СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КРЕМНЕЗЕМИСТОЙ КЕРАМИКИ
METHOD OF MAKING ARTICLES FROM SILICA CERAMICS

Изобретение относится к области производства строительных и дорожных материалов и может быть использовано при производстве таких изделий, как кирпич лицевой, плита облицовочная фасадная, плита тротуарная, камень бортовой и т.д.
Известен способ изготовления керамических изделий [1] из сырьевой смеси, содержащей, мас.%: молотый песок 30-60, вяжущее вещество - известково-натриевый полевой шпат или доусенит, или нефелин в сочетании с боратом или галогенидом натрия при их соотношении 0,5:1,5-1:15-10, наполнитель 3-15, немолотый кварцевый песок - остальное.
Способ заключается в том, что часть песка и вяжущее вещество подвергают тонкому помолу, смешивают с немолотым песком, увлажняют до 7-10%, брикетируют на поддонах при давлении 7-15 МПа, сушат при 250-300°С в течение 70 минут, обжигают при 900-1000°С в течение 90 минут.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- применение в качестве вяжущего вещества полевого шпата, доусенита, а тем более нефелина в сочетании с боратом и галогенидом натрия не позволяет получить достаточную прочность изделий во влажном состоянии после брикетирования, что может привести к значительному браку изделий при их транспортировке на сушку;
- все указанные в [1] связующие вещества являются плавнями и расплавляются в интервале температур 900-1200°С, образуя стекловидную фазу в материале. Но основным материалом керамики является кремнезем, который уже при 870°С совершает фазовый переход в тридимит, при этом объемные изменения в материале достигают 15%, что может быть причиной разрушения изделий при обжиге. Поэтому температура обжига кремнеземнистой керамики или не должна превышать 870°С или лежать в пределах 1100-1400°С;
- связующие вещества дозируются в кремнеземнистую смесь в количестве не более 10 мас.%, что недостаточно для получения заданных физико-механических свойств изделий, поэтому приходится дополнительно вводить аморфные наполнители (стеклобой и др.), что усложняет процесс изготовления изделий и увеличивает их себестоимость.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ изготовления кремнеземнистой керамики [2] на основе кварцевого песка. Способ заключается в том, что приготовление исходной смеси производится совместным помолом кремнезема, оксида кальция и бишофита с последующим перемешиванием с немолотым песком, увлажнением раствором едкого натра и аэрированием в скоростной мешалке поверхностно-активным веществом (ОП-7 или ОП-10).
Данный способ позволяет после формования, сушки и обжига получить изделия с высокими служебными характеристиками при следующем соотношении компонентов, мас.%:
мелкодисперсный кремнезем
10-90
оксид кальция
2-5
бишофит
0,5-1,5
едкий натр (в пересчете на Na<sub>2</sub>O)
1-7
поверхностно-активные вещества (сверх 100%)
0,1-0,5
немолотый кварцевый песок
остальное
Приготовленная таким образом смесь приобретает свойство формуемости за счет добавки оксида кальция, а также в результате взаимодействия раствора едкого натра с активированным мелкодисперсным кремнеземом.
Высокая прочность полученных после обжига изделий обеспечивается равномерностью распределения натрийсодержащего компонента, который добавляется в виде раствора, а также за счет смешивания и аэрации смеси с поверхностно-активным веществом.
Однако данный способ имеет существенные недостатки:
- сырая прочность заформованных изделий не превышает 0,09-0,15 МПа, что затрудняет автоматизацию процесса их транспортировки на сушку (приходится использовать поддоны и т.п.), усложняет технологию и снижает производительность производственного процесса;
- выбранный интервал температуры обжига (790-840°С) не позволяет завершить равномерное по сечению структурообразование керамики, что может привести к снижению качества крупногабаритных и массивных кремнеземистых изделий. Целью предлагаемого изобретения является повышение физико-механических свойств кремнеземистой керамики перед сушкой и изменение температурного интервала обжига керамических изделий.
Техническим результатом является:
- увеличение сырой прочности заформованных изделий, позволяющее использовать высокопроизводительное формовочное и транспортное оборудование, автоматизировать процесс изготовления, сушки и обжига кремнеземистых изделий;
- расширение интервала температур обжига, позволяющее оптимизировать структуру и химический состав материала керамики, что гарантирует высокое качество изделий из нее.
Указанный технический результат достигается тем, что в кремнеземистой керамике, включающей немолотый кварцевый песок, кремнезем, кварцево-глауконитовый песок, калийсодержащий и щелочесодержащий компоненты, а также ПАВ, в качестве кальций содержащего компонента вместо оксида кальция используется портландцемент, а в качестве щелочесодержащего компонента едкий натр или кальцинированная сода при следующем содержании компонентов, мас.%:
кремнезем
10-90
кварцево-глауконитовый песок
2-5
портландцемент
2-8
едкий натр или кальцинированная сода (в пересчете на Na<sub>2</sub>O)
1-7
немолотый кварцевый песок
остальное
поверхностно-активные вещества (сверх 100%)
0,1-0,5
Приготовление исходной смеси производится совместным помолом кремнезема, кварцево-глауконитового песка и портландцемента, перемешиванием смеси с немолотым песком, увлажнением раствором едкого натра или кальцинированной соды до влажности 5-7%, аэрированием в скоростной мешалке поверхностно-активным веществом. Заформованные изделия подвергают сушке до остаточной влажности 1% и обжигу при температуре 800-1000°С.
Сущность изобретения состоит в том, что использование портландцемента марки 400 и выше позволяет повысить сырую прочность заформованных изделий до 0,8-1,2 МПа, избежать трещин и сколов при транспортировке их на сушку. При содержании цемента в смеси менее 2 мас.% сырая прочность не достигает 0,5-0,6 МПа, т.е. недостаточна для создания автоматизированного производства. При содержании цемента более 8 мас.% снижается подвижность смеси и ухудшается ее формуемость.
2
2
3
2
2
2
5
Кварцево-глауконитовый песок Городищенского месторождения кроме кремнезема содержит в своем составе фосфаты в количестве 3-5 мас.%, КО до 8 мас.%, СаО до 10 мас.%, ALО до 15 мас.%, MgO в количестве 3-4,5%. Известно, что при замене в керамических растворах NаО на КО растворимость кварца возрастает, что позволяет интенсифицировать обжиг кремнеземнистых изделий. Наличие в кварцево-глауконитовом песке 3-5 мас.% РO замедляет перерождение кварца в тридимит в интервале температур обжига и способствует повышению прочности кремнеземистых изделий.
2
При расширении интервала температур обжига до 1000-1100°С силикаты кальция взаимодействуют с кремнеземом, что приводит к образованию волластонита Ca·SiO [4]. Наличие волластонита позволяет получать керамику с минимальной усадкой, что способствует повышению размерной точности изделий.
Использование кальцинированной соды вместо едкого натра позволяет на 20-25% снизить себестоимость кремнеземнистых изделий без ухудшения их служебных характеристик. Для получения самоглазурующихся кремнеземнистых изделий необходимо использовать едкий натр.
Параметры предлагаемого способа изготовления изделий из кремнеземнистой керамики характеризуются следующими примерами.
Приготавливались смеси (табл.1), из которых прессовались и виброформовались изделия: смесь №1 - лицевой кирпич; №2 - тротуарная плитка; №3 - плита облицовочная фасадная; №4 - камень бортовой.
В табл.2 приведены физико-механические свойства указанных изделий, обожженных при различных температурах.
Предлагаемый способ изготовления кремнеземнистой керамики впервые реализован авторами, обладает научной новизной и является, по мнению авторов, основанием для выдачи патента на изобретение. Для заявленного способа получения кремнеземнистой керамики в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью выше описанных технологических приемов и режимов изготовления изделий.
Предлагаемый в данном изобретении способ изготовления кремнеземнистой керамики при его осуществлении обеспечивает реализацию заявляемого технологического результата. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «Промышленная применимость».
Источники информации:
1. Айвазов М.И. и др. Патент РФ С04В 35/14, №2135431, 1999 г.
2. Шамрей А.В. и др. Патент РФ 7 С04В 35/14, №2191757, 2002 г.
3. Стеклоэмаль и эмалирование металлов. Вып. II, 1974, стр.37.
4. А.И.Августиник Керамика. 2-е изд. 1975, стр.121-122.
Таблица 1
Наименование компонентов и параметров способа
Содержание компонентов смеси, %
№1
№2
№3
№4
кварцевый песок
82
69
35
-
кремнезем
10
20
50
83
Портландцемент
4
5
6
7
кварцево-глауконитовый песок
2
3
4
4
едкий натр (в пересчете на Na<sub>2</sub>O)
2
-
-
6
кальцинированная сода (в пересчете на Na<sub>2</sub>O)
-
3
5
-
ОП-10 (сверх 100%)
0,1
0,1
0,3
0,5
Параметры способа
Удельная поверхность смеси после механической обработки, см<sup>2</sup>/г
4000
4000
4500
5000
Время перемешивания смеси, мин
5
5
6
6
Время аэрации смеси, мин
2
2
3
3
Способ изготовления
полусухое прессование
полусухое прессование
виброфор-мование
виброфор-мование
Масса изделия, кг
4
19
25
50
Продолжительность сушки, час
3
5
8
15
Прочность смеси в сыром состоянии, МПа
0,08
0,085
0,1
0,12
Продолжительность обжига, час
5
7
10
24
Таблица 2
Наименование показателей после обжига
Примеры
№1
№2
№3
№4
температура обжига, °С
790
900
800
950
900
1000
1000
1100
Предел прочности при сжатии, МПа
32
48
40
55
74
80
140
110
Предел прочности при изгибе, МПа
14
23
18
25
32
35
68
50
Водопоглощение, %
6
6
7
4
4
2
1
2
Морозостойкость, циклы
45
50
50
65
60
70
90
80
Истираемость, г/см2
-
-
0,1
0,08
-
-
0,06
0,07