керамическая масса для изготовления облицовочной плитки

Формула изобретения

1. Керамическая масса для изготовления облицовочной плитки, включающая отходы обогащения медно-никелевых руд и нефелиновую добавку, отличающаяся тем, что масса дополнительно содержит отходы обогащения железных руд, связующее в виде сульфитно-спиртовой барды, а в качестве нефелиновой добавки - отходы обогащения апатит-нефелиновых руд при следующем соотношении компонентов, мас.%:

отходы обогащения медно-никелевых руд	39,8-58,5
отходы обогащения апатит-нефелиновых руд	19,0-39,8
отходы обогащения железных руд	14,6-19,9
сульфитно-спиртовая барда	0,5-5,0

2. Керамическая масса по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:

Хлорит, гидрохлорит	50,6-65,7
Серпентиновые минералы	10,2-15,0
Тальк	10,0-14,0
Магнетит	3,2-7,1
Пироксены, амфиболы	5,0-6,7
Альбит	2,0-2,3
Кварц	1,9-2,2
Гипс	1,9-2,1

3. Керамическая масса по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения апатит-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%:

Нефелин	56,8-61,1
Эгирин	10,2-13,0
Вторичные минералы по нефелину	7,5-10,2
Полевой шпат	5,8-7,4
Апатит	3,4-5,4
Сфен	2,2-3,2
Рудные минералы	0,9-1,7
Слюда	1,5-2,3

4. Керамическая масса по п.1, отличающаяся тем, что отходы обогащения железных руд имеют следующий состав, мас.%:

Кварц	56,2-68,9
Полевой шпат	17,0-25,5
Слюда	4,4-8,4
Амфибол и пироксен	1,5-3,4
Сростки минералов	1,3-3,3
Магнетит	1,2-3,2

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении облицовочной керамической плитки для внутренних и наружных отделочных работ.

При изготовлении строительных изделий все более широкое распространение получает техногенное сырье в виде промышленных отходов горнорудных и металлургических предприятий. При производстве строительных изделий в виде керамической плитки с использованием отходов обогащения руд возникает проблема выбора оптимального исходного состава компонентов керамической массы с точки зрения получения изделий с улучшенными прочностными свойствами и показателями водопоглощения без увеличения температуры обжига.

Известна керамическая масса для изготовления облицовочной плитки (см. пат. 2093491 РФ, МПК⁶ C04B 33/00, 1997), содержащая глину легкоплавкую и отходы обогащения медно-никелевых руд, взятые в соотношении 1:0,67-0,80, что соответствует их содержанию, мас.%: глина легкоплавкая 40,1-44,4, отходы обогащения медно-никелевых руд 55,6-59,9. Отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:

Серпентиновые минералы	50,0-90,0
Тальк	0,3-20,0
Магнетит	5,0-15,0
Оливины, пироксены, амфиболы	0,2-20,0
Кальцит, доломит	0,1-5,0
Пирротин, пирит, пентландит,	1,0-3,0
халькопирит

Получаемые изделия при обжиге в диапазоне температур 1100-1170°C имеют водопоглощение 11-14%, кажущуюся плотность 2,45-2,70 г/см³, прочность на изгиб 15,7-29,0 МПа. При снижении температуры обжига до 1080°C водопоглощение повышается до 17%, прочность при изгибе снижается до 15 МПа.

Недостатками данной керамической массы являются повышенные значения водопоглощения и кажущейся плотности плитки и недостаточно высокая прочность на изгиб при повышенной температуре обжига (свыше 1100°C). Кроме того, керамическая масса содержит до 44% первичного сырья в виде легкоплавкой глины.

Известна также керамическая масса для изготовления облицовочной плитки (см. пат. 2278089 РФ, МПК C04B 33/16, 33/00 (2006.01), 2006), включающая, мас.%: глину легкоплавкую 30-40, отходы обогащения медно-никелевых руд 50-55 и нефелиновый концентрат 7-15.

Отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:

Хлорит, гидрохлорит	55,8-58,32
Серпентиновые минералы	11,3-14,65
Тальк	11,2-13,8
Титаномагнетит,	7,2-8,0
магнетит, хромит
Гипс	1,9-2,1
Альбит	2,0-2,3
Кварц	1,9-2,2
Пироксены	1,0-1,6
Амфиболы	4,0-5,1

Получаемая облицовочная плитка в интервале температур обжига 1050-1100°C имеет водопоглощение 9,0-12,8%, прочность при изгибе 17,6 18,1-25,9 МПа и кажущуюся плотность 2,38-2,48 г/см³.

Недостатками известной керамической массы являются повышенные значения водопоглощения и кажущейся плотности получаемой плитки и недостаточно высокая прочность ее при изгибе. Кроме того, керамическая масса содержит до 65% первичного сырья в виде легкоплавкой глины и нефелинового концентрата.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении водопоглощения получаемой плитки и увеличении ее механической прочности при изгибе без повышения температуры обжига. Кроме того, технический результат заключается в расширении сырьевой базы и улучшении экологии за счет использования техногенных отходов.

Технический результат достигается тем, что керамическая масса для изготовления облицовочной плитки, включающая отходы обогащения медно-никелевых руд и нефелиновую добавку, согласно изобретению, масса дополнительно содержит отходы обогащения железных руд и связующее в виде сульфитно-спиртовой барды, а в качестве нефелиновой добавки - отходы обогащения апатит-нефелиновых руд при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Отходы обогащения медно-никелевых руд	39,8-58,5
Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд	19,0-39,8
Отходы обогащения железных руд	14,6-19,9
Сульфитно-спиртовая барда	0,5-5,0

Достижению технического результата способствует то, что отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:

Хлорит, гидрохлорит	50,6-65,7
Серпентиновые минералы	10,2-15,0
Тальк	10,0-14,0
Магнетит	3,2-7,1
Пироксены, амфиболы	5,0-6,7
Альбит	2,0-2,3
Кварц	1,9-2,2
Гипс	1,9-2,1

Достижению технического результата способствует также то, что отходы обогащения апатит-нефелиновых руд имеют следующий состав, мас.%:

Нефелин	56,8-61,1
Эгирин	10,2-13,0
Вторичные минералы по нефелину	7,5-10,2
Полевой шпат	5,8-7,4
Апатит	3,4-5,4
Сфен	2,2-3,2
Рудные минералы	0,9-1,7
Слюда	1,5-2,3

Достижению технического результата способствует и то, что отходы обогащения железных руд имеют следующий состав, мас.%:

Кварц	56,2-68,9
Полевой шпат	17,0-25,5
Слюда	4,4-8,4
Амфибол и пироксен	1,5-3,4
Сростки минералов	1,3-3,3
Магнетит	1,2-3,2

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование в составе керамической массы отходов обогащения железных руд обусловлено тем, что основным компонентом массы является кварц. Он выступает в роли отощителя в керамической массе, способствуя снижению воздушной и огневой усадки при сушке и обжиге керамической плитки, препятствует образованию трещин. Содержание отходов обогащения железных руд в количестве 14,6-19,9 мас.% обеспечивает формирование многокомпонентной системы с пониженной температурой солидуса и последующим образованием минеральных фаз альбита, что способствует улучшению технических характеристик получаемой плитки, таких как водопоглощение и механическая прочность при изгибе. При содержании отходов обогащения железных руд более 19,9 мас.% происходит утяжеление массы, ухудшение спекаемости керамического материала и ухудшение технических характеристик плитки. Введение в шихту отходов обогащения железных руд менее 14,6 мас.% недостаточно для кристаллизации фаз альбита.

Использование в составе керамической массы в качестве нефелиновой добавки отходов обогащения апатит-нефелиновых руд в количестве 19,0-39,8 мас.% обусловлено тем, что отходы обогащения апатит-нефелиновых руд содержат до 61,1 мас.% нефелина и по своим функциональным свойствам не уступают нефелиновому концентрату. Нефелин относится к тугоплавким минералам, однако, в сочетании с кварцем, полевым шпатом, пироксенами, присутствующими в керамической массе, он образует легкоплавкие эвтектики, что приближает получаемую плитку по техническим свойствам к клинкерной керамике. Это позволяет улучшить технические характеристики получаемой плитки без повышения температуры обжига. Введение в состав керамической массы отходов обогащения апатит-нефелиновых руд менее 19,0 мас.% не обеспечивает образования достаточного количества жидкой фазы для кристаллизации фаз альбита. Введение отходов обогащения апатит-нефелиновых руд в количестве более 39,8 мас.% нежелательно по причине образования избыточного количества алюмосиликатного расплава, что влечет за собой чрезмерное увеличение плотности керамического материала, его теплопроводности, линейной и огневой усадки.

Введение в керамическую массу отходов обогащения медно-никелевых руд в количестве 39,8-58,5 мас.% обусловлено тем, что основными компонентами отходов являются хлориты и гидрохлориты, имеющие каолинитоподобную структуру, которые обеспечивают расширение интервала спекания и интенсифицируют протекание твердофазных реакций, что способствует улучшению технических характеристик керамической плитки. Введение отходов обогащения в количестве более 58,5 мас.% и менее 39,8 мас.% приводит к ухудшению спекаемости массы и, как следствие, увеличению водопоглощения и снижению прочностных характеристик материала. Это связано с тем, что в первом случае состав керамической массы оказывается в области с более высокой температурой солидуса, и при температурах обжига 1050-1100°C не достигается оптимального содержания расплава. Во втором случае состав компонентов массы переходит в более легкоплавкую область, что влечет за собой увеличение плотности материала, теплопроводности и огневой усадки.

Введение сульфитно-спиртовой барды в состав керамической массы предназначено для обеспечения временного связывания компонентов керамической массы. Связующее вводят в количестве 0,5-5,0 мас.% с учетом того, чтобы конечная влажность массы составила 8-10%. Это необходимо для обеспечения требуемой пористости плитки после обжига. Кроме того, введение связки способствует увеличению механической прочности сырца для проведения предварительных технологических операций до обжига без разрушения сырца. Содержание сульфитно-спиртовой барды менее 0,5 мас.% недостаточно для связывания компонентов при формовке сырца, что приводит к разрушению последнего. Содержание барды более 5,0 мас.% нежелательно по причине избыточного увлажнения массы.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для снижения водопоглощения получаемой плитки и увеличения ее механической прочности при изгибе без повышения температуры обжига, а также для расширения сырьевой базы и улучшения экологии.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтителен следующий состав компонентов керамической массы для изготовления строительных изделий.

Главными компонентами отходов обогащения медно-никелевых руд являются хлориты и гидрохлориты, серпентиновые минералы, тальк, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 50,6-65,7, 10,2-15,0, 10,0-14,0. Второстепенные минералы представлены магнетитом, пироксенами и амфиболами, содержание которых составляет, мас.%: 3,2-7,1 и 5,0-6,7. Акцессорными минералами в составе отходов являются альбит, кварц и гипс, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 2,0-2,3; 1,9-2,2 и 1,9-2,1. Согласно изобретению, использование отходов обогащения медно-никелевых руд в сочетании с другими компонентами керамической массы позволяет получить необходимое количество алюмосиликатного расплава, обеспечивающего спекание массы и формирование керамического черепка, более прочного с повышенными значениями физико-механических характеристик. Кроме того, отходы обогащения медно-никелевых руд не требуют дополнительного измельчения, размер их частиц не превышает 20 мкм, что свидетельствует о высокой удельной поверхности и реакционной способности при обжиге, а также повышает экономичность подготовки керамической массы.

Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд представлены основным минералом - нефелином (56,8-61,1 мас.%). Кроме него основными компонентами являются также эгирин и вторичные минералы по нефелину, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 10,2-13,0 и 7,5-10,2. Второстепенные минералы представлены полевым шпатом и апатитом, содержание которых составляет, мас.%: 5,8-7,4 и 3,4-5,4. Акцессорными минералами являются сфен, рудные минералы и слюда, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 2,2-3,2, 0,9-1,7 и 1,5-2,3.

Главными компонентами отходов обогащения железных руд являются кварц и полевой шпат, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 56,2-68,9 и 17,0-25,5. Второстепенным минералом отходов обогащения железных руд является слюда (мусковит, биотит), содержание которой составляет 4,4-8,4 мас.%. Акцессорными минералами являются амфибол и пироксен, сростки минералов и магнетит, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 1,5-3,4, 1,3-3,3 и 1,2-3,2.

Сложный многокомпонентный состав керамической массы способствует снижению температуры солидуса и обеспечивает получение керамической плитки в широких пределах ее компонентов с улучшенными техническими характеристиками.

Керамическую массу согласно изобретению готовят следующим образом. Для приготовления массы используют отходы обогащения медно-никелевых руд, отходы обогащения апатит-нефелиновых руд, отходы обогащения железных руд и сульфитно-спиртовую барду. Каждый из отходов обогащения предварительно измельчают в барабане с фарфоровыми шарами до удельной поверхности не менее 3000 см ²/г. Затем компоненты керамической массы смешивают в заявляемых соотношениях. Смесь тщательно гомогенизируют, увлажняют водным раствором сульфитно-спиртовой барды в количестве 0,5-5,0 мас.% до влажности 8-10%. Далее прессованием формуют образцы при удельном давлении 20 МПа, сушат при 105°C и обжигают при температуре 1100°C с изотермической выдержкой 1-2 часа в зависимости от размеров образцов. Остывание образцов проводят в печи в течение 8-10 часов.

Примеры составов керамической массы согласно изобретению приведены в Таблице 1, а основные свойства получаемой облицовочной плитки - в Таблице 2.

Таблица 1
Компоненты керамической	Содержание, мас.%
массы	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4
Отходы обогащения медно-никелевых руд	57	58,5	49,5	39,8
Отходы обогащения апатит-нефелиновых руд	19	24,4	29,7	39,8
Отходы обогащения железных руд	19	14,6	19,8	19,9
Сульфитно-спиртовая барда	5	2,5	1,0	0,5

Таблица 2
Показатель	Примеры				Примеры по прототипу
	1	2	3	4	1	2
Температура обжига, °C	1100	1100	1100	1100	1100	1100
Прочность при сжатии, МПа	138,7	142,5	187,6	154,5	-	-
Прочность при изгибе, МПа	45,2	45,6	38,5	70,3	25,9	24,2
Кажущаяся плотность, г/см3	2,50	2,56	2,55	2,40	2,48	2,46
Водопоглощение, %	0,5	0,3	0,6	0,2	8,3	9,0
Морозостойкость, циклы	>50	>50	>50	>50	-	-

Из данных, приведенных в Таблицах 1 и 2, видно, что предлагаемая керамическая масса позволяет получить при температуре обжига 1100°C облицовочную плитку с пониженным водопоглощением (0,2-0,6%) и повышенной механической прочностью при изгибе (38,5-70,3 МПа) и сжатии (до 187,6 МПа). С учетом прочностных характеристик керамическая масса может быть также использована при изготовлении облицовочного кирпича. Применение в качестве компонентов керамической массы техногенных отходов позволяет расширить сырьевую базу и улучшить экологию.