Повышение качества керамических материалов (кирпича и, особенно, черепицы) остается важной задачей для многих предприятий страны. Старые заводы часто выпускают продукцию низкого качества, и не только из-за изношенного оборудования, а чаще из-за недостаточной изученности сырья и слабой отработки основных технологических режимов. Вопросам технологии не уделяется должного внимания, и они часто базируются на научных возможностях вековой давности.
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. Это происходит либо по инерции мышления, либо исходя из принципа: было бы хорошее оборудование, а качество изделий само придет, либо по каким-то другим соображениям. То же самое можно сказать и о реконструкции действующих заводов.
В бывшем Советском Союзе было принято проводить и лабораторные, и полузаводские испытания глинистого сырья. Но часто лабораторные исследования сводились к формальному минимуму, что не позволяло выявлять и использовать все потенциальные возможности глинистого сырья. Соответственно качество выпускаемой в дальнейшем продукции было относительно невысоким.
В промышленно развитых странах проблеме детального исследования сырья традиционно уделяется большое внимание, что часто позволяет отказываться от полузаводских испытаний, а отладку технологии проводить непосредственно при пуске завода, опираясь на тщательные и полные лабораторные исследования. Общие затраты на такие исследования могут достигать нескольких десятков тысяч долларов, но эти затраты окупаются высоким качеством выпускаемой продукции. Однако следует отметить, что некоторые фирмы проводят их "бесплатно", т.е. затраты заложены в контракте на поставку оборудования.
Лабораторные исследования невозможно восполнить непосредственно в заводских условиях при пуске или эксплуатации завода. Особенно важны предварительные исследования в случае использования низкокачественного глинистого сырья, что на практике бывает довольно часто.
Явно недостаточно по-настоящему оснащенных и подготовленных лабораторий. Можно утверждать, что в странах СНГ их число определяется единицами.
Основным руководством при проведении испытаний является "Методика испытания глинистого сырья для производства обыкновенного и пустотелого кирпича, пустотелых керамических камней и дренажных труб" бывшего Министерства промышленности строительных материалов СССР. Кроме этого, применяются различные ГОСТы, рекомендации, инструкции и другая литература.
В предлагаемой статье мы хотели бы показать, что конкретно дают те или иные исследования для понимания природы и потенциальных возможностей глинистого сырья, учитывая, что на многих заводах начинают работать люди, пришедшие из других отраслей производства, и приобретение ими опыта в рассматриваемой проблеме не будет лишним.
Программа испытаний сырья разработана таким образом, чтобы при проведении исследований можно было получить наиболее полную информацию о данной глине, ее составе, свойствах, поведении в процессе технологической переработки, формовании, сушке и обжиге.
Макроскопическое описание пробы глинистого сырья выполняют в целях определения внешнего вида, макроструктуры, цвета и плотности. При этом также фиксируют наличие включений и степень вскипания пробы при взаимодействии с 10 %-ным раствором соляной кислоты.
Глинистые минералы в основном представляют собой гидратированные алюмосиликаты кальция, магния, железа и т.д., и поэтому традиционный химический анализ дает первое общее представление о составе сырья и некоторых будущих свойствах изделий. Так, по количеству красящих оксидов, в частности оксида железа, в сочетании с содержанием оксидов кальция и магния можно судить 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 температуре плавления глины, по количеству оксида кальция, магния - о характере поведения керамического черепка при обжиге в диапазоне температур 700-900 оС и свыше 1100 оС и т.д.
Состав и количество водорастворимых солей в глине дают представление о том, появятся ли высолы на поверхности изделий, и позволяют выбрать методы их устранения.
Далее необходимо знать (желательно, как можно полнее) минералогический состав сырья: какие именно глинистые минералы формируют данное сырье, какие конкретно примеси присутствуют в сырье - количество свободного кварца, полевых шпатов, кальцита, доломита, количество и формы железистых соединений и т.д.
Обычно сырье имеет полиминеральный состав и в нем присутствуют одновременно несколько глинистых минералов, имеющих различные технологические свойства. Так, присутствие каолинита повышает огнеупорность изделий и обязывает технологов обратить особое внимание на режимы их формования и обжига. Монтмориллонитовые глины по сравнению с каолинитовыми и гидрослюдистыми имеют наиболее высокую степень дисперсности, наибольшую набухаемость, высокую пластичность, связующую способность, усадку и чувствительность к сушке и обжигу. Гидрослюдистые глины занимают среднее положение между каолинитовыми и монтмориллонитовыми. 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, и здесь привлекается большое количество 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, ибо хорошо известно, что 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.
Однако 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, - это эндотермические эффекты, идущие с поглощением тепла и свидетельствующие о разрушении исходных кристаллических или рентгеноаморфных соединений, процессах плавления и т.п. Эффекты на кривой ДТА, направленные вверх, - экзотермические эффекты, 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 проводятся определение и анализ керамических свойств сырья.
Содержание крупнозернистых включений определяют методом промывки пробы на сите 0,5 мм с последующим рассевом на ситах 5, 3, 2 и 1 мм. Данный 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 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 характеризуются влажностью и изменяются для одной и той же глины в зависимости от количества воды. 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 хрупкое, 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 на высокопластичные с числом пластичности более 25, среднепластичные - 15-25, умеренно пластичные - 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, т.е. с содержанием глинистого вещества в сырье.
Исследование сушильных свойств сырья занимает весьма существенное место в лабораторно-технологических исследованиях методом пластического формования. Сушильные свойства сырца, его формуемость 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 55х55х10 мм облучают мощным тепловым потоком до появления на ней 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 - трещины появляются более чем через 180 с.
По методу З.А. Носовой свежесформованный образец-пластинку взвешивают, измеряют объем, после чего образец сушат при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, взвешивают и вторично определяют объем образца. Безразмерная величина коэффициента чувствительности к сушке определяется по специальной формуле.
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, удаляемую при температуре не более 200 0С. 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.).
При оценке сушильных свойств глинистого сырья часто используют показатель критической влажности. На кривой, показывающей зависимость усадки образца и удаляемой влаги, определяют значение влажности, соответствующее 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 несовершенна, т.к. сушка производится при температуре 100 оС. Нами отмечено, что в этом случае процесс сушки отличается от сушки при более низких температурах и более высокой влажности, в частности значительно снижается усадка (в 1,5-2 раза).
Более достоверные результаты можно получить по методу Бигота, предусматривающему сушку в естественных условиях 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 трещинообразования играет существенную роль при выборе состава шихты, определении безопасных параметров сушки и других технологических режимов.
Авторы: Ю. ГУДКОВ, заслуженный строитель России; В. ЕЗЕРСКИЙ, канд. техн. наук (ВНИИстром им. П.П. Будникова)
Источник: "Стройка", N 9, 2001 г.
