CC BY
39
УДК 691.421-431
В. З. Абдрахимов (д.т.н., проф.)1, В. К. Семенычев (д.т.н., д.эк.н., проф.)2,
Д. Ю. Денисов (асп.)1
Влияние железосодержащего техногенного сырья цветной
1 О U
металлургии на фазовый состав керамической плитки для полов
Самарская академия государственного и муниципального управления 1 кафедра кадастра и геоинформационных технологий 2кафедра математических методов и информационных технологий 443084, г. Самара, ул. Стара Загора, 96; тел./факс (846) 9515466, e-mail: [email protected]
V. Z. Abdrahimov, V. K. Semenychev, D. Ju. Denisov
Influence of ferriferous technogenic raw material of nonferrous machine industry on phase structure of a ceramic bar for floors
The Samara academy of state and municipal steering 96, Stara Zagora Str., 443084, Samara; ph/fax (846) 9515466, e-mail: [email protected]
Исследования показали, что лучшими интенси-фикаторами спекания являются техногенные сырьевые материалы, у которых соотношения Fe2O3/Z(CaO+MgO) % наиболее высокое. При этом первая стадия образования муллита заканчивается при 1100—1150 оС, т. е. смещает его образование в область более низких температур на 50 оС (1100 оС).
Ключевые слова: глинистая часть «хвостов гравитации»; жидкая фаза; интенсификатор спекания; кристобалит; муллит; обжиг; плитки для полов; техногенное сырье; цветная металлургия; фазовый состав.
Фазовый состав, текстура, морфологические особенности кристаллических фаз определяют главным образом эксплуатационные свойства керамических изделий 1.
В работах 2' 3 была показана классификация и принципиальная возможность использования железосодержащего техногенного сырья цветной металлургии в производстве керамических материалов. Исследования, проведенные в работах 1-3 показали, что лучшими ин-тенсификаторами спекания являются техногенные сырьевые материалы, у которых наиболее высокие соотношения Fe2O3/(CaO+MgO).
В настоящей работе проведены исследования по влиянию железосодержащего техногенного сырья цветной металлургии на фазовый состав керамической плитки для полов. Исследуемые техногенные материалы и их соотношения Fe2O3/(CaO+MgO) и (БЮ^А!^)/ Fe2O3. представлены в табл.1.
Probes have shown, that the best intensifies of a sintering are technogenic raw products, for which ratios Fe2O3 /Z(CaO+MgO) % the highest. Thus the first mode of formation mullite ends at 1100— 1150 0C, i.e. displaces its education in range of lower temperatures on 50 0C (1100 0C).
Key words: phase structure; technogenic raw material; nonferrous machine industry; an intensifier of a sintering; a clay part of «tail of mass attraction»; furnacing; a flooring tile; mullite; a liquid phase; cristobalite.
Материалы и методы исследования
Исследованию подвергались плитки размером 100х100х10 мм, изготовленные методом полусухого прессования при удельном давлении 20 МПа. Высушенные плитки различных составов (табл. 2) обжигали при температуре 1100 оС. Физико-механические показатели плиток приведены в табл. 3.
Изучение фазовых превращений, протекающих при обжиге плиток для полов, проводилось на образцах из оптимальных составов (табл. 2—3), обожженных при 1100 оС.
Рентгенофазовый состав керамических плиток для полов проводился на дифрактомет-ре ДРОН-6 с использованием СоКа— излучения при скорости вращения столика с образцом 1 град/мин. На рис. 1 приведены рентгенограммы керамических плиток из оптимальных составов (состав 1гци взят для сравнения), обожженных при температуре 1100 оС.
Дата поступления 17.03.11
Таблица 1
Соотношения основных оксидов в исследуемых техногенных материалах
Компоненты Соотношение оксидов, % мас.
Рв20з/2(Са0+Мд0) 2(вЮ2+А120з)/Ре20з
1. Глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ) 2.13 12.90
2. «Хвосты» флотации переработки клинкера от вальцевания шлаков (ХВ) 0.45 3.17
3. Феррит-кальциевый шлак (ФК) 1.87 0.33
4. Ватержакетный шлак (ВЖ) 6.19 0.80
Таблица 2
Составы керамических масс
Компонент Составы и содержание в составах ке рамических масс компонентов, % мас.
1 гци 1фк 2фк 3фк 1хв 2хв 3хв 1 вж 2вж 3вж
1. ГЦИ 100 95 90 85 95 90 85 95 90 85
2. ХВ - 5 10 15 - - - - - -
3. ФК - - - - 5 10 15 - - -
4. ВЖ - - - - - - - 5 10 15
Таблица 3
Физико-механические показатели керамических плиток
Показатель Состав
1 гци 1 фк 2фк 3фк 1хв 2хв 3хв 1вж 2вж 3вж
Водопоглощение, % 5.5 4.2 3.0 3.6 5.2 4.3 3.2 4.0 3.7 3.4
Механическая прочность при изгибе, МПа 36.2 38.0 44.6 43.8 37.3 39.0 41.0 44 50.8 49.4
Усадка, % 6.6 7.4 8.2 8.0 3.6 4.0 4.8 7.5 8.4 4.9
Морозостойкость, циклы 503 535 541 540 538 531 534 568 577 571
Истираемость, г/см3 0.1 0.07 0.05 0.06 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.05
Рис. 1. Рентгенограммы образцов из различных составов, обожженных при 1100 оС: 1 — 1 гци; 2 — 2фк; 3 — 3 ■ 4 — 2
Введение в составы керамических масс феррит-кальциевого шлака (рис. 1, кривая 2) интенсифицирует процесс кристаллизации термодинамически стабильных минералов: муллита, анортита, и при этом снижается высота пика кристобалита (^/п=0.412 нм). По-видимому, введение в состав керамических масс феррит-кальциевого шлака тормозит кристаллизацию кристобалита 1,4,5.
Полученные данные можно объяснить также и с помощью схемы, предложенной Г. В. Бриндли и М. Накахира 6. При обжиге каолиновых глин существует реакционная серия со структурной непрерывностью от каолинита через метакаолинит (А1203-28Ю2) к фазе типа шпинели (2А1203-38Ю2), при этом в интервале температур 925—950 оС миграцией из этой структуры образуется кремнезем (около 1 на 4 БЮ2). Повышенное содержание количество образовавшейся жидкой фазы в составе 2фк способствует переводу кристобалита в жидкую фазу из выделившегося кремнезема при 1100 оС. При более высокой температуре фаза шпи-нельного типа переходит в муллитовую фазу переменного состава при 1100 оС с соотношением А1:31=2:3 (названной «первичным» муллитом, рис. 2). Именно муллит, как известно, повышает основные физико-механические показатели керамических материалов 1,4,5.
Рис. 2. Микроструктура образцов составов №2фк и 2вж: А — 2фк; Б — 2вж. Температура обжига 1100 оС. 1 — кварц с каемкой оплавления; 2 — первичный («чешуйчатый») муллит; 3 — псевдоморфозы стекла с короткопризматическим муллитом; 4 — стеклофаза. Увеличение: Ах24000; Бх28000.
Феррит-кальциевый шлак способствует образованию нового минерала % волластонита (й/и=0.202 и 0.296 нм). Волластонит, как известно, снижает усадку изделий 1,4,5, Наблюдения с помощью оптического микроскопа показали, что зерна шлака оплавлены, а кристаллы кварца имеют трещины. По трещинам кристаллов образуется кварцевое стекло, содержание которого по отношению к составу 1гци возрастает.
Введение в составы керамических масс «хвостов» флотации от вальцевания шлаков к особым изменениям фазового состава не приводит.
Введение в составы керамических масс ватержакетного шлака приводит к увеличению первичного («чешуйчатый») муллита псевдоморфозы и стекла с короткопризматическим муллитом (рис. 2Б). Под микроскопом видны бесцветные, желтоватые и бурые стекла с показателями преломления от 150 до 1.56, образовавшиеся в результате плавления шпатов и смешаннослойных глинистых образований. Ватержакетный шлак еще более интенсифицирует образование муллита (^/п=0.212; 0.220; 0.339 и 0.540 нм) и при этом образуется новый минерал диопсид (^/п=0.223; 0.259; 0.285 и 0.298 нм).
В работе 1 отмечается, что образование муллита проходит в две стадии: первая — резкий скачок в интервале температур, ограниченном 50—100 оС, вторая — медленное увеличение количества муллита при дальнейшем повышении температуры. Введение в состав керамических масс ватержакетного шлака показало, что первая стадия образования мул-
смещает его образование в область более низких температур на 50 оС (1100 оС). Это обусловлено повышенным содержанием в ватержа-кетном шлаке оксида железа.
Описанные изменения, характерные для формирования структуры при введении железосодержащего техногенного сырья цветной металлургии, несомненно, говорят об их большой роли в процессе структурообразовании керамического материала.
Таким образом исследования показали, что лучшими интенсификаторами спекания являются техногенные сырьевые материалы, у которых соотношения Fe2O3/S(CaO+MgO) % наиболее высокое. При этом первая стадия образования муллита заканчивается при 1100— 1150 оС, т. е. смещает его образование в область более низких температур на 50 оС (1100 оС).
Литература
1. Абдрахимов В. З. Исследование железосодержащего традиционного природного и техногенного сырья на спекание керамических материалов. Влияние ионов Fe2+ и Fe3+ на образование низкотемпературного муллита.— Самара: СГА-СУ, 2009.- 427 с.
2. Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С. // Экология и промышленность России.- 2009.-№6.- С. 41.
3. Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С. // Известия вузов. Строительство.- 2004.- №10.- С. 33.
4. Абдрахимов В. З. // Известия вузов. Строительство.- 2009.- №2.- С. 31.
5. Абдрахимов В. З. // Известия вузов. Строительство.- 2006.- №10.- С. 30.
6. Бриндли Г. В., Накахира М. // Вопросы минералогии глин.- М.: Наука, 1962.- С. 90.
лита заканчивается при 1100-1150 оС, т. е.
Работа выполнена в соответствии с утвержденным Министерством образования и науки РФ на 2011 год научного проекта «Исследование влияния железосодержащего традиционного природного и техногенного сырья на спекание керамических материалов. Влияние ионов и Ре?+ на образование низкотемпературного муллита»
