Ресурсои энергосбережение в производстве строительной стеновой керамики

УДК 691.42

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНОЙ СТЕНОВОЙ КЕРАМИКИ

В.В. Воробьева В.Г. Леонов

Представлены результаты исследований возможности использования в производстве керамического строительного кирпича техногенного продукта TONSIL, который представляет собой промышленный отход от очистки растительных масел. Приведены показатели спекания керамики на основе легкоплавких средне и умеренно пластичных глин Тульской области с добавкой промышленного отхода, а также реологические и структурно-механические свойства формовочных масс исследуемых составов. Рекомендовано оптимальное содержание техногенного продукта TONSIL.

Ключевые слова: строительный кирпич, технология, ресурсосбережение.

Общей тенденцией повышения эффективности технологических процессов в производстве различных видов керамических изделий в сложной экономической ситуации и борьбе производителей за рынки сбыта является реализация ресурсо- и энергосбережения. Особенно актуально данное направление для группы изделий строительного назначения, так как производство строительной керамики отличается высокой материалоемкостью, и затраты на сырье составляют значительную долю расходов в себестоимости изделий.

Основное направление ресурсосбережения в производстве различных видов строительной керамики - это использование совместно с природным сырьём техногенных продуктов, которые по своей сути представляют собой промышленные отходы различных отраслей промышленности, например углеперерабатывающей, металлургической и др. Расчеты показывают, что комплексное использование природного сырья и техногенных продуктов дает возможность увеличить выпуск многих видов продукции на 25 - 30 %. При этом, с учетом сокращения затрат на геологические изыскания, создание и хранение запасов сырья, рекультивацию земель и проведение комплекса природоохранных мероприятий себестоимость произведенной продукции в 2 - 4 раза ниже, чем при использовании сырья, добываемого по классической схеме. Экономический эффект, получаемый при утилизации техногенных продуктов, во многом обусловлен тем, что для вовлечения их в переработку не требуется затрат на добычу сырья. В настоящее время в мире насчитывается более 1000 наименований техногенных продуктов, перспективных для применения в качестве вторичного сырья. Из этого количества 780 наименований включены в различные банки данных как предмет использования, однако лишь 60 из них утилизируются. Основными видами вторичных сырьевых материалов являются золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭЦ), сталеплавильные шлаки,

вскрышные глинистые породы отложений бурого угля, отходы от обогащения железных руд, кварцевых песков, полевых шпатов, стеклобой и др. [1]. Кроме того, некоторые виды техногенных продуктов по своему химико-минералогическому составу весьма близки к природному алюмоси-ликатному сырью. Так, например, золы ТЭЦ содержат до 30 % оксида алюминия и могут быть использованы совместно с низкосортными глинами. В результате возможно расширение сырьевой базы за счет местного несортного сырья, что также снижает расходы производителя на приобретение и транспортировку высокосортных глин. Снижение энергозатрат на технологический процесс связано, прежде всего, с тем, что при использовании техногенных продуктов, как правило, в состав масс вводят конечные продукты физико-химических процессов, протекающих при термической обработке продукции. Поэтому возможно сокращение времени и снижение температуры термической обработки.

Важнейшим видом строительной керамики является кирпич. Кирпич как стеновой материал занимает доминирующее положение благодаря доступности сырья, отсутствию необходимости в металле, долговечности возводимых из него зданий и их архитектурной выразительности, а также комфортности жилья. За эталон комфортности зданий (по двадцатибаль-ной шкале) принята стена из деревянного бруса - 1 - 2 балла, из керамического кирпича 3 - 4 балла, из ячеистого бетона 6-7 баллов, из силикатного кирпича 10 - 12 баллов, из железобетона 18 - 20 баллов [2]. Поэтому, каменные стеновые изделия являются в России - стране сложных климатических условий, основными видами стеновых материалов. Кроме того, использование кирпича также способствует сохранению от вырубки лесов, что составляет отдельную крайне сложную экологическую проблему.

Несмотря на высокий и постоянный спрос на кирпич, производители часто вынуждены занижать цену, чтобы сохранить спрос на свою продукцию в условиях жесткой конкуренции. Однако, как правило, заниженная цена на кирпич при постоянном росте цен на топливно-энергетические ресурсы, которые в себестоимости продукции достигли 40-60 %, привела к вымыванию оборотных средств, пополняющихся только за счет кредитования предприятия. Результат - малорентабельное производство. Качество продукции при этом начинает снижаться, ассортимент не расширяется [3].

Решение проблемы невозможно за счет повышения цен на стеновые керамические материалы, так как это повлечет за собой рост стоимости строительства, в том числе частного. Основной путь выхода из создавшейся ситуации - реализация ресурсосберегающих технологий, основным принципом которых является широкое внедрение различных техногенных сырьевых материалов. При этом следует отметить, что введение в составы строительных изделий техногенных компонентов, может привести к изменениям в свойствах этих изделий, которые регламентируют ГОСТы и технические условия на продукцию, а также вызвать изменения и в свойствах

промежуточных продуктов на протяжении всего технологического цикла. Подобные изменения требуют соответствующей корректировки состава масс и, возможно, изменения некоторых технологических режимов: например, формования, сушки или термообработки изделий, т. е. требуют проведения комплексного исследования.

На кафедре «Технология керамических и электрохимических производств» в течение нескольких лет проводили исследования, в которых рассматривали возможность использования для производства керамического кирпича пластического формования ранее не использованного техногенного продукта TONSIL совместно с местными глинами. Продукт представляет собой промышленный отход высокоактивной отбеливающей земли, получаемой путем кислотной активации бентонита кальция и содержащей около 10 % активированного угля. Удельная поверхность про-

Л

дукта 2200 см /г, потери при прокаливании (температура прокаливания 1000 °С) 14,7 %. Исходный TONSIL применяют для тонкой очистки пищевых растительных масел. Исследования с помощью дифференциально-термического анализа (ДТА) показали (рис.1), что рассматриваемый отход, по сравнению с исходным продуктом TONSIL, имеет более значительные потери при прокаливании (44 %). Это, по всей видимости, связано с увеличением в продукте количества органической субстанции в результате ее адсорбции из растительных масел как компонентами продукта (активированным углем), так и его минералогической основой (бентонитом). Установлен температурный интервал, в котором происходит наиболее интенсивная потеря массы. Этот интервал, по данным ДТА, составил от 280 °С до 650 °С, что является типичным для выгорания органических примесей. Таким образом, добавка техногенного продукта должна способствовать повышению пористости изделий, и, следовательно, улучшению теплофи-зических характеристик кирпича. Вместе с тем, предположили, что в отличие от традиционных порообразователей, например, древесных опилок, минералогическая основа изучаемого компонента, может активно участвовать в процессе спекания и способствовать вследствие этого достижению высокой механической прочности.

Другие компоненты шихты: легкоплавкие глины Тульской области Новомосковская и Донская, - в настоящее время имеют практическое использование в производстве керамического кирпича. Глина Новомосковского месторождения желто-бурого цвета, запесоченная, умеренно пластичная (число пластичности 7 - 15), с высоким содержанием свободного кварца и пылевидной фракции, используется для производства лицевого красножгущегося кирпича с 33 %-ной пустотностью. При термообработке в интервале температур 900-1100 °С состояния спекания не достигает. Минимальное значение показателя водопоглощения имеет место при температуре 1050 °С и составляет 9,4 %. При увеличении температуры обжига

свыше 1100 °С возникают признаки пережога и показатель водопоглоще-ния возрастает до 15,8 % (рис. 1).

Рис. 1. Термограмма техногенного продукта TONSIL: 1- дифференциальная термограмма;2 - простая термограмма;

3 - изменение веса

Донская глина относится к среднепластичным глинам, характеризуется низкой чувствительностью к сушке и высокими потерями при прокаливании, за счет значительного содержания органических примесей (табл.1). Минимальное значение водопоглощения (3,5 %) имеет место при температуре 1050 °С. Таким образом, глина является низкоспекающейся с интервалом спекания менее 100 °С.

Таблица 1

Химический состав глин

Глина Содержание оксидов, %

SiO 2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO ШШ SiO2своб.

Новомос- 74,5 11,2 3,6 1,1 1,4 3,0 38,8

ковская

Донская 45,1 28,8 0,9 1,2 0,9 21,1 7,1

Экспериментально установлено, что Донская глина способствует улучшению формовочных и сушильных свойств Новомосковской глины, в связи с чем ее используют как добавку к Новомосковской глине в количестве 15 - 20 %. Из шихт на основе Новомосковской и Донской глин производят лицевой кирпич марки М150 (состав 3, табл.2).

Установлено, что введение добавки техногенного компонента в шихты на основе Новомосковской глины в общем случае увеличивает показатель водопоглощения керамики, как и добавка Донской глины, но в большей степени. Так 10 % - е содержание TONSIL увеличивает рассматриваемый показатель практически на 3 % по отношению к Новомосковской глине, в то время как 10 % - я добавка пластичной глины не меняет рассматриваемый показатель. Вместе с тем, как следует из экспериментальных данных, совместное введение в состав шихты изучаемых добавок снижает влияние отдельного взятого компонента на показатель водопо-глощения. Так при комплексном содержании Донской глины и техногенного компонента в количестве 30 мас. %, водопоглощение составляет 8,0 -9,0 %, в то же время как при 30 % - м содержании отдельно взятых добавок рассматриваемый показатель варьируется в пределах 19,0 - 21,0 % (табл.2).

Выявленные закономерности обусловлены особенностями химического и минерального состава рассматриваемых добавок. В частности, интенсивное порообразующее действие TONSIL, несомненно, связано с высокими потерями массы при термообработке (рис.1). В Донской глине органических примесей содержится, практически, в два раза меньше.

Анализ усадки в обжиге показывает, что и TONSIL и Донская глина интенсифицируют процесс спекания Новомосковской глины. Причем, увеличение содержания добавок повышает усадку материалов в обжиге. Следовательно, можно утверждать, что степень спекания также возрастает. При этом наибольшая величина усадки, а значит и более высокое уплотнение, имеет место при совместном введении изучаемых добавок.

Показатель прочности на фоне возрастающей усадки изменяется слабо, что связано, по всей видимости, с достаточно интенсивно возра-

Таблица 2

Показатели спекания керамики исследуемых составов при температуре обжига 1100 °С

№ Глина Содержание, % масс. Водопогло-щение, В, % Прочность при сжатии, о (сигма), МПа

1 2 3 4 5

1 Новомосковская 100 9,4+1,0 38+1

2 Новомосковская 90 9,8+0,9 37+1

Донская 10

3 Новомосковская 80 12,7+1,1 37+3

Донская 20

4 Новомосковская 70 19,4+0,3 16+4

Донская 30

5 Новомосковская 90 12,6+0,9 14+3

TONSIL 10

6 Новомосковская 80 17,0+0,5 16+2

TONSIL 20

7 Новомосковская 70 21,6+0,3 10+4

TONSIL 30

8 Новомосковская 70 8,4+0,2 44+2

Донская 10

TONSIL 20

9 Новомосковская 70 8,8+0,6 41+5

Донская 20

TONSIL 10

10 Новомосковская 80 12,8+0,6 31+2

Донская 10

TONSIL 10

стающей пористостью, которая нивелирует упрочнение материала, несмотря на его уплотнение. Тем не менее, введение в состав шихты исследуемого компонента и увеличение общего содержания комплексной добавки до 30 мас. % способствует повышению прочности образцов по отношению к образцам промышленного состава. На основании чего можно предположить, что использование техногенного компонента не приведет к

снижению марки изделий. Таким образом, выполненные исследования показывают, что использование рассматриваемого техногенного продукта в комплексе с природным алюмосиликатным сырьём возможно для производства строительного кирпича, так как это обеспечивает показатель водо-поглощения в требуемых ГОСТом пределах при удовлетворительных значениях механической прочности. Основным способом формования керамического кирпича лицевого и строительного является экструзия из пластичных масс. Этот способ обеспечивает получение полуфабриката с эффективной поровой структурой более высокой плотности, чем способ полусухого прессования. Кроме того, при пластическом способе производства возможна реализация простой и экономичной технологической схемы, исключающей промежуточную сушку глин. Однако пластический способ требует использования формовочных масс с определенным комплексом реологических и структурно-механических свойств, что в ряде случаев является непреодолимым препятствием для использования формовочных систем, не обладающих достаточной пластичностью. Поэтому, для установления возможности использования TONSIL в массах для пластического формования исследовали реологические свойства масс, составы которых наиболее благоприятны для изготовления стеновой керамики с точки зрения показателей спекания и прочности. Для исследований из приведенных в табл. 2 составов нами выбраны составы под номерами 3, 8, 9, 10. Эксперимент проводили с использованием стандартных методик на установках Ребиндера и Толстого.

Исследуемый техногенный продукт не обладает пластичностью вследствие накопления за счет физической адсорбции органических продуктов, входящих в состав пищевого растительного масла. Масляная пленка на поверхности минеральных частиц препятствует их смачиванию и взаимодействию с водой, характерного для минералов глин. Вследствие этого, не происходит образования развитых коагуляционных оболочек и пластичного теста не образуется. Тем не менее, нами определено, что при введении TONSIL в исследуемых количествах (10 - 30 мас. %) в состав глинистых масс, имеет место образование пластичного теста с удовлетворительными реологическими свойствами, сопоставимыми со свойствами масс на основе природных глин. Установлено, что глинистые массы обладают формовочной влажностью 18,5 %. Введение техногенного компонента, выполняющего в данном случае роль отощителя, позволяет незначительно снизить этот показатель. Наименьшее значение формовочной влажности 17 % отмечено при равновеликом содержании в массах пластичной (Донская глина) и непластичной (техногенный компонент) добавок. При этом следует отметить увеличение показателя пластической прочности масс от 750 кПа для массы, не содержащей техногенного компонента до 1800 кПа при равновеликом содержании добавок (состав 10 табл.2). Это объясняется увеличением количества конденсационных кон-

тактов в результате перераспределения воды между гидрофильными и гидрофобными частицами и вытеснением жидкой фазы за счет положительного расклинивающего давления в межзёренные пустоты.

Пониженные значения формовочной влажности и повышенные значения пластической прочности свидетельствуют о том, что для масс исследуемых составов эффективной является жесткая экструзия. Однако развитая конденсационная структура формовочных масс может привести к хрупкому разрушению полуфабриката в процессе формования при повышенном давлении, так как в этом случае возможно преимущественное развитие упругих деформаций. Поэтому далее исследовали деформационные свойства масс на приборе Толстого при приложении напряжения сдвига. Установлено, что формовочная масса на основе Новомосковской и Донской глин относится к 5 структурно-механическому типу согласно классификации С.П. Ничипоренко и, следовательно, удовлетворительно формуется при повышенных затратах энергии. Тип структуры конденсационно-коагуляционный. Введение техногенного продукта в количестве 20 % за счет снижения содержания Донской глины приводит к резкому уменьше-

о о

нию пластической вязкости от 1080-10 Па-с (состав 3) до 48-10 Па-с (состав 8), в результате перехода воды в основном в иммобилизованное состояние. Следует отметить увеличение доли пластической деформации до 66 % от величины общих деформаций в результате необратимого разрушения контактов твердое-твердое. Вместе с тем координального изменения структуры пластической массы не происходит: масса остается в 5 структурно-механическом типе. Равновеликое содержание добавок обеспечивает равномерное развитие упругих быстрых и медленных деформаций на фоне значительных (около 70 %) пластических деформаций. Полуфабрикат характеризуется удовлетворительным формосохранением, однако массы требуют повышенных затрат энергии при формовании.

Таким образом, установлено, что исследуемый техногенный компонент можно использовать как добавку в составе масс для производства керамического кирпича пластическим способом на основе легкоплавких умеренно - и средне пластичных глин. Оптимальным количеством добавки как с точки зрения показателей спекания, так и с позиции формовочных свойств масс, является интервал от 10 до 20 мас. %.

Известия ТулГУ. Естественные науки. 2014. Вып. 1. Ч.2 Список литературы

1. Утилизация отходов угледобычи в технологии производства керамических строительных материалов / В.Г. Лемешев [и др.] // Стекло и керамика. 2004. №9. С. 30-32.

2. Кондратенко В.А., Пешков В.Н. Проблемы кирпичного производства и способы их решения // Строит. материалы Дайджест «Керамические строительные материалы» за 1996-2002 гг. 2003. С. 19-21.

3. Мелешко В.Ю. Керамические стеновые материалы, некоторые проблемы производства и применения // Строит. материалы Дайджест «Керамические строительные материалы» за 1996-2002 гг. 2003. С. 13-15.

Воробьева Вероника Валерьевна, Vorobjeva-VV@yandex.ru, канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология керамических и электрохимических производств», Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Леонов Владимир Григорьевич, leonov.grigorich@yandex.ru, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология керамических и электрохимических производств, г.Новомосковск, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

ECONOMY OF RESOURCES AND ENERGY IN MANUFACTURE OF A BUILDING BRICK

V.V. Vorobyova, V.G.Leonov

In article results of researches of possibility of use in manufacture of a ceramic building brick of technogenic product TONSIL which represents an industrial waste from clearing of vegetable oils are presented. Indicators of sintering of ceramics on the basis of middle and moderately plastic of clayes of the Tula area with the industrial waste additive are resulted, and also investigated reological properties of forming weights of investigated structures. The optimum maintenance of technogenic product TONSIL is recommended.

Key words: building brick - technology - savings of resources.

Vorobjeva Veronika, Vorobjeva-VV@yandex.ru, candidate of technical science, do-cent, department Ceramic Technology and Electrochemical Industries, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Leonov Vladimir, leonov.grigorich@yandex.ru, candidate of technical science, do-cent, manager of department Ceramic Technology and Electrochemical Industries, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk's Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University