Физико-химические особенности формирования структуры облицовочной керамики на основе



Дата25.06.2016
өлшемі51.96 Kb.
#157370
УДК 620.22:621.763
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ОБЛИЦОВОЧНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ

НЕФЕЛИНОВОГО ШЛАМА

Еромасов Р.Г., Тюпкин С.С., Акпашева Н.В.

научный руководитель канд. техн. наук Никифорова Э.М.

Сибирский федеральный университет
Основные свойства облицовочного керамического материала в значительной степени обусловлены характером фазовых превращений, происходящих при обжиге материала, а также структурой и фазовым составом черепка. Существенную роль оказывает течение физико-химических процессов в отдельных компонентах разработанного композиционного материала на основе нефелинового шлама.

Перспективным сырьевым техногенным продуктом является нефелиновый шлам Ачинского глиноземного комбината. Химический состав шлама представлен в таблице 1.


Таблица 1

Химический состав техногенных отходов, масс. %



Наименование сырья

Содержание оксидов

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

F-1

п.п.п.

Нефелиновый шлам глиноземного комбината (г. Ачинск)

22,10

1,90

-

55,29

1,17

1,19

-

-

18,35

Микрофотографии монофракций нефелинового шлама представлены на рисунке 1.




а б в
Рисунок 1– Микрофотографии монофракций нефелинового шлама:

а – фр. -0,315+0,08 мм; б – фр. -0,08+0,056 мм; с – фр. -0,056 мм
В проведенных ранее исследованиях нами установлено, что формирование дисперсной структуры и направленное изменение свойств облицовочной керамики из грубозернистых непластичных масс (на основе нефелинового шлама) определяется размерами фракций скелета композиционного материала и их определенным соотношением, взаимосвязанным с размерами зерен матричного материала, на стадии поэтапного процесса формирования коагуляционно-конденсационных и кристаллизационных структур.

Разработанные модельные системы облицовочных композиционных материалов, обеспечивают достижение принципа плотной упаковки керамических шихт. Максимальное заполнение дисперсной структуры твердой фазой достигается при соотношении в скелете размеров фракций из грубозернистых техногенных продуктов от 1,5 до 5,5. Установлена степень уплотнения скелета из нефелинового шлама, соответствующая (Ктв =0.49) и шихты на его основе (Ктв =0.45) при соотношении содержания упрочняющего скелета к матрице из глинистого компонента и кварцевого песка 3:7.

На рисунке 2 представлены модели упаковки керамической шихты на основе нефелинового шлама, глины компановской и кварцевого песка с различным фракционным составом нефелинового шлама.

а б в г
Рисунок 2 – Модель упаковки двухфракционной керамической шихты на основе нефелинового шлама (30 масс.%) с добавлением глины и кварцевого песка фракции менее 0,056 (70 масс.%): а– фракция –0315 + 0,08, б– фракция -0,08+0,056, в– фракция менее 0,056; г– на основе нефелинового шлама фракции –0315 + 0,08 и фракции–0,08 + 0,056 в соотношении 2:1
Исследования физико-химических превращений в композиционном материале проведены на оптимальном составе керамической шихты, масс. %: глина компановская – 62; нефелиновый шлам – 30; песок – 8.

Для выявления особенностей формирования фазового состава и структуры керамической плитки проведены дериватографические и рентгеноструктурные исследования исходных сырьевых материалов и композиций оптимального состава на их основе. Дериватограммы и нефелинового шлама проб, взятых непосредственно после процесса выщелачивания нефелиноизвестковых спеков (свежий), а также в процессе длительного хранения (лежалый) представлены на рисунке 3, а и б.



а б

Рисунок 3 – Дериватограммы нефелинового шлама: а- свежий продукт; б-лежалый продукт.


Наличие существенного количества карбонатов в нефелиновом шламе связанно с наличием в исходном составе шихты известняка и нефелина. В качестве основной кристаллической фазы нефелинового шлама выступает двухкальциевый силикат, образуемый в процессе спекообразования. Все остальные компоненты нефелиновой руды – натрий, калий, алюминий, железо, по мнению Шморгуненко Н.С. и Корнеева В.И, образуют растворимые в воде соединения NaAlO2, KAlO2 и NaFeO2. Анализ дифрактограмм лежалого и свежего нефелинового шлама свидетельствует о существенном увеличении количества карбоната кальция. Результаты рентгеноструктурного фазового анализа позволили выявить содержание основных кристаллических фаз в нефелиновом шламе, колеблющееся в зависимости от условий и времени его хранения, а именно (масс.%) : двухкальциевый силикат –от 86 до 46; алюмосиликаты натрия и кальция - 4-11; гидросиликаты кальция- 4-5 %; карбонаты кальция - 5-40.

Проведенный анализ возможных фазовых превращений в керамической шихте на основе глинистого сырья различного минералогического состава, нефелинового шлама с подшихтовкой кварцевым песком позволяет прогнозировать содержание отдельных кристаллических фаз, синтезируемых, в основном, в системе СаО–SiO2, SiO2–Al2O3–СаО: муллит 3Al2O3·2SiO2, кристобалит SiO2,волластонит СаО·SiO2, анортит СаО·Al2O3·2SiO2, геленит 2СаО·Al2O3·SiO2. Как следует из проведенных исследований физико-химических процессов формирования черепка высококальциевой керамической плитки формирование волластонита, анортита и геленита возможно уже на стадии твердофазных реакций.

Анализ расчетных значений ∆G°τ (рис. 4) позволяет отметить, что для всех рассмотренных реакций энергия Гиббса имеет отрицательные значения, что свидетельствует о возможности их протекания. Термодинамическая вероятность протекания реакций с изменением температур в области спекания керамических масс значительно возрастает для реакций образования анортита и геленита (рис.5). Выявленные закономерности подтверждают значительную взаимосвязь реакций образования анортита и геленита от температуры. Синтез волластонита характеризуется значительно меньшей энергетикой и в значительной степени определяется кинетическими факторами.

Рисунок 4 – Температурная зависимость энергии Гиббса (-∆G) образования кристаллических фаз в процессе обжига: ряд 1 –волластонит; ряд 2–анортит; ряд 3–геленит; ряд 4–муллит
Микроструктура образцов облицовочной керамики на основе нефелинового шлама регулируемого фракционного состава, обожженных при температуре 1100 °С представлена на рис. 5.

а б


в
Рисунок 5 – Микроструктура облицовочной керамики на основе нефеленового шлама:

а – фр. -0,315+0,08 мм; б – фр. -0,08+0,056 мм; с – фр. -0,056 мм

Микроструктура приведенная на рисунке 5 в значительной степени совпадает с моделью упаковки структурных составляющих разработанного композиционного материала.

Достарыңызбен бөлісу:




©dereksiz.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет