Способ изготовления стеновых керамических изделий, сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий и заполнитель для стеновых керамических изделий

Способ изготовления стеновых керамических изделий, сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий и заполнитель для стеновых керамических изделий

Реферат

Изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для получения теплоизоляционных изделий - кирпича, блоков, стеновых панелей и др.

Известны способ изготовления стенового керамического изделия и сырьевая шихта для него, включающая молотую глину (53-93 мас.%) и заполнитель в виде зерен, расширяющихся в процессе нагревания с первоначальным размером не более 2 мм, состоящих из вермикулита, или гидрофлогопита, или гидробиотита (2-42 мас.%) и отощителя - песка, или золы, или шлака с размером частиц не более 2 мм (4-45 мас.%). Из перемешанной массы пластическим способом формуют изделия в виде кирпича, блоков, стеновых панелей, которые после сушки обжигают в тоннельной печи при 950°С с изотермической выдержкой 2 часа [Патент РФ №1780276, кл. 6 С04В 33/00, 1995].

Недостатками способа, сырьевой шихты и заполнителя являются: высокая плотность получаемых стеновых керамических изделий (1850...1990 кг/м³), что требует увеличения затрат материалов на стадии изготовления и, как следствие этого, утяжеляет массу стеновых конструкций; высокая огневая усадка (до 5...7,9 об.%), что способствует возникновению напряжений и дефектов структуры, отрицательно влияющих на прочностные характеристики обожженного материала. Эти недостатки ухудшают технологические и эксплуатационные характеристики стеновых керамических изделий.

Наиболее близкими к предлагаемому решению являются способ изготовления стеновых керамических изделий, сырьевая шихта и заполнитель для них. Способ заключается в смешивании молотой глины - 60-97 мас.% и заполнителя - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция, при этом количество гидрофобизатора составляет 1...10% от массы стеклобоя. Из перемешанной массы формуют изделия, которые после сушки обжигают в тоннельной печи при 950°С с изотермической выдержкой 2 часа [Патент РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005].

Недостатками прототипа являются наличие общей усадки при сушке и обжиге и недостаточная прочность получаемых стеновых керамических изделий, а также ограничением в использовании сырьевых компонентов из-за невозможности использования тугоплавких глин.

Предлагаемое изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств, в том числе и расширение сырьевой базы за счет использования тугоплавких глин, для производства малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий с сохранением и увеличением их прочности.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления стеновых керамических изделий, включающем смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого с порообразователем, содержащим карбонат кальция, количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом, либо способом полусухого прессования, сушку и обжиг, согласно предлагаемому решению при помоле стеклобоя и порообразователя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя вводят магматические кислые эффузивные стекловатые породы, взамен части порообразователя вводят карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород, а общее количество порообразователя составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и магматических кислых эффузивных стекловатых пород, обжиг проводят при температуре 950...1070°С.

Технический результат достигается тем, что в сырьевой шихте для изготовления стеновых керамических изделий, включающей молотую глину - 60-97 мас.% и заполнитель - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с порообразователем, содержащим карбонат кальция, количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, согласно предлагаемому решению ядра вышеуказанного заполнителя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя содержат магматические кислые эффузивные стекловатые породы, взамен части порообразователя содержат карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород, а общее количество порообразователя составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и магматических кислых эффузивных стекловатых пород.

Результат достигается с помощью заполнителя для стеновых керамических изделий, в виде гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра и оболочки из гидрофобизатора, причем ядром является связанная между собой смесь дробленого боя стекла и порообразователя, содержащего карбонат кальция, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, согласно предлагаемому решению материал ядра взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя содержит магматические кислые эффузивные стекловатые породы, взамен части порообразователя содержит карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород, а общее количество порообразователя составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и магматических кислых эффузивных стекловатых пород.

Сравнение предлагаемого решения с прототипом позволило установить, что оно отличается введением в состав ядра заполнителя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя магматических кислых эффузивных стекловатых пород, например перлита, обсидиана, витрофира, либо смеси этих минералов, а взамен части порообразователя вводят карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород, при этом общее количество порообразователя в ядрах заполнителя составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и магматических кислых эффузивных стекловатых пород, обжиг проводят при температуре 950-1070°С. Таким образом, предлагаемое решение обладает критерием «новизна».

При изучении других технических решений использование предложенного авторами введения в состав ядра гранул заполнителя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя магматических кислых эффузивных стекловатых пород, например перлита, обсидиана, витрофира, либо смеси этих минералов, а взамен части порообразователя введения карбида кремния в количестве 1-6% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород, при этом общее количество порообразователя в ядрах заполнителя составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и магматических кислых эффузивных стекловатых пород, проведение обжига при температуре 950-1070°С не выявлено, таким образом заявляемое решение не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».

Характеристика компонентов массы:

1. В качестве глинистого компонента использовали:

а) глина Лукошкинского месторождения (Белгородская обл., Старооскольский район) по ТУ 21-4434-84. Огнеупорность 1430...1570°С. Пластичность 9-12. Цвет после обжига красный,

б) тугоплавкая глина Латненского месторождения (Воронежская область). Сорт ЛТ-2, огнеупорность 1670...1690°С. Пластичность 18-22. Цвет после обжига светло-розовый.

2. В качестве стеклобоя использовали бой зеленого тарного стекла, г.Воронеж.

3. В качестве магматических кислых эффузивных стекловатых пород использовали породы нижнечетвертичного вулканического комплекса Артени (Армения): обсидиан в виде брекчии; витрофиры и перлит пылевидный, образующийся при механической переработке магматических кислых эффузивных стекловатых пород, не пригодный для вспучивания.

Магматические кислые эффузивные стекловатые породы и стеклобой при необходимости дробили в молотковой дробилке и хранили в накопительных бункерах.

4. В качестве порообразователей использовали карбид кремния марки М 7 по ГОСТ 3647-80 и карбонаты кальция (мел, известняк):

- мел технический дисперсный МТД-2 по ТУ - 21-020350-06-92, ОАО «Стройматериалы», г.Белгород;

- известняк Яшкинского месторождения;

Химический состав сырьевых компонентов приведен в табл.1.

5. При гранулировании порошка стеклобоя дополнительно содержащего магматические кислые эффузивные стекловатые породы, молотого совместно с порообразователями, на тарельчатом грануляторе, использовали водный раствор силикатного клея (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000. Количество связующего компонента при разных размерах гранул различно и определяется визуально: столько, чтобы сформированные гранулы нужного размера скатывались с наклонной поверхности тарельчатого питателя. Получающиеся ядра состоят из связанной между собой жидким стеклом смеси молотого боя стекла, магматического кислого эффузивного стекловатого компонента и порообразователей - карбоната кальция и карбида кремния.

6. В качестве гидрофобизатора поверхности гранул заполнителя использовали парафин нефтяной марки П-2 (ГОСТ 23683-89) в расплавленном состоянии. Регулируя толщину парафинового слоя на поверхности гранулята, получают наиболее предпочтительные сферические и округлые гранулы, формирующие аналогичные поры в массе готового изделия.

Для получения гранулированного заполнителя при реализации заявляемого способа изготовления стеновых керамических изделий, дробленый стеклобой дозировали с магматическими кислыми эффузивными стекловатыми породами, карбонатом кальция и карбидом кремния весовым методом. Полученную шихту загружали в шаровую мельницу и производили помол до достижения удельной поверхности 300...500 м²/кг. Гранулирование полученной шихты, сушку гранул и обработку их гидрофобизатором производили аналогично способу, описанному в патенте РФ №2277520.

Химический состав компонентов керамических масс
Таблица 1
№п/п	Компонент	Содержание оксидов, мас.%
SiO2	Al2О3	TiO2	Fe2О3	CaO	MgO	R2O	SO3	П.п.п
1.	Глина Лукошкинская	59,2	19,7	0,8	4,5	1,5	0,5	2,7	0,2	10,9
2.	Глина Латненская	67,6	35,5	2,1	1,0	0,7	0,6	0,4	0,1	11,5
3.	Бой тарного стекла	65,2	10,7	0,8	1,2	6,5	0,7	14,7	0,2	-
4.	Перлит	72,8	14,1	0,5	1,1	0,8	1,2	7,3	0,7	3,2
5.	Обсидиан	69,8	16,9	0,7	0,9	1,0	1,4	8,0	0,4	0,2
6.	Витрофир	71,2	13,4	-	1,2	1,1	-	6,9	0,6	2,3

Пример. Взвесили предварительно высушенную измельченную и просеянную через сито с размером отверстий 0,1 мм Лукошкинскую глину в количестве 7,8 кг (78%), к этой глине добавили 2,2 кг (22%) заполнителя в виде гранул, полученных из молотых до удельной поверхности 400 м²/кг компонентов: стеклобоя - 1,276 кг (60%), перлита - 0,850 кг (40%), общее количество порообразователя - 0,074 кг (3,5% от массы смеси стеклобоя и перлита), смесь, состоящая из 0,030 кг карбида кремния (3,5% к массе перлита) и 0,044 кг известняка - оставшаяся часть порообразователя; гранулированных на тарельчатом грануляторе и просеянных через сито с размером диаметра ячеек 2,0 мм и оставшихся на сите 0,1 мм и гидрофобизированных для получения оболочки - обработкой расплавленным парафином в количестве 5% по отношению к массе гранул, см. табл.2, смесь 1.

Смесь сухих компонентов (глину и заполнитель) увлажняли водой до формовочной влажности, перемешивали до равномерного распределения заполнителя и глины. Образцы сырцовых изделий из полученной смеси формовали пластическим способом на ленточном прессе. Далее образцы высушивали до остаточной влажности 0,5...2%, а затем обжигали при температуре 955°С, аналогично способу, описанному в патенте РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005.

Состав шихты и свойства стеновых керамических изделий
Таблица 2
№ смеси	Компоненты, мас.%	Гидрофобизатор (парафин), %	Количество магматических кислых эффузивных стекловатых пород, введенных в заполнитель взамен части стеклобоя, мас.%	Количество карбида кремния по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород, %	Температура обжига, °С	Усадка общая, объемн. %	Предел прочности при сжатии, МПа
Глина Лукошкинская	Глина Латненская	Заполнитель в виде гранул размером 0,1-2,0 мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I. Пластический способ формования изделий. Магматическая кислая эффузивная стекловатая порода - перлит. Карбонат кальция - известняк (3,5 мас.%).
1	78	-	22	5	40	3,5	955	0	41,3
2	97	-	3	1	5	1,0	965	6,2	34,9
3	60	-	40	10	80	6,0	950	7,0	34,3
II. Полусухой способ формования изделий. Магматическая кислая эффузивная стекловатая порода - обсидиан. Карбонат кальция - мел (1,0 мас.%).
4	-	78	22	5	65	3,5	1060	0,1	40,2
5	-	97	3	1	5	1,0	1070	8,1	30,3
6	-	60	40	10	80	6,0	1050	8,2	30,0
II. Пластический способ формования изделий. Магматическая кислая эффузивная стекловатая порода - витрофир. Карбонат кальция - известняк (6,0 мас.%).
7	78	-	22	5	30	3,5	955	0,1	42,1
8	97	-	3	1	5	1,0	965	6,0	35,1
9	60	-	40	10	80	6,0	950	6,8	35,2
10	98	-	2	0,5	4	0,5	945	7,2	30,0
11	55	-	45	10	90	6,5	945	-3,8	20,2
12 (прототип)	78	-	22	10	нет	нет	970	7,3	30,1

Продолжение табл.2.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
II. Полусухой способ формования изделий. Магматическая кислая эффузивная стекловатая порода: 34% обсидиана +33% перлита +33% витрофира. Карбонат кальция - известняк (4,0 мас.%).
13	-	78	22	5	65	3,5	1060	0,2	39,8
14	-	97	3	1	5	1,0	1070	7,0	30,9
15	-	60	40	10	80	6,0	1050	8,1	30,4
16	-	98	2	0,5	4	0,5	1080	8,3	29,8
17	-	55	45	10	90	6,5	1085	-3,7	17,0
18 (прототип)	-	78	22	5	нет	нет	1080	8,4	29,8

Изделия из смесей 4-6 и 13-18 (табл.2) получали способом полусухого прессования.

После охлаждения образцы изделий испытывали на прочность, определяли общую усадку. Результаты испытаний приведены в табл.2 (смесь 1). Известные составы масс 12 (пластический способ формования) и 18 (полусухой способ формования изделий) изготавливали из более тугоплавких глин - Лукошкинской и Латненской согласно прототипу (Патент РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005, табл.2, состав 1).

Анализ данных табл.2 результатов испытаний образцов стеновой керамики показывает следующее.

1. Все смеси 1-9 и 13-15 отвечают требованиям ТУ 530-95 «Кирпич и камни керамические».

2. Введение в состав массы ядра гидрофобизированного заполнителя в виде гранул, состоящих из стеклобоя, молотого совместно с магматическими кислыми эффузивными стекловатыми породами, карбонатом кальция и карбидом кремния в заявляемых количествах позволяет получать прочные высококачественные стеновые керамические изделия с регулируемой общей усадкой при сушке и обжиге.

3. Уменьшать количество заполнителя менее 3 мас.%, количество в гранулах магматических кислых эффузивных стекловатых пород менее 5 мас.% по отношению к массе стеклобоя и карбида кремния менее 1,0% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород нецелесообразно, т.к. получаемые керамические изделия по комплексным техническим характеристикам получаются недостаточно качественными из-за наличия усадочных явлений при сушке и обжиге, и, несмотря на то, что изделия отвечают требованиям ТУ 530-95, составы 2, 5, 8 и 14 из-за наличия мелких трещин допустимых размеров приняты как граничные, а шихты 10 и 16 выходят за рамки заявляемых составов стеновых керамических изделий.

Увеличение количества гранул заполнителя более 40 мас.%, количества в гранулах магматических кислых эффузивных стекловатых пород свыше 80 мас.% по отношению к массе стеклобоя, а также карбида кремния более 6% по отношению к массе магматических кислых эффузивных стекловатых пород нецелесообразно, т.к. происходит падение прочности получаемых стеновых керамических материалов за счет увеличения температуры вспенивания гранул, что не позволяет компенсировать усадочные явления изделий при обжиге. По этой причине, несмотря на то, что физико-механические характеристики изделий отвечают требованиям ТУ 530-95, составы 3, 6, 9 и 15 приняты как граничные, а шихты 11 и 17 выходят за рамки заявляемых составов стеновых керамических изделий. Следует отметить, что при обжиге сырцовых изделий из шихт составов 11 и 17 из-за наличия дефектов объемного расширения образцов (знак «-» перед цифрой общей усадки, табл.2) и образования трещин происходит падение прочности обожженных стеновых керамических изделий.

Использование тугоплавких глин и заполнителя, не содержащего магматических кислых эффузивных стекловатых пород и карбида кремния, не позволяет получить безусадочные стеновые керамические изделия, т.к. вспенивание этих гранул происходит при температуре 830-840°С, а при этой температуре керамическая матрица из используемых в данном случае глин еще не обладает пиропластическими свойствами (табл.2, смеси 12 и 18).

Заявляемый способ изготовления стеновых керамических изделий имеет следующие преимущества:

1) при оптимальных соотношениях компонентов в сырьевых шихтах предел прочности при сжатии увеличивается до 27%;

2) полученные в результате обжига стеновые керамические изделия имеют однородную замкнуто-поризованную упрочненную структуру с минимальными объемными усадочными дефектами.

Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: введение в состав массы гидрофобизированных гранул магматических кислых эффузивных стекловатых пород и карбида кремния повышает температурный интервал их вспенивания. Температура вспенивания гранул подобранного состава, учитывая термопластичность глинистого компонента, составляющего матрицу стеновой керамики, позволяет получать практически безусадочные изделия. Процесс вспенивания гранул заявляемого состава создает равномерный распирающий эффект, который активно препятствует возникновению и развитию огневой усадки стеновых керамических изделий в процессе термообработки. Отличительной особенностью заявляемой сырьевой шихты является то, что процесс расширения гранул происходит при достижении пиропластического состояния керамической матрицы. При повышении температуры от 950 до 1070°С магматические кислые эффузивные стекловатые породы и стеклобой переходят в жидкую фазу и активно взаимодействуют с частицами глины по всей поверхности поры, обеспечивая образование армирующих кристаллических структур. Вводимые стекловатые породы и продукты термического разложения карбида кремния в присутствии расплавленной стеклофазы, образующейся из порошка стеклобоя при температуре обжига керамических изделий (950-1070°С), формируют объемную прочную кристаллическую структуру. Рентгенофазовые исследования показывают, что эта структура сформирована из кристаллов волластонита, анортита и муллита. К этому времени глинистая составляющая сырьевой массы создает прочный структурный скелет материала, который закрепляет практически малоусадочную структуру изделия. Авторами установлено, что высокая плотность остеклованных стенок пор, сформированных при температурах 950...1070°С путем взаимодействия глинистых частиц, примыкающих к порам, с расплавленной стеклофазой из материала гранул, определяет высокие эксплуатационные характеристики получаемых стеновых керамических изделий. При охлаждении обожженного изделия эти упрочненно-поризованные участки, равномерно распределенные по объему полученных керамических изделий, препятствуют трещинообразованию, этим объясняется высокая прочность изделий и малое водопоглощение даже при существенном снижении плотности готовых изделий по сравнению с прототипом (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Обеспечение равномерной замкнутой пористости с упрочненной внутренней структурой в керамических изделиях также обусловливает существенное улучшение их прочностных характеристик по сравнению с прототипом.

Сырьевая шихта для получения стеновых керамических изделий по прототипу, не включающая дополнительно магматические кислые эффузивные стекловатые породы и карбид кремния, не позволяет достичь высокого результата, реализованного в заявляемом способе, т.к. наблюдается несоответствие температуры вспенивания гранулированного материала с термопластичными свойствами керамической матрицы (доказано дилатометрическими исследованиями образцов стеновых изделий при их термической обработке).

Получаемые по заявляемому способу стеновые керамические изделия обладают хорошими декоративными характеристиками.

Использование заявляемой сырьевой шихты решает задачу расширения арсенала технических средств при изготовлении прочных малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий (кирпича, блоков, стеновых панелей и др.), позволяет расширить сырьевую базу за счет применения в качестве сырья природных экологически чистых минералов и глин с большими усадочными свойствами при термообработке, ранее для производства стеновых керамических изделий не использовавшихся, причем данная технология не требовательна к чистоте исходных материалов.

1. Способ изготовления стеновых керамических изделий, включающий смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра, включающего стеклобой, молотый с порообразователем, содержащим карбонат кальция, и оболочки из гидрофобизатора, количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом, либо способом полусухого прессования, сушку и обжиг, отличающийся тем, что при помоле стеклобоя и порообразователя дополнительно вводят магматические кислые эффузивные стекловатые породы в количестве 5-80 мас.% от смеси стеклобоя и указанных пород, и карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе указанных пород, при этом общее количество порообразователя, состоящего из карбида кремния и карбоната кальция, составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и указанных пород, а обжиг проводят при температуре 950-1070°С.

2. Сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий способом по п.1, включающая молотую глину - 60-97 мас.% и заполнитель в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра, включающего стеклобой, молотый с порообразователем, содержащим карбонат кальция, и оболочки из гидрофобизатора, количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, отличающаяся тем, что ядра вышеуказанного заполнителя дополнительно содержат магматические кислые эффузивные стекловатые породы в количестве 5-80 мас.% от смеси стеклобоя и указанных пород и карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе указанных пород, а общее количество порообразователя, состоящего из карбида кремния и карбоната кальция, составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и указанных пород.

3. Заполнитель сырьевой шихты по п.2, в виде гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра и оболочки из гидрофобизатора, причем ядро включает смесь дробленого боя стекла и порообразователя, содержащего карбонат кальция, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, отличающийся тем, что материал ядра содержит магматические кислые эффузивные стекловатые породы в количестве 5-80 мас.% от смеси стеклобоя и указанных пород и карбид кремния в количестве 1-6% по отношению к массе указанных пород, а общее количество порообразователя, состоящего из карбида кремния и карбоната кальция, составляет 1-6% от массы смеси стеклобоя и указанных пород.