Исследование процесса сушки строительной керамики для экспрессной оценки технологических свойств глинистого сырья

УДК 691.42

А. С. Чекмарев, А. В. Скворцов, Н. К. Гайнутдинов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ ЭКСПРЕССНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ

Ключевые слова: глинистое сырье, диатомит, технологические свойства, модификация.

Разработанные подходы к оценке технологических свойств позволяют проводить анализ технологических свойств глинистого сырья, как при геологоразведке, так и при эксплуатации месторождений, а также для проведения оперативного регулирования технологического режима керамического производства в зависимости от применяемого сырья. Исследование выполнено в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований 16-35-00536мол_а «Создание экспрессного метода оценки дообжиговых свойств глинистого сырья».

Keywords: clay raw materials, diatomite, technological properties, modification.

Developed approaches of assessing technological properties allow to analyze the technological properties of clay raw materials, as in the exploration and exploitation of mineral deposits, as well as for operational control of the technological mode of ceramic production depending on used raw material. The investigation was performed in the framework of the grant of the Russian Foundation for basic research 16-35-00536 mola "Creation an express method of evaluation previous burning properties of clay raw materials"'.

Геотехнологическая оценка месторождений и последующая экономически эффективная эксплуатация минерально-сырьевой базы глинистого сырья обеспечивает развитие современной строительной индустрии.

Выполнение данного исследования направлено на решение фундаментальной научной проблемы оценки технологических свойств глинистого сырья, как при геологоразведке, так и при эксплуатации месторождений, а также для проведения оперативного регулирования технологического режима керамического производства в зависимости от качества применяемого сырья.

Для решения этой проблемы разрабатывается экспрессная комплексная методика, которая при проведении геологических поисковых работ позволяет оценивать глинистое сырье с позиций технологической применимости на конкретных предприятиях и определять необходимость его модифицирования.

Технологическая схема производства изделий с пластическим способом подготовки массы, несмотря на свою сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики [1,2]. Метод формования из пластических масс исторически сложился на основе пластических свойств глин и широко используется в керамической технологии. Способ пластического формования позволяет выпускать изделия в широком ассортименте, более крупных размеров, сложной формы и большей пустотности. Недостатком способа пластического формования является большая длительность технологического цикла за счет процесса сушки сырца, продолжающегося от 1 до 3 суток.

Большинство современных кирпичных заводов оборудовано устройствами для искусственной сушки кирпича-сырца, которые по режиму работы подразделяются на сушилки периодического (камерные) и непрерывного (туннельные) действия. Сушилки непрерывного действия (туннельные) являются наиболее современным сушильным агрегатом

в кирпичной промышленности. В туннельной сушилке кирпич-сырец, находящийся в вагонетках, в течение цикла сушки перемещается через весь туннель от одного его конца к другому. Расход тепла на сушку кирпича-сырца в туннельных сушилках ниже, чем в камерных.

Но нужно отметить, что как в туннельных сушилках, так и в камерных процесс сушки регулируется в основном температурой и скоростью теплоносителя. Распределение меняющихся во времени полей влажности и температуры в объеме изделия определяет возможность появления опасных напряжений и брака. При сушке, испарение воды происходит диффузионным путем [3,4]. Движущей силой является разность парциальных давлений пара у поверхности и в объеме теплоносителя. Уменьшение влажности во внешних слоях заготовки сопровождается появлением градиента влажности в ее объеме, что вызывает диффузию капельно-жидкой воды из объема заготовки к поверхности.

При наличии градиента температуры на процесс влагопроводности накладывается процесс термовла-гопроводности: вода стремится переместиться в области с меньшей температурой. Термовлагопровод-ностьсвязана с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости воды при повышении температуры и движением пузырьков воздуха в капиллярах. При интенсивном подводе теплоты возможно испарение влаги в глубинных слоях заготовки и удалении воды по механизму паропроводности. Движущей силой процесса является перепад давления водяного пара [2].

Причиной появления трещин в период постоянной скорости сушки полуфабриката является перепад влажности между наружными и внутренними частями заготовки. Критерием трещинообразования могут служить максимально допустимая разность между средней (интегральной) влажностью заготовки и влажностью ее поверхности [5,8,9].

Важным технологическим параметром сушки является критическая влажность глиняных изделий,

так как ее значение соответствует прекращению усадки изделия. Значение градиента влажности определяется как разность между формовочной и критической влажностью. Градиент влажности отвечает за опасный участок ухода влаги из материала, так как в этот период происходит усадка, и материал подвергается всевозможным внутренним и наружным напряжениям.

Разработанный программный модуль «Керамик-Мастер» позволяет производить оценку таких параметров как воздушная усадка, критическая влажность, градиент влажности, коэффициент чувствительности материала к сушке, а также дополнительно определять пластичные свойства глиномасс. По полученным результатам строятся кривые зависимости линейной усадки от влажности. Программный модуль обладает простым интерфейсом, панели разработанной программы «Керамик-Мастер» с входными параметрами, куда заносятся основные результаты по влажности и усадке в зависимости от времени сушки материала, итоговым графиком и результатами определенных технологических параметров (сушильных характеристик).

Цель проводимой работы - определить влияние температурных условий и скорости потока воздуха (сушильного агента) на сушильные свойства глиняных шихт и выявить динамику дегидратации композиций в процессе сушки с помощью разработанного программного модуля «Керамик-Мастер». Также определить влияние температурных условий на чувствительность разработанных на основе глин месторождений Шеланга и композиций шихт на ее основе.

В результате выполнения исследования направленного на решение фундаментальной проблемы -создания экспрессного метода оценки дообжиговых свойств глинистого сырья были поставлены и решены следующие задачи:

1) проведение испытаний образцов материала на основе глинистого сырья и диатомита при различных скоростях потока сушильного агента: 42, 54, 78, 90, 96 м3/ч. и при разных температурных режимах: 35, 45, 55, 65, 75 (°С);

2) построение кривых сушки для определения сушильных параметров материала;

3) исследование влияния добавок на сушильные свойства глин и композиций, приготовленных на их основе;

4) определение влияния скорости потока и температуры сушильного агента на чувствительность материала к сушке;

5) выявление динамики ухода влаги из материала в процессе изменения скорости теплоносителя и температуры;

На первом этапе были рассмотрены сушильные свойства глин месторождений Шеланга, а также добавок Инзеского диатомита и карбонатсодержа-щей глины месторождения Жуково при сушке на воздухе (н.у.). Сушильные свойства глин рассматривались с использованием программы «Керамик-Мастер», с помощью которой, были определены основные параметры сушки (табл. 1).

Таблица 1 - Сушильные характеристики глинистого сырья

Сушильные характеристики Глина ме-сторожде-ния Шелан-га, РТ Глина ме-сторожде-ния Жуко-во, РТ Диатомит Инзенского месторождения, Ульяновская область

Воздушная усадка, % 9,4 6,5 4,7

Начальная влажность (формовочная влажность), % 22,2 23,9 48,4

Критическая влажность, % 4,8 11,5 32,3

Градиент влажности, % 17,4 12,4 16,1

Коэффициент чувствительности к сушке, ед. 3,6 1,1 0,5

Рассмотрев полученные опытным путем результаты сушильных характеристик глины месторождения Шеланга, выяснили, что исходная глина месторождения Шеланга имеет коэффициент чувствительности 3,6 и является высокочувствительной к сушке вследствие этого, данное сырье требует модифицирования, так как в чистом виде она малопригодна для производства керамических изделий (в частности керамического кирпича).

В качестве модифицирующих добавок в данном исследовании были использованы диатомит Инзен-ского месторождения и карбонатная глина Жуковского месторождения. Положительное влияние подобных добавок приводиться в литературе, однако механизм улучшения в литературе не представлен [6,7]. Сушильные характеристики данного сырья были также определены с помощью модуля «Керамик-Мастер». Результаты эксперимента приведены в таблице 1. Коэффициент чувствительности данных добавок к сушке составляет 1,1 и 0,5 единиц, что соответствует малой чувствительности сырья к сушке, и соответственно внесение их в шихту позволит повысить технологические параметры исходной глины месторождения Шеланга.

Для определения степени улучшения сушильных свойств при введении в состав шихты рассмотренных добавок были составлены шихты в соотношении Шеланговская глина: добавка как 70:30. Из полученных глиномасс были сформированы лабораторные образцы и испытаны с помощью модуля «Керамик-Мастер». Результаты исследования приведены в таблице 2.

Из результатов исследования видно, что наилучшим модифицирующим действием, в части улучшения сушильных свойств глины Шелангов-ского месторождения обладает диатомит. Так введение данной добавки понижает чувствительность

материала к сушке 3,6 до 1,58 единиц, переводя высокочувствительное сырье в среднечувствительное к сушке. Тогда как добавка глины Жуковского месторождения показывает обратный эффект - увеличивая чувствительность до 5,2 единиц. Поэтому в дальнейших исследованиях мы ограничились введение в глинистое сырье месторождения ШелангаИн-зенского диатомита.

Таблица 2 - Сушильные характеристики шихт на основе глины месторождения Шеланга

Сушильные Шеланговская Шеланговская

характеристики глина 70% + карбонатная глина 30% глина 70% + диатомит 30%

Воздушная усадка, % 8,2 6,5

Начальная влаж- 19,7 32,8

ность (формовоч-

ная влажность), %

Критическая 2,9 16

влажность, %

Градиент влажно- 16,8 16,8

сти, %

Коэффициент чув- 5,2 1,58

ствительности к

сушке, ед.

Для определения такой разности в чувствительности материалов к сушке была исследована динамику ухода влаги из этих материалов под действием внешних факторов (скорости потока воздуха и температуры теплоносителя). Исследование также проводилось с применением испытательного модуля «Керамик-Мастер», по результатам исследования были построены графические зависимости ухода влаги с течением времени сушки (рис. 2).

а)

30 во до 130 150 leo 210 2т 270 зоо ззо зн> зэс а;о 1-:: время,мин

-*--42,мЗ/ч ——54.МЗ/Ч —*—78,мЗ/ч —•—ЗО^З/ч - * 36,м3/ч

1 Й 30 60 90 130 150 180 310 2«! 270 ЗСО 330 3« 300 Время сушки, мин

- V.-'. <4- К-С -»-S5-C    S5 *С - 75 "С

Рис. 1 - Динамика ухода влаги из глины месторождения Шеланга при изменении скорости (а) и температуры (б) теплоносителя

При рассмотрении динамики ухода влаги из гли-

ны месторождения Шеланга (рис.1) в зависимости от скорости и расхода теплоносителя можно увидеть следующие закономерности: Интенсивность ухода влаги в первые часы сушки максимальна уже при расходе теплоносителя 54 м3/ч, так за первые 30 минут с поверхности образца уносится более 6,5% влаги, что создает значительные напряжения в структуре материала и он растрескивается. Необходимо отметить при этом важность такого параметра, как начальная (формовочная) влажность материал, которая, безусловно, может повлиять на трещиностой-кость материала на начальном этапе сушки изделия, создав дополнительные напряжения при удалении влаги. В данном испытании она была превышена. Аналогичная картина наблюдается и при более интенсивных расходах теплоносителя, так максимальная величина пика при расходе теплоносителя 90-96 м3/ч достигает 4,7-5,3 %, что также повышает чувствительность материала к сушке. Таким образом, оптимальным значением расхода теплоносителя для глины Шеланговского месторождения считаем 42 м3/ч. Уход влаги обусловлен пиком не более 2,8% при этом сам график характеризуется достаточно пологим участком, обуславливающим равномерный выход влаги из материала.

На графике, где интенсивность ухода влаги из материала была определена повышением температурных условий, закономерность ухода влаги выражена намного четче. Так с повышением температуры теплоносителя высота пика ухода влаги на начальных этапах сушки достигает 12,8% при температуре 75 оС. Таким образом, использование программно-технического модуля «Керамик-Мастер» может позволить контролировать процесс равномерного ухода влаги из материала регулируя температуру и скорость сушильных газов.

Аналогичные исследования были проведены для Инзенского диатомита. Результаты исследования динамики ухода влаги из диатомита Инзенского месторождения показали следующие закономерности:

1. Пики ухода влаги из материала даже при изменении расхода теплоносителя более пологие, чем у глины Шеланговского месторождения, хотя максимальная высота пика (при расходе теплоносителя 96 м3/ч) составляет 17,5%. Данный показатель объясняется высокой пористостью самого диатомита, а также способностью хорошо удерживать воду.

2. При повышении температуры теплоносителя наблюдается такая же закономерность роста пика ухода влаги из материала, как и в глине месторождения Шеланга. Высота пика достигает 55% обусловлена большой пористостью и значительной формовочной влажностью материала. При этом чув-твительность материала к сушке возрастает незначительно и использование данного материала в качестве модифицирующей добавки позволит снизить чувствительность композиции глины Шеланга + диатомит.

Для рассмотрения влияния скорости и температуры сушильного агента на динамику ухода влаги из состава на основе глин месторождений Шеланга и введенной в него добавки Инзенского диатомита, были проведены аналогичные исследования. Полу-

ченные зависимости были сведены в общие графики (рис. 2).

Введение добавки диатомита позволяет понизить чувствительность сформованного материала к сушке до значения 1,1 при условиях сушки 42 м3/ч и 25оС. При увеличении скорости теплоносителя показатель чувствительности материала к сушке изменяется незначительно, однако по графикам видно расширение временного интервала активного ухода влаги за счет изменения способности материала удерживать влагу. В результате этого происходит сокращение времени полного высыхания материала в среднем с 270 (для глины без добавки) до 210 минут (для глины модифицированной диатомитом).

6

8

9

Рис. 2 - Динамика ухода влаги из композиции глины и диатомита при изменении интенсивности скорости и температуры теплоносителя

Динамика ухода влаги из материала, полученного модификацией диатомитом, характеризуется также увеличением интенсивности ухода влаги при изменении температурных режимов испытаний. Значительная высота пика ухода влаги обусловлена введением в состав шихты диатомита, обладающего большой пористостью и значительной формовочной влажностью материала.

Для понимания коллоидно-химических взаимодействий в системе глина-вода и процесса модифицирования был исследован электрокинетический потенциал исследуемого природного сырья. Полу© А. С. Чекмарев, канд. техн. наук, зав. отделом технологических испытаний, «Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых» («ЦНИИгеолнеруд»), mr.chekmarev@gmail.com; А. В. Скворцов, канд. техн. наук, в.н.с., «ЦНИИгеолнеруд», skvorcov07@mail.ru; Н. К. Гайнутдинов, канд. техн. наук, зам. зав. отделом технологических испытаний, «ЦНИИгеолнеруд», ganaka2@yandex.ru.

© A. S. Chekmarev, candidate of technical sciences, the head of technological testing department, «The Central Research Institute of Geology of Industrial Minerals» («CRIGIM»), mr.chekmarev@gmail.com; A. V. Skvorcov, candidate of technical sciences, l.s.s., «CRIGIM», skvorcov07@mail.ru; N. K. Gainutdinov, candidate of technical sciences, the depute of the head of technological testing department, «CRIGIM», ganaka2@yandex.ru.

чены следующие значения электрокинетического потенциала(Q:

- глина месторождения Жуково -0,0578, В;

- глина месторождения Шеланга -0,0427, В;

- инзенский диатомит -1,5550, В.

По результатам исследований видно, что диатомит обладает наибольшим значением Z-потенциала, что обуславливает способность материала удерживать воду и отдавать ее при сушке постепенно не снижая внутренние напряжения материала. Поэтому введение диатомит в глины способствует улучшению технологических (сушильных) свойств глины.

Таким образом, проведенное исследование показало, что разработанный программный модуль «Керамик-Мастер» позволяет решить фундаментальную научную проблему оценки качества глинистого сырья для строительной керамики. Разработанные подходы к оценке технологических свойств позволяют производить анализ технологических свойств глинистого сырья, как при геологоразведке, так и при эксплуатации месторождений, а также для проведения оперативного регулирования технологического режима керамического производства в зависимости от качества применяемого сырья.

Литература

1. Химическая технология керамики и огнеупоров: учебное пособие для вузов / под ред. Проф. И.Я. Гузмана. -М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. - 496 с., ил.

2. Химическая технология керамики и огнеупоров : учебник / П. П. Будников [и др.] ; под общ.ред. П. П. Будни-кова, Д. Н. Полубояринова. - М. :Стройиздат, 1972. -552 с.

3. А.В. Лыков. Теория сушки. М.: «Энергия», 1968. 472 с.

4. И.А. Булавин, И.А. Макаров, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. Тепловые процессы в технологии силикатных материалов. М.: Стройиздат 1982. 247 с., ил

5. Книгина Г.И., Вершинина Э.Н., Тацки Л.Н. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей. - М. :Высш. шк., 1977. - 208 с.

Крупа А.А., Городов В.С. Химическая технология керамических материалов: Учеб. Пособие - К.: Высш. шк., 1990. - 399 с.

7. И.С. Кашкаев, Е.Ш. Шейнман. Производство глиняного кирпича: учебное пособие - М.: Высш. шк., 1979 - 348 с. Практикум по технологии керамики: Учебное пособие для вузов /Под ред. И.Я. Гузмана. - М.: ООО РИФ «Стройматериалы, 2005. - 336 с. Вакалова Т.В., Погребенков В.М. Ревва И.Б. Исследование физико-механических и технологических свойств глинистого сырья: методические указания - Томск: Томский политехнический университет, 2014 - 36 с.