Вышарь О.В., Станевич В.Т., Кудрышова Б.Ч., Мусаханова С.Т.

Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова, Республика Казахстан

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ОБЖИГЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ

Обжиг керамических изделий является основным переделом, влияющим на образование кристаллизационной структуры, физико-механические свойства и качество готовых изделий.

Отходы угледобычи по минеральному составу относятся к каолинито-гидрослюдистому сырью и отличаются от традиционных глин наличием органического вещества. Процессы фазовых превращений при обжиге в основном исследованы для систем на основе глин, а изменения фазового состава отходов угледобычи при различных температурах обжига изучены недостаточно.

С целью оптимизации режима обжига и изучения процесса минералообразования в условиях интенсивного выгорания органических веществ проведены исследования по определению характеристик плавкости, а также дифференциально-термический, петрографический, дифрактометрический анализы образцов, обожженных при различных температурах [1].

На нагревательном микроскопе МНО-2 установлены температуры соответствующие деформации образцов, их максимальной усадке и вспучиванию, при которой образцы образуют полусферу и переходят в жидко-плавкое состояние.

Рисунок 1 – Характеристики плавкости образцов из вскрышных пород

Анализ полученных данных показал, что начало деформации образцов из аргиллитов разреза «Степной» наблюдается при 1000-1080°С. с увеличением указанной температуры от горизонта + 150 м. к горизонту + 50 м. Начало деформации образцов из аргиллита разреза «Майкубенский» отмечено при 1050°С.

Начало спекания образцов отмечено при 1240-1250°С, интервал спекания составил 210-230°С. По температуре спекания 1240-1250°С исследуемые породы можно отнести к группе среднетемпературного спекания. При 1450-1470°С наблюдается вспучивание образцов. При исследовании характеристик плавкости, температуру размягчения, при которой образец превращается в полусферу можно считать показателем огнеупорности пород, так как при этой температуре еще не происходит плавление образцов. Аргиллиты относятся к группе тугоплавкого сырья с показателем огнеупорности 1500-1580°С. Жидко-плавкому состоянию аргиллитов соответствуют температура 1550-1590°С.

Анализируя характеристики плавкости аргиллитов разрезов «Степной» и «Майкубенский» следует отметить, что наибольшее изменение структуры образцов происходит при их термической обработке в интервале температур соответствующих деформации при максимальной усадке и максимальном вспучивании, при идентичности процессов спекания для всех горизонтов залегания.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о целесообразности обжига изделий из аргиллитов до максимальной температуры порядка 975-1025°С в условиях выгорания органических веществ с образованием минералов, способствующих формированию керамического черепка.

Обжиг образцов из отходов угледобычи оптимального фракционного состава производили до максимальной температуры 950, 975 и 1000°С с интервалом обжига 100 град/час и изучали при этом процессы минералообразования (таблица 1).

В образцах обожженных при температуре 450°С сохраняются неизмененными – кварц, полевые шпаты, оксиды и гидроксиды железа и глинистые минералы. По внешнему виду образцы имеют черную окраску в середине и темно-красную по краям, что свидетельствует о начале выгорания органического вещества. Рентгенограммы подтверждают наличие рефлексов кварца, полевых шпатов и глинистых минералов, представленных каолинитом, гидрослюдой и монтмориллонитом [2].

При обжиге до температуры 550-800°С на рентгенограммах исчезают рефлексы каолинита, что свидетельствует о дегидратации глинистых минералов и переходе каолинита в метакаолинит. Под микроскопом наблюдаются оплавленные зерна кварца в краевой зоне образцов. Образцы приобретают более плотную структуру в светлой краевой зоне. В центральной части образцы имеют темную зону с невыгоревшим органическим веществом.

При температуре обжига 900°С происходит аморфизация глинистых минералов и появляется жидкая фаза. На рентгенограммах присутствуют рефлексы кварца, полевого шпата и гематита.

При 950°С образцы представляют собой обожженный черепок с выгоревшей зоной, но при этом присутствует небольшая центральная зона темного цвета с невыгоревшим органическим веществом. Зерна кварца и полевого шпата оплавлены. На рентгенограммах (рисунок 2) сохраняются рефлексы кварца (d / n = 0,425; 0,334; 0,228; 0,212 нм) и полевого шпата (d/n = 0,366; 0,181; 0;154 нм). Появляются рефлексы гематита (d/n = 0,27; 0,22 нм;) и кристобаллита (d/n = 0,251 нм).

Рисунок 2 - Дифррактограммы образцов из отходов угледобычи: обожженных до температуры 950 °С : разрез «Степной» - 1-аргиллит горизонта +50 м; 2-аргиллит горизонта +100 м; 3-аргиллит горизонта +150 м; 4-аргиллит разреза «Майкубенский».

Повышение температуры обжига до 975°С приводит к дальнейшему уплотнению структуры черепка, сопровождаемое увеличением количества жидкой фазы. Происходит полное выгорание органического вещества и исчезает черная сердцевина. Наблюдаются оплавленные зерна кварца и полевого шпата, в светло-коричневых участках присутствуют кристаллы муллита. На рентгенограммах также фиксируются рефлексы кварца, полевого шпата, гематита, муллита и кристобаллита.

При обжиге образцов до 1000°С происходит полная аморфизация глинистых минералов, сопровождающаяся дальнейшим увеличением жидкой фазы и уплотнением черепка с уменьшением линейных размеров образцов. Краевая зона образцов имеет светло-коричневую окраску, но остается не выгоревшей сердцевина темного цвета. Это происходит из-за интенсивного спекания краевой зоны и в центральной зоне из-за ограниченного доступа кислорода не успевает выгорать органическое вещество. На рентгенограммах сохраняются рефлексы кварца, полевого шпата, гематита, муллита и кристобалита.

Петрографические и дифрактометрические исследования образцов из отходов угледобычи различных горизонтов залегания, показали, что начиная с температуры 950°С происходит интенсивная аморфизация глинистых минералов с увеличением количества жидкой фазы.

Таблица 1 - Температурные интервалы физико-химических процессов,

протекающих при обжиге образцов из отходов угледобычи

Основные физико-химические изменения	Температура, °С
	Разрез «Степной» аргиллит			Разрез Майкубенский аргиллит
	Горизонт +50	Горизонт +100	Горизонт +150
Выделение низкотемпературной воды	90-100	90-190	90-200	100-190
Воспламенение и горение летучих компонентов горючего вещества	250-380	250-380	270-390	290-400
Выделение среднетемпературной конституционной воды	540-620	480-630	520-630	530-640
Воспламенение и горение органического вещества	430-700	450-780	450-790	480-800
Выделение высокотемпературной воды	760-800	720-810	740-800	670-730
Выгорание органического вещества	850-950	910-950	920-975	850-950
Начало образования жидкой фазы	860	910	930	840
Кристаллизация новообразований с участием жидкой фазы	960-990	970-990	980-1000	960-990

При повышении температуры обжига до 975°С происходит полное выгорание органического вещества и исчезновение черной сердцевины. Завершается процесс рекристаллизации глинистых минералов с образованием новых кристаллических фаз гематита, муллита, кристобаллита. Появление в структуре образцов этих новообразований обеспечивают оптимальные физико-механические показатели готовых изделий из отходов угледобычи.

При нагреве изделий до 700-800°С количество выделяющихся газообразных компонентов из отходов угледобычи за счет выгорания органического вещества на 10-15 % больше, чем из глин. При высокой скорости подъема температуры в печи при обжиге происходит деформация и значительное изменение размеров керамических изделий. Скорость подъема температуры при обжиге керамики из отходов угледобычи должна составлять не более 100 град/час.

На этапе спекания изделий скорость подъема температуры обжига зависит от продолжительности выгорания углерода из отходов угледобычи. Для определения максимальной температуры и изотермической выдержки при максимальной температуре исследовали изменение физико-механических свойств керамической черепицы из отходов угледобычи, обожженных по трем режимам. Максимальную температуру обжига изменяли от 950°С (температура неполного выгорания органического вещества) до 975°С (температура максимальной прочности образцов и полного выгорания углерода) и далее до 1000°С (температура снижения прочности). Продолжительность изотермической выдержки при максимальной температуре обжига изменяли от минимально возможной, учитывающей температурный градиент по сечению печи (2 часа), до максимальной при обжиге керамики из глин (6 часов) [3].

Таким образом, в результате проведенных исследований изучены процессы образования кристаллизационной структуры образцов из аргиллитов при их обжиге и исследована кинетика выгорания органических веществ с целью оптимизации режимов термической обработки.

Литература:

1 Инструкция по изучению и оценке попутных твердых полезных ископаемых и компонентов при разведке месторождений угля и горючих сланцев. -М.: Наука, 1987. 65 с.

2 Методы минералогических исследований: Справочник под.ред.А.Н.Гинзбурга.-М.: Недра, 1985.-480 с.

3 Вакалова, T.B. Глины. Структура, свойства и методы исследования: учебное пособие / Т.В. Вакалова. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 249 с.