Скоростные режимы сушки для производства строительной керамики на основе глин различных месторождений

УДК 666.3.047.46

СКОРОСТНЫЕ РЕЖИМЫ СУШКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ГЛИН РАЗЛИЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

© 2013 г. Н.Д. Яценко, С.Г. Закарлюка

Яценко Наталья Дмитриевна - доцент, канд. техн. наук, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-56-24.

Закарлюка Сергей Геннадьевич - аспирант, кафедра «Технология керамики, стекла и вяжущих веществ», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Jatsenko Natalia Dmitrievna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-56-24.

Zakarlyuka Sergey Gennadievich - post-graduate student, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Изучено влияние скоростной сушки на качество полуфабриката из средне- и высокочувствительного к сушке глинистого сырья. Установлено, что поведение глин в условиях скоростной сушки не соответствует показателям по коэффициенту чувствительности к сушке, и применение скоростных режимов возможно при использовании глинистого сырья, образующего при затворении водой более прочные коллоидные структуры, разрушение которых происходит только в процессе обжига.

Ключевые слова: скоростная сушка; глинистое сырьё; коллоидные структуры; чувствительность к сушке.

The effect of fast-drying on the quality of semi-finished products of medium-and high sensitivity to the drying of clay material. It is established that the behavior of clays in drying speed does not match the figures in the coefficient of sensitivity to drying and application of speed limits is possible with raw clay, which forms when mixing with water stronger colloidal structures whose destruction occurs only in the firing process.

Keywords: fast-drying; raw clay; colloidal structures; sensitivity to drying.

В связи с большими темпами массового и индивидуального строительства возрастает спрос на продукцию строительных материалов, конкурентоспособность которых зависит, в первую очередь, от их качества и себестоимости. Эти показатели обеспечиваются применением современных ресурсо- и энергосберегающих технологий.

Так, в последние годы в производстве изделий строительной керамики наметилась тенденция в снижении энергозатрат за счёт уменьшения времени на сушку и обжиг, особенно в производстве стеновых и кровельных материалов.

Особый интерес представляет использование ресурсосберегающих технологий в производстве керамической черепицы, темпы развития которой отмечаются не только за рубежом, но и в нашей стране. В настоящее время при изготовлении керамической черепицы применяют высокотехнологичное оборудование с высокой степенью механизации и автоматизации. Однако, также как и раньше, отмечаются большие затраты на её сушку, которая в общем цикле производства занимает одно из наиболее значительных мест.

Известно, что качество полуфабриката и готового изделия, в первую очередь, определяется режимами сушки, которые обусловлены физико-химическими и технологическими свойствами глинистого сырья [1]. Сырьём для производства керамической черепицы служат чаще всего средне- и умеренно пластичные глины, обладающие высокой чувствительностью к сушке даже в условиях продолжительности этого процесса.

В связи с этим очевидно, что одним из важнейших направлений исследования является изучение возможности получения конкурентоспособной керамической черепицы в условиях скоростной сушки.

В данной работе изучено влияние скоростной сушки на качество полуфабриката из средне- и высокочувствительного к сушке глинистого сырья и возможность её применения в производстве керамической черепицы. В связи с этим проведены исследования сушильных свойств глин следующих месторождений: Дарагановского, Кущёвского, Владимировско-го (ВКН-2), Владимировского (ВКВ-2), Губского с помощью метода Чижского. Результаты исследований приведены в табл. 1. Как видно из табл. 1, глины Да-рагановская, Кущёвская и ВКВ-2 имеют коэффициент чувствительности в пределах от 1,4 до 1,8, что относит их к среднечувствительным; глина ВКН-2 является высокочувствительной, глина Губская - низкочувствительной. С целью изучения возможности использования скоростной сушки при изготовлении изделий из исследуемых глин были разработаны режимы сушки, заключающиеся в следующем: отформованные образцы с влажностью 22 ... 24 % помещали в муфельную печь с регулируемой скоростью подъёма температуры и подвергали сушке в течение 2 ч, максимальную температуру сушки варьировали от 60 до 200 °С. Результаты изучения влияния скоростной сушки на получение образцов с бездефектной поверхностью и трещинами, а также с различной остаточной влажностью при сушке представлены в табл. 2.

Таблица 1

Чувствительность глин к сушке

Месторождение глин Критическая влажность, % Коэффициент чувствительности к сушке Характеристика сырья

Дарагановское 10,2 1,4 среднечувствительное

Кущёвское 9,3 1,6 среднечувствительное

Владимировское (ВКН-2) 9.6 2,0 высокочувствительное

Владимировское (ВКВ-2) 12,3 1,4 среднечувствительное

Губское 16,0 1,2 низкочувствительное

Таблица 2

Внешний вид полуфабрикатов и остаточная влажность при различных режимах сушки

№ режима Конечная температура сушки, °С Скорость подъёма температуры, °С/мин Остаточная влажность, %

Дарагановская Кущёвская ВКН-2 ВКВ-2 Губская

I 60 1,00 13,3 14,2 18,2 18,4 21,9

II 80 1,33 трещины трещины 16,5 16,6 19,1

III 100 1,67 » » 13,5 13,9 16,5

IV 120 2,00 » » 8,0 7,7 12,8

V 140 2,33 » » 7,33 6,8 трещины

VI 160 2,67 » » 5,8 5,0 »

VII 180 3,00 » » 3,6 2,7 »

VIII 200 3,33 » » трещины 0,8 »

На рис. 1 представлены графики результатов исследований.

£ 25 20 15 10

tt ГГ лл ина Д ина К

0-Гл °-Гл ина В ина В КН-2 КВ-2

» -ч о—Гл ина Г

о I II III IV V VI VII VIII

№ режима

Рис. 1. Зависимость остаточной влажности от температуры и скорости сушки

Результаты исследований показали, что у образцов из среднечувствительных к сушке глин Дарага-новской и Кущёвской трещины наблюдались уже при 60 °С при скорости набора температуры 1 °С/мин, у образцов из низкочувствительной к сушке глины Губ-ского месторождения при 120 °С при скорости набора 2 °С/мин. Процесс бездефектной сушки для образцов из глины ВКВ-2, среднечувствительной к сушке, успешно протекал и при 200 °С со скоростью набора температуры 3,33 °С/мин.

Наибольший интерес вызывает поведение при скоростной сушке высокочувствительной глины ВКН-2, которая имеет трещины только при скорости подъёма температуры 3,33 °С/мин до 200 °С.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что поведение глин в условиях скоростной сушки не соответствует показателям по коэффициенту чувствительности к сушке, определяемому с помощью метода Чижского, и обусловлено структурно-механическим взаимодействием глинистого сырья с водой в зависимости от его химико-минералогического состава.

В связи с этим были проведены исследования по изучению фильтрующей способности и определению условной вязкости глинистых шликеров на глинах Дарагановской, образующей трещины при 60 °С и Владимировской (ВКВ-2), не имеющей трещин даже при скоростном наборе температуры до 200 °С, которые имеют одинаковый коэффициент чувствительности к сушке по Чижскому, равный 1,4.

Фильтрующую способность определяли на глинистых шликерах с влажностью 50 %. Результаты исследований представлены в табл. 3.

Таблица 3

Фильтрующая способность глин

Месторождение глин Количество отфильтрованной воды с поверхности 100 см2, см3 Остаточная влажность после проведения опыта, %

за 25 мин за сутки

Дарагановское 137,7 1080,0 24,6

Владимировское ВКВ-2 33,8 308,8 42,1

Как видно из табл. 3, процесс отдачи воды из глинистых шликеров идёт по разным механизмам. Низкая фильтрующая способность глины Владимировского месторождения связана с тем, что часть свободной воды переходит в более связанное состояние и образует прочную структуру, благодаря которой она не удаляется в процессе фильтрации, а в дальнейшем и в процессе сушки.

Образование такой структуры косвенно подтверждается различной условной вязкостью исследуемых глинистых шликеров, которую определяли по скорости истечения. Для глинистого шликера из глины Дарагановского месторождения она составила 27 с, из глины ВКВ-2 - 41 с.

В связи с этим можно сказать, что в глине Дарага-новского месторождения вся вода находится в свободном состоянии, преимущественно в порах, и в процессе скоростной сушки при её быстром испарении возникают напряжения, приводящие к образованию трещин. В глине ВКВ-2 только часть воды находится в свободном состоянии, а остальная влага переходит в адсорбционную структуру, что, с одной стороны, приводит к повышению условной вязкости глинистых шликеров, а с другой - к получению бездефектной структуры отформованного полуфабриката в условиях скоростной сушки за счёт равномерного удаления воды [2].

Эти данные подтверждаются результатами исследований линейной воздушной усадки, которая для Дарагановской и Кущёвской глин составляет 9 %, а

для глин Владимировского месторождения от 7,5 до 7,8 %. Глина Губского месторождения, линейная воздушная усадка которой составляет 8,6 %, занимает промежуточное положение и при наименьшем коэффициенте чувствительности к сушке по Чижскому (1, 2) в процессе скоростной сушки образует трещины при температуре 120 °С.

Таким образом, возможность применения скоростной сушки связана с процессами взаимодействия глинистых веществ с водой в зависимости от их химико-минералогического состава. Исследования минералогического состава глин ВКВ-2 и Дарагановской представлены на рис. 2 и 3.

Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о том, что глина ВКВ-2 является гидрослюди-сто-каолинито-монтмориллонитовой, а глина Дарага-новского месторождения - гидрослюдисто-каолини-товой. Отличия в химико-минералогическом составе обусловливают различную связь глинистого сырья с водой и, соответственно, различную интенсивность и равномерность её отдачи при сушке. Для подтверждения этих выводов проводили термографические исследования (рис. 4, 5).

Как видно из представленных рисунков, значительный эндотермический эффект, соответствующий удалению свободной воды в каолинито-гидро-слюдистой глине Дарагановского месторождения, находится в интервале температур 20-100 °С и на кривой ТГ соответствует потере массы в количестве 2,6 %.

Рис. 2. Рентгенограмма глины Владимирского месторождения (ВКВ-2): Кв - кварц; Г - гидрослюда; К - каолинит; М - монтмориллонит

Рис. 3. Рентгенограмма глины Дарагановского месторождения: Кв - кварц; Г - гидрослюда; К - каолинит; М - монтмориллонит

ГГ. %

200 400 600

Температура, °С

Рис. 4. Деривотограмма глины ВКВ-2

300

1000

100

200

300

400 500 600

Температура, °С

700

аоо

эоо

Рис. 5. Деривотограмма глины Дарагановского месторождения

На дериватограмме глины ВКВ-2 наблюдается несколько небольших эндоэффектов, которые в интервале 20-100 °С соответствуют удалению капилярной воды, а при температуре от 100 до 300 °С адсорбционной и межслоевой воды, что обеспечивает равномерное удаление влаги даже в условиях скоростной сушки.

На основании вышеизложенного можно заключить, что в производстве изделий строительной керамики и, в особенности, керамической черепицы эффективность применения скоростной сушки связана с выбором глинистого материала, химико-минералогический состав которого при затворении водой

обеспечивает образование структур различных типов: свободной, адсорбционной и межплоскостной воды, которая удаляется в широком интервале температур от 20 до 300 °С, что позволяет получить бездефектную структуру полуфабриката.

Литература

1. Лотов В.А. Регулирование формовочных и сушильных свойств глиняных масс при производстве керамического кирпича // Строительные материалы. 2005. № 3. С. 81 - 85.

2. Горшков В.С., Савельев В.Г., Фёдоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М., 1988. 400 с.

Поступила в редакцию

31 января 2013 г.