КЕРАМІЧНИЙ СТІНОВИЙ МАТЕРІАЛ НА ОСНОВІ ТЕХНОГЕННОЇ СИРОВИНИ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі роботи, наведено важливі положення, які склали основу наукових досліджень і практичних розробок, визначено наукову новизну та практичне значення результатів.

У першому розділі виконано аналіз праць А.І. Августиника,                    В.І. Бабушкіна, О.П. Мчедлова-Петросяна, П.П. Буднікова, П.І. Боженова,             О.В. Волженського, Б.М. Бурмістрова, П.В. Кривенка, Р.Ф. Рунової,                   В.І. Братчуна, Г.І. Книгиної, О.А. Крупа, С.П. Нечіпоренка, Г.В.Куколева,  М.М. Круглицького, В.З. Абдрахімова, С.Ж. Сайбулатова, С.Т. Сулейменова, А.Д. Шильциної, А.І. Єфімова, В.В. Шевандо та інших, за результатами якого встановлено, що використання техногенної сировини у виробництві керамічних виробів дозволяє знизити витрати на одиницю продукції, підвищити якість цегли, а також сприяє охороні навколишнього середовища.  

Працями О.А. Крупи, Б.С. Баталіна та інших виявлено, що використання техногенної вуглевмісної сировини (відходів вуглезбагачення) у виробництві керамічної цегли дозволяє значно економити паливо та при оптимальній температурі спікання 1050⁰С отримати міцність 15,6 МПа при середній щільності 1510 кг/м³. При цьому інтервал спікання складає 950–1100⁰С.

За даними В.З. Абдрахімова, техногенна сировина (добавка) при вмісті Fe₂O₃/CaO+MgO>1, а SiO₂+Al₂O₃/Fe₂O₃>2 відноситься до інтенсифікатора спікання. Дослідженнями В.З. Абдрахімова, С.Ж. Сайбулатова,                       А.Д. Шильциної та інших встановлено, що використання у формувальних масах луго- та залізовмісної техногенної сировини знижує температуру випалу. Така сировина є в Україні у вигляді червоних шламів Миколаївського глиноземного заводу і Запорізького алюмінієвого комбінату.

Також в Україні накопичилась значна кількість техногенної сировини у вигляді відходів вуглезбагачення, які можуть використовуватися у виробництві керамічної цегли в якості основної або додаткової сировини з метою зниження ресурсо- та енерговитрат на їх виробництво.

При виробництві будівельної кераміки сировина піддається механоактивації в апаратах-подрібнювачах: вальцях або бігунах; кульових або струменевих млинах. При цьому відбувається диспергація зерен сировини і збільшується їх поверхнева активність, що призводить до інтенсифікації процесу спікання, а також підвищення міцності матеріалу за рахунок збільшення площі контактів між зернами в одиниці об’єму. Однак, недоліком використання такого виду активацій є те, що випал виробів відбувається при температурі 950-980⁰С, що свідчить про недостатню механічну активацію сировини.

У зв’язку з вищенаведеним в роботі була запропонована наступна робоча гіпотеза: інтенсивність спікання може бути підвищена, а температура спікання знижена, при підвищенні міцності матеріалу, за рахунок комплексної (механо-хімічної) активації частини сировини, а саме лесоподібного суглинку в лужному середовищі червоного шламу, що містить катіони натрію, кальцію, магнію та заліза, які є інтенсифікаторами спікання.

Лужне середовище червоного шламу інтенсифікує диспергацію кремнеземних зерен, а сумісно з катіонами натрію – деламінацію глинистих частин до утворення певної частини колоїдних часточок, на поверхні яких адсорбуються катіони натрію, заліза, кальцію та магнію.

Після сушіння матеріалу в ньому формується більше контактів в одиниці об’єму у порівнянні з матеріалом із механоактивованої сировини та підвищується зв’язність.

В процесі випалу в контактних зонах між колоїдними частинками, колоїдними та мікрочастинками матеріалу, внаслідок контактного плавлення, при більш низьких температурах утворюється рідка фаза в системах Na₂O–SiO₂ і Na₂O–Al₂O₃–SiO₂, яка, кристалізуючись, зв’язує зерна сирцю в моноліт.  

Крім того, адсорбовані на поверхні зерен сирцю катіони заліза і кальцію в процесі випалу в результаті твердофазових реакцій утворюють додаткові містки в системі CaO–Fe₂O₃(FeO)–Al₂O₃–SiO₂ між частинками матеріалу різного рівня, що також може підвищити міцність.

На підставі проведеного аналітичного огляду науково-технічної та патентної літератури та запропонованої робочої гіпотези сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі наведено основні характеристики сировинних матеріалів: глинистої сировини (лесоподібного суглинку); відходів вуглезбагачення Павлоградської центральної збагачувальної фабрики (ЦЗФ); червоного шламу Запорізького алюмінієвого комбінату (ЗАлК), а також результати їх досліджень, обґрунтовано вибір методик та приладів, надано опис методів дослідження, які були використані в роботі.

В результаті проведених досліджень сировини виявлено, що мінералогічний склад лесоподібного суглинку представлено в основному мінералами гідрослюди, монтморилоніту та кварцем; відходи вуглезбагачення представлено мінералами каолінітової групи, гідрослюдами, хлоритом та кварцем; червоний шлам представлено в основному гідрогранатами, гематитом, гетітом, гідроалюмосилікатами натрію, рутилом, анатазом, аморфним гідроксидом заліза, шамозитом, перовскітом.

Для визначення властивостей та структури матеріалів в роботі використовувався комплекс сучасних фізичних та фізико-хімічних методів аналізу (рентгенофазовий, диференційно-термічний, електронно-мікроскопічний та хімічний).

Визначення фазово-мінералогічного складу новоутворень здійснювалось методами рентгенофазового і диференційно-термічного аналізів. Рентгеноструктурний аналіз проводили на рентгенівському дифрактометрі Дрон-4. Використовувалась рентгенівська трубка з мідним анодом БСВ-23, зйомка проводилась в Cu-випромінюванні, відфільтрованому за допомогою плаского графітового монохроматора. Диференційно-термічний аналіз виконувався на дериватографі системи А. Ердея, Ф. Пауліка, І. Пауліка. Розшифровка результатів здійснювалась за літературними даними відомих авторів В.С. Горшкова, В.В. Тімашева, Ю.М. Бутта, Л.М. Рашковича та ін. та за даними картотеки JCPDS. Мікроструктура зразків визначалась за допомогою скануючого мікроскопу.

Визначення фізико-механічних властивостей матеріалів проводилося згідно зі стандартами.

В роботі використано симплекс-решітчастий метод планування експерименту при оптимізації складів сировинних мас та статистичну обробку результатів дослідження.

У третьому розділі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень, які направлені на вивчення впливу комплексної активації лесоподібного суглинку в лужному середовищі червоного шламу на технологічні властивості формувальної маси.

Важливими факторами, які впливають на температуру, кінетику процесів, що відбуваються при спіканні та формуванні структури керамічного черепка і міцності виробів, є кількість колоїдних частинок у формувальній  масі та активність їх поверхні.

Для підвищення міцності керамічних виробів також оптимізується зерновий склад дисперсної сировини.

Підвищення вмісту в формувальній масі тонких частинок та підвищення активності їх поверхні досягається механічною активацією сировини (наприклад, помелом). В роботі в якості природного глинистого компоненту використовували лесоподібний суглинок, що містить у великій кількості пилоподібні частинки кварцу. Глинисті частинки лесоподібного суглинку представлені, в основному, гідрослюдою і в меншому ступені монтморилонітом. Для активації суглинку запропонована комплексна активація суглинку мокрим помелом у лужному середовищі. Лужне середовище забезпечується введенням в сировинну суміш червоного шламу, який містить гідроксиди та оксиди заліза, а також солі натрію, кальцію, що є активаторами спікання.