аціональний університет “Львівська політехніка”

ЛУЦЮК ІРИНА ВОЛОДИМИРівна

УДК 666.64.492

КЕРАМЗИТОВИЙ ГРАВІЙ ПОКРАЩЕНОЇ ЯКОСТІ З ВИКОРИСТАННЯМ САПОНІТОВОЇ ПОРОДИ

05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” на кафедрі хімічної технології силікатів Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Гивлюд Микола Миколайович,

завідувач кафедри хімічної технології силікатів Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор

Свідерський Валентин Анатолійович,

завідувач кафедри хімічної технології композиційних матеріалів Національного університету “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України;–

кандидат технічних наук

Черняк Лев Павлович,

старший науковий співробітник, начальник управління кераміки корпорації “Укрбудматеріали”

Провідна установа – | Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Міністерства освіти і науки України

ахист відбудеться “20” грудня 2005р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 в Нацiональному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, пл. Святого Юра 9, навчальний корпус 9, кім. 214.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. Професорська 1).

Автореферат розісланий “16” листопада 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент В.М. Атаманюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. учасний розвиток науки і техніки вимагає створення як нових, так і вдосконалення існуючих матеріалів з метою надання їм необхідних властивостей, які визначаються областю застосування і умовами експлуатації. Сьогоденні вимоги до будівництва потребують забезпечення будівельної індустрії високоефективними, в тому числі конструкційно-теплоізоляційними матеріалами, серед яких важливе місце займає керамзитовий гравій. У зв‘язку з обмеженими запасами або повною відсутністю добре спучуючої глинистої сировини перед діючими керамзитовими заводами гостро стоїть проблема отримання високоякісного керамзитового гравію, що має стабільні показники за насипною густиною, міцністю, термостійкістю.

Використання жаростійкого теплоізоляційного бетону потребує збільшення випуску керамзитового гравію із заданими термомеханічними параметрами, що не може бути реалізовано без розширення сировинної бази керамзитового виробництва. При цьому першочергова увага повинна бути приділена питанням досягнення належної механічної міцності гранул і необхідних теплофізичних властивостей.

Коригування мас існуючими сировинними додатками не забезпечує отримання продукції необхідної якості, що вимагає здійснювати пошук більш ефективних та дешевих матеріалів.

Тому дослідження, спрямовані на розширення сировинної бази виробництва керамзитового гравію за рахунок місцевих полімінеральних глинистих порід різного ступеня спучуваності, а також магнійзалізовмісної глинистої породи, при одночасному підвищенні якості і особливо міцності та термостійкості заповнювача, розробка технологічних параметрів виробництва та вивчення можливостей управління процесами структуро і фазоутворення при випалі керамзитового гравію на їх основі, є актуальними.

Звязок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалася згідно з науково-технічною програмою “Наукові засади і розроблення сучасних видів силікатних і тугоплавких неметалічних матеріалів різного функціонального призначення” (Постанова Державного комітету України з питань науки та технологій №12 від 04.05.1992 р.) та проекту Державного комітету України з науки, техніки і промислової політики №0104U002324 “Фізико-хімічні основи регулювання фазового складу і властивостей захисних покрить поліфункціонального призначення”.

Мета і задачі досліджень. етою роботи є розробка технології отримання керамзитового гравію підвищеної міцності і термостійкості за рахунок спрямованого регулювання складів мас та управління процесами структуро- і фазоутворення при випалі гранул.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні завдання:– |

теоретично обгрунтувати вибір шляхів підвищення якісних показників керамзитового гравію за рахунок спрямованого керування процесами структуро- і фазоутворень при нагріванні мас різного хіміко-мінералогічного складу; | вивчити характер і закономірності фазових перетворень при нагріванні магнійзалізовмісної глинистої породи;– | встановити можливість комплексного використання в масах для виробництва керамзиту сапонітової породи (СП) і каоліну та визначити оптимальні склади мас; | вивчити вплив магнійзалізовмісної глинистої породи і каоліну на зміну структурної в’язкості мас при нагріванні і формування структури та фазовомінерального складу гранул керамзиту; | дослідити експлуатаційні властивості керамзиту та їх взаємозв’язок із фазовим складом; | провести промислову апробацію розробленого керамзитового гравію, обгрунтувати раціональні області використання та визначити техніко-економічну ефективність його виробництва. | Обєкт дослідження: керамзитовий гравій покращеної якості, отриманий на основі глин різного хіміко-мінералогічного складу з використанням магнійзалізовмісної сапонітової породи.

Предмет дослідження: процеси структуро- і фазоутворення в глинистих масах при термообробці та шляхи їх спрямованого регулювання.

Методи досліджень: Під час виконання дисертаційної роботи використовувався комплекс фізико-хімічних методів випробувань та аналізу.

Визначення фізико-хімічних властивостей сировинних матеріалів та експлуатаційних властивостей керамзитового гравію проводилося відповідно до існуючих ДСТУ та ГОСТів.

Для вивчення фізико-хімічних процесів у глинистих масах у процесі їхньої термообробки та дослідження структури, фазового складу керамзитового гравію використано рентгенофазовий (ДРОН–3), диференційно-термічний (дериватограф D1500 фірми “МОМ”), ІЧ-спектроскопічний (спектрофотометр “SPECORD – 75 IR”), електронномікроскопічний (ЭММА2, TESLA–BS–300) методи аналізу. Для оптимізації складів матеріалів використано методи експериментально-статистичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі виконаних експериментальних і теоретичних досліджень одержано такі нові результати:– |

вперше показана можливість спрямованого регулювання фазового складу керамзитового гравію шляхом введення до складу маси магнійзалізовмісної глинистої сировини – сапонітової породи Хмельницької області;– | з допомогою комплексу методів фізико-хімічних аналізів встановлені закономірності зміни фазового складу та структурної в‘язкості сапонітової породи при нагріванні; – | в системі “глина – сапонітова порода – каолін” одержані дані про кераміко-технологічні та експлуатаційні властивості, особливості спучування та фазовий склад керамзитового гравію. Показано зв‘язок його підвищеної термостійкості і хімічної стійкості з наявністю новоутворених кристалічних фаз: шпінелі, муліту, кордієриту;– | показана принципова можливість отримання керамзитового гравію з високими показниками коефіцієнта конструктивної якості, міцності, термостійкості, хімічної стійкості на основі глинистих порід різного хіміко-мінералогічного складу. | Практичне значення одержаних результатів. Застосування розроблених мас дозволяє в комплексі вирішити проблему розширення сировинної бази керамічної промисловості, покращити як міцнісні показники керамзитового гравію, так і його термостійкість. Випуск дослідних партій керамзитового гравію на Самбірському керамзитовому заводі із глиносапонітових і глиносапонітокаолінових мас показав можливість отримання керамзитового гравію з підвищеними міцнісними і термічними характеристиками.

На ЗАТ “Вістовицький завод будівельної і художньої кераміки” проведена промислова апробація розробленого керамзитового гравію при виготовленні блоків футеруваня вагонеток випалу цегли, що дозволило підвищити термін служби футерування в 2–2,5 рази порівняно з футеруванням вагонеток на основі шамотної цегли.

Техніко–економічні розрахунки, виконані на базі одержаних результатів, свідчать про технологічну ефективність, економічну доцільність і перспективність запропонованих складів керамзитового гравію, що може використовуватися в складах жаростійких теплоізоляційних бетонів.

Особистий внесок здобувача полягає в самостійному проведенні експериментальних досліджень та їх аналітичному обгрунтуванні (критичний аналіз літератури та науково-технічних джерел, вибір методик досліджень та їх проведення, обробка отриманих результатів). Постановка завдання, обговорення результатів досліджень, їх інтерпретація, узагальнення, формулювання важливих положень, висновків та написання статей проводилися разом із науковим керівником, д.т.н., професором Гивлюдом М.М., а також із к.т.н., доц. Солохою І.В. та к.т.н., доц. Поною М.Г.

Особистий внесок здобувача в наукову роботу полягає в:– |

теоретичному обгрунтуванні й експериментальному підтвердженні підвищення міцності і термічної стійкості керамзитового гравію за рахунок введення до складу мас магнійзалізовмісної сапонітової породи і каоліну;– | дослідженні структурнофазових перетворень, що відбуваються при нагріванні розроблених глиносапонітових мас;– | оптимізації складів керамзитового гравію і дослідженні його фізико-механічних і термічних властивостей. | Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на: Міжнародних науково-технічних конференціях “Ресурсо- і енергозберігаючі технології в хімічній промисловості і виробництві будівельних матеріалів” (Мінськ, 2000, 2003рр.), Міжнародній науково-технічній конференції “Новые технологии в химической промышленности” (Мінськ, 2002р.), Міжнародних науково-технічних конференціях “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности” (Харків, 2000–2003рр.), Другій Міжнародній науково-технічній конференції “Композиционные материалы” (Київ, 2001р.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національного університету “Львівська політехніка” (1999-2005рр.).

Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковано 15 друкованих праць, в тому числі 5 статей у фахових науково-технічних журналах, 8 тез доповідей та отримано 2 патенти України №38033 А і №46967 А.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, пяти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел (176 найменувань) та 3 додатків. Робота викладена на 144 сторінках машинописного тексту, містить 15 таблиць, 37 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі бгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано її основну мету та завдання, які необхідно було вирішити під час виконання роботи. Приведені найбільш важливі положення, одержані автором, що мають наукову і практичну цінність.

У першому розділі “Аналіз літератури” здійснено аналіз науково-технічної літератури щодо фізико-хімічних основ спучування керамзитового гравію. Виявлено загальні закономірності впливу структури й текстури керамзиту на його основні властивості. Особливу увагу зосереджено на методах підвищення фізико-механічних, термічних і хімічних властивостей керамзитового гравію.

Показано, що розробка нових складів пористого запонювача з високими експлуатаційними властивостями є важливим та актуальним питанням.

На основі проведено аналізу можна стверджувати, що найбільш доцільно при виготовленні керамзитового гравію з покращеними експлуатаційними властивостями використовувати як додаток глинисту сировину із підвищеним вмістом оксидів магнію, заліза та алюмінію. Однак використання її в складі керамічних мас потребує детального дослідження хіміко-мінералогічного складу, структури і властивостей як вихідних матеріалів, так і продуктів їх термообробки. Такі дослідження раніше не проводилися.

Відомості, отримані під час вивчення літературних джерел, підтверджують актуальність постановки та виконання роботи у вибраному напрямі.

У другому розділі “Характеристика об’єктів і експериментальних методів досліджень” наведено характеристику сировинних матеріалів, які використовувалися в роботі, описано основні методи фізико-механічних і термічних досліджень властивостей керамзитового гравію.

Властивості лабораторних зразків і промислових виробів визначали, користуючись стандартними та загальноприйнятими в технології кераміки методиками.

Вивчення фізико-хімічних процесів у глинистих масах під час їх термообробки та дослідження структури, фазового складу керамзитового гравію здійснювали за допомогою комплексу сучасних фізико-хімічних методів аналізу: рентгенівської дифрактометрії, електронної мікроскопії, диференційної термографії, інфрачервоної спектроскопії, дилатометрії.

Для дослідження процесів, що відбуваються при випалі керамзитового гравію, застосовано метод визначення структурної в’язкості (за швидкістю прогину зразка під навантаженням). Термічну стійкість зразків визначали методом теплозмін до їх руйнування.

Оптимізацію складу розробленого керамзитового гравію проводили за допомогою методів експериментально-статистичного моделювання з використанням дисоціативно-крокового методу оптимізації.

Під час проведення експериментів використовували глини різного хіміко-мінералогічного складу і різного ступеня спучуваності, а саме Яворівського, Самбірського і Городоцького родовищ Львівської області. Як додатки вибрані сапонітова порода Хмельницької області та каолін Глуховецького родовища.

У третьому розділі “Розробка складів глинистих мас для формування керамзиту з підвищеними міцністю та термостійкістю” вивчено роль сапонітової породи у формуванні структури керамзитового гравію.

Проведений хімічний аналіз показав, що сапонітова порода характеризується підвищеним вмістом оксиду алюмінію (до 12%), заліза (до 13%) і магнію (до 10%).

В результаті комплексного вивчення магнійзалізовмісної сапонітової породи визначені фазовий склад та особливості структури як вихідного матеріалу, так і після його термообробки. Згідно з рентгенофазовим аналізом у досліджуваній сировині сапоніт і гідрослюда є основними породоутворюючими мінералами. Домішки представлені переважно кварцом, гематитом, лепідокрокітом і карбонатами.

За даними рентгенофазового аналізу в процесі нагрівання сапонітової породи до 900С повністю зникають дифракційні максимуми як гідрослюди, так і сапоніту та фіксується кристалізація шпінелі і гематиту. При нагріванні до 1000С утворюється муліт і кристобаліт, а в інтервалі 1100–1150С – кордієрит.

Для досліджень використано по 12 складів мас на основі кожної з вказаних глин (рис. 1).

Рис. 1. Склади досліджуваних мас

Для з’ясування механізму дії додатків магнійзалізовмісної сапонітової породи і каоліну на процес спучування глинистих мас і формування структури гранул керамзиту були одержані криві зміни структурної в’язкості в процесі нагрівання як вихідних глинистих порід, так і глинистих мас із вказаними додатками (рис. 2). Визначення структурної в’язкості глинистих сапонітовмісних мас проводили з використанням глинистих порід різного хіміко-мінералогічного складу та ступеня спучування. На основі отриманих результатів можна стверджувати, що сапонітова порода сприяє зниженню температури початку пластичної деформації в середньому на 10–50С, а також спостерігається зміщення аномальних ділянок на кривих в’язкості, характерних для глин, в область більш низьких температур. Це можна пояснити активною флюсуючою дією як оксидів заліза, так і оксидів магнію, що сприяє руйнуванню структури глинистих мінералів.

Криві в’язкості глиносапонітових мас у температурному інтервалі 800–1000?С зміщуються в область більш низьких значень порівняно з чистими глинистими породами, що свідчить про більшу легкоплавкість системи. Поряд із початком утворення розплаву при порівняно низьких температурах забезпечується розширення температурного інтервалу спучування за рахунок зниження нижньої границі початку спучування і сприяє кращій поризації матеріалу в піропластичному стані газоподібними продуктами, що виділяються. В той же час різке падіння структурної в’язкості в температурному інтервалі спучування приводить до формування нерівномірно пористої структури заповнювача. |

Рис. 2. Вплив додатків на зміну структурної в‘язкості самбірської глини при нагріванні: 1 – без додатку; 2 – 30% СП; 3 – 40% СП; 4 – 27% СП і 9% каоліну |

Додаток сапонітової породи до глинистих мас змінює характер ходу кривих структурної в’язкості. Так, для мас із вмістом 30...40 мас.% сапонітової породи абсолютні значення структурної в’язкості в температурному інтервалі спучування вищі, ніж у глинистих масах. Поява додаткового максимуму в інтервалі температур 10501150С на кривих в’язкості глиносапонітових мас, особливо при додаванні каоліну, обумовлена, очевидно, утворенням нових кристалічних фаз і насиченням рідкої фази додатковою кількістю алюмосиліційкисневих комплексів, вивільнених у результаті руйнування сапонітової породи. Можна припустити, що лужні катіони сапонітової породи сприяють виникненню в розплаві, крім зв’язків Si–O–Si, також зв’язків Si–O–Al із збільшенням долі тетраедрів AlO4, а катіони Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+ дроблять комплекси Si–O–Al, переводячи групи AlO4 в AlO6. Присутність у розплаві силіційкисневих, алюмосиліційкисневих і алюмокисневих комплексів сприяє утворенню підвищеного вмісту муліту в випалюваному матеріалі і, як наслідок, приводить до підвищення міцності та термостійкості.

Додавання каоліну до глиносапонітових мас змінює характер ходу кривих структурної в’язкості в процесі їх нагрівання. Так, введення каоліну в межах 6–9 мас.% викликає підвищення температури початку пластичних деформацій і збільшення структурної в’язкості в температурному інтервалі спучування. Вищий вміст каоліну затруднює спучування гранул внаслідок стрімкого наростання структурної в’язкості. Тому, з практичних міркувань, оптимальний вміст каоліну в масах не повинен перевищувати 9 мас.%.

Електронно-мікроскопічними дослідженнями встановлено, що структура гранул із глинистих порід без додатків характеризується наявністю суцільних пор неправильної форми, а кількість округлих ізольованих пор невелика (рис. 3). Міжпорові перегородки при цьому характеризуються товщиною до 500 мкм і представлені склом неоднорідного складу. Для гранул, отриманих із глинистих порід із додатком сапонітової породи, характер пористості відрізняється.

а) | б) |

Рис. 3. Структура гранул з мас на основі самбірської глини:

а) глина + 30% СП; б) глина + 27% СП і 9% каоліну (500) |

У цьому випадку спостерігаються переважно ізольовані пори округлої, рідше – овальної форми. Міжпорові перегородки тонші, пористі й представлені склом більш однорідного складу.

Таким чином, у результаті введення сапонітової породи в глинисті маси інтенсифікуються процеси утворення шпінелі, муліту і розчинення кварцу, формується нова кристалічна фаза – кордієрит, що в цілому позитивно впливає на фізико-механічні і термічні властивості керамзитового гравію.

У четвертому розділі “Дослідження впливу фазового та мінералогічного складу керамічного черепка на експлуатаційні властивості керамзитового гравію” наведені експериментальні результати дослідження фізико-механічних, термічних і хімічних властивостей керамзитового гравію на основі місцевих глинистих порід із додатками сапонітової породи і каоліну та їх звязок із фазовим та мінералогічним складом.

Введення сапонітової породи в глинисті маси сприяє зменшенню середньої густини гранул до 340–500 кг/м3 і підвищенню коефіцієнта конструктивної якості (ККЯ) до 1,89–2,85 залежно від виду глинистої породи.

При спучуванні керамзитового гравію в обертових печах внаслідок короткочасної дії високих температур процес мулітоутворення проходить не повністю. З метою інтенсифікації цього процесу і підвищення термічної стійкості керамзитового гравію до глиносапонітових мас вводився каолін. При цьому спостерігається зниження середньої густини на 7–11% і збільшення ККЯ керамзитового гравію на 20–35%.

Разом із тим встановлено, що керамзит, отриманий із мас, які містять сапонітову породу і каолін, характеризується більшою термостійкістю, ніж керамзит із глинистих порід без додатків. У цьому випадку більш висока термостійкість гранул обумовлена зменшенням загального вмісту вільного SiO2 в масах. Крім цього, при випалі оксиди лужних металів і заліза, що входять до складу сапонітової породи, сприяють кращому оплавленню й розчиненню кварцу в силікатному розплаві. Насичення силікатного розплаву силіційкисневими аніонами навколо оплавлених зерен кварцу сприяють утворенню перехідної зони з підвищеним вмістом SiO2, яка служить своєрідним буфером, що компенсує різницю теплового розширення кварцу і скловидної фази і таким чином знижує ймовірність утворення тріщин у матеріалі при охолодженні.

Рентгенофазовим і електронномікроскопічним аналізами показано, що спучені при оптимальній температурі гранули з чистих глин без додатків містять склоподібну фазу, кварц, шпінель. Введення до глинистих порід сапонітової породи і каоліну значно змінюють мікроструктуру і фазовий склад керамзитового гравію, що приводить до зміни його фізико-механічних властивостей.

Дослідження термічної стійкості керамзитового гравію на основі місцевих глин полімінерального складу показали, що суттєвий вплив на термічну стійкість керамзиту має температурний коефіцієнт розширення і характер його зміни в певних температурних інтервалах, які, в свою чергу, визначаються хімічним і фазовим складом керамзитового гравію.

Оксиди заліза та магнію, що входять до складу сапонітової породи впливають на перебіг твердофазових процесів під час нагрівання. В керамзиті на основі глинистих порід із додатком сапонітової породи спостерігається збільшення вмісту шпінелі, а також кристалізація муліту і кордієриту. Наявність вказаних кристалічних фаз із одночасним формуванням магнійалюмокремнеземистого скла обумовлює одержання матеріалу з високими термомеханічними властивостями.

Необхідно відзначити значно більший ступінь оплавлення зерен кварцу по мірі збільшення в масах вмісту оксидів заліза. Дані електронно-мікроскопічних досліджень узгоджуються з даними рентгенофазового аналізу і підтверджують припущення про те, що причиною підвищення термостійкості керамзитового гравію з мас із підвищеним вмістом Fe2O3 є інтенсифікація процесу розчинення кварцу.

Таким чином, на підставі аналізу одержаних результатів можна стверджувати, що оксиди заліза та магнію відіграють особливу роль у процесі нагрівання глинистих мас та формуванні структури керамічного черепка керамзитового гравію. Якщо оксиди заліза сприяють пониженню температури плавлення системи, розчиненню кварцу та інтенсифікації кристалізації розплаву, то оксид магнію приводить до дроблення аніонних комплексів і зменшення вязкості. Крім цього, MgO входить до складу склофази, підвищуючи її хімічну стійкість, та сприяє кристалізації кордієриту.

Як показали результати досліджень, хімічна стійкість керамзиту, одержаного з глинистих порід без додатків, складає 93,2–95,9% (кислотостійкість) та 30,1–40,9% (лугостійкість).

Введення до складу маси сапонітової породи від 10 до 50 мас.% як кислотостійкість, так і лугостійкість монотонно зростають (рис. 4). Особливо відчутне зростання для лугостійкості, яка збільшується на 10%. Причиною цього явища є зміна фазового складу черепка. Можна стверджувати, що в цьому випадку SiO2 входить до складу скловидної фази, утворюючи висококремнеземисте скло, що характеризується високою хімічною стійкістю. Разом із тим введення до складу додаткової кількості MgO також позитивно впливає на хімічну стійкість склофази. Утворення муліту, безперечно, є важливим моментом у підвищенні корозійної стійкості матеріалу.

а) | б) | кислотостійкість, % |

лугостійкість, % |

вміст сапонітової породи, мас. % | вміст сапонітової породи, мас. % |

Рис. 4. Вплив сапонітової породи на кислотостійкість (а) та лугостійкість (б) керамзитового гравію на основі глин:

– яворівської; ¦ – самбірської; ^ – городоцької |

Додавання каоліну в кількості 9 мас.% спричинює різке зростання лугостійкості. З однієї сторони введення більшої кількості Al2O3 приводить до зростання кількості муліту. З другої – цілком можливий перехід іонів Al+3 у склофазі з октаедричної в тетраедричну координацію з утворенням тетраедрів [AlO4]. Лужні іони перебуватимуть у звязку з цими комплексами, що в цілому може підвищувати хімічну стійкість керамзитового гравію.

Одержані результати свідчать про різке зменшення пористості керамзитового гравію при додаванні сапонітової породи. Вплив пористості гранул на лугостійкість характеризують криві (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Вплив відкритої пористості на лугостійкість керамзитового гравію на основі глин: – яворівської; ¦ – самбірської; ^ – городоцької

Таким чином, зменшення відкритої пористості для гранул керамзиту з глиносапонітових мас дає змогу значною мірою підвищити хімічну стійкість. Слід відзначити, що при однаковій пористості вирішальним є хімічний і фазовий склад черепка.

Для впорядкування пошуку оптимальних складів, отримання математичної моделі обєкту дослідження було застосовано метод математичного планування експерименту. Для визначення оптимального вмісту в масі сапонітової породи і каоліну, а також встановлення їх впливу на спучування і термічні властивості керамзитового гравію було реалізовано метод ортогонального центрально-композиційного планування (ОЦКП). На основі експериментальних даних у заданому інтервалі зміни кількісного співвідношення додатків сапонітової породи (18, 27, 36 мас.%) і каоліну (4, 9, 14 мас.%) з допомогою математичної обробки на Pentium 166 MMX одержано регресійні рівняння термостійкості керамзитового гравію. Аналіз отриманих математичних залежностей свідчить, що оптимальна кількість сапонітової породи і каоліну в глинистих масах становить відповідно 32,1–36,0 і 6,5–9,0 мас. %.

У п’ятому розділі “Промислова апробація розробленого керамзитового гравію” представлені результати дослідно–промислової апробації розроблених складів керамзитового гравію.

Промислова апробація результатів роботи проводилася в умовах Самбірського керамзитового заводу Львівської області. Шихтові склади мас наведені в табл. 1, а результати випробувань керамзитового гравію в табл. 2.

Таблиця 1

Склади розроблених і заводської мас

Назва

компонентів | Вміст, мас. %

заводська маса | дослідна маса №1 | дослідна маса №2

Глина самбірська | 100 | 70 | 64

Сапонітова порода– | 30 | 27

Каолін глуховецький–– | 9

Таблиця 2

Фізико-механічні, термічні та хімічні властивості промислових зразків із розроблених і заводської мас

Властивості | Маса | заводська | №1 | №2 | Максимальна температура випалу, С | 1180 | 1150 | 1170 | Насипна густина гравійної суміші, кг/м3 | 580 | 290 | 280 | Границі міцності при стисненні у циліндрі, МПа | 2,90 | 1,12 | 1,24 | Водопоглинання (протягом 1 год), % | 19,4 | 15,9 | 16,4 | Термостійкість, цикли | 6 | 11 | 12 | Кислотостійкість, % | 95,9 | 97,7 | 98,4 | Лугостійкість, % | 36,7 | 42,4 | 58,4 | Марка (за насипною густиною) | 600 | 300 | 300 | Марка (за міцністю) | П125 | П50 | П50 |

Керамзитовий гравій відповідає вимогам діючого стандарту ДСТУ Б В.2.7-17-95. Позитивні результати випробувань підтверджені відповідним актом. Для промислового впровадження керамзитового гравію розроблені ТУ “Керамзитовий гравій покращеної якості з використанням сапонітової породи” і передані на Самбірський керамзитовий завод.

Очікуваний економічний ефект від сумісного використання сапонітової породи і каоліну на Самбірському керамзитовому заводі складає 43 тис. грн при обємі випуску 10 тис. м3 керамзитового гравію.

а ЗАТ “Вістовицький завод будівельної і художньої кераміки” проведена промислова апробація розробленого керамзитового гравію при виготовленні блоків футерування вагонеток випалу цегли. Проведені випробування жаростійких бетонів у заводських умовах показали, що використання керамзитового гравію на основі розроблених складів мас при виготовленні блоків футерування вагонеток випалу керамічних виробів дозволяє продовжити термін експлуатації вагонеток з 3 до 7 місяців. Очікуваний економічний ефект від впровадження футерування вагонеток жаростійким керамзитобетоном складає 1236 грн, а з врахуванням збільшення терміну експлуатації вагонеток у 2 рази складає 37844 грн.

ВИСНОВКИ

1. За рахунок спрямованого фазоутворення при випалі на основі глиносапонітокаолінових мас розроблено технологію одержання керамзитового гравію, який характеризується високою міцністю, термостійкістю та низькою середньою густиною, що дозволяє використовувати його як заповнювач у жаростійких теплоізоляційних бетонах.

2. На основі експериментальних досліджень властивостей і структури отриманого керамзитового гравію та методом математичного планування експерименту розроблені оптимальні склади глинистих мас, що дозволяють на промисловому обладнанні та існуючих режимах одержати гравій із високими експлуатаційними властивостями.

Оптимальний склад глинистих мас становить (мас. %): глина 55,0–61,4; сапонітова порода 32,1–36,0; каолін 6,5–9,0.

3. Встановлено, що додавання до складу глинистих мас магнійзалізовмісної сапонітової породи в поєднанні з каоліном приводить до кардинальних змін у структурі розплаву і механізму його кристалізації. Введення до 40 мас. % сапонітової породи і 9 мас. % каоліну понижує швидкість падіння структурної в’язкості з ростом температури, що забезпечує формування дрібнопористої структури керамзитового гравію і пониження його відкритої пористості.

4. Експериментально підтверджено флюсуючу дію оксидів заліза, які зменшують вязкість розплаву, інтенсифікують розчинення кварцу та кристалізацію склофази. Оксид магнію сприяє дробленню аніонних комплексів, зменшуючи вязкість. Крім цього, MgO входить до складу склофази, підвищуючи її хімічну стійкість та кристалізацію кордієриту. Твердофазові процеси, що відбуваються, викликають підвищення термомеханічних властивостей керамзитового гравію.

5. Показано, що хімічна стійкість керамзитового гравію зростає при збільшенні долі кристалічної фази в структурі. Так, збільшення в складі маси сапонітової породи від 10 до 50 мас.% підвищує лугостійкість на 8%. Це пов’язано із кристалізацією муліту і кордієриту та утворенням хімічностійкої алюмосилікатної склофази. При однаковій пористості матеріалу домінуючим є хімічний та фазовий склад керамзитового гравію. Тому, при використанні городоцької глини вміст склофази в одержаному матеріалі є низьким, що супроводжується значним підвищенням хімічної стійкості.

6. Одержаний керамзитовий гравій характеризується такими властивостями: середня густина – 280–350 кг/м3; міцність – 0,96–1,28 МПа; ККЯ – 2,75–3,86; термостійкість – 11–12 циклів; ТКЛРсер. – (3,70–5,02)10-6 град-1; кислотостійкість – 94,2–98,5%; лугостійкість – 37,0–63,4%.

7. Розроблений склад глинистих мас (патенти України №38033 А і №46967 А) випробуваний у виробничих умовах Самбірського керамзитового заводу. Результати випробувань одержаного керамзиту як заповнювача жаростійкого бетону при футеруванні вагонеток випалу цегли на ЗАТ “Вістовицький завод будівельної і художньої кераміки” дозволяють рекомендувати його для виготовлення легких залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в умовах підвищеної температури.

8. Техніко-економічні розрахунки підтверджують економічну доцільність промислового виготовлення розробленого керамзитового гравію на основі глиносапонітокаолінових мас. Економічний ефект від впровадження на Самбірському керамзитовому заводі складає 43 тис. грн при обємі випуску 10 тис. м3 гравію. Використання жаростійкого керамзитобетону при футеруванні вагонеток замість керамічної цегли дозволяє збільшити термін їх експлуатації в 2 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Солоха І.В., Семеген Р.І., Луцюк І.В. Вплив структури гранул керамзиту на їх напружений стан // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. - 1997. - №332. - С. 247-250.

Внесок автора полягає у виконанні експериментальних досліджень.

2. Гивлюд М.М., Солоха І.В., Пона М.Г., Луцюк І.В. Керамзитовий гравій для теплоізоляційних жаростійких бетонів // Вісник ДУ “Львівська політехніка”, “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. - 2000. - №395. - С. 20-22.

Автором проведено фізико-механічні випробування керамзитового гравію.

3. Луцюк І.В. Вплив сапонітової породи на зміну структурної в‘язкості легкотопких глин при нагріванні // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. - 2000. - №414. - С. 52-55.

4. Гивлюд М.М., Солоха І.В., Пона М.Г., Луцюк І.В. Дилатометричні дослідження керамзиту із глиносапонітових мас // Вісник НУ “Львівська політехніка”, “Хімія, технологія речовин та їх застосування”. - 2001. - №426. - С.40-42.

Автором встановлена залежність термічного коефіцієнта лінійного розширення керамзитового гравію від температури.

5. М.М. Гивлюд, І.В. Луцюк, І.В. Солоха, М.Г. Пона Характеристика фізико-хімічних процесів випалу сапонітової породи // Вопросы химии и химической технологии. - 2002. - №4. - С. 49-51.

Автором методами ДТА і РФА досліджено процеси фазоутворення при термообробці сапонітової породи.

6. Патент України 38033 А, МПК 7 С04В14/12. Маса для виготовлення пористого заповнювача / Луцюк І.В., Гивлюд М.М., Солоха І.В., Пона М.Г. - №2000052851; Заявлено 19.05.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. №4. - С.373.

Автором розроблений склад керамзитового гравію з додатком сапонітової породи та визначено його фізико-механічні властивості.

7. Патент України 46967 А, МПК 7 С04В14/12. Маса для виготовлення керамзитового гравію / Луцюк І.В., Гивлюд М.М., Солоха І.В., Пона М.Г. - №2000127215; Заявлено 15.12.2000; Опубл. 17.06.2002, Бюл. №6. - С.418.

Автором розроблений склад керамзитового гравію з додатком сапонітової породи та каоліну і визначено його термостійкість.

8. Керамзитовий гравій підвищеної термостійкості / Гивлюд М.М., Луцюк І.В., Солоха І.В., Пона М.Г. // Тез. Міжнар. наук.-техн. конф. “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харків, 2000. - С. 60-61.

Автором визначена термостійкість керамзитового гравію.

9. Улучшение качества керамзитового гравия введением в шихту магнийжелезосодержащей добавки / Гывлюд Н.Н., Солоха И.В., Пона М.Г., Луцюк И.В. // Тез. Междунар. науч.-техн. конф. “Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической промышленности и производстве строительных материалов”. - Минск, 2000. - С. 172-173.

Автором встановлений фазовий склад магнійзалізовмісного додатку та його вплив на фізико-механічні властивості.

10. Керамзитовий гравій з покращеними термічними характеристиками / Гивлюд М.М., Солоха І.В., Пона М.Г., Луцюк І.В. // Тез. Міжнар. наук.-техн. конф. “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харків, 2001. - С. 64-65.

Автором визначені температурні деформації керамзитового гравію при термообробці.

11. Керамзитовий гравій підвищеної термостійкості для жаростійких бетонів / Гивлюд М.М., Солоха І.В., Пона М.Г., Луцюк І.В. // Тез. 2 Міжнар. наук.-техн. конф. “Композиционные материалы”. - Київ, 2001. - С.11.

Автором одержано залежність структурної взкості глинистих мас від температури.

12. Структуроутворення керамзиту з підвищеною термостійкістю з додатками сапонітової породи // М.М. Гивлюд, І.В. Луцюк, І.В. Солоха, М.Г. Пона // Тез. Міжнар. наук.-техн. конф. “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харків, 2002. - С. 56-57.

Автором проведено аналіз електронномікроскопічних досліджень структури керамзитового гравію.

13. Повышение термостойкости керамзита путем изменения его фазового состава / Гывлюд Н.Н., Солоха И.В., Пона М.Г., Луцюк И.В. // Тез. Междунар. науч.-техн. конф. “Новые технологии в химической промышленности”. - Минск, 2002. - С.119-120.

Автором встановлено вплив фазового складу керамзитового гравію на його термостійкість.

14. М.М. Гивлюд, І.В. Луцюк, І.В. Солоха Вплив магнійзалізовмісної сапонітової породи на термічні властивості керамзитового гравію // Тез. Міжнар. наук.-техн. конф. “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харків, 2003. - С. 41-42.

Автором досліджено вплив складу глинистих маси на термічні властивості керамзитового гравію.

15. Н.Н. Гывлюд, И.В. Луцюк, И.В. Солоха. Влияние магнийжелезосодержащей добавки на изменение структурной вязкости пиропластического расплава глинистых пород // Тез. Междунар. науч.-техн. конф. “Новые технологии в химической промышленности”. - Минск, 2003. - С. 155-156.

Участь автора полягає у здійсненні експериментальних досліджень структурної взкості глинистих мас із додатком сапонітової породи.

АНОТАЦІЇ

Луцюк І.В. Керамзитовий гравій покращеної якості з використанням сапонітової породи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, 2005.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки складів мас і технології одержання керамзитового гравію на основі полімінеральних глинистих порід різного ступеня спучування і магнійзалізовмісної сапонітової породи з покращеними фізико-механічними, термічними і хімічними властивостями.

Встановлено закономірності зміни фазового складу та структурної в‘язкості сапонітової породи при нагріванні. Досліджено процеси структуро- і фазоутворення в глинистих масах при термообробці та шляхи їх направленого регулювання.

Визначено основні фізико-механічні та термічні властивості керамзитового гравію, їх взаємозв‘язок із структурою та фазовим складом керамічного черепка.

Визначено оптимальні склади керамзитового гравію та розроблені рекомендації для його практичного застосування.

Наведено результати експериментально-промислових випробувань.

Ключові слова: керамзитовий гравій, сапонітова порода, структуро- і фазоутворення, термостійкість.

Луцюк И.В. Керамзитовый гравий улучшенного качества с использованием сапонитовой породы. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.11 – технология тугоплавких неметаллических материалов. – Национальный университет “Львовская политехника”, г. Львов, 2005.

Диссертационная работа посвящена вопросам получения керамзитового гравия с повышенными эксплуатационными свойствами. Основу работу составляют теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование свойств керамзитового гравия, полученного на основе полиминерального глинистого сырья различной степени вспучивания и сапонитовой породы с повышенным содержанием оксидов железа, магния и алюминия.

Исследованы структура, фазовый и минералогический состав сапонитовой породы и их превращения в процессе термообработки.

Получены данные об изменении структурной вязкости масс с температурой, процессов структуро- и фазообразования при обжиге глиносапонитовых и глиносапонитокаолиновых масс и продемонстрировано влияние этих процессов на повышение физико-механических и термических показателей керамзитового гравия.

ИК-спектроскопические, рентгенофазовые и электронно-микроскопические исследования показали, что введение в глинистые массы сапонитовой породы и каолина обеспечивает интенсивное растворение кварца. При этом наблюдается более совершенная кристаллизация расплава с увеличением количества кристаллов шпинели и муллита в керамзите. Кроме этого, образуется новая кристаллическая фаза – кордиерит, что способствует повышению эксплуатационных свойств керамзита.

Установлено, что добавки до 40 масс.% сапонитовой породы и до 9 масс. % каолина в глинистые массы снижают скорость уменьшения структурной вязкости при увеличении температуры, что обеспечивает формирование мелкопористой структуры керамзита, снижение его открытой пористости и водопоглощения.

Исследована роль оксидов железа и магния на каждой стадии термообработки глиносапонитокаолиновой массы и их влияние на формирование структуры керамзитового гравия.

Показано, что химическая устойчивость керамзитового гравия растет при увеличении кристаллической фазы в структуре, в частности муллита и кордиерита. При одинаковой пористости черепка доминирующим фактором является химический и фазовый состав керамзита.

Методом математического планирования эксперимента проведена оптимизация состава керамзитового гравия.

Произведен выпуск опытных партий керамзитового гравия разработанных составов, а также проведена его промышленная апробация при изготовлении футеровок вагонеток тунельных печей для обжига керамических изделий.

Ключевые слова: керамзитовый гравий, сапонитовая порода, структуро- и фазообразование, термостойкость.

Lutsuk I.V. High claydite gravel with saponite rock used.

The thesis for a doctor’s degree of a candidate of science (engineering) on speciality 05.17.11 – technology of refractory non-metallic materials. – National University “Lviv Polytechnic”, Lviv, 2005.

Dissertation is devoted to problems of bodies composition development and technology of claydite gravel production on the basis of polymineral clay rocks with different swelling degree and on the basis of magnesium iron containing saponite rock with improved physico-mechanical, thermal and chemical characteristics as well.

It was determined the regularities of saponite rock phase composition and structural viscosity change under heating. The structural and phase formation processes in clay bodies under heat treatment and methods of their directed regulation are investigated. The main physico-mechanical and thermal characteristics of claydite gravel, their iterrelation with ceramic crock structure and phase composition are defined.

The optimal claydite gravel composition are established and recommendations about their practical application are developed as well.

The results of experimental industrial tests are represented.

The main results of the work have been published in 15 papers.

Key words: claydite gravel, saponite rock, structural and phase formation, thermal stability.