Решетова Антонина Александровна. Керамические пропанты на основе природного алюмосиликатного сырья

Краткое описание

Решетова Антонина Александровна. Керамические пропанты на основе природного алюмосиликатного сырья : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.11 / Решетова Антонина Александровна; [Место защиты: Том. политехн. ун-т].- Томск, 2009.- 188 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/691

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
04201001829
РЕШЕТОВА АНТОНИНА АЛЕКСАНДРОВНА

КЕРАМИЧЕСКИЕ ПРОПАНТЫ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО
АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ
Специальность 05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких
неметаллических материалов
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель д.т.н., профессор Т.В. Вакалова
Томск 2009 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
1 Современные представления о физико-химических и технологических
процессах формирования качества алюмосиликатной керамики на основе природного огнеупорного сырья 10
1.1 Сырьевая база огнеупорного глинистого сырья Урало-Сибирского
региона для алюмосиликатной керамики 10
1.2 Пути активации процессов синтеза муллита и спекания алюмосили¬
катной керамики 16
1.2.1 Активация процессов структурообразования в алюмосиликатной
керамике на основе каолинов и огнеупорных глин 16
1.2.1.1 Влияние жидкой фазы на процессы фазообразования и спекания
керамических материалов 16
1.2.1.2 Особенности структуры и свойства муллита — основной кристаллической фазы глиносодержащих керамических материалов 19
1.2.2 Особенности процесса формования муллита из каолинов и
огнеупорных глин 22
1.2.3 Технологические факторы, ускоряющие процесс спекания
муллитосодержащей керамики 26
1.2.3.1 Влияние температуры обжига (тепловое активирование) на процесс
спекания керамики 26
1.2.3.2 Химическое активирование процесса спекания керамических
материалов за счет введения добавок 27
1.2.3.3 Механохимическое активирование процесса спекания
алюмосиликатных керамических материалов 33
1.2.3.4 Влияние газовой среды на процесс спекания керамики 35
1.3 Керамические пропанты для нефтегазодобывающей отрасли - новое
направление применения алюмосиликатной керамики 37
1.3.1 Особенность отечественной нефте- и газодобычи в современных
условиях 38
1.3.2 Виды керамических пропантов и требования к ним 40
1.3.3 Технологические особенности получения алюмосиликатных
пропантов 46
1.4 Постановка задач исследования 49
2 Характеристика сырьевых материалов, методы и методология
исследования 51
2.1 Химико-минералогическая характеристика огнеупорного глинистого сырья
Урало- Сибирского региона 51
2.1.1 Каолин месторождения «Журавлиный Лог» 51
2.1.2 Каолин Кампановского месторождения 53
2.1.3 Барзасское месторождение огнеупорного алюмосиликатного сырья - комплексный сырьевой источник для керамической промышленности 61
2.1.3.1 Каолиновое сырье Гавриловского участка Барзасского
месторождения 62
п
2.1.3.2 Глинистые бокситы Барзасской группы месторождений
(Г авриловского участка) 63
2.1.4 Диабазовые порфириты Васильевского месторождения Кемеровской
области как сырье в керамических технологиях 66
2.1.5 Возможности использования природных и техногенных железооксидных компонентов в составах алюмосиликатных масс 67
2.1.5.1 Характеристика железной руды Бакчарского месторождения 67
2.1.5.2 Характеристика пиритных огарков — техногенных отходов серно-кислотного производства 68
2.2 Методы исследования основных характеристик сырьевых материалов и
изделий на их основе 69
2.2.1 Рентгеновский анализ 70
2.2.2 Оптическая и электронная микроскопия 71
2.2.3 ИК-спектроскопия 71
2.2.4 Комплексный термический анализ 72
2.2.5 Определение степени упорядоченности структуры каолинита 72
2.2.6 Исследование свойств готовых изделий (проппантов) согласно
ГОСТ Р 51761-2005 73
2.2.6.1 Определение насыпной плотности пропанта 73
2.2.6.2 Определение сопротивления пропанта к раздавливанию 74
2.2.6.3 Определение сферичности и округлости пропантов 75
2.3 Методологическая схема проведения исследований 76
3 Физико-химические процессы при термической обработке огнеупорного
глинистого сырья и его композиций с другими компонентами 78
3.1 Сравнительный анализ структурно-минералогических особенностей
огнеупорного глинистого сырья Урало-Сибирского региона 78
3.2 Исследование процессов спекания каолинов Урало-Сибирского региона 86
3.3 Исследование процессов фазообразования в каолинах Урало-Сибирского
региона 91
3.4 Активация процессов синтеза муллита и спекания муллитосодержащей
керамики на основе огнеупорного глинистого сырья 96
3.5. Активация процесса спекания трудноспекающегося огнеупорного
глинистого сырья добавками природных и техногенных компонентов 105
3.5.1 Влияние добавок железооксидных компонентов на спекаемость
гавриловского каолина 106
3.5.2 Активация спекания гавриловского колина добавками природного глиноземистого компонента - гавриловским глинистым бокситом 109
3.5.3 Влияние добавок диабазовой породы на спекаемость гавриловского
каолина 111
3.6 Выводы и рекомендации 115
4 Пути и способы повышения качества плотноспеченной гранулированной
алюмосиликатной керамики 117
4.1 Отработка технологических параметров повышения прочности
гранулированной алюмосиликатной керамики на основе огнеупорного глинистого сырья 118
4.1.1 Установление принципиальной возможности получения пропантов на
основе каолинов Урало-Сибирского региона 119
4Л Л. 1 Исследование влияния природы пластифицирующих компонентов на
прочностные характеристики гранулята 122
4.1 Л.2 Влияние температуры предварительной термоподготовки каолина на
активацию его уплотнения и упрочнения в процессе спекания 127
4.1.1.3 Исследование комплексного влияния условий термоподготовки и введения минерализующих добавок на процесс активации синтеза муллита и спекания алюмосиликатной керамики 134
4.2 Выводы и рекомендации по главе 146
5 Разработка составов и технологии керамических алюмосиликатных
пропантов на основе сырья урало-сибирского региона 148
5.1 Разработка составов и технологии алюмосиликатных пропантов из
каолина месторождения «Журавлиный Лог» 150
5.1.1 Исследование влияние минерализующих добавок на эксплуатацион¬ные свойства пропантов на основе журавлиноложского каолина 150
5.1.2 Исследование влияния температуры термоподготовки на свойства
пропантов из каолина месторождения «Журавлиный Лог» 152
5.1.3 Использование железооксидной добавки в технологии керамических
пропантов 155
5.1.4 Исследование влияния добавки технического глинозема на эксплуата-ционные свойства пропантов из журавлиноложского каолина 158
5.2 Разработка составов и технологии алюмосиликатных пропантов из
каолина Кампановского месторождения 161
5.2.1 Влияние минералогического состава продуктов обогащения
кампановского каолина на свойства пропантов 162
5.2.2 Отработка технологических параметров получения пропантов из
кампановского каолина 164
5.3 Разработка составов и технологии алюмосиликатных пропантов из
алюмосиликатного сырья Гавриловского участка Барзасского месторождения 167
5.3.1 Исследование возможности получения пропантов из глинистого
боксита 168
5.3.2 Отработка технологических параметров получения пропантов на
основе гавриловского каолина 169
5.4 Критерии выбора огнеупорного глинистого сырья и составов
керамических масс для получения алюмосиликатных пропантов 172
Выводы ■ 175
Список литературы 177

Список литературы

1. Физико-химическими параметрами оценки пригодности глинистого сырья для изготовления легких и прочных алюмосиликатных пропантов явля¬ются преимущественно каолинитовый состав с содержанием каолинита не ме¬нее 65 мае. %; содержание оксида А12Оз в химическом составе в прокаленном состоянии не менее 35 мае. % (предпочтительно 40 - 45мас. %); предельно до¬пустимое содержание свободного кварца не более 15 мае. %; содержание ще¬лочных и щелочно-земельных оксидов не более 1,2 мае. %, а также прочность на сжатие в спеченном состоянии не менее 70 МПа.
2. Эффективность действия добавок оксидов 3d- переходных элемен¬тов, образующих дефектные твердые растворы с муллитом (Ре2Оз и Мп02), и добавок щелочных и щелочно-земельных оксидов, регулирующих реологиче¬ские свойства силикатных расплавов (Na20 и СаО), на процесс уплотнения и упрочнения каолина определяется температурой обжига композиций из глини¬стого сырья. По эффективности влияния на спекание алюмосиликатной кера¬мики в интервале температур 1400 - 1450 °С, выбранные добавки можно распо¬ложить в следующий ряд: Бе2Оз > Мп02 > Na20 > СаО.
3. Активирующее действие железооксидных добавок в виде пиритных огарков и железной руды (с содержанием оксидов железа в пересчете на Fe203 не менее 75 мае. % в прокаленном состоянии) в количестве 2-11 мас.% на спе¬кание огнеупорного глинистого сырья заключается как в образовании дефект¬ных твердых растворов с муллитом, так в образовании легкоплавких эвтектик, обеспечивающих снижение температуры спекания каолина на 100 — 150 °С.
4. Использование высокожелезистого (содержание Fe2C>3 — 16-17 %) глинистого боксита в количестве 20-30 мас.% интенсифицирует процесс спека¬ния каолина в 2 раза, обеспечивая при температуре 1400 °С увеличение прочно¬стных характеристик в 1,5 раза.
5. Добавка диабазового порфирита в огнеупорное глинистое сырье в количестве 10-30 мае. % оказывает спекающе-упрочняющее действие за счет
образования силикатного расплава, обеспечивая повышение прочности мате-риала в 1,5 — 2 раза при температуре обжига 1350 °С.
6. Использование комплексной добавки в виде смеси диабазовой по-роды (10 — 20 %) с пиритными огарками (5 % сверх 100%) резко активирует процесс спекания каолина в температурном интервале 1350 - 1450 °С за счет изменения реологических свойств и повышения реакционной способности же-лезисто-силикатного расплава, приводя к расплавлению каолино-диабазовых композиций при температуре обжига 1450°С.
7. Для повышения прочностных характеристик гранулированного ма-териала доказана необходимость технологической операции предварительной термоподготовки огнеупорного глинистого сырья. Термообработка каолина при температуре 980 - 1100 °С способствует интенсификации процесса спекания из-делий при температуре обжига 1450 °С за счет незавершенности процессов формирования муллита на данной технологической стадии, что определяет вы-сокую дефектность его кристаллической решетки и повышенную активность в последующем спекающем обжиге. При этом активная кристаллизация кристо- балита из расплава в процессе спекающего обжига уменьшает общее содержа¬ние стеклофазы в материале, что также благоприятно сказывается на повыше¬нии прочностных характеристик алюмосиликатных пропантов.
8. Использование железооксидных природных и техногенных добавок в количестве 2-11 мае. % (1,5 - 8,5 мас.% в пересчете на Ре2Оз) в композициях с огнеупорным глинистым сырьем обеспечивает получение при температуре предварительной термоподготовки сырья 850 - 1100 °С и обжига гранул 1400 -
1450 °С алюмосиликатных пропантов средней прочности (выдерживающих разрушающие давления до 52 МПа) и низкой насыпной плотности (до 1,58 г/см3).
Применение комплексной добавки минерализующе-упрочняющего дей-ствия (технического глинозема в комбинации с железооксидной добавкой) при тех же температурных условиях обеспечивает получение пропантов средней прочности, выдерживающих разрушающие давления до 70 МПа, с насыпной
■j
плотностью до 1,62- 1,65 г/см