Совершенствование технологии производства керамических строительных материалов однократного обжига

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

УДК 666.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОДНОКРАТНОГО ОБЖИГА

© 2011 г. А.А. Галенко, А.В. Верченко

Шахтинский институт

Shakhty Institute

Рассмотрены приоритетные направления совершенствования технологии производства керамических облицовочных строительных материалов, производимых по технологии скоростного однократного обжига, а также перспективы расширения сырьевой базы. Проведён анализ применяемых в настоящее время технологических решений, выявлены основные недостатки, а также предложены методы их устранения.

Ключевые слова: керамогранит; однократный обжиг; производственные отходы; параметры обжига.

The priority directions of perfection of the "know-how" facing ceramic building materials made on technology high-speed unitary roasting, and also prospect of expansion of raw base are considered. The analysis of the used now technological decisions is carried out, the basic lacks are revealed, and also the methods of their elimination are offered.

Keywords: gres, unitary roasting; industrial wastes; parameters firing.

Керамические строительные материалы, используемые для внутренней и наружной отделки зданий и сооружений, такие как керамическая плитка и керамо-гранит являются незаменимыми в условиях современного строительства, однако высокая конкуренция на рынках сбыта заставляет акцентировать внимание не только на их качестве, но и стоимости.

Сравнительно недавно в России появился новый отделочный материал - керамический гранит. Высокие потребительские и эстетические качества, а также высокие эксплуатационные свойства позволили керамо-граниту в короткие сроки достичь широкого распространения на российском рынке строительных материалов. Керамический гранит представляет собой продукт с превосходными техническими характеристиками, а именно с высокой прочностью на изгиб и чрезвычайно низкой пористостью. В соответствии с международным стандартом ISO 13006 керамический гранит относится к группе BIa, включая материалы, характеризующиеся водопоглощением ниже 0,5 %. Фактически стандартное водопоглощение плитки, выпущенной промышленным способом, составляет менее 0,1 %, т.е. еще ниже, чем предусмотрено по стандарту. Среди всех керамических напольных покрытий, керамический гранит менее всего подвержен износу, благодаря высокой твердости поверхности. Кроме того, керамический гранит имеет очень высокую морозоустойчивость, сопротивление изгибу и сжатию, химическому воздействию, пятноустойчивость и др. При всех перечислен-

ных достоинствах керамогранит производится по современной, высокомеханизированной энергосберегающей технологии скоростного однократного обжига, однако, несмотря на это, он имеет высокую стоимость, связанную, прежде всего с использованием дорогостоящих сырьевых материалов.

Сырье, входящее в состав массы керамического гранита подразделяется на две основные группы разных материалов, каждая из которых выполняет свои особые функции:

- пластичное сырьё: глинистые материалы каолинового и иллитово-каолинового происхождения, отличающиеся более или менее ярко выраженными пластичными свойствами по отношению к их минералогическому составу и гранулометрическому составу. Их функцией является придание смеси необходимой пластичности, чтобы обеспечить «плитке-сырцу» механическую прочность, рассчитанную на транспортировку и обращение.

- непластичное сырье, в которое входят флюсы, такие как полевой шпат, и его разновидности, тальк, эврит, пегматит и огнеупорные материалы, по структуре напоминающие кварц (кварцевый песок и/или кварцит).

Примерный состав керамогранитной массы (% по массе):

- глинистые материалы - 45;

- щелочной каолин - 18;

- полевой шпат- 37.

При всех своих положительных качествах керамо-гранит имеет и ряд недостатков, к основным из которых относится:

- высокая температура обжига (~ 1220 - 1280 °С);

- ввод в массу большого количества (до 40 %) дорогостоящего сырья - полевого шпата.

Снижение температуры обжига и количества по-левошпатного сырья позволит удешевить производство, сделать керамогранит наиболее конкурентоспособным.

К наиболее распространенным методам снижения температуры спекания относят:

- использование легкоплавких добавок, облегчающих скольжение кристаллитов на начальных стадиях спекания, и межзеренный массоперенос через прослойку жидкости на границах зерен - на последующих;

- увеличение дисперсности исходного порошка, также облегчающее смещение частиц на начальных стадиях спекания и приводящее к увеличению роли поверхностной и зернограничной диффузии по сравнению с объемной вследствие более высокой удельной поверхности материала сырой прессовки;

- гетеровалентное допирование исходных соединений с целью повышения концентрации дефектов кристаллической решетки и увеличения, таким образом, диффузионной подвижности материала.

Наибольший интерес в настоящее время при решении данных вопросов представляет собой использование в технологии керамики отходов промышленности, позволяющих снизить температуру спекания. На основании вышесказанного наиболее актуальным направлением исследований является поиск более дешёвых плавней-аналогов полевого шпата, используемого при производстве керамогранита. Решение этого вопроса возможно в двух направлениях - использование более распространённых природных материалов, в том числе являющихся некондиционными для основной сферы их применения, и введение различных материалов техногенного происхождения. При этом первый вариант является более предпочтительным, ввиду того что природные материалы отличаются большей, нежели техногенные, стабильностью химико-минералогического состава.

Следует отметить, что в большинстве случаев ке-рамогранит производится по двум принципиально различным технологиям, предопределяющим вид готовой продукции. В первом случае материал подвергается ангобированию и глазурованию, во втором случае в керамогранитную массу вводятся различные красители, в результате чего черепок не нуждается в дополнительном декорировании и на завершающей стадии технологического процесса может быть подвергнут полированию. Исходя из этого, подбор сырьевых материалов для керамогранита целесообразно осуществлять с учетом способа его производства. Несмотря на это, в настоящее время для производства данного строительного материала вне зависимости от применяемой технологии используются аналогичные составы масс, базирующиеся на использовании дорогостоящих беложгущихся сырьевых компонентов, что является нецелесообразным. Наибольшую же свободу для варьирования состава массы предоставляет производство ангобированного и глазурованного керамо-гранита, поскольку степень белизны черепка в данном случае теряет свою актуальность.

На основании вышеизложенного нами были проведены исследования по введению в состав керамо-гранитной массы вулканического пепла, залегающего на территории Кабардино-Балкарской Республики, химический состав которого: SiО2 - 65,25 %, А1203 -16,53 %, Fe2O3 - 1,45 %, FeO - 1,45 %, ТЮ2 - 0,47 %, СаО - 4,00 %, MgO - 1,30 %, К20 - 3,00 %, Na2O -3,70 %, SO3 - 0,10 %, ППП - 2,75 %. Процентное соотношение компонентов представлено в табл. 1.

В соответствии с поставленными задачами нами осуществлялась поэтапная замена полевого шпата на вулканический пепел (составы № 1.1 - 1.5), после чего были определены основные физико-механические свойства керамического черепка (табл. 2).

Как видно из приведенных в таблице данных, с увеличением содержания вулканического пепла происходит существенное улучшение основных показателей, что объясняется интенсификацией процесса спекания. Однако при полной замене полевого шпата пеплом существенно возрастает усадка керамического черепка (с 5,87 до 7,68 %), что негативно влияет на стабильность размеров готовой продукции.

Таблица 1

Составы масс однократного обжига

Компонент Процентный состав масс

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Глина ВКН-2 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0

Глина ДН-2 35,0 35,0 35,0 35,0 35,0 32,0 29,0 26,0

Полевой шпат (калиево-натриевый) 37,0 27,0 17,0 7,0 0 0 0 0

Щелочной каолин (Екатериновский) 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0

Вулканический пепел 0 10,0 20,0 30,0 37,0 37,0 37,0 37,0

Отсев золы породных отвалов 0 0 0 0 0 3,0 6,0 9,0

Кроме того, снижение водопоглощения с 0,89 до 0,33 % играет как положительную роль в плане обеспечения долговечности, так и отрицательную с точки зрения обеспечения необходимой адгезии с монтажным раствором. В связи с этим возникла необходимость дальнейшего совершенствования состава керамической массы с целью оптимизации физико-механических свойств.

Таблица 2

Физико-механические свойства керамогранита

№ состава Усадка, % Механическая прочность, МПа Водопоглощение, %

1.1 5,87 49,28 0,89

1.2 5,92 49,56 0,85

1.3 6,44 50,14 0,64

1.4 7,12 52,10 0,42

1.5 7,68 53,86 0,33

1.6 6,84 53,72 0,57

1.7 5,99 50,81 0,92

1.8 4,76 48,95 1,05

Для снижения усадки керамического черепка необходимым условием является введение высокоэффективного отощителя, который, однако, при достижении температуры 1100 °С не снижал бы спекае-мость массы. Ввиду этого весьма актуальным является использование отсева золы породных отвалов, относящегося к полиминеральному сырью, в частности гидрослюдистому с примесью каолинита и хлорита. В связи с этим нами была исследована серия составов керамических масс (№1.6 - 1.9) в которых осуществлялось введение отсева золы породных отвалов взамен украинской глины ДН-2. Введение данного компонента в количестве 6 % позволило существенно снизить усадку керамического черепка при обжиге, а благодаря тому, что отсев золы породных отвалов близок по минералогическому составу к дегидратированной глине, при максимальной температуре обжига он будет активно взаимодействовать с массой, способствуя завершению процессов спекания, что подтверждается сохранением высоких прочностных показателей. Следует также отметить, что дальнейшее повышение содержания данного компонента является нецелесообразным ввиду чрезмерного для данного строительного материала водопоглощения (состав № 1.8), а также появления на поверхности керамического черепка темно-красных вкраплений.

Таким образом, был разработан оптимальный состав керамической массы № 1.7 для производства ке-рамогранита, образцы которого полностью удовлетворяют предъявляемым требованиям и не содержат дорогостоящих сырьевых материалов. Однако величина во-допоглощения оптимальных образцов несколько превышает рекомендуемую величину, в связи с чем возникла необходимость улучшения данного показателя.

Водопоглощение связано, прежде всего, с открытой пористостью, которая находится в непосредственной связи с плотностью черепка, что позволило нам

предположить возможность снижения водопоглоще-ния путём оптимизации технологических параметров, в частности давления прессования. Известно, что при увеличении прессующего давления происходит снижение пористости и как следствие улучшение физико-механических свойств, при этом необходимо учитывать, что высокие значения объемной плотности (более 2,1 - 2,2 г/см3) затрудняют выход газов из массы в процессе обжига, а это может привести к проблемам, связанным с локальным «закипанием» глазури ввиду усложнения дегазации.

Для того чтобы охарактеризовать процесс дегазации черепка, были проведены испытания образцов, размером 10*10 см. Исследования проводились на приборе типа «Агама», и заключались в оценке воздухопроницаемости черепка, отформованного при различных давлениях. По показаниям прибора были рассчитаны значения коэффициента фильтрации воздуха. Исследования влияния усилия прессования на объёмную плотность после сушки приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытания высушенных образцов

Формующее давление, МПа Средняя объёмная плотность после сушки, кг/м3 Средний коэффициент фильтрации воздуха, см3/сек

15,2 1800 0,392

19,8 1890 0,385

23,5 1870 0,328

28,2 1970 0,327

30,0 1950 0,225

34,8 2000 0,220

40,1 2075 0,215

44,7 2123 0,200

48,2 2125 0,194

52,1 2122 0,187

56,0 2115 0,187

Как показали исследования, при увеличении давления прессования происходит повышение плотности высушенной керамогранитной плитки, что положительно сказывается на последующем спекании, однако при увеличении давления прессования свыше 45 МПа происходит снижение плотности (рис. 1) и увеличение среднего коэффициента фильтрации воздуха, который является косвенной характеристикой величины водо-поглощения [2]. Кроме того, анализ качества глазурного покрытия обожжённых образцов подтвердил сделанное ранее предположение и нецелесообразности повышения плотности высушенной плитки свыше 2,1 г/см3, поскольку в данном случае на её поверхности наблюдались незначительные по глубине закрытые впадины, характеризующие локальные очаги дегазации. На основании чего было установлено максимальное давление прессования, равное 35 - 40 МПа.

В целях практической проверки полученных закономерностей нами были определены физико-механические свойства образцов керамогранита оптимального состава, отпрессованных при различных давлениях. Варьирование давления осуществлялось от 30 до 50 МПа с интервалом 5 МПа, полученные результаты представлены в табл. 4.

Таблица 4

Физико-механические свойства керамогранита при различном давлении прессования

Давление прессования, МПа Усадка, % Механическая прочность, МПа Водопогло-щение, %

30 6,17 48,90 0,97

35 6,05 50,82 0,83

40 5,98 51,95 0,79

45 6,05 52,00 0,82

50 5,92 51,70 0,89

В результате проведённых испытаний был построен график зависимости плотности материала от формующего давления, представленный на рис. 1.

В результате аппроксимации полученного графика, была получена логарифмическая функция, для определения плотности материала в зависимости от давления прессования, величина достоверности аппроксимации: Я2 = 0,9421 подтверждает достаточную точность полученной зависимости.

На основании проведённых исследований был разработан состав керамогранита с использованием вулканического пепла и отсева золы породных отвалов взамен дорогостоящего полевого шпата, обладающий высокими физико-механическими свойствами, удовлетворяющими всем предъявляемым требованиям. Была проведена оптимизация технологических параметров процесса прессования, в результате чего была установлена оптимальная величина давления, а также выявлены зависимости свойств керамического черепка от данного параметра.

Рис. 1. Связь между формирующим давлением и плотностью высушенного материала

Литература

1. Галенко А.А., Зубехин А.П., Попова Л.Д. Интенсификация процесса спекания керамической плитки однократного обжига путём снижения тугоплавкости массы / Результаты исследований 2009: материалы 58-й науч.-техн. конф. ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2009. С. 235 - 237.

2. Галенко А.А. Оценка степени спекания керамического черепка однократного обжига экспресс методом // Перспективы развития Восточного Донбасса. Ч. 2: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2008. С. 263 - 267.

Поступила в редакцию 24 февраля 2011 г.

Галенко Андрей Анатольевич - старший преподаватель, кафедра «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-906-417-07-31.

Верченко Александр Викторович - аспирант кафедры «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Тел. 8-952-567-80-72.

Galenko Andrey Anatolievich - senior teacher department «Underground, industrial, civil engineering and building materials», Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute) Ph. 8-906-417-07-31.

Verchenko Alexander Viktorovich - post-graduate student, department «Technology of ceramics, glass and astringents», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-952-567-80-72.