Перспективы микроволнового спекания алюмосиликатной композиции в технологии керамики

УДК 666.3.022.6:537.868:539.2

И.А. ЖЕНЖУРИСТ, канд. техн. наук

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Перспективы микроволнового спекания алюмосиликатной композиции в технологии керамики

Приведены результаты исследования возможности спекания золожидкостекольной композиции, полученной на основе золы ТЭЦ-2 г. Казани, состоящей из 70% стеклофазы и 15% аморфной фазы, и Ново-Иркутской ТЭЦ с 44% кристаллической и 56% аморфной фазы. Золы состоят из полых остеклованных сфер и содержат минералы, которые входят в состав обожженного керамического материала, прежде всего кварц и муллит. На образцах, полученных методом прессования из порошка на основе золы и жидкого стекла, показаны результаты сравнительного анализа прочности образцов после термообработки в муфельной печи по традиционному в керамической технологии обжигу до 1000°С и термообработки в условиях микроволнового нагрева в электрическом поле СВЧ. Образцы, прошедшие облучение в поле СВЧ, показали большую прочность по сравнению с образцами после обычного термического нагрева. Показана структура спеченного материала и отличия в цвете образцов термического обжига и нагрева в печи СВЧ. На основании ранее проведенных исследований влияния поля СВЧ на алюмосиликатные композиции, учитывая различия содержания в золах доли активной аморфной фазы и отличия в прочностных показателях, высказано предположение о влиянии структуры алюмосиликата (доли кристаллической и аморфной фазы) на его реакционную способность в процессе спекания.

Ключевые слова: зола, жидкое стекло, поле СВЧ, полые остеклованные сферы, алюмосиликат.

Для цитирования: Женжурист И.А. Перспективы микроволнового спекания алюмосиликатной композиции в технологии керамики // Строительные материалы. 2017. № 4. С. 28-30.

I.A. ZHENZHURIST, Candidate of Sciences

Kazan State University of Architecture and Engineering

Prospects of Microwave Sintering of a Alumo-silicate Composition Using Ceramic Technology

Results of the study of sintering possibility of an ash-liquid glass composition produced on the basis of ash of the Thermal Power Station-2 of Kazan, consisting of 70% of glass phase and 15% of amorphous phase and ash of the Novo-Irkutsk TPP with 44% Of crystal phase and 56% of amorphous phase are presented. Ashes consist of hollow vitrified spheres and contain minerals which are part of the burned ceramic material, quartz and mullite first of all. On the basis of samples produced by pressing from the powder on the basis of ash and liquid glass, results of the comparative analysis of strength of samples after heat treatment in the muffle furnace according to the traditional burning in the ceramic technology up to 1000 °C and heat treatment under conditions of microwave heating in the electric field of ultra-high frequency are shown. Samples past irradiation in the ultra-high frequency field have shown greater strength comparing with the sample after conventional thermal heating. The structure of the sintered material and differences in color of the samples of thermal roasting and heating in the UHF furnace are shown. On the basis of the early conducted study of the effect of UHF field on the alumo-silicate compositions taking into account the difference in content of the active amorphous phase part in the ash and differences in strength indicators, it is assumed that the alumo-silicate structure of (share of crystal and amorphous phases) impacts on its reaction ability during the sintering process.

Keywords: ash, liquid glass, UHW field, hollow vitrified spheres, alumo-silicate.

For citation: Zhenzhurist I.A. Prospects of microwave sintering of a alumo-silicate composition using ceramic technology. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 4, pp. 28-30. (In Russian).

Повышение эффективности, экологической безопасности является важной задачей для технологии получения любых материалов и особенно керамических как обжиговых.

Разработка энергетически рациональной технологии связана с возможностью интенсификации процессов фазообразования на начальных стадиях структурных преобразований сырьевых композиций до завершения спекания отформованного конгломерата сырца.

Для реализации этого направления необходимо использование при формовании материала исходных компонентов высокой дисперсности и проведение спекания материала при минимальной скорости рекри-сталлизационных процессов. Это необходимо для получения мелкозернистой структуры материала, при которой реализуются повышенные эксплуатационные характеристики.

Первое условие в традиционной технологии обычно реализуется при длительном размоле и диспергировании исходных компонентов шихты, на которые затрачиваются значительные материальные и энергетические ресурсы предприятия. Возможно использование высокодисперсных порошков или высокоактивных, лучше наноразмерного уровня, модификаторов.

Второе условие реализуется при проведении спекания при пониженной температуре и высокой скорости

прохождения процесса. Это требование выполняется при спекании керамики в микроволновом (СВЧ) электрическом поле.

По сравнению с термическим способом нагрева, при котором тепло от теплоносителя к поверхности материала передается контактно и затем проникает в его объем, СВЧ-излучение обеспечивает избирательный нагрев поглощающих излучение компонентов с высоким коэффициентом полезного использования энергии, высокую мощность нагрева (более 100 Вт/см3), минимальную инерционность нагрева. Изнутри по всему локально выделенному объему нагрев характеризуется способностью материала поглощать СВЧ-энергию и преобразовывать ее в теплоту реагентов. Механизм поглощения излучения веществом, обусловленный электронной упругой поляризацией, наблюдается во всех диэлектриках (кристаллических, аморфных), к которым относятся основные фазы керамического материала [1].

Исследования поведения различных алюмосиликат-ных композиций под действием импульсного микроволнового излучения показали возрастание дисперсности исходных минеральных образований, изменение структуры тонкой фракции водных золей в процессе кристаллизации, увеличение доли фазовой структуры наноразмерного уровня обожженного материала, проч-

28

научно-технический и производственный журнал

апрель 2017

Ceramic building materials

Рис. 1. Микроструктура золы Казанской ТЭЦ-2

Зола ТЭЦ SiO2 AI2O3 TiO2 FeA CaO MgO Na2O+K2O ППП

Казань 48-52 21,5 0,6 5,6 4,5 2,8 1,85 8-19

Иркутск 56,22 24,5 0,6 7,8 4,2 1,7 1,45 1,32

ность которого была наибольшей [2—4]. Как показали исследования ИК-спектроскопии, эти процессы связаны с валентными и деформационными колебаниями связей кремне- и алюмосиликатных каркасов, деформацией силоксановых групп, переориентацией зарядов, что способствует повышению реакционной активности на границе раздела фаз, образованию ассоциатов и в присутствии модификатора — характерных структур [2]. Была отмечена повышенная активность кварца, особенно активированного алюмооксидным модификатором [2].

Эта технология реализуется в оксидных композициях и осложняется в полиминеральных массах из-за различной реакции каждого компонента сырьевой смеси на поле СВЧ, хотя есть примеры спекания силикатно-щелочной композиции в микроволновой печи [5, 6].

Для изучения возможности спекания алюмосили-катной композиции в поле СВЧ в качестве алюмосили-катного сырья выбрали золу — отход переработки угля на ТЭЦ. Золы, скопившиеся в больших количествах в Сибири, не находят должной утилизации и являются большой проблемой у энергетиков. Одновременно с этим остро стоит вопрос экологии.

Золы ТЭС являются эффективным сырьем для изготовления различных видов материалов: силикатного кирпича, зольной керамики, минеральной ваты, стекла. Зола состоит из стекловидных сфер, частично пустотных, размер которых колеблется от менее 1 до 100 мкм (рис. 1), и состоит из минералов, которые входят в состав обожженного керамического материала, прежде всего кварца и муллита [7, 8].

По традиционной керамической технологии для получения материала в глину (в зависимости от ее пла-

30

о

CL 1=

20

15

10

СВЧ  3

20

30 40

Давление прессования, МПа

50

стичности) добавляют от 10—40% золы, формуют, сушат и обжигают изделия. При этом на сырье, уже однократно прошедшее термическое воздействие, повторно затрачивают энергию и подвергают преобразованиям. Увеличение добавки золы приводит к повышению тре-щиноватости сырца, а глина должна быть достаточно пластичной, поскольку зола — это активный отощитель. В регионах страны, где скопилось много золы, например в Сибири, такого качества глин практически нет. Известен способ получения зольной керамики, где зола — основное сырье, а вяжущее — жидкое стекло. Однако и в этом случае предлагается традиционная технология высокотемпературного обжига [5, 8].

Проведены исследования по изучению возможности спекания образцов, отформованных из масс на основе золы ТЭЦ с жидким стеклом, в поле СВЧ. Образцы готовили методом прессования из порошка, полученного после увлажнения золы жидким стеклом плотностью 1,4 г/см3 в количестве 8—16%. Формовочная влажность 16% поддерживалась добавлением в жидкое стекло воды. Были опробованы составы с добавкой жидкого стекла менее 8%, но при этом сырец не имел достаточной прочности для посадки в печь. Формовали образцы-цилиндры диаметром 30 мм, высотой 50 мм при давлении прессования 20—50 МПа. Образцы, полученные с использованием разбавленного водой жидкого стекла и высокого давления, при быстром увеличении мощности облучения СВЧ трескались из-за большого давления паров воды. Образцы, полученные в одинаковых условиях, обжигали в муфельной печи до температуры 1000оС и выдержкой 1 ч. Термообработку образцов в микроволновой печи проводили при частоте поля 2450 МГц, плавном подъеме мощности до 600—800 Вт. В зависимости от состава общее время термообработки было 5—7 мин с выдержкой при максимальной мощности 1—2 мин. Составы на разбавленном водой жидком стекле выдерживались при низкой мощности на 1 мин дольше. Образцы осматривали, замеряли и испытывали прочность.

Для изучения процесса спекания были выбраны компоненты: зола ТЭЦ-2 г. Казани, состоящая из 70% кристаллической фазы и 15% аморфной фазы, и зола Ново-Иркутской ТЭЦ с 44% кристаллической и 56% аморфной фазы, состав которых приведен в таблице.

Результаты испытаний представлены на рис. 2, 3. Видно, что образцы, полученные при термообработке в поле СВЧ, имели превышенную прочность в сравнении с прочностью образцов, обожженных в печи. Причем у образцов из золы Ново-Иркутской ТЭЦ показатели выше, чем у образцов из золы Казанской ТЭЦ-2. Предположительно это связано с большим количеством наиболее реакционной аморфной фазы в составе золы Ново-Иркутской ТЭЦ. Усадка образцов лежала в преде-

30

20

Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии от давления прессования образцов с 8% добавки жидкого стекла на основе золы: 1, 2- Казанской ТЭЦ-2; 3, 4 - Ново-Иркутской ТЭЦ

о

Ср 1=

30 40

Давление прессования, МПа

Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии от давления прессования образцов с 16% добавки жидкого стекла на основе золы: 1, 2 - Казанской ТЭЦ; 3, 4 - Ново-Иркутской ТЭЦ

научно-технический и производственный журнал

У "rJt r=Jbr

M' r^il,

апрель 2017 29

8 12 16

Добавка жидкого стекла, %

Рис. 4. Зависимость усадки термически обработанных образцов на основе Ново-Иркутской ТЭЦ от количества добавки жидкого стекла и давления прессования: 1, 2 - 30 МПа; 3, 4 - 40 МПа

лах 3—7% в зависимости от добавки жидкого стекла и давления прессования (рис. 4), чуть меньше при термообработке в поле СВЧ. Водопоглощение образцов составило 14—18%. При определении водопоглощения образцы находились в воде несколько суток, видимых изменений массы не наблюдалось. Только у образцов, полученных при давлении прессования ниже 20 МПа и добавке жидкого стекла менее 8%, после суточной выдержки в воде наблюдалось обсыпание массы.

На рис. 1 показана структура спеченного материала. В структуре обожженного в СВЧ образца видно частичное слияние и преобразование стеклянных гранул золы при взаимодействии с жидким стеклом в единый пористый конгломерат. Высокотемпературные кристаллические фазы золы при взаимодействии с аморфным жидким стеклом и энергоактивацией полем СВЧ приводят к формированию прочного пористого каркаса алюмосиликата.

Внешний вид образцов, термически обработанных в микроволновой печи, отличается от образцов, полученных традиционным обжигом (рис. 5). Серо-бежевый цвет образцов из печи СВЧ и бежевый при традиционном обжиге. Для составов с большим содержанием жидкого стекла при повышении мощности излучения выше 700 Вт и выдержке более 0,5—1 мин начиналось плавление и точечное вспучивание массы. Этот процесс сопровождался красным калением, что в свою очередь приводило к изменению окраски в этой области до бежево-коричневого цвета.

На данной стадии исследования можно сделать вывод, что спекание композиций, состоящих из высокотемпературных минералов или компонентов, ранее подвергнутых

термической обработке,

а б ВОЗМОЖНО С ПОМОЩЬЮ

энергии поля СВЧ и наиболее предпочтительно, с точки зрения энергоэффективности и длительности термообработки материала. В качестве распространенного и сравнительно дешевого связующего может быть использовано жидкое стекло.

Рис. 5. Образцы из композиции с 16% жидкого стекла и золы НовоИркутской ТЭЦ после обжига в печи: СВЧ

Список литературы

1. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000. 494 с.

2. Женжурист И.А. Микроволновая обработка силикатов полем СВЧ с модификаторами на основе оксида алюминия // Стекло и керамика. 2015. № 7. С. 39—43.

3. Жужков А.В., Паукштис У.А., Криворучко О.П., Молина И.Ю., Ларина Т.В., Пармон В.Н. Особенности формирования Льюисовских центров при воздействии СВЧ излучения на гиббсит // Журнал физической химии. 2013. № 9. С. 1496-1506.

4. Знаменский Л.Г., Варламов А.С. Низкотемпературный синтез муллита в керамике по золь-гель процессу при электроимпульсном воздействии на коллоиды // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 4-5. С. 2-5.

5. Страхов А.В., Иващенко Н.А., Тимохин Д.К. Влияние активных минеральных наполнителей на формирование структуры и свойств энергоэффективных строительных композитов // Вестник СГТУ. 2012. № 3 (67). С. 228-230.

6. Суворов С.А., Туркин И.А., Дедовец М.А. Свойства корундо-циркониевых материалов, полученных саморазогревом в электромагнитном поле СВЧ // Огнеупоры и техническая керамика. 2003. № 6. С. 2-5.

7. Макаренко С.В., Коновалов Н.П. Исследование физико-химических свойств зол ТЭЦ-9 и Новой Иркутской ТЭЦ для применения в золощелочных вяжущих // Строительные материалы. 2011. № 6. С. 60-62.

8. Железный П.Н., Женжурист И.А., Хозин В.Г. Керамические строительные материалы на основе местного сырья и отходов теплоэнергетики Татарстана // Строительные материалы. 2004. № 8. С. 54-55.

References

1. Pavlov P.V., Khokhlov A.F. Fizika tverdogo tela [Physics of a solid body]. Moscow: Vysshaya shkola. 2000. 494 p.

2. Zhenzhurist I.A. Microwave processing of silicates by the field microwave oven with modifiers on the basis of aluminum oxide. Steklo i keramika. 2015. No. 7, pp. 39-43. (In Russian).

3. Zhuzhkov A.V., Paukshtis U.A., Krivoruchko O.P., Molina I.Yu., Larin T.V., Parmon V.N. Features of formation of the Lyyuisovsky centers at influence of the microwave oven of radiation on are gibbsite. Zhurnalfiziches-koy khimii. 2013. No. 9, pp. 1496-1506. (In Russian).

4. Znamensky L.G., Varlamov A.S. Low-temperature synthesis of mullite in ceramics on zol-gel to process at elec-tropulse impact on colloids. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2014. No. 4-5, pp. 2-5. (In Russian).

5. Strakhov A.V., Ivashchenko N.A., Timokhin D.K. Influence of active mineral fillers on formation of structure and properties of energy efficient construction composites. Vestnik SSTU. 2012. No. 3 (67), pp. 228-230. (In Russian).

6. Suvorov S.A., Turkin I.A., Dedovets M.A. Properties the corundum-zirconium materials received by self-heating in the electromagnetic field microwave oven. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2003. No. 6, pp. 2-5. (In Russian).

7. Makarenko S.V., Konovalov N.P. Research in physical and chemical properties of ashes of the thermal power plant-9 and new irkutsk tpp for use in ash-alkaline binders. Stroitel'nyeMaterialy [Construction Materials]. 2011. No. 6, pp. 60-62. (In Russian).

8. Zhelezniy P.N., Zhenzhurist I.A., Khozin V.G. Ceramic construction materials on the basis of local raw materials and waste of power system of Tatarstan. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2004. No. 8, pp. 54-55. (In Russian).

6

5

4

3

научно-технический и производственный журнал Г* fprAt r'g J liij]Lj г

апрель 2017 Й- ГЗИЫ^ 9