображениям ввиду повышения расходов энергоносителя.

Свойства обожженных изделий приведены в табл.6.

Цеолитовая порода в количестве 10-15% в композициях с высокочувствительной к сушке глинистой породой выступает как разувлажняющая и отощающая добавка, снижающая формовочную влажность керамической массы, склонность массы к свилеобразованию и осадке, приводящей к нарушению геометрии глиняного бруса, выходящего из вакуумпресса, уменьшающая коэффициент чувствительности к сушке глины в 3,5-4 раза без ухудшения связности, что положительно сказывается на трещиностойкости кирпича-сырца при сушке и обеспечивает возможность бездефектной автоматической садки и транспортировки высушенного полуфабриката. Улучшение формовочных и сушильных свойств глинистого сырья достигается за счет перевода части свободной воды, вносимой с обводненный глинистой породой, в связанное состояние путем вхождения ее в канально-каркасное пространство цеолита.

Таблица 1 Химический состав сырьевых материалов
компоненты	Содержание оксидов, мас.%
	SiO2		AL2О 3		Fe2 О3		CaO		MgO		R2O		m прк
Суглинок верховой	65,84		14,28		4,76		4,20		2,45		1,51		6,96
Цеолитовая порода сахаптинская Цеолитовая порода холинская Цеолитовая порода пегасская	67,56 67,63 65,45		11,75 12,50 12,92		1,98 1,10 0,84		3,90 3,39 4,13		0,70 1,07 0,90		3,57 4,50 3,80		10,56 9,75 12,02
Таблица 2 Компонентный состав керамических масс
компоненты	Содержание компонентов в составах, мас.%
	1	2		3		Запредельные составы
						А		Б		В		Г
Суглинок верховой	90	87,5		85		95		92,5		80		70
Цеолитовая порода сахаптинская	10	12,5		15		5		7,5		20		30

Таблица 3 Формовочные и сушильные свойства керамических масс в зависимости от температуры предварительной сушки добавки без вылеживания керамической массы
Показатели свойств	Прототип	Суглинок без добавки	составы
			1	2	3	Запредельные составы
						А	Б	В	Г
			Без предварительной сушки добавки (с естественной влажностью не более формовочной влажности основной глинистой породы)
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	19,0	19,9	18,5	19,5	19,2	18,0	18,0
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	8,0	7,9	7,6	8,5	8,2	7,0	6,7
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	1,3	1,3	1,1	2,2	2,0	1,2	1,0
			при температуре сушки минеральной добавки - 100°С
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	18,5	18,3	18,0	19,5	19,0	17,9	17,8
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	8,0	7,8	7,0	8,5	8,2	6,8	6,5
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	1,0	1,0	0,8	2,1	1,8	0,7	0,65
			при температуре сушки минеральной добавки - 200°С
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	18,0	17,8	17,5	19,5	18,9	18,0	17,8
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	7,8	7,6	6,8	8,5	8,2	6,7	5,8
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	0,9	0,8	0,7	2,0	1,8	0,7	0,7
			при температуре сушки минеральной добавки - 250°С
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	17,9	17,8	17,5	19,5	18,9	17,9	17,8
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	7,7	7,5	6,8	8,4	8,1	6,7	5,8
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	0,63	0,7	0,7	1,9	1,6	0,7	0,6

Таблица 4 Формовочные и сушильные свойства керамических масс в зависимости от температуры и времени вылеживания массы (при температуре предварительной сушки добавки - 250°C)
Показатели свойств	Прототип	Суглинок без добавки	составы
			1			2		3		Запредельные составы
										А	Б		В		Г
			Вылеживание массы без подогрева (температура 18°С) в течение 18 часов
Формовочная влажность, W отн, %	17,5-20,1	19,5	17,9			17,8		17,5		19,5	18,9		17,9		17,8
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	7,7			7,5		6,8		8,4	8,1		6,7		5,8
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	0,63			0,7		0,7		1,9	1,6		0,7		0,6
			Вылеживание массы без подогрева в течение 28 часов
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	в сравнении с предыдущим случаем свойства без ощутимых количественных изменений
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4
			Вылеживание массы при температуре 25°С в течение 18 часов
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	в сравнении с предыдущими случаями свойства без ощутимых количественных изменений
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4
			Вылеживание массы при температуре 25°С в течение 28 часов
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	в сравнении с предыдущими случаями свойства без ощутимых количественных изменений
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4
			Вылеживание массы при температуре 30°С в течение 18 часов
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	17,8			17,6		17,0		19,5	18,9		17,8		17,4
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	7,7			7,3		6,8		8,2	8,0		6,5		5,7
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	0,63			0,63		0,61		1,9	1,6		0,7		0,6
			Вылеживание массы при температуре 30°С в течение 28 часов
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5	17,8			17,5		16,9		19,5	18,8		17,7		17,2
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	7,7			7,3		6,7		8,2	7,9		6,5		5,4
Коэффициент чувствительности к	0,8-0,5	2,4	0,63			0,6		0,58		1,9	1,5		0,6		0,5
сушке
			Вылеживание массы при температуре 40°С в течение 18 часов
Формовочная влажность, W отн, %	17,5-20,1	19,5	17,8			17,5		16,8		19,5	18,8		17,7		17,2
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8	7,6			7,2		6,7		8,2	8,0		6,5		5,6
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	0,63			0,6		0,59		1,8	1,4		0,6		0,5
			Вылеживание масс при температуре 40°С в течение 28 часов
Формовочная влажность, W отн, %	17,5-20,1	19,5	17,7			17,3		16,7		19,5	18,8		17,5		17,0
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8.8	7,5			7,0		6,6		8,2	7,9		6,5		5,4
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4	0,63			0,6		0,56		1,8	1,3		0,53		0,3
			Вылеживание масс при температуре 45°С в течение 18 часов
Визуальные наблюдения	-	-	Массы подсыхают в поверхностном слое, что приводит к неравномерности по влажности
			Вылеживание масс при температуре 45°С в течение 28 часов
Визуальные наблюдения	-	-	Массы подсыхают в поверхностном слое, что приводит к неравномерности по влажности
Таблица 5 Формовочные и сушильные свойства керамических масс при температуре предварительной сушки добавки 250°С и температуре вылеживания массы 40°С в течение 28 часов
Показатели свойств	Прототип	Суглинок без добавки		составы
				1	2		3		Запредельные составы
									А			Б		В		Г
Формовочная влажность, Wотн, %	17,5-20,1	19,5		17,7	17,3		16,7		19,5			18,8		17,5		17,0
Число пластичности	10,9-13,2	11,2		11,0	10,8		10,5		11,2			11,0		10,0		9,5
Воздушная усадка, %	3,9-5,1	8,8		7,5	7,0		6,6		8,2			7,9		6,5		5,4
Коэффициент чувствительности к сушке	0,8-0,5	2,4		0,63	0,6		0,56		1,8			1,3		0,53		0,3
Связность (прочность при сжатии в высушенном состоянии) МПа	2,4-3,9	8,7		8,1	8,0		8,0		8,5			8,2		7,1		6,8
Примечание: таблица 5 - это бывшая таблица 3 в первом варианте описания заявки

Таблица 6 Керамические свойства изделий из масс, полученных при оптимальных температурно-временных условиях подготовки добавки и вылеживания масс (температура подготовки добавки 250°С, температура вылеживания массы 40°С, длительность вылеживания массы - 28 часов)
Показатели свойств	Прототип	Суглинок без добавки	Составы
			1	2	3	Запредельные составы
						А	Б	В	Г
Температура обжига 950°С
Усадка общая, %	-	8,8	8,0	7,5	7,0	8,8	8,5	7,0	5,4
Водопоглощение, %	-	14,0	15,4	15,4	15,5	14,3	14,3	17,3	17,4
Предел прочности при сжатии, сж, МПа	-	32	33,2	32,9	32,5	32,0	32,2	27,9	23,1
Температура обжига 1000°С
Усадка общая, %	4,9-6,3	9,2	8,2	7,7	7,5	8,9	8,7	7,8	6,0
Водопоглощение, %	16,7-17,9	13,9	15,0	15,3	15,2	14,2	14,1	16,5	16,6
Предел прочности при сжатии, сж, МПа	14,8-28,9	33,2	33,7	33,9	32,9	31,3	31,5	26,2	24,2