CC BY
108
УДК 667.7:622.7.017
С. В. Морозова, А. В. Корнилов, П. Р. Хуснутдинов,
Е. Р. Корнилова
ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕТРАДИЦИОННОГО НЕРУДНОГО СЫРЬЯ
Ключевые слова: отходы, серпентинитовая порода, каолин, кордиерит, электротехнический материал,
свойства.
С использованием нетрадиционного сырьевого компонента (серпентинитовой породы) получена электротехническая керамика, удовлетворяющая по своим характеристикам требованиям стандарта.
Keywords: a waste, serpentine breed, kaolin, kordierit, serpentine an electrotechnical material, properties.
With use of a nonconventional raw component (serpentine asbestos breeds) the electrotechnical ceramics meeting requirements of the standard is received.
В данной работе представлены результаты исследований по получению электротехнической керамики с использованием нетрадиционного сырьевого компонента. Данную керамику (в частности электротехнический фарфор) получают из специально приготовленных масс с применением особых технологических режимов. В качестве сырьевых компонентов используют каолин, глину, полевой шпат, кварц, глинозем обожженный и др. Как правило, для производства высоковольтных изоляторов используют трехкомпонентную керамическую массу [1].
Для получения электротехнической керамики предлагается двухкомпонентная сырьевая смесь, состоящая из каолина сухого обогащения и нетрадиционного сырья -серпентинитовой породы.
Серпентинитовая порода отличается большими вариациями размера фракций: от 15мм до фр. - 1,25мм. Содержание (%) основных соединений в серпентинитовой породе и в отдельных фракциях приведено в табл. 1.
Таблица 1 - Химический состав серпентинитовой породы
Основные соединения Общая проба Фракция -1,25мм Фракция +3 + -5мм Фракция +5мм
SiO2 36,42 35,20 37,20 36,52
Д12Оэ 0,72 0,68 0,71 0,37
Fe203 5,09 6,53 4,15 3,18
FeO 2,48 2,66 2,53 2,22
СаО 0,54 0,57 0,97 0,14
MgO 40,51 40,62 40,77 42,62
п.п.п. 14,0 13,57 13,37 14,43
По основным химическим составляющим состав всех трех фракций близок и, в первом приближении, соответствует составу минералов семейства серпентина (антигориту, хризотилу, лизардиту) с общей кристаллохимической формулой Мдз(ОН)4[ЗІ2О5]”” или ЗМдО- Бі205 -2Н2О, в пересчете на массовую долю: МдО - 40,5 %, Бі2О5 - 47,05 % и Н2О -12,45 %.
Полученные вариации химического состава согласуются с результатами оптикомикроскопического изучения шлифов. В отходах обогащения (фракция -1,25 мм) присутствуют все минералы семейства серпентинов, но преобладает антигорит в виде мелкозернистых агрегатов. Хризотил выявляется в форме пучковато-волокнистых агрегатов, реже пучков хризотил - асбеста. Лизардит представлен пластинчатыми формами. Видны остаточные реликты оливина и брусита (последний обычно в сростках с антигоритом).
Магнетит выявляется в основном в форме рассеянной вкрапленности (от тыс. доли мм до 0,2мм). Карбонаты образуют мономинеральные обломки или находятся в обломках серпентина. Примерное соотношение минералов в шлифе: антигорит - около 50%, хризотил и хризотил - асбест - 30%, брусит и немолит - около 10%, лизардит - 3,5%, магнетит - 2 - 3%, доломит - не более 2%, отдельные зерна хромита.
Фракция +3 ^ -5мм отличается большой изменчивостью минерального состава в отдельных, четко наблюдаемых в шлифе, обломках. Состав минералов тот же, что и в более мелкой фракции. В крупных обломках заметно выше доля реликтовых минералов - оливина и пироксенового дунита.
Во фракции +5мм карбонат рассеян в антигорите. Магнетит образует более крупные зерна в брусите и хризотил - асбесте и мелкие включения в антигорите и хризотиле. В отдельных зернах выявляются бурый оксид железа, вероятно, гематит.
Содержание волокнистого хризотил - асбеста в целом на массу породы не превышает 2%.
Рентгеновский и термический фазовые анализы, ИК - спектроскопия показали присутствие примесных минералов: магнетита FeзO4 - до 3 %, брусит-немолита Mg(OH)2 -до 4 - 5 %, доломита CaМg(COз)2 и в меньшей степени магнезита МgCOз в сумме - до 5 %. Кроме того, обычно выявляется остаточный реликтовый минерал исходной породы оливин (MgFe)2SiO4 - до 3 - 4 %. Преобладание в качестве примесных магнезиальных силикатов сохраняет массовую долю MgO, близкую серпентиновым минералам, но заметно уменьшает долю SiO2. Обращает на себя внимание наибольшее содержание оксидов железа в более тонкой фракции, а оксида магния - в более крупной. В последней также наибольшее значение п. п. п., очевидно за счет карбонатов и брусита, хотя доля СаО минимальна.
Известно, что серпентин дегидратируется при 7000С, а при 8400С происходит перестройка кристаллической решетки; доломит разлагается при. Анализ термограммы исследуемой породы показал, что дегидратация серпентина начинается при 6000С и достигает максимальной скорости при 6900С, кристаллическая решетка перестраивается при температуре 8300 С.
Подготовка серпентинитовой породы включает операции дробления, термообработки и измельчения.
Измельчение породы проводилось в электромассклассификаторе типа СМГ - ЭМК -005-1. Он представляет класс аппаратов, где реализован способ активации и улучшения качественных характеристик материала, основанный на использовании совокупности электрофизических и инерционных характеристик частиц. На данном аппарате в результате ударно - истирающего действия происходит измельчение и структурные изменения сырья.
Электромассклассификатор состоит (рис. 1) из металлического каркаса (3), камеры активации (5), блока шкивов (2), связанных с электродвигателем, загрузочного бункера (1), патрубка для отсева крупной фракции (6), опорной станины (7), платформы передвижной (10), ротора (4), съемного стакана (9), бункера мелкой фракции (8).
Обработка производится в сухом виде (влажность не более 7%) в замкнутом объеме. Мелкодисперсные частицы оседают в бункере, а крупнодисперсная фракция выводится через патрубок и собирается в матерчатую или металлическую тару. Вставка стакана в бункер позволяет разделить мелкодисперсные частицы на две фракции, отличающиеся по размеру. После окончания работы крышку поднимают и вынимают стакан с тонкодисперсной фракцией.
Рис. 1 — Общий вид электромассклассификатора
Гранулометрический состав порошка после однократной переработки серпентинитовой породы в электромассклассификаторе: фр. >1мм - 1,6%, 1 - 0,63мм - 6,7%, 0,5 - 0,63 мм -14,7%, 0,315 - 0,5мм - 37,0%, <0,315мм - 40,0%.
Минеральный состав практически не изменился: содержание хризотила составляет 52% (в исходной породе 50%), лизардита - 22% (21%), брусита 11% (12%), магнетита 6% (8%), пироаурита - 7% (5%), пироксена - 2% (3%).
Смешивание компонентов (подготовленного серпентинитового порошка и товарного каолина) проводили в шаровой мельнице. Из полученной смеси изготавливали лабораторные образцы (№1 - соотношение К:С равно 2,1:1, №2 - К:С=2,2:1, №3 - К:С=2,3:1) полусухим прессованием при 10% влажности пресспорошка и давлении прессования 20МПа. После сушки образцов до определенной формовочной влажности их подвергали обжигу при температуре 1350°С.
Результаты физико - механических испытаний керамических образцов (кажущаяся плотность, пористость, коэффициент термического линейного расширения, стойкость к термоударам) приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Физико-механические свойства лабораторных образцов
Основные показатели Требования ГОСТ 20419-83 подгруппа 510 Значения характеристик образцов
№1 №2 №3
Кажущаяся плотность, г/см3 не менее 1,9 2,3 2,47 2,36
Кажущаяся пористость, % не более 30,0 24,2 26,6 24,9
Прочность на изгиб, МПа не менее 35,0 35,0 36,5 35,7
Средний коэффициент термического линейного расширения (КТР), К"1-10"6, при температуре от 20 до 100°С От 3,0 до 5,0 3,8 3,5 4,1
от 20 до 600°С От 3,0 до 6,0 4,2 4,1 4,9
Стойкость к термоударам, К не менее 150 200 194 193
Образцы, полученные из исследуемых сырьевых смесей, отвечают по всем определенным характеристикам требованиям ГОСТа 20419-83 [2]. Материалы керамические электротехнические. Классификация и технические требования.
В табл. 3 и 4 представлен минеральный и химический составы полученной керамики.
Таблица 3 - Минеральный состав керамических образцов
№ образца Наименование и содержание минералов, % мас.
1 Кордиерит - 88%, энстатит - 12%
2 Кордиерит - 84%, энстатит - 16%
3 Кордиерит - 76%, энстатит - 24%
Таблица 4 - Химический состав керамических образцов
Содержание в % на абс. сухую навеску
8102 АІ2О3 ТІО2 РЄ20з МпО СаО МдО Ыа2О К2О Ю О 2 0. 8 3 со ппп сумма
49,56 50,02 49,22 28,21 27,56 26,02 0,63 0,61 0,58 3,99 3,34 3,62 0,05 0,05 0,06 0,64 0,55 0,64 16,45 17,33 19,14 <0,01 0,05 0,13 0,23 0,24 0,24 <0,01 0,06 0,01 <0,05 <0,05 <0,05 0,24 0,18 0,34 100,0 99,99 100,0
Количество кордиеритовой фазы и основных оксидов в образцах находится в пределах рекомендуемых значений. Наибольшее содержание кордиерита наблюдается в образце, сформованного из сырьевой смеси при соотношении компонентов К:С, равному 2,1:1. Химический состав керамических образцов практически одинаков. Следует отметить лишь незначительные отличия по содержанию оксидов алюминия и магния.
На рис. 2 представлены снимки керамических образцов, полученных методом растровой электронной микроскопии с увеличением 250 и 1000.
Поверхность образцов неоднородна, испещрена большим количеством пор различных форм и размеров, что подтверждает достаточно высокую пористость образцов. Количество сколов минимально, что свидетельствует об отсутствии дефектов внутри образца, включения не обнаружены. Поверхность сколов неоднородна, образована наплывами и крупными глубокими, разветвленными порами. При увеличении х1000 это видно отчетливее (поверхность образца в виде наплывов, каверн и бугорков размером до 10мкм).
Таким образом, из двухкомпонентной смеси (каолина и нетрадиционного сырья -серпентинитовой породы) получена электротехническая керамика, которая по своим характеристикам удовлетворяет требованиям нормативно-технической документации на керамические электротехнические материалы. Керамические образцы имеют кажущуюся плотность 2,3-2,47г/см3, пористость - 24,2-26,6%, прочность на изгиб - 35,0-36,5МПа, коэффициент термического линейного расширения -3,5-4,1 К"1-10"6 (при температуре от 20 до 100°С) и 4,1-4,9 К_1-10"6 (при температуре от 20 до 600°С), стойкость к термоударам -193-200К.
Образец №1, увеличение 250 увеличение 1000
Образец №3, увеличение 250 увеличение 1000
Рис. 2 - Снимки керамических образцов Литература
1. Балкевич, В.Л. Техническая керамика / В.Л. Балкевич. - М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.
2. ГОСТ 20419-83. Материалы керамические электротехнические. Классификация и технические требования. Введен 01.01.85. Изд-во стандартов. 1985. - 7 с.
© С. В. Морозова - инж. отд. технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», [email protected]; А. В. Корнилов - д-р техн. наук, доц., зав. отделом технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»; П. Р. Хуснутдинов мл. науч. сот. ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»; Е. Р. Корнилова - канд. техн. наук, доц. КНИТУ им. А. Н. Туполева.
