ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИКОРИСТАННЯ ОРГАНОВМІСНИХ ВІДХОДІВ У ВИРОБНИЦТВІ КЕРАМІЧНОЇ ЦЕГЛИ

Ресурсозберігаючі технології

Виробництва силікатних виробів

Методичні вказівки

До виконання лабораторних робіт для студентів

спеціальності 7.05130104 «Хімічні технології тугоплавких

неметалевих і силікатних матеріалів»

Електронне видання

Київ

НТУУ «КПІ»

Ресурсозберігаючі технології виробництва силікатних виробів : Метод. вказівки до виконання лабораторних робіт для студ. спец. 7.05130104 «Хімічні технології тугоплавких неметалевих та силікатних матеріалів» / Уклад.: Ю.М. Величко, С.О. Бондаренко, А.П. Яценко – К.: НТУУ «», 2013. –40 с.

Гриф надано Методичною радою ХТФ НТУУ «КПІ»

(Протокол № від 2013 р.)

Навчальне видання

Ресурсозберігаючі технології

Виробництва силікатних виробів

Методичні вказівки

До виконання лабораторних робіт для студентів

спеціальності 7.05130104 «Хімічні технології тугоплавких

неметалевих і силікатних матеріалів»

Електронне видання

Укладачі : Величко Юрій Михайлович, канд. техн. наук, доц.

Бондаренко Сергій Олексійович

Яценко Артем Павлович

Відповідальний

редактор Ю.М. Величко

Рецензент:

ЗМІСТ

ВСТУП.. 4

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИКОРИСТАННЯ ОРГАНОВМІСНИХ ВІДХОДІВ У ВИРОБНИЦТВІ КЕРАМІЧНОЇ ЦЕГЛИ.. 5

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1. 14

Визначення раціональної концентрації органовмісних відходів у керамічній масі та їх підготовка для виробництва стінової кераміки пластичним методом

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 2. 18

Вивчення впливу концентрації органовмісних відходів на параметри пластичного формування модельних зразків у лабораторному екструдері

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3. 23

Визначення чутливості керамічних мас до сушки в залежності від виду та концентрації органовмісних відходів

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4. 26

Вивчення впливу концентрації відходів та способу нагріву модельних зразків пластичного формування на термін сушки та величину усадки

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 5. 30

Визначення параметрів випалу модельних зразків на основі керамічних мас з органовмісними домішками різної температури початку загорання

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 6. 34

Вивчення впливу концентрації домішок на експлуатаційні показники стінової кераміки пластичного формування

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ.. 39

ВСТУП

Дані методичні вказівки складено відповідно до робочої навчальної програми «Хімічна технологія силікатних виробництв 2» «Ресурсозберігаючі технології у виробництві силікатних виробів» і спрямовані на закріплення та поглиблення знань з цього курсу.

Послідовність виконання лабораторних робіт наступна: підготувати протокол лабораторної роботи; вивчити основні теоретичні положення до теми лабораторної роботи, використовуючи літературу та відомості в даних Методичних вказівках; виконати лабораторну роботу; обробити результати записаних у протокол та скласти звіт роботи. У звіті вказуються назва роботи, методики виконання, схема і опис лабораторної установки, параметри її роботи.

Приводяться основні формули, необхідні для обробки результатів. Отримані дані заносять у таблиці, а результати обробки можуть бути представлені у вигляді таблиць або графіків. На підставі отриманих результатів роблять висновки щодо проведеної роботи. Для самоконтролю знань студенти користуються контрольними питаннями наведеними у кінці кожної лабораторної роботи.

При захисті лабораторних робіт викладач перевіряє правильність виконання роботи та обробки результатів, обґрунтованість висновків та рівень теоретичних знань студентів.

Даний комплекс лабораторних робіт базується на знаннях, які отримали студенти при виконанні лабораторних робіт в 1 семестрі по дисципліні «Прикладна хімія».

У 8 семестрі по дисципліні «Хімічна технологія кераміки та скла»

Та у 9 семестрі по дисципліні «Хімічна технологія тонкої та будівельної кераміки»

Проблема ресурсозбереження, у поточний період, може бути вирішена шляхом внесення у керамічні маси багатотоннажних відходів промисловості, які за своїми кераміко-технологічними показниками наближаються до основної глинистої сировини та можуть використовуватись у якості корегуючих домішок або основної сировини при виробництві кераміки будівельного призначення.

Велика кількість відходів промисловості у своєму складі мають органічну складову, яка в процесі теплової обробки виробів виділяє значну кількість теплоти, що, окрім економії сировинних матеріалів, дозволяє зменшити витрати технологічного палива у виробництві та зменшити енергоємність продукції що випускається.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИКОРИСТАННЯ ОРГАНОВМІСНИХ ВІДХОДІВ У ВИРОБНИЦТВІ КЕРАМІЧНОЇ ЦЕГЛИ

Відходи промисловості називається техногенною сировиною, якщо за своїми кераміко-технологічними показниками, хімічному, мінеральному складу та кількісним показникам можуть використовуватись у якості основної глинистої сировини або домішок.

Вказаним критеріям відповідають відходи вуглевидобутку, вуглезбагачення, органовміщуючи відходи коксохімічного та паперового виробництва, відходи деревообробки та ін.

У керамічній масі для виробництва цегли концентрація органовміщуючих (паливовміщуючих, поризуючих) домішок залежить від якісних показників основної глинистої сировини, конструктивних особливостей, масопереробного, формуючого та тепло-технологічного обладнання, яке використовується в технології.

Залежно від того, на які властивості основної сировини вони впливають або яку роль відіграють у сировинній суміші, добавки поділяються на групи:

I група – поліпшуючі формувальні властивості.

Ці добавки, у свою чергу, підрозділяються на пластифікуючі і спіснюючі. Для пісної глинистої сировини, суглинків, лесів необхідно вводити добавки, що збільшують зчеплення суміші і її сполучну здатність. Для цієї мети придатні природні глини з великім вмістом глинистої складової: бентоніти, тонкодисперсні хвости флотації вугілля, відходи гравітаційного збагачення вугілля марок Д та Г, відходи коксохімзаводів. Високопластичні глини гідрослюдисто-каолінітового типу вводяться в шихту в порошкоподібному стані, монтморилонітові - у вигляді шлікеру.

Високопластичні глини при пластичному формуванні схильні до пластичного руйнування (звилі), тому мають потребу в добавках, що збільшують коефіцієнт внутрішнього тертя сировинних сумішей і знижують їхню адгезію до металу, тобто в грубозернистих спіснювачах. До них відносяться: грубозернистий (0,5 – 2)мм кварцовий пісок; шамот, що одержують шляхом здрібнювання до верхньої межі 2 – 3мм браку керамічних виробів; дегідратована мелена глина; гранульовані шлаки; мелені відходи гравітаційного збагачення вугілля й ін.

II група – понижуючі чутливість сировинних сумішей до сушіння.

З метою зниження чутливості до сушіння високопластичних глин і суглинків уводять спіснюючі добавки, описані вище, а також деревну тирсу, золу ТЕС, відходи паперової промисловості, лігнін, лушпиння соняшника, проса й ін. Найбільш ефективну добавку та її концентрацію для конкретної сировини визначає комплекс лабораторних досліджень.

Для зниження чутливості до сушіння пісних суглинків з високим вмістом пилуватої фракції позитивний результат досягається введенням у шихту мелених відходів гравітаційного збагачення вугілля із низьким й середнім ступенем метаморфізму, глинистих сланців, малочутливих до сушіння каолініт-гідрослюдистих глин.

III група – поліпшуючі спікання черепка.

Це добавки, що знижують температуру випалу, зменшують водопоглинання черепка й покращують спікання сировини, розширюють інтервал спікання і збільшують міцність готової продукції. До таких добавок відносяться паливні шлаки, бій скла (легкоплавкого), піритні недогарки, низькосортна залізна руда та ін. Помел цих добавок повинен давати максимальний розмір часток менше 1 – 2 мм.

IV група – вигоряючі в процесі випалу. До них відносяться антрацити, буре вугілля, різні види кам'яного вугілля, відходи видобутку й збагачення вугілля, золошлакові відходи ТЕС, лігнін, торф і деревної тирси.

V група – спеціального призначення. Сурик, піритні недогарки, хлористе залізо, залізний купорос застосовуються для інтенсифікації окраски; марганцевиста руда – для надання темного забарвлення; крейда, мергель, доломіт, вапно, каолін або білопалені глини – для освітлення черепка.

Деякі добавки мають комплексний вплив, як наприклад, мелені відходи збагачення й видобутку деяких марок вугілля, які залежно від дисперсності помелу й ступеня метаморфізму можуть відігравати роль пластифікуючої або спіснюючої добавки, яка знижує чутливість маси до сушіння, а також й вигоряючої добавки, яка поліпшує спікання черепка. Ефективною добавкою служать мелені шлаки ТЕС. Вони поліпшують реологічні й сушильні характеристики пластичних, чутливих до сушіння глин, а при випалі є активним плавнем для всіх легкоплавких і тугоплавких глин. Золи ТЕС також є і паливовмісною добавкою і, добавкою, що знижує чутливість маси до сушіння. Тому при розробці складу шихти необхідно знати й враховувати вплив обраних добавок на властивості сировинної суміші і якість виробів.

До органовмісних промислових відходів відносяться відходи вуглевидобутку й вуглезбагачення, золошлакові відходи ТЕС, які характеризуються наявністю залишкової горючої частини, а також відходи рослинного походження, що традиційно використовують в технології кераміки – тирса, лушпиння насіння соняшника, рисове лушпиння і т.д.

До числа великотоннажних паливовмісних промислових відходів, які становлять першорядний інтерес для використання як добавки до керамічних мас, відносяться відходи вуглевидобутку й вуглезбагачення, а також золошлакові відходи. Вони використовуються найчастіше як добавки комбінованої дії – спіснювачі на стадії формування й сушіння та вигоряючі на стадії випалу. Причому вони можуть використатися як добавка, так і у якості основного сировинного компонента. Використання їх як основної сировини дозволяє знизити витрати високоякісних сировинних матеріалів, що традиційно використовуються в технології кераміки, а використання як добавки поліпшує формувальні, сушильні, усадочні й випалювальні властивості. Крім того, у деяких випадках вони можуть частково замінити, а іноді й повністю виключити традиційне технологічне паливо.

Відходи вуглезбагачення діляться на горілі й не горілі. Горілі утворюються у результаті довільного горіння вугілля при його зберіганні в териконах. Вигоряння вугілля в териконах супроводжується процесами дегідратації, що переводить відходи в непластичний стан і дозволяє використати ці відходи тільки як спіснювачі.

Не горілі відходи є сировиною для виробництва будівельної кераміки, вони являють собою поточний відхід із шахт, розмір шматків до 400 мм.

Вугілля поточного виходу піддають гравітаційному, або флотаційному вуглезбагаченню. При флотаційному збагаченні виділяються відходи, розмір зерен вугілля в яких менший за 1 мм. Використання таких відходів найбільше прийнятне в керамічній промисловості, оскільки високий ступінь дисперсності часток спричиняє високу пластичність відходів флотаційного вуглезбагачення (ВФВ). Крім того, особливості процесу флотації забезпечують стабільність хімічного складу відходів і малий вміст у них шкідливих включень і домішок (S, SO₃^2-). До того ж в ОФУ містяться флотореагенти (ПАР), що поліпшують формувальні властивості керамічних мас.

Однією з важливих властивостей при використанні вуглевідходів як добавки до керамічних мас при виробництві цегли є їх сполучна здатність. Відходи відносяться до малопластичної сировини, число пластичності гравітаційних вуглевідходів – 3,5 – 4. Особливістю відходів є те, що при низьких числах пластичності вони мають гарну сполучну здатність, що пояснюється гідрофільно-гідрофобним балансом між компонентами системи.

ВФВ мають число пластичності до 10, що пов'язане з високим ступенем дисперсності часток і наявністю у відходах ПАР.

Важливою характеристикою вуглевідходів є вміст оксиду алюмінію. При вмісті Al₂O₃ менш 15% у відходах їх не рекомендується застосовувати як основну сировину без добавок. При вмісті Al₂O₃ 15 – 20% відходи можуть бути застосовні для виробництва цегли марок 75 й 100. При вмісті Al₂O₃ 20 – 25 % виготовляють цеглу марок 150, 200.

Якщо Al₂O₃ більше 25% – можна одержати цеглу марок 200 і більше.

Таблиця 1 – Класифікація відходів вуглезбагачення і прогнозована міцність виробів стінової кераміки.

Група	Вміст глинозему, %	Клас	Вміст вуглецю, %	Прогнозована марка виробів
I	25 і більше	А Б	Менш 15 15 і більше	200 і більше 150 і більше
II	20 –25	А Б	Менш 15 15 і більше	150 - 200 100 і менш
III	15-20	А Б	Менш 15 15 і більше	75 - 100 75 і менш

Важливим показником придатності вуглевідходів для використання в керамічній промисловості є вміст у них сірки (табл. 2.), оскільки сірка є шкідливою домішкою.

В процесі випалу сірка окислюється й переходить із сульфітної в сульфатну. Сульфати поглинають атмосферну вологу, що приводить до солеутворення на поверхні кладки. Крім того, значна кількість сірки забруднює навколишнє середовище.

Таблиця 2 - Класифікація вуглевідходів за вмістом сірки.

Клас	Вміст сірки, % мас.	Галузь застосування
Низькосірчисті вуглевідходи	до 1	Для лицьової цегли як добавка або для рядової цегли як основна сировина
Середньосірчисті	1 – 2,5	Для рядової цегли як основна сировина або як добавка
Сірчисті	2,5 – 4	Як добавка в шихту
Високосірчисті	більше 4	Не рекомендується використовувати у виробництві стінової кераміки

Для одержання пористого черепка до складу керамічної маси необхідно вводити вигоряючі добавки. До них відносяться різні види кам'яного вугілля, відходи видобутку й збагачення вугілля, золошлакові відходи ТЕС, лігнін, деревна тирса, відходи водоочищення.

Значне поширення в останні роки одержав флотаційний метод збагачення вугілля. Цим методом збагачуються найбільш дрібні фракції вугільної породи (менше 1 мм). Звичайно при флотації виходять два кінцевих продукти – концентрат вугілля й відходи флотації («хвости»), які являють собою пульпу зі зваженими часточками породи й залишкового вугілля, розміром менше 1 мм і вмістом твердих часток 40 – 80 г в 1 л пульпи. Відходи флотації перекачують насосом у відстійники шламу. Для кращої коагуляції (флокуляції) до них іноді додають спеціальні реагенти.

Наявність у відходах флотації коагулянтів і флотореагентів (поверхнево-активних речовин) надає їм гарні формувальні й сушильні властивості. Відходи флотації не вимагають дроблення й помелу й без додаткової обробки можуть застосовуватися для формування пустотілих керамічних виробів.

Відходи вуглезбагачення відносяться до сировини з високим вмістом фарбуючих оксидів (Fe₂O₃ до 13,7%) і значним вмістом кремнезему до 52,7%. За вмістом Al₂O₃ вуглевмісні породи, найчастіше, можуть бути віднесені до кислої глинистої сировини.

Зневоднені відходи флотації являють собою гомогенізований матеріал з розміром часток менш 1 мм і вологістю, що відповідає формувальній (для пластичного способу формування) або трохи перевищує її.

Включення у відходах представлені, головним чином, вугіллям розміром часточок 0,5 – 1,4 мм, у деяких випадках вміст часток більше 1 мм досягає 11 – 12 %.

За даними мінерало-петрографічних досліджень, відходи вуглезбагачення досить стабільні за мінеральним складом. Вони представлені такими літологічними різновидами: аргіліти – 40 – 55%, вуглисті аргіліти – 7 – 25 %, алевроліти – 4 – 10%, піщаник – 1 – 4%.

У складі відходів глинисті мінерали представлені переважно гідрослюдою діоктаедричною, каолінітом і хлоритом у різному кількісному співвідношенні.

У деяких випадках є невелика домішка монтморилоніту в змішано-шаруватих силікатах разом з гідрослюдою й хлоритом.

Вміст кварцу у відходах флотації в основному залежить від частки піщаників й окварцованого вугілля у породах. Карбонатні мінерали представлені основними різновидами – кальцитом, доломітом, анкеритом, сидеритом. Найпоширеніші у відходах анкерит і кальцит. Є також домішки піриту, польового шпату, оксидів заліза.

Мінеральна частина відходів флотації досить стабільна. Процентне співвідношення складових оксидів практично змінюється тільки залежно від вмісту вугілля у відходах

Співвідношення мінеральної й органічної частини у відходах визначається їхньою зольністю, що перебуває в межах 55 – 80 %. Вміст вуглецю у відходах флотації залежить від збагачуваності порід, прийнятої технології збагачення, установленого обладнання й становить 10 – 30%. Про вміст вуглецю можна судити по зольності відходів.

Відходи флотації відрізняються значним вмістом сірки (0,3 – 12 % по масі в перерахунку на SО₃). Це негативний фактор, тому що сполуки сірки сприяють утворенню висолів на поверхні виробів. Висоли завжди викликаються сульфідами, які повільно окисляються в інтервалі температур 400 – 700 °С с утворенням сірчистого, а потім сірчаного ангідриду.

Відходи флотації – матеріал метаморфізований, що слабко диспергує у воді, тому обумовлене число пластичності не може служити показником їх формувальної здатності. Відходи флотації мають задовільні формувальні властивості при тиску 4 – 10 мПа.

По величині коефіцієнта чутливості до сушіння, отриманого за методом Чижського, відходи флотації відносяться до класу малочутливої до сушіння сировини: при випробуванні вони показали час теплового опромінення більше 300 с. Величина повітряної усадки становить 2 – 6 %.

По вогнетривкості відходи флотації можуть відноситися і до легкоплавкої, і до тугоплавкої сировини. Вогнетривкість їх перебуває в межах 1120 – 1450 °С, а вогнева усадка: 2 – 5 %. По спікливості відходи флотації відносяться до групи неспікливої сировини. Навіть обпалені при відносно високих температурах 1000 – 1050 °С, вони мають водопоглинання до 25 – 54 %. Це свідчить про високу пористість черепка, отриманого при вигорянні великої кількості вугілля.

Для одержання стінової кераміки зі зниженою щільністю, як вигоряючі добавки, також використовуються органовмісні відходи рослинного походження – лушпиння соняшника і тирса. Внаслідок своєї не пластичності вони застосовуються також як спіснюючі добавки.

Пористисть керамічних виробів залежить від гранулометричного складу лушпиння соняшника і її кількості в масі. Для одержання цегли зі зниженою щільністю з використанням добавки лушпиння соняшника гранулометричний склад компонентів повинен бути наступним: основна сировина повинна мати фракцію розмірами меншими 1,2 мм, а добавки (лушпиння) у співвідношенні: менш 0,5 мм – 80%; 1,0 – 1,2 мм – 20 %.

Крім того, на процес утворення пор під час випалу впливає:

– ступінь очищення лушпиння від насіння (вмісту пектинових речовин);

– сорт соняшника (структура й речовинний склад лушпиння);

– умови дозрівання й час збору насіння соняшника.

При використанні тирси, перевагу має тирса поперечного різу деревини, оскільки вона має форму, що наближається до куба. Таку ж форму мають пори, які залишаються після її вигоряння. Для поліпшення однорідності, перед введенням у вихідну суміш, тирса просівається через сито з розміром комірки 2 мм. Повне вигоряння тирси відбувається при температурі 450 – 650 ^оС, що дає можливість її використання, як добавки, в керамічних масах із ВФВ.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1