аспирант Довженко И.Г., к.т.н. Кондюрин А.М.,

к.т.н. Тамазов М.В., к.т.н. Верещака В.В., инженер Тамазова Н.А.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Россия

Искусственный плавень на основе техногенного сырья

В настоящее время актуальной проблемой является разработка наукоемких ресурсо- и энергосберегающих технологий производства лицевых изделий стеновой керамики. В технологии керамического кирпича наиболее энергоемким является обжиг полуфабриката. Интенсификация спекания материала, позволяющая получать необходимые значения физико-механических показателей без дополнительных энергетических расходов на повышение максимальной температуры обжига изделий, является актуальной научно-производственной задачей. Из природных плавней, наиболее часто применяемых в производственной практике, известны пегматиты, полевые шпаты, перлит, нефелин-сиенит [1]. В научной литературе есть ряд работ, посвященных вопросам исследования влияния шлаков на структуру и свойства керамических материалов [2, 3]. Однако вопрос получения искусственных плавней из техногенных продуктов металлургической промышленности практически не рассматривался в литературе. Одним из вариантов получения искусственного плавня является комплексное использование техногенного сырья черной и цветной металлургии, позволяющее при обжиге интенсифицировать процессы спекания и фазообразования керамического черепка за счет содержащихся в его составе флюсующих компонентов – фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов [4, 5]. Это в значительной степени способствует формированию комплекса физико-механических свойств керамического кирпича.

Цель работы – разработка состава искусственного плавня на основе побочных продуктов черной и цветной металлургии и исследование эффективности его применения в грубозернистых керамических массах для изготовления кирпича.

Рассматриваемый искусственный плавень назван шлаковым (ШП), так как состоит из металлургических шлаков. В качестве компонентов ШП применялись мелкозернистый сталеплавильный шлак (М₀=1,17) и фракция алюминиевого шлака (М₀=0,60) с размером зерен менее 0,14 мм. Составы ШП приведены в таблице 1.

Таблица 1

Составы ШП

Наименование шлака	Содержание компонента для состава, масс. %
	ШП-1	ШП-2	ШП-3	ШП-4
Сталеплавильный	90	80	70	60
Алюминиевый	10	20	30	40

Приведенный химический состав ШП представлен в таблице 2.

Таблица 2

Химический состав ШП

№ состава	Содержание, % по массе
	SiO2	Fe2O3	Al2O3	TiO2	CaO	MgO	ΣRСl	CaF2
ШП-1	38,64	4,13	4,06	0,88	34,38	5,72	3,96	8,19
ШП-2	35,26	3,66	7,08	0,78	30,50	7,49	7,90	7,26
ШП-3	31,90	3,20	10,08	0,68	26,63	9,26	11,83	6,34
ШП-4	28,55	2,74	13,06	0,58	22,77	11,01	15,73	5,42

В качестве глинистого сырья применялась шихта из тугоплавких глин Владимировского месторождения ВКС-2, имеющая следующий химический состав, масс. %: SiO₂=59,63; Fe₂O₃=2,59; Al₂O₃=23,60; TiO₂ =1,04; ΣRO=0,96; ΣR₂O=3,27; ППП=8,08.

На основании предварительно проведенных исследований, оптимальное содержание шлакового плавня в керамических массах было принято равным 20 масс. %. Составы керамических масс приведены в таблице 3.

Таблица 3

Составы керамических масс

№ состава	Содержание компонента, масс. %
	ВКС-2	Песок	ШП-1	ШП-2	ШП-3	ШП-4
В.0	80	20	-	-	-	-
В.1	80	-	20	-	-	-
В.2	80	-	-	20	-	-
В.3	80	-	-	-	20	-
В.4	80	-	-	-	-	20

Образцы готовились по пластическому способу. Предварительно компоненты ШП просеивались и тщательно перемешивались. ШП вводился в керамические массы в виде порошка. Формование осуществлялось при влажности W_ф=23-25 %. После сушки образцы из керамических масс, изготовленных с применением ШП, подвергались обжигу при максимальной температуре 950 ⁰С с изотермической выдержкой в течение 1 часа. Обжиг образцов, изготовленных из базового состава В.0, осуществлялся при 1020 ⁰С с изотермической выдержкой в течение 2 часов. Физико-механические свойства керамических образцов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Свойства обожженных образцов

№ состава	Значения показателей свойств
	Предел прочности на сжатие, МПа	Средняя плотность, кг/м^3	Водопоглощение, %	Морозостойкость, цикл	Огневая усадка, %
В.0	34,6	1710	13,1	50	2,0
В.1	32,3	1680	12,8	52	2,1
В.2	38,4	1720	12,3	56	2,3
В.3	40,2	1735	12,1	58	2,5
В.4	35,6	1715	11,8	54	2,7

На рис. 1 представлено изменение модуля плавня для разных составов ШП.

Рис. 1. Изменение модуля плавня (М_п) для разных составов ШП

Из табл. 4 и рис. 1 видно, что при значениях модуля плавня М_п=1,38-0,81 заметно интенсифицируется процесс спекания керамического черепка. Образцы В.2 и В.3 обладают оптимальными физико-механическими показателями по сравнению с образцами других составов. Водопоглощение образцов В.2 и В.3 снижается до значений 12,3 и 12,1 % соответственно; средняя плотность повышается для образцов В.2 и В.3 незначительно – на 0,6-1,6 % относительно образца В.0. Вместе с этим, у образцов, содержащих ШП, наблюдается повышенная огневая усадка, которая находится в пределах 2,1-2,7 %. Повышение предела прочности образцов В.2 и В.3 происходит на 11 и 16 % относительно базового состава В.0. При уменьшении модуля плавня до значения М_п=0,52, происходит снижение прочности, средней плотности и морозостойкости. Огневая усадка образца В.4 достигает максимального значения 2,7 %. Этот факт может быть объяснен тем, что интенсификация спекания керамической матрицы происходит исключительно за счет полного плавления хлоридов щелочных металлов и сопровождается образованием повышенного количества стеклофазы. Количество новых кристаллических фаз при этом уменьшается, что приводит к снижению прочности на сжатие и морозостойкости образца В.4 по сравнению с образцами В.2 и В.3.

На порошковой дифрактограмме образца В.0 определены следующие кристаллические фазы: кварц (4,25; 3,34; 2,29; 1,82), альбит (4,05; 2,32; 1,99), гематит (3,68; 2,69; 1,45). Из кристаллических фаз, идентифицируемых на дифрактограммах составов В.1-В.4, содержащих ШП, наблюдаются: кварц (4,26; 3,34; 2,13; 1,81), анортит (3,19; 3,10), волластонит (3,52; 2,98; 2,72), пироксен (2,91; 2,56; 2,04). Повышенное количество стеклофазы, наблюдаемое на электронных снимках микроструктуры образцов В.1-В.4 по сравнению с В.0, свидетельствует о том, что ввод ШП позволяет значительно интенсифицировать процесс спекания керамической матрицы. Цвет образцов В.0 – красный, В.1 и В.4 – розовый. Образцы В.2 и В.3 обладают светло-желтым и желтым цветом соответственно.

Наиболее вероятен следующий механизм твердофазовых превращений, происходящих при обжиге керамических образцов, содержащих ШП:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. ;

6. ;

Таким образом, на основании проведенного исследования, можно заключить:

- использование разработанных составов шлакового плавня ШП-2 и ШП-3 позволяет интенсифицировать спекание и снизить максимальную температуру обжига лицевого керамического кирпича на 50 ⁰С;

- оптимальные прочностные и эксплуатационные показатели обожженных изделий достигаются при использовании шлакового плавня с М_п=1,38-0,81; дальнейшее снижение модуля плавня приводит к ухудшению физико-механических показателей;

- применение искусственных плавней позволяет значительно снизить ресурсоемкость керамического производства, ввиду полной замены природных плавней;

- для получения лицевого объемно-окрашенного керамического кирпича целесообразно применять искусственные плавни ШП-2 и ШП-3.

Литература:

1. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. - М.: Стройиздат, 1977. - 240 с.

2. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Классификация техногенного сырья предприятий металлургии и энергетики по ее функциональной пригодности в производстве керамических материалов // Известия вузов. Строительство. – 2004. - №10. – С. 33-36.

3. Ковков И.В., Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Физико-химические процессы при различных температурах обжига керамического кирпича на основе бейделлитовой глины, фосфорного шлака и золошлака // Известия Самарского центра РАН. – 2009. – Т. 11. - №5. – С. 24-31.

4. Гладких К.В. Шлаки – не отходы, а ценное сырье. - М.: Стройиздат, 1966. – 113 с.

5. Довженко И.Г. Эффективность применения сталеплавильных шлаков в грубозернистых массах для производства керамического кирпича // Фундаментальные исследования. – 2011. - №4. – С. 78–82.