Исследование фазового состава изделий строительной керамики при повышенных температурах

УДК 666.3

А. М. Салахов, В. П. Морозов, К. А. Арискина, М. В. Пасынков, М. Т. Р. Заитов

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА ИЗДЕЛИЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Ключевые слова: лицевой кирпич, фазовый состав, температура обжига.

В статье отражены результаты рентгенографических исследований изменения фазового состава керамических материалов при температурах обжига, превышающих 1000°С. Выявлено, что даже незначительное колебание температуры в зоне закала приводит к существенным изменениям количественного состава минеральных фаз. Сырье с повышенным содержанием кальция и магния подвержено еще большим изменениям в соотношении минеральных фаз. Установлено увеличение доли аморфной фазы при температуре обжига свыше 1000°С.

Keywords: face brick, phase composition, firing temperature.

The article reflects the results of X-ray diffraction studies of changes in the phase composition of ceramic materials at firing temperatures exceeding 1000°C. It was found that even a slight temperature changes in the quench zone leads to significant changes in the quantitative composition of the mineral phases. Raw materials with a high content of calcium and magnesium were subject to even greater changes in the ratio of mineral phases. The increase in the fraction of the amorphous phase at calcination temperature above 1000°C was established.

Введение

Исследованиям фазового состава керамических стеновых материалов посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов [1 - 7]. Как правило, при исследовании керамики из легкоплавких глин анализируются материалы, обожженные при температурах 950 -1000°С, однако, по нашему мнению, наиболее важные преобразования такого сырья происходят при температурах свыше 1000°С. Этой же точки зрения придерживаются и ученые Ростовского архитектурно-строительного университета, однако они в своей статье сосредоточились на термических исследованиях [8].

В нашей работе основное внимание уделено изменениям фазового состава керамики, обожженной при температурах, превышающих 1000°С. Актуальность таких исследований вызвана тем, что в промышленности строительной керамики стали появляться обжиговые печи, работающие в более широком интервале температур и в отличном от «традиционного» временном режиме. Такого рода печи успешно эксплуатируются, в том числе и на заводе ОАО «Алексеевская керамика». Для производства лицевого кирпича 15 лет назад там была приобретена первая печь периодического действия, а сегодня на заводе в работе уже 6 таких печей. Другим нововведением являются роликовые печи скоростного обжига, они успешно применяются на ряде предприятий по производству керамической плитки. Например, на Уфимском заводе Ласселсбергер уже 5 лет успешно эксплуатируются скоростные роликовые печи, при этом весь процесс обжига происходит в течение 60 минут. При максимальной температуре обжига (1135°С) облицовочная плитка находится 7-8 минут. Максимальная температура обжига для плитки пола составляет 1200°С. Фаза быстрого охлаждения (1200 - 750°С) длится лишь 3 минуты.

В статье представлены результаты рентгенографических исследований, проведенных на дифрактометрах D2 Phaser и Shimadzu XRD-7000S, образцов кирпичей Пермского завода «На Закаменной», шихты Нижегородского завода «Керма» и шихты Уфимского завода «Ласселсбергер».

Экспериментальная часть и обсуждение

В ряде случаев руководители кирпичных заводов недооценивают, сколь существенно меняется фазовый состав изделий, а соответственно, и их характеристики при колебаниях температуры обжига в зоне закала. Достаточно часто температура в верхних и нижних рядах обжиговых пакетов отличаются, что приводит к заметным изменениям в соотношении минеральных фаз (табл.1).

Таблица 1 - Фазовый состав кирпичей Пермского завода «На Закаменной». Глина Каменского месторождения

Верхний ряд Нижний ряд

кирпичей кирпичей

Кварц 61,1 53,4

Микроклин 11,0 16,0

Альбит 25,1 27,2

Гематит 2,7 3,3

На ряде предприятий для производства лицевого кирпича светлых тонов в качестве модификаторов используют мел, что кардинально меняет фазовый состав изделий (рис.1, 2).

Очевидно, что неравномерности в содержании мела в шихте весьма существенно скажутся на цвете изделий. Более того, колебания температуры в этом случае приводят к еще большим изменениям в соотношении минеральных фаз (табл.2).

Рис. 1 - Дифрактограмма кирпича нижнего ряда Пермского завода «На Закаменной». Глина Каменского месторождения

Рис. 2 - Дифрактограмма кирпича нижнего ряда Пермского завода «На Закаменной». Глина Каменского месторождения с добавкой 20% мела

Таблица 2 - Фазовый состав кирпичей Пермского завода «На Закаменной». Глина Каменского месторождения с добавкой 20% мела

Верхний ряд Нижний ряд

кирпичей кирпичей

Кварц 22,8 38,7

Микроклин 18,8 11,2

Альбит 17,3 17,6

Гематит 1,4 1,3

Диопсид (железистый) 11,3 7,3

Геленит 5,5 8,3

Волластонит 22,8 15,5

Ряд месторождений характеризуется

существенным содержанием оксида магния. К их числу, например, относится Старкинское месторождение Нижегородской области.

Глина Старкинского месторождения

используется заводом «Керма» для производства лицевого кирпича. Для получения кирпича светлых тонов в глину добавляют 6% дисперсного кальцита, полученную таким образом шихту обжигают при температуре 1050°С.

В фазовом составе шихты содержание кальцита 9%, доломита 20%. При температуре 1000°С фиксируется синтез диопсида и акерманита. Как известно [2], акерманит (структурная формула Са2Мд^207]) в отличие от диопсида (структурная формула СаМд^Ю3]), способен к гидратации, поэтому его присутствие в фазовом составе лицевой керамики является нежелательным. При подъеме температуры до 1050°С доля диопсида заметно растет, а акерманита несколько снижается, при этом, доля аморфной фазы возрастает до 23 %. В остывшем образце доля аморфной фазы снижается

до 13%, диопсида возрастает до 50%, а акерманит уже не фиксируется.

По результатам высокотемпературного фазового анализа шихты Уфимского завода Ласселсбергер выявлено существенное изменение фазового состава. При температурах обжига свыше 1000°С фиксируется значительный прирост аморфной фазы (рис.з).

Рис. 3 - Диаграмма изменения фазового состава шихты завода Ласселсбергер

Выводы

1. В процессе обжига керамических материалов при температурах свыше 1000°С происходят интенсивные изменения фазового состава, оказывающие влияние на эксплуатационные и цветовые характеристики керамических изделий.

2. Характеристики керамических материалов, произведенных из сырья с повышенным содержанием кальция и магния, чрезвычайно чувствительны даже к незначительным колебаниям температуры обжига.

3. Установлено увеличение доли аморфной фазы при температуре обжига свыше 1000°С.

Литература

1. В.Д. Котляр, К.А. Лапунова Особенности физико-химических преобразований при обжиге опоковидного сырья // Строительные материалы. - № 5. - 2016. - с. 4042.

2. В.С. Горшков, В.Г. Савельев, А.Б. Абакумов Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы: Структура и свойства: Справ. Пособие / М.: Стройиздат, 1994, 564 с.

3. Гурьева В.А., Прокофьева В.В. Структурно-фазовые особенности строительной керамики на основе техногенного магнезиального сырья из низкосортных глин // Строительные материалы. - 2014. - № 4. - С. 5557.

4. Пищ И.В. Свойства керамических стеновых материалов при введении различных выгорающих компонент // И.В. Пищ, В.А. Бирюк, Ю.А. Климош, Р.Ю. Попов, А.В. Шидловский / Журнал «Стекло и керамика». - №2. - 2015. - с. 19-23.

5. Кайракбаев А.К. Влияние различных отходов углеобогащения на физико-механические показатели и фазовый состав теплоизоляционных материалов // А.К. Кайракбаев, Е.С. Абдрахимова, В.З. Абдрахимов / Журнал «Стекло и керамика». - №2. - 2017. - с. 23-28.

6. T. V. Safronova Phase composition of ceramic based on calcium hydroxyapatite powders containing byproducts of the synthesis reaction // Glass and Ceramics. - 2009. - №4. - p. 21 - 24.

7. V. Valanciene, R. Siauciunas, J. Baltusnikaite The influence of mineralogical composition on the colour of clay body / V. Valanciene, R. Siauciunas, J. Baltusnikaite. -Journal of the European Ceramic Society. - 2010. - T. 30. -p. 1609-1617.

8. Котляр В. Д. Особенности физико-химических преобразований при обжиге опоковидного сырья // В. Д. Котляр, К. А. Лапунова / Журнал «Строительные материалы». - №5. - 2016 г. - с. 40-42.

© А. М. Салахов - кандидат технических наук, доцент кафедры физики твердого тела Казанского федерального университета, salakhov8432@mail.ru; В. П. Морозов - доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой минералогии и литологии Казанского федерального университета, Vladimir.Morozov@kpfu.ru; К. А. Арискина - директор ООО «НИИ «Клинкерная керамика КФУ»», kristina.ariskina.95@mail.ru; М. В. Пасынков - студент 4 курса кафедры физики твердого тела Казанского федерального университета КФУ, mike_p95@mail.ru; М. Т. Р. Заитов - студент 1 курса кафедры физики твердого тела Казанского федерального университета КФУ, mintimir.zaitov@mail.ru.

© A. M. Salakhov - Ph.D.(Tech.), Associate Professor, Department of Solid State Physics of Kazan Federal University, salakhov8432@mail.ru; V. P. Morozov - Doctor of Geological-Mineralogical Sciences, Head of the Department of Mineralogy and Lithology of Kazan Federal University, Vladimir.Morozov@kpfu.ru; K A. Ariskina - a director of a LLC «RPE «Clinker ceramics KFU»», kristina.ariskina.95@mail.ru; M. V. Pasynkov - a fourth year student of Solid State Physics Department of Kazan Federal University, KFU, mike_p95@mail.ru; M.T. R. Zaitov - a first year student of Solid State Physics Department of Kazan Federal University, KFU, mintimir.zaitov@mail.ru.