Международный
научный журнал

Твердофазные реакции, при обжиге керамических материалов полученных с использованием отходов промышленности


Solid phase reactions during ceramic materials obtained by using industrial waste

Цитировать:
Сидикова Т.Д. Твердофазные реакции, при обжиге керамических материалов полученных с использованием отходов промышленности // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2019. № 5(59). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/7139 (дата обращения: 14.10.2019).
 
Прочитать статью:


АННОТАЦИЯ

Приведены обобщенные данные по синтезу керамических материалов на основе флотоотходов. Установлено, что исследуемый материал отходов МОФ может быть использован в качестве основного сырья для новых структур керамических материалов. В частности, разработаны оптимальные структуры керамики для облицовочных плиток и получения технологических параметров из спеченных материалов на основе композиции «Каолин-шамот Алмалыкской медно-обогатительной фабрики (МОФ)». Определены физико-химические свойства спеченных образцов. Полученные результаты позволяют расширить сырьевую базу керамического производства, а также решить вопрос утилизации производственных отходов при снижении стоимости конечного продукта.

ABSTRACT

The generalized data on the synthesis of ceramic materials are presented based on float waste. It is established that investigated waste material MOФ can be used as the basic raw material for the new structures of ceramic materials. In particular, optimum structures of the ceramic are developed for facing tiles and technological parameters receptions of sintered materials on the basis of a composition “Kaolin- chamotte- MOФ”. The physicochemical properties of the sintered samples were determined. The obtained results allow expanding the raw material base of ceramic production, as well as solving the issue of recycling industrial waste while reducing the cost of the final product.

 

Ключевые слова: керамические материалы, спекание, физико-химические свойства, микроструктура.

Keywords: сeramic materials, sintering, physicochemical properties, microstructure.

 

Одной из самых обсуждаемых тем первых месяцев 2019 года были вопросы о переработке отходов [1; 5; 6; 11; 15].

Каждый год в государствах – членах Европейского союза (ЕС) производится более 2 млрд т отходов, в том числе опасных, и эта цифра неуклонно растет. Ситуация выглядит еще более тревожно в странах ВЕКЦА (Восточная Европа, Кавказ и Центральная Азия). За длительный период в промышленных районах Республики Узбекистан накоплены огромные количества производственных отходов. К ним ежегодно добавляется соответственно 25 млн м3 вскрышных пород, 42 млн тонн отходов обогащения и 300 тыс. тонн шлаков металлургических предприятий. Согласно имеющимся данным, в большинстве стран крупнейшая доля отходов, получаемых в результате экономической деятельности, приходится на сектор «Горнодобывающая промышленность и разработка карьеров», «Обогатительные предприятия» [9].

Природные ресурсы составляют основу глобальных и национальных систем экономического производства и лежат в основе качества нашей жизни, так как они необходимы для производства товаров и услуг для удовлетворения потребностей человека. Улучшение эффективности ресурса означает производство повышения качества жизни при меньшем потреблении ресурсов и снижения воздействия на окружающую среду. Понятие эффективности ресурса связано с более широкой концепцией устойчивого развития, которое может восприниматься как желаемый результат для достижения.

Разнообразие вторичных сырьевых ресурсов по химическому и минералогическому составу подчас не уступает добываемому из недр земли сырью, а иногда по технологической кондиции превосходит его, что требует высококвалифицированного подхода к применению инструментальных средств анализа, обеспечивающего должное качество аналитической оценки и эффективности использования этих ресурсов в строительстве.

Отходы флотации медных руд некоторых горно-обогатительных предприятий по своему химическому составу близки к глинистому сырью и являются одним из наиболее дешевых компонентов керамических масс.

Изучение литературных данных и накопленный опыт по использованию различных отходов производства показывают техническую возможность и экономическую целесообразность применения различных видов промышленных отходов для изготовления керамических материалов [2; 7].

Современная технология производства огнеупорных, керамических, вяжущих, оксидных и ряда других материалов в подавляющем большинстве случаев основана на несложных физико-химических процессах, протекающих в многокомпонентных композициях при высоких температурах. Эти процессы, как известно, слагаются из твердофазных превращений, таких как дегидратация и диссоциация, полиморфные превращения, разложение и химические взаимодействия соединений, сопровождающихся образованием новых фаз [9]. При этом наряду с реакциями в твердых фазах основным процессом при термической обработке порошковых веществ является спекание, обеспечивающее формирование структуры изделий с необходимой плотностью и другими физическими свойствами.

В результате спекания керамический материал (сырец), подвергнутый термической обработке, превращается из конгломерата частиц, слабо связанных между собой преимущественно силами трения и адгезии, в единое твердое тело, скрепленное вновь возникшими прочными связями межатомными силами, действующими в кристаллической решетке, в стекловидном веществе и пограничных слоях.

Широко применяемым в настоящее время методом получения спеченных керамических материалов является термическая обработка смеси оксидов и природных сырьевых материалов заданного химического состава по определенному термическому режиму, обеспечивающему высокую плотность и прочность спеченных образцов.

Обоснование возможности регулирования процессов структурообразования в алюмосиликатных системах играет определенную роль при получении изделий с высокими физико-механическими свойствами. Исследование структурообразования при спекании глинистофлотоотходовых систем различного химико-минералогического состава в последнее время получило значительное развитие [8]. В связи с этим проведены исследования твердофазных превращений и свойств спеченных материалов в композиции «каолин – шамот – флотоотход МОФ».

Таблица 1.

Химический состав исходных материалов, масс%

Исходные материалы

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Fe2O3

Na2O

K2O

SO3

 п.п.п.

Сумма

Ангренский каолин обогащенный

62,36

23,44

1,26

0,20

1,84

0,1

0,6

0,24

9,96

100

Флотоотходы (МОФ)

63,88

12,34

5,82

1,54

2,81

1,66

5,80

1,88

4,27

100

Шамот

65,89

29,39

0,83

0,58

1,64

0,48

1,19

-

-

100

 

 

Нами изучены твердофазные реакции этой композиции с целью выяснения возможности получения керамических плиток для пола.

С целью разработки способа утилизации флотоотходов Алмалыкской меднообогатительной фабрики (МОФ) и возможности получения плиток для пола на основе ангренских каолиновых глин изготовили серию образцов на их основе. Исходным сырьем послужили ангренские каолиновые глины, шамот в качестве отощающего компонента и флотоотходы МОФ.

Результаты исследования химико-минералогического состава изучаемых проб с добавкой флотоотхода показали, что в их составе содержится 13-14% флюсующих компонентов (более 8,0% Fe2O3 иRO, R2O » 5,5), позволяющих использовать их в качестве плавня.

В научной литературе указано, с одной стороны, нежелательное содержание в сырье больших количеств оксидов железа в связи с его окрашивающим действием, а с другой, отмечается сильное флюсующее действие закиси железа на спекаемость керамических масс. Однако механизм интенсификации спекания с участием высокожелезистых отходов не раскрыт. Необходимо также учитывать, что использование некондиционного сырья в настоящее время неизбежно. Следует отметить, что высокожелезистые добавки способствуют окрашиванию керамического черепка и снижению расхода дорогих пигментов.

Особенности химического состава, технологических свойств и термического превращения флотоотходов показали, что отходы можно утилизировать в качестве основного компонента исходных шихт взамен полевошпатовых концентратов.

Таблица 2.

Состав и свойства образцов, спеченных при различных температурах

 Номер образца

Содержание компонентов, %

Огневая усадка,%

Водопоглощение,%

Каолин

МОФ

Шамот

Температура обжига, оС

950

1000

1050

1100

950

1000

1050

1100

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

50

40

10

2,5

2,8

2,9

4,2

19,2

16,1

12,3

7,5

2

30

55

15

2,25

2,5

2,8

4,8

20,5

17,2

12,7

7,6

3

35

60

5

2,8

3,0

3,4

4,8

18,7

15,9

12,0

7,3

4

10

70

20

2,9

3,2

4,5

5,5

14,4

9,2

10,6

6,6

5

11

74

15

2,7

3,6

3,8

5,1

10,2

6,5

5,2

3,0

6

20

76

4

2,9

3,5

3,7

4,85

10,1

6,0

4,4

2,2

7

10

80

10

3,0

4,0

вспуч.

 вспуч.

9,8

10,6

вспуч.

 вспуч.

 

Спекание приготовленных составов масс с различными соотношениями ингредиентов (рис. 1) осуществляли в интервале температур 900-1100оС с температурным интервалом 50оС. Затем определяли физико-механические (табл. 2) и химико-минералогические характеристики.

На основе экспериментальных исследований доказано, что образцы, содержащие более 60% флотоотхода в исходной смеси, имеют большие показатели усадки по сравнению с образцами, содержащими 40-55% (табл. 2). 

 

Рисунок 1. Состав исследуемых масс в композиции «каолин – шамот – МОФ»

 

Определение водопоглощения обожженных образцов показало, что по мере повышения температуры обжига пористость постепенно уменьшается и при температуре 1050-1100оС, в зависимости от содержания флотоотхода, колеблется в пределах 7,4-12,3 и 2,9-3,0%. В случае когда содержание флотоотхода достигает 74-76 масс.% при температуре обжига 1100оС, образцы обладают минимальным водопоглощением, равным 2,2-3,0% (составы 5 и 6). Полученные данные свидетельствуют о том, что в керамической массе, состоящей из 11-12% флотоотхода, твердофазные процессы протекают наиболее интенсивно, вследствие чего спеченные образцы характеризуются высокой плотностью – 2700-2720 кг/м3. При спекании образцов в интервале температур 1050-1100оС, содержащих 80% флотоотхода, наблюдали вспучивание, что приводит к ухудшению некоторых физико-механических свойств спеченных образцов. Например, резкому повышению усадочных деформаций и водопоглощению (табл. 2).

Наблюдаемые изменения зависимости физико-химических свойств от состава исследуемых керамических масс (табл. 2) показывают, что оптимальной температурой для формирования спеченной структуры является 1100оС, выше которой благодаря увеличению содержания жидкой фазы быстро развиваются деформационные процессы и вспучивание образцов.

Таблица 2.

Физико-химические свойства опытных образцов

Номер образца

Предел прочности образцов (1050 оС) МПа

при

Предел прочности образцов (11000С) МПа

при

Температура

плавления, ТоС

Плотность кг/м3

ТКЛР

10-7×градус-1

Истирание

изгибе

сжатии

изгибе

сжатии

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

11,89

44,7

14,94

46,3

1360

2100

50,1

0,18

2

11,6

40,5

15,46

50,2

1340

2200

52,5

0,18

3

10,16

38,2

16,07

50,6

1320

2210

54,9

0,16

4

26,23

88,6

29,34

99,3

1260

2300

57,2

0,16

5

22,50

74,6

26,9

91,2

1250

2720

57,8

0,12

6

25,72

86,7

27,24

92,4

1240

2720

58,2

0,10

7

11,1

59,63

10,0

52,7

1240

Вспучив.

60,2

0,16

 

В зависимости от состава, толщины слоя и равномерности распределения стеклофазы образцы упрочняются за счет тонкой структуры и поликристаллических минералов.

Это подтверждается результатами экспериментальной оценки прочностных показателей при сжатии и изгибе.

 

Рисунок 2. Зависимость свойств спеченных образцов от изменения температуры обжига: 

     Водопоглощение, %

     Предел прочности при изгибе МПа

   Огневая усадка,%

 

Установлено, что прочность исследуемых образцов при температуре обжига 950оС имеет небольшое изменение в сторону увеличения. Начиная с температуры выше 950оС, прочность исследуемых образцов возрастает и при температуре 1100оС достигает максимума (табл. 1, 2; рис. 3).

 

Рисунок 3. Зависимость свойств спеченных образцов от изменения температуры обжига:

*

Водопоглощение, %;

   Предел прочности при изгибе МПа;

   Огневая усадка, %

 

Резкий рост прочности и плотности образцов в области температур интенсивного спекания, очевидно, обусловлен упрочняющим эффектом стеклофазы.

Из изложенного выше следует, что наилучшими физико-механическими и технологическими свойствами обладают образцы масс № 5, № 6.

Методами ДТА, рентгенофазового и микроскопического анализов, ИК-спектроскопии изучены твердофазные взаимодействия в системе «каолин – шамот – МОФ».

Изучение процесса формирования структуры керамических материалов, синтезированных на основе МОФ, проводилось петрографическим анализом прозрачных и полированных шлифов, изготовленных из опытных образцов, обожженных при температурах 1100-1150оС [5; 6; 11].

Электронномикроскопическое исследование структуры всех керамических образцов проводили в идентичных условиях. Реплика угольная самооттененная при 35-40о. Электронномикроскопические снимки подтверждают результаты ДТА и рентгенофазового анализа (рис. 4-5).

 

Рисунок 4. Микроструктура образца, № 1, обожженного при 11000С. Увеличение (´ 600)

 

Рисунок 5. Микроструктура образца № 5, обожженного при 11000С. Увеличение (´600)

 

Полученные данные свидетельствуют о сложном характере твердофазных реакций, сопровождающихся образованием в продуктах обжига муллита, гематита, кварца, кристобалита, а также стеклофазы, заполняющей пористую структуру указанных соединений.

 

Рисунок 6. Микроструктура образца № 1, обожженного при 11000С. Увеличение (´ 4000)

 

Рисунок 7. Микроструктура образца № 1, обожженного при 11000С. Увеличение (´ 3000)

 

Выявлены температурные интервалы спекания и взаимосвязь физико-химических свойств спеченных образцов. В результате определения фазовых превращений в широком диапазоне температур керамических масс установлено образование призматического анортита и таблитчатого волластонита.

В керамических образцах, содержащих 74-76% флотоотходов МОФ, спеченных при температуре 1100-1150оС, выявлено образование кристаллической фазы игольчатого муллита, скаленоэдрического гематита и чешуйчатого кристобалита.

Установлены особенности процесса спекания керамических масс в изученной композиции и показаны различия в характере их спекания, обусловленные различным видом и содержанием флотоотхода МОФ. Определены такие физико-химические свойства спеченных образцов, как плотность, прочность, термический коэффициент линейного расширения, в зависимости от их фазового состава и микроструктуры.

Таким образом, выявленные закономерности свойств изученных опытных образцов предоставляют возможность разработки новых составов керамических плиток для полов и других керамических строительных материалов на основе системы «каолиновые глины Ангренского месторождения – шамот – флотоотходы МОФ».

 

Список литературы:
1. Кабинетное исследование по оценке потенциала стран Восточной Европы, Кавказа и Центральной Азии в области разработки статистических данных для измерения устойчивого развития и экологической устойчивости по линии Счета развития Организации Объединенных Наций (СРООН) Женева 13.04.2012 // Unece [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.unece.org/fileadmin/DAM/stats/documents/ece/ces/ge.33/2013/mtg4/Desk_study_RU.pdf (дата обращения: 07.04.2019).
2. Лемешев В.Г., Петров С.В., Лемешев О.В. Утилизация техногенных продуктов в производстве керамических строительных материалов // Стекло и керамика. – 2001. – № 3. – С. 17-20.
3. Материалы конференции «Экологическая безопасность и бизнес» в Москве 31 января 2019 г. © ФГБУ «Институт глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля», 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.facebook.com/ (дата обращения: 07.04.2019).
4. Материалы международной конференции «Seymartec Промышленные выбросы. Отходы и вторичные ресурсы-2019» Челябинск 28.02. 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://seymartec.ru/calendar.html (дата обращения: 07.04.2019).
5. Методы электронной микроскопии минералов / Г.С. Грицаенко и др. – М.: Наука, 1969. – 308 с.
6. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. – М.: Изд. физ.-мат. лит., 1961. – 63 с.
7. Мухамеджанова М.Т., Иркаходжаева А.П. Керамические массы с отходами цветной металлургии // Стекло и керамика. – 1994. – № 5-6. – С. 41-43.
8. Мухамеджанова М.Т., Иркаходжаева А.П., Сидикова Т.Д. Керамическая масса для пола // Патент РУз, № 5705, 1998.
9. Сидикова Т.Д. Производство строительной керамики из отходов производства // Строительство: новые технологии – новое оборудование. 2010. – № 12. – С. 34-36.
10. Сидикова Т.Д. Технология получения стекла и стеклокристаллических материалов с применением отходов производства // Universum: химия и биология. – 2018. – № 4 (46). – С. 13-16.
11. Толкачев С.С. Таблицы межплоскостных расстояний – Л.: Химия, 1968. – 131 с.
12. Proceedings of the 2019 Energy from Waste Conference in London, one of the most important UK conferences dedicated to the waste and energy market and technology monitoring. United Kingdom – 27.02.2019. Available at: https:// (accessed 07 April 2019).
13. Stolboushkin A.Yu., Ivanov A.I., Fomina O.A. Use of Coal-Mining and Processing Wastes in Production of Bricks and Fuel for Their Burning/ International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016. Available at: https:// WWW.Elsever.com/Iocate/ Procedia Engineering 150 (2016) 1496 – 1502 (accessed 07 April 2019).
14. Storozhenko G.I., Stolboushkin A.Yu., Mishin A.P. Prospects of domestic production of ceramic bricks based on waste coal. Building Materials. 2013. No. 4. Р. 57-61.
15. The World Conference on Waste Management (WCWM 2019) «Towards a Sustainable future through strategic waste management» 7-8 March 2019 Colombo, Sri Lanka. Available at: https:// wastemanagementconferences.com/registration-fees/ (accessed 07 April 2019).

 

Информация об авторах:

Сидикова Тахира Далиевна Tahira Sidikova

канд. техн. наук, доцент кафедры «Естественных наук» Ташкентский институт по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог, 100060 Узбекистан, г. Ташкент, проспект Амира Темура, 20

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of “Natural Sciences” Chair, Tashkent Institute of Design, Construction and Operation of Highways, 100060 Uzbekistan, Tashkent, Amir Temur Avenue, 20


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5459

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66239 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в:

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

ROAR

OpenAirediscovery

CiteFactor

 

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.