CC BY
83
УДК 661
A. М. Салахов, А. А. Демидов, Г. Р. Фасеева,
B. П. Морозов, Р. А. Салахова
ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА
Ключевые слова: легкоплавкие глины, выгорающие добавки, нефтяной шлам, лицевой кирпич.
Разработан состав керамической массы для производства лицевого кирпича с использованием техногенных отходов - нефтяного шлама. Исследованы фазовые превращение и термические эффекты происходящие при обжиге полученной модифицированной шихты. Показано улучшение эксплуатационных характеристик кирпича с возможностью повышения энергоэффективности производства.
Keywords: fusible clay, burnable additives, oil sludge, face brick.
Designed composition of ceramic mass for the production of facing bricks using technogenic waste - oil sludge. The phase transformation and thermal effects occurring during firing of the resulting modified mixture. Shown to improve the performance of brick with the possibility of increasing the energy efficiency ofproduction.
Введение
Сложившаяся экономическая ситуация в стране требует снижения издержек на всех этапах капитального строительства. В жилищном строительстве значительные затраты на строительные материалы, снижение их стоимости является одной из важнейших задач, которую технологам необходимо решить в кратчайшие сроки. При этом опираться необходимо исключительно на местное сырье, природные и техногенные добавки.
В структуре себестоимости производства керамического кирпича существенную долю (30 -40%) составляют затраты на тепловую и электрическую энергию. Высокий уровень затрат на тепловую энергию связан высокими (950 - 1050°С) температурами обжига, которые зависят от вида производимой продукции и характеристик сырья. Затраты на электроэнергию связаны с процессами подготовки сырья (дробилки, вальцы) и формования кирпича, где важную роль играют реологические характеристики керамических масс.
За последние годы удалось существенно сократить затраты на тепловую энергию при производстве пустотело-поризованных
керамических изделий. Это достигнуто, в первую очередь, за счет изменения формы изделий (пустотность) и применения выгорающих добавок (опилки, гречневая или рисовая шелуха). Известно [1,2], что чем тоньше стенки изделия, тем короче время обжига, соответственно ниже затраты на тепловую энергию. Выгорающие добавки, в свою очередь, несут свой вклад в тепловой баланс обжиговой печи, в то же время, их применение ведет к формированию открытых пор, т.е. к повышению водопоглощения изделий.
Экспериментальная часть
В соответствии с действующим стандартом ГОСТ 530-2012 для лицевого кирпича существует серьезное ограничение по пустотности и водопоглощению изделий, что исключает применение общепринятых выгорающих добавок.
Одновременно, для производства лицевого кирпича необходима более тщательная массоподготовка, что ведет к высоким затратам электроэнергии.
В институте физики КФУ разработан новый состав керамических масс, предусматривающий модификацию легкоплавких глин отходами нефтедобычи - нефтяным шламом. Получаемая таким образом шихта может использоваться для производства как лицевого, так и рядового кирпича.
Термогравиметрические исследования шлама (рис.1) показали, что в его составе содержится до 13% нефти. В температурном интервале 250 - 550°С отмечается значительный экзотермический эффект.
ТГГК ДСКУ{ыЭтЛ*)
100 200 300 400 500 600
Температура г С
Рис. 1 - Результаты термического анализа нефтешлама
Практическая реализация использования шихты намечена на заводе «Алексеевская керамика», поэтому для исследования были использованы уже эксплуатируемые заводов глины Алексеевского и Сахаровского месторождений. Результаты исследования тепловых эффектов глины Сахаровского месторождения с 10% нефтяного шлама методом дифференциального термического анализа (ДТА) выявили максимумы
экзотермических эффектов при температурах 347°С, 441°С и 539°С. Термогравиметрическим методом установлено, что в интервале температур 200 -600°С потеря массы составляет 3,83%, а общая потеря массы в интервале температур 25 - 1000°С
составляет 10,47%. Очевидно, что в процессе обжига формируется восстановительная среда.
По результатам рентгенографических исследований нефтяного шлама установлено содержание аморфной фазы 33%, кристаллической -67%. В составе кристаллической фазы: кварц - 25, альбит - 20, кальцит - 19, мусковит - 16, амфибол -11, клинохлор - 6, доломит - 3%. Отметим значительное содержание глинистых минералов (22%), в том числе наличие минерала амфибол.
Рентгенографические исследования глины Сахаровского месторождения с 10% нефтяного шлама (табл.1) выявили, что минералы монтмориллонит и клинохлор разрушаются при температуре обжига до 300°С, а гидрослюдистый минерал мусковит сохраняется вплоть 1050°С. Диссоциация кальцита и доломита происходит при температуре обжига до 700°С. Отметим, что вплоть до 1000°С в минеральном составе образцов остаются оксиды кальция, это связано с тем в составе нефтяного шлама присутствуют и достаточно крупные (до 1,5 мм) карбонаты. В этой связи технологами завода предусмотрено включение в технологическую линию вальцев супертонкого помола.
При достижении температуры 1100°С остаются только устойчивые минеральные фазы: кварц, альбит и микроклин.
Таблица 1 - Изменение минерального состава керамической массы из глины Сахаровского месторождения с добавкой 10% нефтяного шлама
Тобж Монтмори Клинохло Мусковит Кварц Альбит Микрокли Кальцит Доломит СаО Крист.фаз о м аА
50 1 2 7 36 7 13 5 3 - 74 26
100 3 7 34 9 10 3 3 68 32
200 2 8 42 5 11 5 3 76 24
300 7 42 3 12 6 3 72 28
400 8 36 5 18 5 3 76 24
500 10 30 5 16 5 2 68 32
600 9 35 7 15 4 3 72 28
700 9 36 8 16 2 71 29
800 8 37 7 16 1 69 31
850 8 42 6 14 1 72 28
900 8 41 6 13 1 70 30
950 6 41 7 14 1 69 31
1000 7 40 5 13 1 66 34
1050 5 40 6 17 сл 68 32
1100 40 9 18 67 33
После обжига глины Алексеевского месторождения при 1000°С в составе кристаллической фазы фиксируется кварц, плагиоклаз и гематит. С добавкой в глину нефтяного шлама, при тех же условиях обжига наряду с кварцем, гематитом и плагиоклазом, выявляется вновь синтезированный минерал авгит. Известно
[3], что авгит - это цепочечный силикат из группы пироксенов состава Ca(Mg,Fe)Si2O6. Авгит отличается высокой твердостью и высокой температурой плавления, можно предположить, что именно его присутствие обеспечивает повышенные прочностные характеристики материала (свыше 30 МПа). Существенно, что с повышением в шихте концентрации нефтешлама водопоглощение обожженных образцов снижается. Мы объясняем это тем, что в процессе обжига в восстановительной среде формируются закрытые поры микрометрового диапазона. Это обстоятельство позволяет использовать шихту с применением нефтяных шламов для производства не только рядового, но и лицевого кирпича.
13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=1,54060
Рис. 2 - Дифрактограмма образца из глины Алексеевского месторождения с добавкой 7% нефтяного шлама. Тобж = 1000°С
Таблица 2 - Изменение водопоглощения керамических образцов из глины Алексеевского месторождения, модифицированной нефтяным шламом. Давление формования 10 МПа
Содержание 5% 10% 15% 20%
шлама нефтяного W% W%o W%o W%o
Тобж = 900°С 15,2 13,7 12,6 12,5
Тобж = 950°С 15,8 14,3 13,5 13,0
Тобж = 1100°С 12,6 11,7 8,9 11,4
Выводы
Экономия энергетических ресурсов в процессе производства, улучшение
эксплуатационных характеристик кирпича позволяют считать использование нефтяных шламов одним из направлений повышение эффективности керамического производства. Отметим, что при этом решается серьезная экологическая проблема, поскольку за многие годы нефтедобычи в республике Татарстан скопилось значительное количество нефтяных шламов.
Комплекс реализуемых в ОАО «Алексеевская керамика» мероприятий позволит наладить серийный выпуск широкой номенклатуры
пустотелых, а также пустотно-поризованных изделий, физико-технические показатели которых вполне отвечают современным требованиям энергоэффективности.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Субсидии по постановлению Правительства РФ №218 (договор № 02.G25.31.0121, 2014 г.).
Литература
1. W. B. Vom, Ziegelgott zum Industrieelektroniker . Bundesverband der Deuchen Ziegelindustrie, Bonn, 2004. 407 p.
2. В.С. Бакунов, Оксидная керамика и огнеупоры. Спекание и ползучесть: учебное пособие по курсу «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Министерство образования и науки РФ, Москва, 2007. 584с.
3. В.С. Горшков, Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы: Структура и свойства: Справ. Пособие. Стройиздат, Москва, 1994. 564 с.
4. Салахов А.М., Кабиров Р.Р., Фасеева Г.Р., Морозов В.П., Болтакова Н.В., Салахова Р.А. Вестник Казанского технологического университета, 17, 48-50.
© А. М. Салахов - канд. техн. наук, доцент кафедры физики твердого тела КФУ; А. А. Демидов - председатель правления ОАО «Алексеевская керамика»; Г. Р. Фасеева - ст. препод. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, [email protected]; В. П. Морозов - д-р г.-м. наук, зав. каф.й минералогии и литологии КФУ; Р. А. Салахова - канд. техн. наук, старший научный сотрудник ЗАО «ВНИИСТРОМ им. П.П.Будникова».
© A. M. Salahov, Cand. tehn. Associate Professor, Department of Solid State Physics, Kazan Federal University; А. А. Demidov, Chairman of the Board of JSC "Alekseevskaya ceramics"; R. G. Faseeva, a senior lecturer in technology of inorganic substances and materials, Kazan Scientific Research Technological University, [email protected]; V. Р. Morozov, Dr. H.-M. Sciences, Head. Department of Mineralogy and Lithology Kazan Federal University; R. A. Salakhova, Cand. tehn. Sciences, Senior Researcher of CJSC "VNIISTROM them. P.P.Budnikova".
