Оценка влияния технологических параметров на свойства керамического кирпича с использованием сталеплавильного шлака

УДК 666.7.011-022

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ШЛАКА

© 2011 г. И.Г. Довженко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет (Новочеркасский Technical University (Novocherkassk

политехнический институт) Polytechnic Institute)

Приведены основные закономерности изменения свойств керамического кирпича, изготовленного с применением различных способов формования и подготовки массы. На основании экспериментальных данных представлено влияние технологических параметров на цветность изделий

Ключевые слова: рециклинг; техногенный отход; сталеплавильный шлак; суглинок.

The basic laws of change of properties of the ceramic brick made with application of various methods of formation and preparation of mixture are given. On the basis of experimental data influence of technological parameters on chromaticity of products is presented.

Keywords: recycling; technogenic waste; steel-smelting slag; loam.

В настоящее время всё более актуальным направлением в производстве стеновых керамических материалов является создание новых ресурсосберегающих технологий, позволяющих наладить выпуск изделий высокого качества. При этом во многих регионах остается нерешенной проблема утилизации многотоннажных отходов различных отраслей промышленности, в том числе отходов электрометаллургического производства (сталеплавильные шлаки). Реализация этих задач возможна при их совместном решении путём вовлечения производственных отходов в процесс изготовления керамического кирпича.

Целью данной работы является исследование зависимостей изменения свойств керамического кирпича, полученного с применением суглинка и основного сталеплавильного шлака, от технологических параметров, а также рассмотрение влияния фазового состава на послеобжиговые свойства изделий.

При проведении экспериментов в качестве пластичного компонента применялся Власовский суглинок (число пластичности 13,6). Непластичные материалы представлены высоко- (ПК) и низкокалорийным шламами (НК) и отходом электрометаллургического производства— сталеплавильным шлаком СШ [1]. Подготовку керамических масс производили по сухому и пластическому способам. Формование образцов осуществ-

ляли полусухим и пластическим способами. Химический состав компонентов керамических масс и их шихтовые составы представлены в табл. 1, 2. Технологические параметры изготовления опытных образцов приведены в табл. 3.

Особое внимание было уделено вариации технологических параметров — способам подготовки и формования массы. Образцы контрольного состава 1.0 изготовляли с применением сухого способа подготовки керамической массы с последующим формованием по полусухому способу. Керамическую массу состава 1.1 приготовляли пластическим способом, образцы формовали полусухим способом. К недостаткам подготовки массы по сухому способу относятся высокая запылённость производственных помещений, неоднородность получаемого пресс-порошка, неравномерность увлажнения массы. Анализ послеоб-жиговых свойств, как правило, показывает, что у изделий, отформованных полусухим способом, наблюдается пониженная морозостойкость по сравнению с изделиями, изготовленными по пластическому способу. С целью устранить эти негативные последствия модифицированные составы изготовляли по пластическому способу подготовки массы (образцы серии 3 и 4) с применением сталеплавильного шлака в качестве компонента.

Таблица 1

Химический состав компонентов

Наименование Содержание, %

компонента SiO2 Fe2O3 AI2O3 TiO2 CaO MgO Na2O K2O SO3 ППП z

Суглинок 56,09 5,23 12,76 0,75 8,57 3,02 1,09 1,55 0,65 10,26 99,97

Власовский

Сталеплавильный 40,48 4,43 1,00 0,94 44,80 3,80 0,61 - - 3,70 99,76

шлак

Таблица 2

Шихтовые составы

Наименование компонента Содержание компонента для составов, %

1.0 1.1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3

Суглинок Власовский 98 98 90 85 80 90 85 80 90 85 80

Шлам ПК 1 1 - - - - - - - - -

Шлам НК 1 1 - - - - - - - - -

Сталеплавильный шлак - - 10 15 20 10 15 20 10 15 20

Таблица 3

Технологические параметры

№ Способ Влажность Способ Формовочная Давление

состава подготовки массы массы, % формования влажность, % прессования, МПа*

1.0 сухой 7 полусухой 7 20

1.1 пластический 20 -»- 7 20

2.1 7 7 20

2.2 сухой 7 -»- 7 20

2.3 7 7 20

3.1 20 7 20

3.2 пластический 20 -»- 7 20

3.3 20 7 20

4.1 20 20 -

4.2 пластический 20 пластический 20 -

4.3 20 20 -

Примечание. * — значения приводятся для образцов, отформованных полусухим способом.

Для контроля эффективности введения шлака СШ в шихту при подготовке массы по пластическому способу для составов серии 2 применялся сухой способ. Максимальная температура обжига образцов 1000 оС при изотермической выдержке в течение 1 ч.

Свойства шлака СШ приведены в табл. 4. Как видно из табл. 4, гранулометрический состав СШ характеризуется преобладанием фракции с размером зёрен менее 0,16 мм, что позволяет использовать его в производстве стеновых материалов, минуя стадию помола. Это особенно важно вследствие экономии средств, затрачиваемых на закупку и последующую эксплуатацию оборудования

по измельчению шлака, а также снижения износа остального технологического оборудования.

Послеобжиговые свойства образцов приведены в табл. 5.

Из табл. 5 видно, что введение сталеплавильного шлака в керамические массы способствует повышению предела прочности на сжатие и морозостойкости образцов. Остальные параметры находятся в пределах допустимых значений, установленных ГОСТ 530—2007 [2]. Наибольшее значение механической прочности наблюдается у образцов состава 3.2, изготовленных по способу пластической подготовки массы и полусухому формованию, и образцов состава 4.3, изготовленных с

применением пластической подготовки массы и отформованных пластическим способом. При этом у образцов состава 3.2 морозостойкость на 9 циклов ниже, чем у образцов состава 4.3.

Для изучения фазового состава образцов составов 1.0 (контрольный) и 4.3 (с использованием шлака) применялись рентгенографические исследования. На рентгенограмме состава 1.0 были идентифицированы фазы р -кварца (4,26; 3,35;

2,13; 1,82), анортита СаО • А1203 • 2SiO2 (3,20;

2,51), гематита а- Fe2Oз (2,69; 1,46). Наличие в фазовом составе образца 1.0 гематита объясняет красный цвет керамического черепка. Образование анортита происходит при взаимодействии метакаолинита с карбонатом кальция по традиционной схеме [3, 4]:

А1203 • 28Ю2 • 2Н20 —823-873К > А1203 • 28Ю2 +

+ 2Н20;

А1203 • 28Ю2 + СаС03 = = СаО • А1203 • 28Ю2 + С02 Т;

СаСО3 ^ СаО + СО2 Т;

А12О3 • 2SiO2 + СаО = = СаО • А12О3 • 2SiO2.

Рентгенограмма состава 4.3 показывает наличие в керамическом черепке фаз р -кварца (4,26; 3,35;

2,13; 1,82), анортита СаО • А12О3 • 2SiO2 (4,04;

3,20; 2,52), волластонита р- СаО • SiO2 (2,98;

2,56), фассаита Са^,Ре+3,Ре2+,А1)[,А1)2О6 ]

(2,99; 2,02) [5]. По результатам РФА в керамическом черепке образца 4.3 фаза гематита отсутствует. Наличие в керамическом черепке 4.3 фаз анортита и волластонита объясняет повышение предела прочности на сжатие и морозостойкости образцов.

Таблица 4

Характеристики шлака СШ

Модуль основности М0 Тип шлака Отпускная влажность, % Насыпная кг плотность, —— м Остатки на ситах, %

2,5 1,0 0,63 0,315 0,16 <0,16

1,17 основной 3 980 17,8 6,5 5,5 6,7 9,1 54,4

№ состава Водо-пог-лощение, % Средняя плотность, кг ^ Предел прочности на сжатие, МПа Морозостойкость, цикл Цвет черепка

1.0 14 1806 29,9 15 красный

1.1 14 1820 36,4 25 -»-

2.1 13 1840 37,2 25 -»-

2.2 13 1865 46,6 27 светло-красный

2.3 14 1835 40,3 24 -»-

3.1 12 1830 45,2 33 коричневый

3.2 12 1875 55,3 36 светло-коричневый

3.3 13 1840 51,0 35 -»-

4.1 15 1782 56,0 39 жёлтый неоднородный

4.2 15 1800 63,2 43 жёлтый

4.3 15 1840 69,6 45 -»-

Таблица 5

Физико-механические, эксплуатационные и эстетико-потребительские свойства образцов

Согласно экспериментальным данным, на цвет керамического черепка влияют различные способы обжига и охлаждения, состав керамической массы.

Осветление черепка происходит за счёт нейтрализации окрашивающего действия гематита и образования фаз, имеющих более высокие значения коэффициентов отражения.

В связи с вышесказанным отметим, что ввод сталеплавильного шлака в шихту позволяет получать изделия с повышенными прочностными и эксплуатационными показателями, высокой архитектурной выразительностью, которая обеспечивается за счёт объёмного окрашивания керамического черепка в светлые тона. Технологические параметры производства выбираются исходя из эксплуатационных условий.

Реализация вышеперечисленных технологических особенностей производства керамического кирпича с применением основного сталеплавильного шлака в качестве добавочного компонента в грубозернистых массах даёт возможность получать изделия высокого качества на основе легкоплавких суглинков. Таким образом, рецик-

линг сталеплавильного шлака способствует выполнению стратегически важной для современной экономики задачи— обеспечения жилищного строительства качественными стеновыми материалами сравнительно низкой стоимости, изготовленными на основе местного низкосортного глинистого сырья и техногенных отходов.

Литература

1. Довженко И.Г., Зубехин А.П. Разработка состава и исследование свойств керамического кирпича на основе суглинков и промышленных отходов // Студенческая весна 2010: материалы региональной науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных вузов Ростовской области. Новочеркасск, 2010.С. 284— 285.

2. ГОСТ 530-2007. Кирпич и камни керамические. Общие технические условия.

3. Будников П.П., Гинстлинг A.M. Реакции в смесях твердых веществ. 3-е изд., испр. и доп. М., 1971. 488 с.

4. Зубехин А.П., Голованова С.П., Кирсанов П.В. Белый портландцемент / под ред. А. П. Зубехина. Ростов н/Д, 2004. 264 с.

5. Дир У.А, Хаум P.A., Зусман Д.Р. Породообразующие минералы. Т. 2: Цепочечные силикаты. М., 1965. 405 с.

Поступила в редакцию 30 ноября 2010 г.

Довженко Илья Георгиевич — аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-951-521-63-90. E-mail: dovz-ig@yandex.ru

Dovjenko Iliya Georgievic — post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Tel. 8-951-521-63-90. E-mail: dovz-ig@yandex.ru