керамическая масса

Формула изобретения

Керамическая масса, включающая легкоплавкую глину и карбонатно-кремнистую цеолитсодержащую породу смешанного минерального состава, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в своем составе флотационные отходы углеобогащения - угольные шламы, при этом карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода используются со степенью измельчения менее 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Легкоплавкая глина - 60-75;

Карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода - 20-25;

Флотационные отходы углеобогащения - 5-15.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности к стеновым керамическим изделиям, и может быть использовано при производстве керамического кирпича и камней.

Известна керамическая масса для изготовления керамического кирпича с использованием карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы, включающей, мас.%: глину легкоплавкую 15-24; карбонатно-кремнистую цеолитсодержащую породу 46-55 и предварительно механо-активированную цеолитсодержащую глину 30-39 состава, мас.%: цеолит 26-36; опал-кристобалит 3-27; кальцит 0-5, кварц 1-10; глауконит 0-4; глинистые минералы 20-65 (патент RU № 2197446, C04B 33/00, опубл. 27.01.2003).

Наиболее близким техническим решением является керамическая масса для изготовления стеновых изделий, включающая легкоплавкую глину и технологическую минеральную добавку: карбонатно-кремнистую цеолитсодержащую породу смешанного минерального состава, содержащую, мас.%: опал-кристобалит 30-45, клиноптилолит 8-25, кальцит 11-28, глинистая составляющая 15-35, с размером частиц менее 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: глина легкоплавкая 70-75, карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода смешанного минерального состава 25-30 (патент RU № 2140888, C04B 33/00, опубл. 10.11.1999).

Недостатком известной керамической массы являются относительно высокие показатели средней плотности и теплопроводности изделий, невысокая прочность изделий и повышенный расход топлива на обжиг.

Задачей настоящего изобретения является получение керамических изделий с пониженными показателями средней плотности и теплопроводности при повышенной прочности и значительно меньших затратах на обжиг.

Сущность изобретения заключается в том, что керамическая масса, включающая легкоплавкую глину и карбонатно-кремнистую цеолитсодержащую породу смешанного минерального состава, дополнительно содержит флотационные отходы углеобогащения - угольные шламы, при этом карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода используются со степенью измельчения менее 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Легкоплавкая глина - 60-75;

Карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода - 20-25;

Флотационные отходы углеобогащения - 5-15.

Технический результат заключается в следующем. Введение флотационных отходов углеобогащения - угольных шламов в керамические массы позволяет снизить среднюю плотность и теплопроводность изделий, т.к. зольность шламов составляет 40-60% и при обжиге, за счет выгорания угольной составляющей, снижается плотность черепка и соответственно его теплопроводность. Обеспечивается повышенная прочность обожженных изделий, т.к. угольные шламы являются легкоплавкими, содержат большое количество плавней, преимущественно в виде гидрослюд, что увеличивает спекаемость черепка с образованием новых минеральных и стекловидных фаз, и, как следствие, повышается прочность. Также ввод угольных шламов позволяет существенно уменьшить расход газа на обжиг (до 90%), так как их теплотворная способность составляет 3-4 тыс. ккал/кг и они выступают в качестве топливосодержащей добавки. С учетом высокой стоимости газа и низкой стоимости угольных шламов это существенно позволяет снизить себестоимость изделий. Тонкодисперсная структура угольных шламов позволяет улучшить формовочные свойства керамических масс, способствует их равномерному распределению в формовочных массах и формированию пористой равномерной структуры черепка, что обуславливает изотропность свойств изделий.

Карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода, учитывая ее камневидную структуру, вводится в керамические массы в измельченном виде фракционного состава менее 1 мм (таблица 1).

Таблица 1
Фракционный состав измельченной карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы
Название компонента керамической массы	Степень измельчения, мм	Содержание фракций, мм, % по массе
		3-2	2-1	1,0-0,5	0,5-0,25	0,25-0,10	<0,10
Карбонатно-кремнистая цеолитсодержащяя порода	<3	8-12	10-16	12-18	14-22	16-24	20-28
	<2	-	8-12	14-18	20-24	22-26	26-30
	<1	-	-	16-22	22-26	24-28	28-34

Ввод данной добавки может осуществляться и более крупной фракции - до 3 мм, однако в процессе подготовки формовочных масс она дополнительно измельчается. Ввод карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы заданного фракционного состава позволяет уменьшить воздушную усадку, за счет микропористой структуры повысить влаго- и газопроницаемость формовочных масс и снизить чувствительность к сушке, снизить среднюю плотность черепка и соответственно теплопроводность. Также это обуславливает в процессе обжига активное взаимодействие частичек карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы с глинистыми минералами и угольными шламами, что способствует образованию в процессе обжига новых кристаллических соединений - анортитоподобных минералов, волластонита (CaO·SiO₂), гелленита-мелелита Ca₂ (Al, Mg, Si) Si₂O₇, которые способствуют образованию мелкопористой и высокопрочной структуры керамического черепка. Это обуславливает повышение прочностных свойств изделий при пониженной средней плотности и теплопроводности.

Характеристика исходных материалов

В состав предлагаемой керамической массы входят следующие компоненты: легкоплавкие глины, карбонатно-кремнистые цеолитсодержащие породы и флотационные отходы углеобогащения - угольные шламы, имеющие усредненный химический состав, представленный в таблице 2.

Таблица 2
Усредненный химический состав легкоплавких глин, карбонатно-кремнистых цеолитсодержащих пород и флотационных отходов углеобогащения, % по массе
Наименование материала	П.п.п	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O
Легкоплавкие глины	5-15	55-72	7-16	3-8	2-10	0,4-3	0,3-2	1-4	1-3
Карбонатно-кремнистые цеолитсодержащие породы	10-22	45-65	5-12	1-6	5-17	0,5-3	0,2-1	0,4-3	0,2-2
Флотационные отходы углеобогащения	18-44	30-42	6-12	3-6	1-6	0,2-2	0,4-2	1-4	0,5-2

1. Легкоплавкие глины

Являются осадочными тонкодисперсными полиминеральными образованиями с пелитовой и алевропелитовой структурой. Макроскопически эти глины весьма разнообразны. Обычно это связные, пористые породы, окрашенные в светло-бурые, бурые, коричневые, серые, темно-серые и зеленоватые тона. Легкоплавкие глины пользуются широким распространением в четвертичных континентальных осадках и покрывают огромные пространства равнин Европейской части России, Западной Сибири, Средней Европы и др. Месторождения легкоплавких полиминеральных глин весьма многочисленны и встречаются повсеместно. Они применяются для изготовления керамического кирпича и грубой керамики. Главными породообразующими минералами в них являются монтмориллонит, гидрослюды, каолинит, кварц, слюды. Обычно в них присутствуют два-три глинистых минерала и довольно часто встречаются смешаннослойные образования. Второстепенные минералы - полевые шпаты, карбонаты, глауконит, хлориты и др. Некоторые из них содержат примесь или обогащены органическим веществом. В зависимости от наличия песчано-алевритовой примеси и минерального состава они обладают высокой (мало примесей) или умеренной пластичностью (много примесей).

2. Карбонатно-кремнистые цеолитсодержащие породы

Легкие тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших (менее 0,005 мм) частиц опал-кристобалита (30-45%), минералов группы цеолитов, преимущественно клиноптилолита (8-25%), кальцита (11-28%), глинистой составляющей (15-35%). Средняя плотность их составляет 1300-1600 кг/м³, пористость достигает 50% (обычно 30-40%). Микроскопический анализ показывает тонкозернистое строение и полиминеральный состав. Основная масса представлена гелевым глобулярно-чешуйчатым опалом с равномерно распределенным глинистым веществом, цеолитами и пелитоморфным кальцитом хемогенного и биогенного генезиса. Встречаются единичные органогенные остатки обломков спикул губок и раковин фораминифер. Размер зерен кальцита не превышает 0,1 мм, что предотвращает появление на кирпиче дутиков после обжига. Предел прочности при сжатии варьирует от 5 до 20 МПа. В воде не размокают или размокают при механическом воздействии. Реагируют с соляной кислотой.

Россия располагает крупнейшей сырьевой базой карбонатно-кремнистых цеолитсодержащих пород. Они широко встречаются в районах Поволжья и Дона, Западной Сибири, на юге России, в центральных и западных областях Европейской части России, Ленинградской области, Дальнем Востоке т.д. Разнообразие состава обуславливает широкий диапазон физико-технических и технологических свойств, а также использование во многих отраслях промышленности. Усредненный химический состав карбонатно-кремнистых цеолитсодержащих пород приведен в таблице 2. Минералогический состав отличается широким варьированием состава и включает, мас.%: опал-кристобалит 25-45, цеолиты, представленные преимущественно клиноптилолитом 8-25, кальцит 10-35, глинистая составляющая 15-35.

3. Флотационные отходы углеобогащения - угольные шламы

Представляют собой тонкодисперсный порошок черного, темно-серого цвета. Их минеральный состав обусловлен составом исходных угольных пород и последующим воздействием процессов обогащения угля. Минеральный состав представлен глинистыми минералами, хлоритом, слюдами, полевыми шпатами, тонкодисперсными карбонатами, кварцем и угольным веществом в количестве 20-40%. Зольность составляет 40-60%. Теплотворная способность составляет в среднем 3-4 тыс. ккал/кг. Усредненный химический состав представлен в таблице 2.

Изделия из заявляемой керамической массы можно изготавливать по общепринятым технологиям производства стеновых керамических изделий как способом пластического формования, так и способом полусухого прессования при температуре обжига 950-1050°C. Подготовка карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы, учитывая ее камневидный характер, заключается в ее измельчении до фракции менее 1 мм или не более 3 мм. Предварительное дробление осуществляется на щековых дробилках, дальнейшее измельчение может осуществляться на молотковых, маятниковых дробилках, шахтных мельницах, дезинтеграторах.

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемых составов масс были изготовлены стандартные образцы полнотелого и пустотелого кирпича размером 250×120×65 мм с различным соотношением вышеперечисленных компонентов. В качестве легкоплавкого глинистого сырья использовали суглинок Родионово-Несветайского месторождения. Карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода была представлена Карпово-Обрывским месторождением. В качестве отходов углеобогащения использовали угольные шламы обогатительной фабрики «Обуховская». Химический состав данных материалов представлен в таблице 3.

Образцы изготовлялись следующим образом.

Предварительно легкоплавкая глина, карбонатно-кремнистая цеолитсодержащая порода и угольные шламы подсушивалась до воздушно-сухого состояния, затем измельчались на глинорыхлителе, щековой дробилке и дезинтеграторе (или молотковой дробилке), после чего просеивались на ситах с размером ячеек 1 мм. Затем при необходимом соотношении отдозированные компоненты тщательно перемешивались и масса равномерно увлажнялась до пластического состояния. Приготовленная масса вылеживалась в герметичных емкостях 6-12 часов и поступала на формование. После формовки изделия подсушивались и затем обжигались с выдержкой при максимальной температуре 950-1050°C 2 часа и охлаждением в течение 14 часов. После чего определялись их физико-механические свойства и соответствие требованиям ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия».

Физико-механические показатели, подтверждающие свойства изделий, полученных на основе керамических масс, включающие легкоплавкие глины, карбонатно-кремнистые цеолитсодержащие породы и флотационные отходы углеобогащения представлены в таблице 4.