СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ И СУШИЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ Российский патент 2005 года по МПК C04B33/02 

Изобретение относится к производству керамических материалов на основе глинистого сырья и может быть использовано, например, для изготовления рядового и лицевого строительного кирпича, черепицы, облицовочной керамической плитки и др.

Известен способ улучшения сушильных свойств за счет введения безусадочных (каменистых) материалов природного (например, кварцевый песок) и искусственного (шамот, дегидратированная глина, золы, шлаки и др.) происхождения. /Кашкаев И.С., Шейман Е.Ш. Производство глиняного кирпича. - М.: Высшая школа, 1978, с.24-32/. Недостатки такого способа определяются природой отощителя. Например, добавка кварцевого песка, уменьшая усадку и чувствительность к сушке, ухудшает спекаемость глины и, как следствие, негативно сказывается на эксплуатационных свойствах готовых изделий (прочность и морозостойкость). Добавка шамота и дегидратированной глины существенно усложняет и удорожает производство ввиду необходимости введения дополнительных операций обжига части глины на шамот, его помола и классификации (рассева) для обеспечения заданного зернового состава отощителя.

Известен способ оптимизации сушильных свойств кирпичных масс без применения каменистых отощителей, согласно которому снижение величины воздушной усадки и чувствительности к сушке достигается за счет комбинирования глин различного качества, отличающихся, главным образом, минералогическим и гранулометрическим составами, определяющими различие в технологических свойствах данных глин /Ткачев А.Г., Козярский А.Я., Ткачева О.Н. Оптимизация рецептуры кирпичной массы по сушильным свойствам. - Стекло и керамика, 1999, №8, с.33-34/. Недостатком данного способа является трудность достижения в производственных условиях высокой однородности керамической массы, состоящей из смеси пластичных компонентов с большой разницей в свойствах. Кроме того, не всегда реальное производство строительной керамики располагает возможностью эксплуатации разнородного глинистого сырья.

Известно, что объемные изменения глиносодержащего сырца при сушке, являющиеся первопричиной появления внутренних напряжений и дефектов, завершаются при удалении механически связанной воды, заполняющей собой свободное пространство между частицами, что соответствует значениям влажности порядка 10-15%, после этого из образца удаляется только «вода пор» (или порозная вода), не влияющая на усадку. Поэтому на чувствительность глины к сушке существенно влияет пористость высушенного образца или объемное содержание воды пор в момент окончания усадки. С увеличением указанного объема пор отношение глины к сушке, как правило, улучшается. Это связано с облегченным процессом удаления влаги (т.е. повышенной влагопроводностью) на заключительной стадии объемных изменений /Бакунов B.C., Балкевич В.Л. и др. Практикум по технологии керамики и огнеупоров. - М.: Изд-во лит-ры по строит., 1972. - с.67-71/.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ регулирования формовочных и сушильных свойств за счет введения в состав кирпичной массы горных полевошпатовых пород гранит-порфирового состава в количествах 20-40%, согласно которому улучшение сушильных свойств массы достигается путем использования отощителя разного фракционного состава: крупная фракция (2 мм) получается посредством рассева исходной гранитно-порфировой крошки, а мелкозернистая фракция - путем доизмельчения крошки в шаровой мельнице до размеров менее 1 мм, затем подготовленный бифракционный отощитель смешивается с порошкообразной глиной, измельченной в шахтной мельнице. Тщательное перемешивание компонентов достигается установкой двух глиномешалок - одной - сухого перемешивания, другой - с пароувлажнением до пластичного состояния /Валюшев Р.Ф., Шиманис Г.Н. Использование горных полевошпатовых пород для производства лицевого кирпича. - Сборник трудов ВНИИстром им. П.П.Будникова «Использование местного сырья и отходов в производстве строительных материалов», вып.8, 1985, с.13-26/.

Недостатком данного способа является необходимость достаточно энергоемкого измельчения твердой горной породы в шаровой мельнице - помольном оборудовании, нетипичном для кирпичных технологий, а также сушки глины при ее измельчении в шахтной мельнице, что значительно удорожает и усложняет технологию получения керамического кирпича.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение формовочных и сушильных свойств высокочувствительного к сушке глинистого сырья.

Изобретение заключается в улучшении формовочных свойств керамической массы и в регулировании процесса сушки кирпича-сырца на основе высокочувствительного к сушке глинистого сырья путем перераспределения соотношения между свободной и связанной водой в составе керамической массы при введении технологической минеральной добавки, состоящей преимущественно из минералов с развитой каркасно-полостной пористостью, что обеспечивается комплексом операций, заключающихся в предварительной подготовке минеральной добавки, состоящей в ее сушке при температуре 200-250°С в течение 2-4 часов, измельчении до размеров менее 1 мм, равномерном распределении ее по объему массы с последующим вылеживанием массы в шихтозапаснике при температуре 30-40°С в течение не менее 24 часов.

В качестве технологической минеральной добавки используется добавка в количестве 10-15% цеолитовой породы с содержанием цеолитовых минералов более 80%.

Выбор цеолитсодержащих пород как разувлажяющей и отощающей минеральной добавки определяется особенностями строения цеолитовых минералов, слагающих такие породы, поскольку цеолиты - это водные алюмосиликаты щелочных и щелочно-земельных металлов, обладающие развитой пористой структурой. Кристаллический трехмерный каркас цеолитов пронизан в нескольких направлениях крупными полостями (порами, каналами), связанными друг с другом и с поверхностью кристалла. Суммарный объем пор и каналов может достигать 50% от объема минерала. Алюмосиликатный каркас цеолитов является полимерным анионом, отрицательный электрический заряд которого обычно компенсируется на стенках внутрикристаллических полостей катионами Na⁺, К⁺, Са⁺². Внутрикристаллические полости и каналы заполнены так называемой цеолитовой водой, которая, имея с каркасом слабые водородные связи, легко выделяется из кристаллов при медленном нагреве в интервале температур 150-400°С без нарушения структуры каркаса.

Сушка минеральной добавки при температуре 200-250°С вызывает полное удаление адсорбированной воды и частичное (до 70% от общей цеолитной воды) внутриканальной воды и обеспечивает раскрытие необходимого порового пространства.

Использование предварительной сушки минеральной добавки при температурах ниже 200°С не обеспечивает полноты протекания процессов перераспределения соотношения между свободной и связанной водой в системе «глина-цеолит».

Увеличение температуры сушки добавки более 250°С нецелесообразно ввиду повышенного расхода теплоносителя.

Измельчение технологической добавки до крупности менее 1 мм необходимо для создания однородной мелкозернистой массы, равномерно распределенной по всему объему глинистой массы и обладающей развитой поверхностью контакта с глинистыми частицами.

Измельчение цеолитовой породы до крупности более 1 мм приводит к ухудшению пластических и формовочных свойств глино-цеолитовых масс на основе малопластичных кирпичных суглинков.

Сопоставимость по твердости цеолитовых пород и глины позволяет в качестве помольного оборудования использовать валковые дробилки, широко применяемые в технологии подготовки масс для керамического кирпича.

Вылеживание массы в шихтозапаснике в течение не менее 24 часов при температуре 30-40°С необходимо для обеспечения полноты протекания массообменных процессов в системе «глина - цеолит», заключающихся в переводе части свободной воды, вносимой с обводненный глинистой породой, в связанное состояние путем вхождения ее в канально-каркасное пространство цеолита. Необходимость обеспечения указанной температуры (30-40°С) при вылеживании массы связана с зависимостью скорости перемещения влаги в пластичной массе от вязкости и поверхностного натяжения воды, а именно: скорость движения воды тем больше, чем меньше ее вязкость и больше поверхностное натяжение. С повышением температуры вязкость воды и ее поверхностное натяжение уменьшаются. Однако вязкость снижается значительно сильнее, чем поверхностное натяжение, поэтому с повышением температуры процессы влагопереноса ускоряются.

Снижение температуры вылеживания менее 30°С и времени вылеживания менее не обеспечивают полноты протекания процессов структурообразования в глиноцеолитовых композициях.

Повышение температуры массы более 40°С при вылеживании приводит к высыханию поверхностных слоев и к нарушению ее однородности по влажности.

Уменьшение количества вводимой минеральной добавки менее 10% не обеспечивает необходимого уровня сушильных свойств (воздушной усадки и чувствительности к сушке) без введения другого отощителя.

Увеличение содержания добавки более 15% обусловливает необходимость повышения температуры обжига более 1000°С для интенсификации процесса спекания с целью повышения степени упрочнения керамического материала и уменьшения разрыхляющего действия цеолита на формирующуюся керамическую структуру.

Пример

Изделия по заявляемому способу изготавливаются по общепринятой технологии производства керамического кирпича способом пластического формования с обжигом при температуре 950-1000°С.

В качестве глинистого сырья для керамического кирпича используют легкоплавкий суглинок, характеристика которого по химическому составу приведена в табл.1. Особенностью данного суглинка является повышенная карьерная влажность (W_отн более 22-24%), которую необходимо снижать до уровня формовочной влажности (обычно до 18-19%) либо за счет сушки, либо за счет введения разувлажняющей добавки. Кроме того, высокая чувствительность к сушке обусловливает необходимость отощения такого глинистого сырья с целью доведения количественных показателей сушильных свойств (воздушной усадки и чувствительности к сушке) до безопасных величин.

Подготовка глинистого сырья включает грубое и тонкое измельчение в валковых дробилках до размеров менее 1 мм.

В качестве технологической минеральной добавки используют породы, состоящие преимущественно из минералов с развитой каркасно-полостной пористостью - цеолитовые породы Сахаптинского месторождения (Красноярский край), Холинского месторождения (Читинская область), Пегасского месторождения (Кемеровская область). По внешнему виду эти породы рыхлые, с зернами неправильной угловатой формы светло-коричневого цвета, фракцией 6±1 мм. Сахаптинское сырье характеризуется как клиноптилолизированные туфы полиминерального цеолитового состава, представленного смесью клиноптилолита, гейландита и морденита с преобладанием клиноптилолита, холинское - смесью морденита и клиноптилолита с преобладанием морденита, пегасское - смесью клиноптилолита и гейландита. Во всех используемых породах содержание собственно цеолитовых минералов составляет более 80%.

Подготовка технологической минеральной добавки (цеолитовой породы) включает в себя сушку добавки в сушильном барабане при температуре 200-250°С и тонкое измельчение в валковой дробилке до размера менее 1 мм. Предварительная сушка цеолитовой породы определяет эффективность разувлажняющего и отстающего действия минеральной добавки.

Приготовление керамической массы заключается в смешении глинистой породы с технологической добавкой в количествах 10-15% (составы масс приведены в табл.2), тщательной гомогенизации смеси и вылеживании массы при температуре 30-40°С в течение не менее 24 часов.

Формование кирпича-сырца производят традиционным пластическим способом.

Далее сырец равномерно высушивают в сушилах до влажности 4-6%.

Технологические свойства пластических масс и высушенного полуфабриката в зависимости от состава масс и условий подготовки минеральной добавки приведены в табл.3-5.

Обжиг полуфабриката производится при температурах, традиционно принятых в технологии керамического кирпича пластического формования - 950-1000°С в течение 36 часов с выдержкой при конечной температуре не менее 2 часов. Понижение температуры обжига менее 950°С не обеспечивает полноты протекания процесса спекания и формирования структуры керамического кирпича, обжиг при температурах более 1000°С нецелесообразен по экономическим соображениям ввиду повышения расходов энергоносителя.

Свойства обожженных изделий приведены в табл.6.

Цеолитовая порода в количестве 10-15% в композициях с высокочувствительной к сушке глинистой породой выступает как разувлажняющая и отощающая добавка, снижающая формовочную влажность керамической массы, склонность массы к свилеобразованию и осадке, приводящей к нарушению геометрии глиняного бруса, выходящего из вакуумпресса, уменьшающая коэффициент чувствительности к сушке глины в 3,5-4 раза без ухудшения связности, что положительно сказывается на трещиностойкости кирпича-сырца при сушке и обеспечивает возможность бездефектной автоматической садки и транспортировки высушенного полуфабриката. Улучшение формовочных и сушильных свойств глинистого сырья достигается за счет перевода части свободной воды, вносимой с обводненный глинистой породой, в связанное состояние путем вхождения ее в канально-каркасное пространство цеолита.

Таблица 1
Химический состав сырьевых материаловкомпонентыСодержание оксидов, мас.%SiO₂AL₂О₃Fe₂О₃CaOMgOR₂OΔm_пркСуглинок верховой65,8414,284,764,202,451,516,96Цеолитовая порода сахаптинская
Цеолитовая порода холинская
Цеолитовая порода пегасская67,56
67,63
65,4511,75
12,50
12,921,98
1,10
0,843,90
3,39
4,130,70
1,07
0,903,57
4,50
3,8010,56
9,75
12,02Таблица 2
Компонентный состав керамических масскомпонентыСодержание компонентов в составах, мас.%123Запредельные составыАБВГСуглинок верховой9087,5859592,58070Цеолитовая порода сахаптинская1012,51557,52030

Таблица 3
Формовочные и сушильные свойства керамических масс в зависимости от температуры предварительной сушки добавки без вылеживания керамической массыПоказатели свойствПрототипСуглинок без добавкисоставы123Запредельные составыАБВГ Без предварительной сушки добавки (с естественной влажностью не более формовочной влажности основной глинистой породы)Формовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,519,019,918,519,519,218,018,0Воздушная усадка, %3,9-5,18,88,07,97,68,58,27,06,7Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,41,31,31,12,22,01,21,0 при температуре сушки минеральной добавки - 100°СФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,518,518,318,019,519,017,917,8Воздушная усадка, %3,9-5,18,88,07,87,08,58,26,86,5Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,41,01,00,82,11,80,70,65 при температуре сушки минеральной добавки - 200°СФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,518,017,817,519,518,918,017,8Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,87,66,88,58,26,75,8Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,90,80,72,01,80,70,7 при температуре сушки минеральной добавки - 250°СФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,917,817,519,518,917,917,8Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,77,56,88,48,16,75,8Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,630,70,71,91,60,70,6

Таблица 4
Формовочные и сушильные свойства керамических масс в зависимости от температуры и времени вылеживания массы (при температуре предварительной сушки добавки - 250°C)Показатели свойствПрототипСуглинок без добавкисоставы123Запредельные составыАБВГ Вылеживание массы без подогрева (температура 18°С) в течение 18 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,917,817,519,518,917,917,8Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,77,56,88,48,16,75,8Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,630,70,71,91,60,70,6 Вылеживание массы без подогрева в течение 28 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,5в сравнении с предыдущим случаем свойства без ощутимых количественных измененийВоздушная усадка, %3,9-5,18,8Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,4 Вылеживание массы при температуре 25°С в течение 18 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,5в сравнении с предыдущими случаями свойства без ощутимых количественных измененийВоздушная усадка, %3,9-5,18,8Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,4 Вылеживание массы при температуре 25°С в течение 28 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,5в сравнении с предыдущими случаями свойства без ощутимых количественных измененийВоздушная усадка, %3,9-5,18,8Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,4 Вылеживание массы при температуре 30°С в течение 18 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,817,617,019,518,917,817,4Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,77,36,88,28,06,55,7Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,630,630,611,91,60,70,6 Вылеживание массы при температуре 30°С в течение 28 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,817,516,919,518,817,717,2Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,77,36,78,27,96,55,4Коэффициент чувствительности к0,8-0,52,40,630,60,581,91,50,60,5сушке          Вылеживание массы при температуре 40°С в течение 18 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,817,516,819,518,817,717,2Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,67,26,78,28,06,55,6Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,630,60,591,81,40,60,5 Вылеживание масс при температуре 40°С в течение 28 часовФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,717,316,719,518,817,517,0Воздушная усадка, %3,9-5,18.87,57,06,68,27,96,55,4Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,630,60,561,81,30,530,3 Вылеживание масс при температуре 45°С в течение 18 часовВизуальные наблюдения--Массы подсыхают в поверхностном слое, что приводит к неравномерности по влажности Вылеживание масс при температуре 45°С в течение 28 часовВизуальные наблюдения--Массы подсыхают в поверхностном слое, что приводит к неравномерности по влажностиТаблица 5
Формовочные и сушильные свойства керамических масс при температуре предварительной сушки добавки 250°С и температуре вылеживания массы 40°С в течение 28 часовПоказатели свойствПрототипСуглинок без добавкисоставы123Запредельные составыАБВГФормовочная влажность, W_отн, %17,5-20,119,517,717,316,719,518,817,517,0Число пластичности10,9-13,211,211,010,810,511,211,010,09,5Воздушная усадка, %3,9-5,18,87,57,06,68,27,96,55,4Коэффициент чувствительности к сушке0,8-0,52,40,630,60,561,81,30,530,3Связность (прочность при сжатии в высушенном состоянии) МПа2,4-3,98,78,18,08,08,58,27,16,8Примечание: таблица 5 - это бывшая таблица 3 в первом варианте описания заявки

Таблица 6
Керамические свойства изделий из масс, полученных при оптимальных температурно-временных условиях подготовки добавки и вылеживания масс (температура подготовки добавки 250°С, температура вылеживания массы 40°С, длительность вылеживания массы - 28 часов)Показатели свойствПрототипСуглинок без добавкиСоставы123Запредельные составыАБВГТемпература обжига 950°СУсадка общая, %-8,88,07,57,08,88,57,05,4Водопоглощение, %-14,015,415,415,514,314,317,317,4Предел прочности при сжатии, σ_сж, МПа-3233,232,932,532,032,227,923,1Температура обжига 1000°СУсадка общая, %4,9-6,39,28,27,77,58,98,77,86,0Водопоглощение, %16,7-17,913,915,015,315,214,214,116,516,6Предел прочности при сжатии, σ_сж, МПа14,8-28,933,233,733,932,931,331,526,224,2

Изобретение относится к производству керамических материалов на основе глинистого сырья и может быть использовано, например, для изготовления рядового и лицевого строительного кирпича, черепицы, облицовочной керамической плитки и др. Технический результат: улучшение формовочных свойств керамической массы и тем самым повышение трещиностойкости кирпича-сырца при сушке, обеспечение возможности бездефектной автоматической садки и транспортировки высушенного полуфабриката. Способ улучшения формовочных и сушильных свойств глинистого сырья включает введение технологической минеральной добавки, представляющей собой породу, состоящую преимущественно из минералов с развитой каркасно-полостной пористостью, сушку при температуре 200-250°С в течение 2-4 часов для раскрытия порового пространства, измельчение до размеров менее 1 мм, равномерное распределение по объему массы с последующим вылеживанием керамической массы при температуре 30-40°С в течение не менее 24 часов. 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Способ улучшения формовочных и сушильных свойств глинистого сырья, включающий введение технологической минеральной добавки, отличающийся тем, что добавку, представляющую породу с развитой каркасно-полостной пористостью, подвергают сушке при температуре 200-250°С в течение 2-4 ч для раскрытия порового пространства, измельчению до размеров менее 1 мм, равномерному распределению по объему массы с последующим вылеживанием керамической массы при температуре 30-40°С в течение не менее 24 ч.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технологической минеральной добавки используют цеолитсодержащую породу в количестве 10-15%.