Часто это происходит из-за недостаточной изученности сырья и слабой отработки основных технологических режимов. Исследования глин для производства керамического кирпича и черепицы

Повышение качества керамических материалов (кирпича и особенно черепицы) остается важной задачей для многих заводов страны. Старые заводы часто выпускают продукцию низкого качества не только из-за изношенного оборудования. Часто это происходит из-за недостаточной изученности сырья и слабой отработки основных технологических режимов. Очень важны для совершенствования технологии достоверные сведения о свойствах глины. Между тем даже при строительстве современных заводов в период, предшествующий проектированию и закупке оборудования, не всегда проводятся тщательные научные исследования глинистого сырья и отработка оптимальных параметров технологии. За соблюдение технологии и в итоге за конечное качество выпускаемой продукции отвечает главный технолог кирпичного завода.

Множество факторов, которые при этом приходится учитывать, определяют всю сложность и многогранность работы этой категории специалистов. Различные методы испытаний глин, разработанные за много лет огромным числом ученых и практиков, призваны в значительной степени облегчить этот труд и помочь наиболее эффективно использовать потенциальные возможности глин для получения качественной продукции. Основными руководствами при проведении испытаний являются «Методика испытания глинистого сырья для производства обыкновенного и пустотелого кирпича, пустотелых керамических камней и дренажных труб», «Методические указания по испытанию сырья для производства кирпича способом полусухого прессования», утвержденные бывшим Министерством промышленности строительных материалов СССР, а также различные ГОСТы, рекомендации, инструкции и другая литература. Отдельная методика испытаний глин для использования в производстве метода жесткого формования отсутствует. Чтобы восполнить этот пробел, специалисты ВНИИСТРОМа в настоящее время работают над дополнением к существующей методике. В данной статье мы имеем целью показать, какие исследования необходимо проводить для понимания природы и потенциальных возможностей глинистого сырья, сориентировать технологов, какие этапы испытаний следует организовать на производстве и на каких этапах целесообразно обращаться за консультацией к специалисту в целях разработки технически грамотного и научно обоснованного технологического регламента. Программа испытаний глинистого сырья разработана таким образом, чтобы при проведении исследований получить наиболее полную информацию о данной глине, ее составе, свойствах, поведении в процессе технологической переработки, формования, сушки и обжига. До начала проведения испытаний желательно иметь информацию о геологических изысканиях месторождения, о ранее проведенных исследованиях и, если завод уже построен и эксплуатируется, о проблемах, которые не позволяют выпускать продукцию необходимого качества.

Макроскопическое описание пробы глинистого сырья выполняют с целью определения внешнего вида, макроструктуры, цвета и плотности. При этом также фиксируют наличие включений и степень вскипания пробы при взаимодействии с раствором соляной кислоты. Глинистые минералы в основном представляют собой гидратированные алюмосиликаты кальция, магния, железа и т. д. и примеси, поэтому традиционный химический анализ дает первое общее представление о составе сырья и некоторых будущих свойствах изделий. Так, по количеству и дисперсности кварца можно судить о прочностных показателях и о сушильных свойствах; по количеству красящих оксидов, в частности оксида железа в сочетании с содержанием оксидов кальция и магния — о цвете черепка из данного сырья; по количеству оксида кальция, магния и диоксида углерода - о количестве примесей кальцита и доломита; по количеству оксида алюминия в сочетании с содержанием оксидов натрия, калия и железа — о поведении глины в процессе нагревания; по количеству оксидов кальция, магния — о характере поведения керамического черепка при обжиге в диапазоне температур 700-1000 0С и свыше 1050- 1100 0С. Состав и количество водорастворимых солей в глине дает представление о том, будут ли появляться выцветы и высолы на поверхности изделий, и позволяют выбрать или разработать методы их устранения. Необходимо знать минералогический состав сырья, — какие именно глинистые минералы формируют данное сырье, какие конкретно примеси присутствуют в глине. Обычно глина имеет полиминеральный состав, и в нем присутствуют одновременно несколько глинообразующих минералов, имеющих различные технологические свойства.

Так, например, присутствие в сырье каолинита повышает огнеупорность изделий и обязывает технологов обратить особое внимание на режимы формования и обжига изделий. Монтмориллонитовые глины по сравнению с каолинитовыми и гидрослюдистыми имеют наиболее высокую степень дисперсности, наибольшую набухаемость и способность к коагуляции, высокую пластичность, связующую способность, усадку и чувствительность к сушке и обжигу. Гидрослюдистые глины занимают среднее положение между каолинитовыми и монтмориллонитовыми, но только в том случае, если наряду с гидрослюдистыми присутствуют и другие глинистые минералы. Если же глинообразующими минералами являются гидрослюды в различных видах да еще в присутствии слюд и хлорита, то такие глины отличаются по свойствам от глин вышеназванных групп. В природе, однако, редко встречаются глины, имеющие в своем составе один минерал, поэтому их классифицируют по преимущественному содержанию того или иного минерала. Данные по минералогическому составу, особенно количественные, получить довольно трудоемко, поэтому привлекается большое число различных дорогостоящих физико-химических методов исследования, в частности рентгеновский фазовый анализ, позволяющий увидеть количество присутствующих в сырье кристаллических соединений. Эти данные должны коррелироваться с данными химического анализа.

Рентгеновский анализ позволяет более определенно и достоверно судить о реальном, всегда сложном минералогическом составе сырья. Все технологические и эксплуатационные свойства керамической продукции определяются именно особенностями минералогического состава исходного глинистого сырья. Напомним, что рентгеновский метод исследования базируется на дифракции рентгеновских лучей от кристаллических решеток минералов и последующей их интерференции по вполне определенным физическим законам.

Каждое кристаллическое образование имеет свой специфический набор (спектр) дифракционных отражений, по которым это соединение надежно идентифицируется и определяется количественное содержание в сложной естественной или искусственной смеси. Для идентификации относительно рентгеноаморфных соединений с несовершенной кристаллической структурой, в частности глинистого минерала — монтмориллонита, рентгеновского анализа недостаточно для получения полной картины фазового состава и он дополняется дериватографическим, оптико-микроскопическим и спектральным анализами. Дериватографический анализ основан на определении различных тепловых эффектов при нагревании образца. Кривая ДТА характеризует все физико-химические процессы, происходящие в пробе при ее нагревании.

Эффекты, направленные вниз, - эндотермические, идущие с поглощением тепла и свидетельствующие о разрушении исходных кристаллических или рентгеноаморфных соединений, о процессах плавления и т. п. Эффекты на кривой ДТА, направленные вверх, — экзотермические, происходящие с выделением тепла, и обычно говорят о процессах новой кристаллизации, выгорании топлива и т. д. В целом эта группа исследовательских методов дает представление о вещественном составе глинистого сырья и частично о будущих свойствах изделий. На следующем этапе проводится определение и анализ керамических свойств глин. Содержание крупнозернистых включений определяют методом промывки пробы на сите 0,5 мм с последующим рассевом на ситах 5, 3, 2 и 1 мм. Этот анализ дает представление о содержании в пробе крупных каменистых включений, включений кварца, карбонатов, органики и др. На этом этапе также определяют содержание и активность крупных карбонатных включений. Результаты данного анализа используются при решении вопроса о необходимой степени диспергации исходного глинистого сырья.

Для получения информации о глинистой части пробы делают гранулометрический анализ методом пипетки, позволяющий определить размеры частиц глинистого сырья. Так, глинистые минералы, имеющие размеры в несколько микрон и менее, будут, естественно, находиться во фракциях 0,005—0,001 и менее 0,001 мм, а например, свободный кварц — в наиболее крупных фракциях (свыше 0,01 мм). Для определения качественного и количественного состава глинистого сырья в дальнейшем данные, полученные с помощью других анализов, сверяют с результатами гранулометрического анализа. Пластичные свойства глин преимущественно зависят от минерального состава, дисперсности глинистых частиц и других факторов. Переход глины от одной консистенции к другой совершается при определенных значениях влажности, которые получили название пределов пластичности.

Влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в текучее, называется верхним пределом пластичности, или границей текучести. Влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в непластичное, называется нижним пределом пластичности, или границей раскатывания. Разность между верхним и нижним пределами пластичности является характеристикой пластичности глин и называется числом пластичности. Определяют эту характеристику с помощью прибора Васильева. За рубежом пользуются показателем пластичности по Аттербергу. По числу пластичности глины классифицируются как высокопластичные с числом пластичности более 25, среднепластичные - 15-25, умереннопластичные — 7—15, малопластичные — менее 7 и непластичные, которые вообще не дают пластичного теста.

Показатель пластичности коррелирует с гранулометрическим составом глины и, естественно, с минералогическим составом, то есть с содержанием глинистого вещества в сырье. Исследование сушильных свойств сырья занимает весьма существенное место в лабораторно-технологических исследованиях методом пластического формования. Сушильные свойства глин напрямую связаны с количеством монтмориллонита.

Чем его больше, тем выше чувствительность сырья к сушке. Однако это утверждение относится к глинам с общим содержанием глинистого вещества не менее 30—40%. В случае с меньшим содержанием глинистого вещества также часто отмечают появление трещин при сушке, но оно возникает по причине недостаточной связующей способности массы, и тогда говорят об относительно большом количестве пылеватых частиц. На наш взгляд, правильнее говорить не о пылеватых частицах вообще, а о содержании минеральной составляющей (кварца, кальцита, полевых шпатов и т. д.), представленной частицами соответствующих размеров.

В практической работе при определении чувствительности сырья к сушке чаще всего пользуются двумя методами — А.Ф. Чижского и З.А. Носовой. По ускоренному методу Чижского сформованную пластинку образца размером 55 x 55 x 10 мм облучают мощным тепловым потоком до появления на пластинке трещин. Время появления трещин (в секундах) и является критерием чувствительности глин к сушке. Источником облучения служит электрическая плитка с закрытой спиралью мощностью 800 Вт. Этот относительно простой и быстрый метод позволяет в какой-то степени оценить чувствительность глин к сушке и условно отнести их к одной из трех групп: высокочувствительные к сушке глины, когда трещины появляются ранее 100 с облучения, среднечувствительные — трещины появляются через 100—180 с и малочувствительные, когда трещины появляются более чем через 180 с. По методу З.А. Носовой глины делятся на три группы: малочувствительные Кч 1,5. Хотя этот метод и является более надежным, чем ускоренный метод Чижского, на практике наблюдаются частые его расхождения с реальными результатами.

В институте ВНИИСТРОМ также разработан метод оценки чувствительности глинистого сырья к сушке, который заключается в прямом определении количества монтмориллонита в сырье. Глинистые минералы каолинит или гидрослюда не делают глину высокочувствительной. Чувствительность сырья к сушке повышают только монтмориллонитоподобные минералы, имеющие межслоевую воду в своей структуре и удаляемую при температуре до 2000С. При удалении соответственно изменяются параметры кристаллической решетки монтмориллонита с 24 до 10 . Этим объясняется неизбежное появление микротрещин, что и вызывает применение в этом случае различных технологических приемов для снижения их отрицательного влияния на качество продукции (введение отощителя, смягчение сроков сушки и т. д.). Определенный по содержанию монтмориллонита показатель называется минералогическим коэффициентом чувствительности к сушке. Минералогический коэффициент определяется исходя из относительной потери массы в температурном диапазоне 100—2000С по формуле: где Мисх — масса навески, высушенной в естественных условиях, М100 и М200 — массы навесок, высушенных соответственно при 100 и 2000С. Здесь также следует принимать во внимание, что этот показатель относится к глинам с общим содержанием глинистого вещества не менее 30—40%. В случае с меньшим содержанием глинистого вещества он не отражает реальной чувствительности к сушке глины.

При оценке сушильных свойств глинистого сырья часто используют показатель критической влажности. На кривой, показывающей зависимость усадки образца от удаляемой влаги, определяют значение влажности, соответствующей моменту прекращения усадки образца. Принято считать, что сырцовые изделия из данного сырья при такой влажности можно сушить уже интенсивно. По нашему мнению, знание такой характеристики, как критическая влажность, очень полезно, но методика ее определения явно не совершенна, так как сушка производится при температуре 1000С. Нами отмечено, что в этом случае процесс сушки отличается от сушки при более низких температурах и более высоких влажностях, в частности значительно снижается усадка (в полтора-два раза).

Более достоверные результаты можно получить по методу Бигота, предусматривающему сушку в естественных условиях или под воздействием небольшого воздушного потока. В этом случае данные по усадке совпадают с данными, полученными при дальнейших испытаниях. Помимо этих лабораторно-аналитических методов изучения сушильных свойств глинистого сырья нами используется лабораторная труба-сушилка, позволяющая сушить образцы при разных температуре, скорости подачи теплоносителя и его относительной влажности. Анализ характера трещи нообразования играет существенную роль при выборе состава шихты, определении безопасных параметров сушки и других технологических режимов. При исследовании процесса обжига применяется дериватографический анализ, о котором упоминалось ранее, дилатометрический анализ, определение спекаемости и огнеупорности.

Спекаемость — это способность керамического черепка иметь водопоглощение менее 5% в определенном температурном диапазоне без появления деформаций (вспучивания, оплавлення). Этот показатель мало используется в кирпичной промышленности, так как подавляющее большинство глин является неспекающимися. Однако информация об изменении плотности и водопоглощения с повышением температуры нами используется. Огнеупорность — свойство керамических материалов противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Глины для производства керамических стеновых материалов и черепицы преимущественно являются легкоплавкими. Дилатометрический анализ весьма важен для выбора оптимальных режимов обжига керамических изделий. При дилатометрическом анализе выявляется необходимая информация о происходящих при нагреве линейных изменениях образца, начале появления жидкой фазы, то есть информация о начале интенсивного спекания в образце.

Вид и количество образующейся стеклофазы в значительной степени определяют будущие эксплуатационные свойства изделий. На дилатометрических кривых хорошо наблюдается термическое и структурное расширение образца при нагреве, относительно быстрое термическое расширение при кварцевом переходе и обратная усадка при охлаждении изделия. Также удобно наблюдать термическое соответствие основного сырья и добавок. Естественно, что коэффициенты термического расширения отдельных компонентов сырьевой смеси должны быть близкими и не приводить к появлению нежелательных микротрещин. В нашей практике режим обжига всегда задается с учетом данных дилатометрического и дериватографического анализов.

Следующий этап испытаний составляют лабораторно-технологические исследования, целью которых является подбор шихты, получение конкретных данных о формовочных, сушильных и обжиговых свойствах подобранной шихты, прочностных характеристиках изделий, их долговечности, морозостойкости, архитектурной выразительности и т. д. Полученная информация в результате проведенных исследований позволяет разработать технологический регламент производства керамических изделий. Технологический регламент используется для строительства новых заводов или для реконструкции действующих.