Результат интеллектуальной деятельности: КЕРАМИЧЕСКАЯ МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЛИЦОВОЧНОЙ ПЛИТКИ

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении керамической плитки для внутренних и наружных отделочных работ.

В связи с сокращением запасов традиционного керамического сырья в все большую актуальность в производстве строительных материалов приобретает использование промышленных отходов. В качестве сырья для производства керамических изделий строительного назначения могут быть использованы отходы горнопромышленных комплексов, а также вторичное сырье. Однако при производстве строительных изделий, таких как керамические плитки, возникает проблема выбора оптимального исходного состава компонентов керамической массы с точки зрения получения изделий с улучшенными прочностными свойствами и показателями водопоглощения без увеличения температуры обжига.

Известна керамическая масса для изготовления облицовочной плитки (см. пат. 2278089 РФ, МПК C04B 33/16, 33/00 (2006.01), 2006), включающая, мас.%: глину легкоплавкую 30-40, отходы обогащения медно-никелевых руд 50-55 и в качестве флюсующей добавки - нефелиновый концентрат 7-15. Отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%: хлорит, гидрохлорит 55,8-58,32, серпентиновые минералы 11,3-14,65, тальк 11,2-13,8, титаномагнетит, магнетит, хромит 7,18-8,0, гипс 1,95-2,1, альбит 2,0-2,3, кварц 1,98-2,21, пироксены 1,0-1,56, амфиболы 4,0-5,05. Получаемая облицовочная плитка в интервале температур обжига 1050-1100°C имеет прочность при изгибе 17,6-25,9 МПа, кажущуюся плотность 2,38-2,48 г/см³, водопоглощение 8,3-12,8%.

Данная керамическая масса характеризуется недостаточно высокой прочностью на изгиб получаемой облицовочной плитки. Кроме того, керамическая масса содержит значительное количество (до 55%) первичного сырья в виде легкоплавкой глины и нефелинового концентрата.

Известна также принятая в качестве прототипа керамическая масса для изготовления облицовочной плитки (см. пат.2520308 РФ, МПК C04B 35/16, 33/132 (2006.01), 2014), включающая, мас.%: отходы обогащения медно-никелевых руд 39,8-58,5, нефелиновую добавку в виде отходов обогащения апатит-нефелиновых руд 19,0-39,8, отходы обогащения железных руд 14,6-19,9 и связующее - сульфитно-спиртовую барду 0,5-5,0. Отходы обогащения медно-никелевых руд включают, мас.%: хлорит, гидрохлорит 50,6-65,7, серпентиновые минералы 10,2-15,0, тальк 10,0-14,0, магнетит 3,2-7,1, пироксены, амфиболы 5,0-6,7, альбит 2,0-2,3, кварц 1,9-2,2, гипс 1,9-2,1. Получаемая облицовочная плитка при температуре обжига 1100°C имеет прочность на изгиб 38,5-70,3 МПа, прочность на сжатие 142,5-187,6 МПа, кажущуюся плотность 2,4-2,56 г/см³ и водопоглощение 0,2-0,6%.

Известная керамическая масса характеризуется недостаточно высокой прочностью на сжатие получаемой облицовочной плитки. Кроме того, керамическая масса является многокомпонентной, что усложняет процесс ее изготовления.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении прочности получаемой керамической плитки на сжатие и обеспечении высокой прочности на изгиб при меньшем количестве компонентов керамической массы.

Технический результат достигается тем, что керамическая масса для изготовления облицовочной плитки, включающая отходы обогащения медно-никелевых руд и флюсующую добавку, согласно изобретению, дополнительно содержит мел, а в качестве флюсующей добавки - стеклобой, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Достижению технического результата способствует то, что отходы обогащения медно-никелевых руд имеют следующий состав, мас.%:

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование мела в составе керамической массы обусловлено следующим. В керамическом производстве его применяют в качестве плавня второго рода при температуре обжига изделий выше 1000°C. При этом образуется алюмосиликатный расплав, который состоит из простых катионов и сложных анионных комплексов. Кремний и алюмокислородные анионы являются крупными агрегатами и образуют большие малоподвижные комплексы, что приводит к повышению вязкости алюмосиликатных расплавов. Катионы кальция Ca²⁺, образующиеся в результате термической диссоциации мела, способствуют частичному переходу (AlO₄) в (AlO₆) и ограничивают возникновение комплексов групп (AlO₄) и (SiO₄). Поскольку значительная часть CaO, введенная с мелом, переходит в расплав, то размер и сложность комплексных анионов уменьшается. При этом изменяется структура расплава и происходит интенсификация процесса спекания. Введение мела, преимущественно молотого, в количестве 10,3-15,0 мас.% приводит к разупрочнению образующихся сложных комплексов алюминия (AlO₄) и кремния (SiO₄), что улучшает спекание керамической массы и повышает прочностные характеристики получаемой плитки. Содержание мела в количестве менее 10,3 мас.% ведет к образованию сложных комплексов алюминия и кремния, что вызывает повышение вязкости расплава и ухудшение спекания, а содержание мела в количестве более 15,0 мас.% приводит к интенсивному образованию фазы анортита, что также препятствует процессу спекания.

Использование стеклобоя в составе керамической массы в качестве флюсующей добавки способствует увеличению количества жидкой фазы при обжиге. Введение стеклобоя в количестве 34,6-44,6 мас.% повышает механическую прочность готовых изделий и обусловливает снижение пористости и водопоглощения, которое регламентировано ГОСТом 13996-93 и составляет менее 12% для фасадных плиток из керамических масс, содержащих карбонаты. Увеличение содержания стеклобоя выше 44,6 мас.% приводит к деформации плиток. При содержании стеклобоя ниже 34,6 мас.% ухудшается спекание плиток, что приводит к увеличению показателя водопоглощения и снижению механической прочности.

Введение в керамическую массу отходов обогащения медно-никелевых руд обусловлено тем, что основными компонентами их минерального состава являются хлориты и гидрохлориты, имеющие каолинитоподобную структуру. Это позволяет улучшить формовочные свойства массы, интенсифицировать процесс спекания и формировать плотный черепок с повышенными физико-механическими характеристиками. Кроме того, используемые отходы имеют крупность менее 0,01 мм, что не требует их дополнительного измельчения, а также высокую удельную поверхность, что обеспечивает хорошую реакционную способность при обжиге. Введение отходов обогащения медно-никелевых руд в количестве 44,6-50,4 мас.% оптимизирует интервал спекания и интенсифицирует протекание твердофазных реакций, что способствует улучшению технических характеристик керамической плитки. Введение отходов в количестве более 50,4 мас.% вызывает интенсивную кристаллизацию в расплаве некоторых фаз, в частности анортита, что приводит к ухудшению спекаемости массы и, как следствие, увеличению водопоглощения и снижению прочности на изгиб готовых изделий. Введение отходов в количестве менее 44,6 мас.% увеличивает водопоглощение изделий в результате неполного связывания оксидов кальция и магния, содержащихся в отходах.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для увеличения прочности получаемой керамической плитки на сжатие и обеспечения высокой прочности на изгиб при меньшем количестве компонентов керамической массы, что упрощает процесс изготовления плитки.

В частном случае осуществления изобретения предпочтителен следующий состав отходов обогащения медно-никелевых руд.

Главными компонентами отходов обогащения медно-никелевых руд являются хлориты и гидрохлориты, серпентиновые минералы и тальк, содержание которых составляет соответственно, мас.%: 55,2-58,3, 11,2-14,7, 11,0-13,8. Второстепенные минералы представлены, в мас.%: титаномагнетитом, магнетитом, хромитом 7,2-8,0, гипсом 2,0-2,1, альбитом 2,0-2,3, кварцем 2,0-2,2, пироксенами 1,0-1,6, амфиболами 4,1-5,1 и карбонатами кальция и магния 0,1-4,0. Кроме того, как было сказано выше, используемые отходы имеют крупность менее 0,01 мм, что характеризует их высокую удельную поверхность и не требует дополнительного измельчения.

Использование отходов обогащения медно-никелевых руд вышеуказанного состава в сочетании с другими компонентами керамической массы позволяет увеличить прочность получаемой керамической плитки на сжатие и обеспечить высокую прочность на изгиб при меньшем количестве компонентов керамической массы.

Керамическую массу согласно изобретению готовят следующим образом. Для приготовления массы используют отходы обогащения медно-никелевых руд крупностью менее 0,01 мм, стеклобой и молотый мел. Стеклобой предварительно измельчают до крупности 0,140-0,315 мм. Компоненты керамической массы смешивают в заявленных соотношениях. Полученную смесь тщательно гомогенизируют и увлажняют водой до влажности 6-8%. Далее прессованием формуют образцы при удельном давлении 26 МПа, сушат при 105-110°C и обжигают при температуре 1100°C с изотермической выдержкой в течение 1 часа. Охлаждение образцов производят в печи до ее остывания.

Примеры составов керамической массы согласно изобретению приведены в Таблице 1, а основные свойства получаемой облицовочной плитки - в Таблице 2.

Из данных, приведенных в Таблицах 1 и 2, видно, что предлагаемая керамическая масса по сравнению с прототипом позволяет получить при меньшем количестве компонентов облицовочную плитку с повышенной прочностью на сжатие (до 247,4 МПа), высокой прочностью на изгиб (до 71,4 МПа) и регламентированным водопоглощением. Низкий температурный коэффициент линейного расширения (5,45·10^-6 °С^-1] и менее) позволяет расширить область использования получаемой облицовочной плитки с учетом нанесения различных глазурных покрытий.