Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕНОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано в технологии изделий стеновой керамики, в частности керамических кирпича, камней, блоков и панелей.

Известен способ изготовления керамических изделий (Патент РФ №2266267, C04B 33/02, C04B 33/00), включающий измельчение глинистого компонента, введение крупки пеностекла, увлажнение и пластификацию формовочной массы, формование заготовок полусухим методом прессования, сушку и обжиг. Пластификацию формовочной массы осуществляют введением указанной крупки пеностекла с размером зерен 0,1-5,0 мм, предварительно обработанной гидрофобизатором до приобретения ею сглаженной поверхности при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы крупки, а формование заготовок полусухим методом прессования ведут при давлении от 4 МПа.

Недостатками известного способа являются введение в технологический процесс производства дополнительных трудоемких операций (рассев крупки пеностекла на сите 100 мкм, обработка ее поверхности гидрофобизатором, удаление гидрофобизатора сквозь сетчатую перегородку менее 100 мкм), неравномерное распределение крупки пеностекла при простом перемешивании, невозможность получения прочных изделий из суглинков, которые чаще всего используются при полусухом прессовании.

Известен способ изготовления стеновых керамических изделий, который включает измельчение глинистого компонента в количестве 30-95 мас.%, введение крупки пеностекла размером 0,1-5,0 мм в количестве 5-70 мас.%, перемешивание компонентов, увлажнение формовочной массы, формование заготовок полусухим прессованием при давлении от 4 МПа, сушку и обжиг (Патент РФ №2303018, C04B 33/16, C04B 38/08). Крупку пеностекла перед введением в глину орошают 5-25%-ным водным раствором жидкого стекла, наносят смесь молотых до удельной поверхности 150-600 м²/кг оксидов кремния и алюминия в количестве 1,0-15,0 мас.% по отношению к сухому веществу крупки, затем обрабатывают гидрофобизатором и сушат.

Недостатками известного способа являются введение в технологический процесс производства большого количества дополнительных трудоемких операций (орошение крупки пеностекла 25%-ным водным раствором жидкого стекла, нанесение на нее смеси молотых оксидов кремния и алюминия, обработка гидрофобизатором, сушка крупки), неравномерное распределение крупки пеностекла при простом перемешивании, что приводит к снижению коэффициента конструктивного качества изделий, ограничивающего их использование в сооружениях, к которым предъявляются повышенные требования по теплоизоляционным и прочностным характеристикам.

Наиболее близким к предлагаемому решению является изложенный в описании к Патенту РФ №2231505 способ изготовления керамических изделий, включающий дробление пеностекла до фракции 0,1-2,5 мм, измельчение сухого глинистого сырья, увлажнение сухих компонентов водным раствором сульфитно-дрожжевой бражки, перемешивание в шнековом смесителе, формование изделий методом полусухого прессования, сушку изделий и последующий обжиг при температуре 900-950°C с изотермической выдержкой при ней 2 ч.

Недостатками известного способа являются неравномерное распределение пеностекла и влаги в сырце при смешивании компонентов шихты в шнековом смесителе, невозможность получения прочных изделий на суглинках, которые чаще всего используются при полусухом прессовании, низкий коэффициент конструктивного качества изделий, ограничивающий их использование в сооружениях, к которым предъявляются повышенные требования по теплоизоляционным и прочностным характеристикам, высокое водопоглощение изделий.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение количества трудоемких операций (дробление пеностекла, рассев, подготовка и введение добавок), получение шихты с равномерным распределением в ней пеностекла и влаги, повышение коэффициента конструктивного качества изделий за счет снижения их плотности и водопоглощения при сохранении прочности, расширение сырьевой базы за счет возможности использования суглинков и кремнистых пород (опока, трепелы, диатомиты).

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии получения стеновых керамических материалов на основе широко распространенных суглинков и кремнистых пород, снижение ресурсозатрат за счет исключения из состава шихты пластифицирующих добавок (сульфитно-дрожжевой бражки и т.д.), снижения средней плотности, водопоглощения и увеличения коэффициента конструктивного качества изделий.

Поставленная задача решается в способе изготовления стеновых керамических изделий, включающем измельчение сухого глинистого или кремнистого (опоки, трепелы, диатомиты) сырья, последующее активное смешение с увлажненным гранулированным пеностеклом, полусухое прессование, сушку и обжиг изделий, согласно изобретению гранулированное пеностекло класса -2,5+0,63 мм увлажняют в турболопастном смесителе-грануляторе до формовочной влажности 8-15% (от массы сухих компонентов), затем в гранулятор подают измельченное глинистое или кремнистое сырье, и производят активное перемешивание смеси до получения гранулированной шихты состава, мас.%:

Использование турболопастного смесителя-гранулятора (ТЛ-100) позволяет добиться равномерного распределения глинистого (кремнистого) сырья по поверхности гранул пеностекла и влажности по всему объему гранулированного пресс-порошка.

Существенными признаками изобретения являются:

- использование гранулированного пеностекла класса -2,5+0,63 мм, что позволяет снизить плотность шихты и тем самым уменьшить необходимое для получения качественного кирпича-сырца давление прессования;

- увлажнение до формовочной влажности 8-15% (от массы сухих компонентов) гранулированного пеностекла перед подачей в смеситель-гранулятор глинистого или кремнистого сырья позволяет получить однородную шихту, состоящую из гранулированного пеностекла, покрытого оболочкой из глинистого или кремнистого сырья;

- получение гранулированной шихты состава:

обеспечивает снижение средней плотности сырца и готовых изделий на 20-25%, снижение водопоглощения и увеличение коэффициента конструктивного качества керамических изделий.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить, что предлагаемое решение отличается тем, что процесс приготовления шихты для производства керамических изделий упрощается, при этом снижается количество трудоемких и энергозатратных технологических операций, а пресс-порошок получается однородным как по влажности, так и по распределению в нем пеностекла, что обеспечивает высокое качество готовых изделий.

При изучении других технических решений использования гранулированного пеностекла класса -2,5+0,63 мм в производстве керамических изделий, заключающемся в активном перемешивания увлажненного до формовочной влажности пеностекла с сухим тонкомолотым глинистым или кремнистым (опока, трепелы, диатомиты) сырьем, согласно предложению авторов, не выявлено.

Анализ известных технических решений в данной области техники показывает, что предлагаемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, что соответствует условию патентоспособности - «новизна», а использование их в заявленной совокупности дало возможность получить новый технический эффект:

- упрощение приготовления шихты за счет снижения количества трудоемких и энергозатратных технологических операций;

- получение однородной шихты как по влажности, так и по распределению в ней пеностекла, что обеспечивает высокое качество готовых изделий;

- снижение давления прессования за счет снижения плотности шихты;

повышение коэффициента конструктивного качества изделий за счет снижения их плотности и водопоглощения при сохранении прочности, расширение сырьевой базы за счет возможности использования суглинков и кремнистых пород (опока, трепелы, диатомиты).

Заявляемое решение опробовано на ООО «Бердский кирпичный завод» (633004, Новосибирская область, г. Бердск, ул. Кирпичный з-д, 1), но не применено и может быть осуществлено с использованием известных технических средств на любом предприятии, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «промышленная применимость».

При реализации способа используются:

1. Гранулированный пеностеклокристаллический теплозвукоизоляционный материал ГПСКМ «Кервуд» производства ООО «Баскей Керамик» (г. Челябинск) по ТУ 5712-001-14851799-2014 класса 0,63-2,5 мм плотностью 260 кг/м³. Пеностекло производится на основе кремнистых пород Потанинского месторождения (Челябинская область).

2. Легкоплавкая глина (суглинок) Южно-Сычевского месторождения Челябинской области. Пластичность 16, химический состав приведен в таблице.

3. Кремнистая порода (трепел) Потанинского месторождения, состоящая в основном из аморфного кремнезема. Химический состав приведен в таблице 1.

Способ изготовления стеновых керамических изделий реализуют следующим образом. Гранулированное пеностекло вводят в турболопастной смеситель-гранулятор (ТЛ-100), в котором осуществляется вначале увлажнение пеностекла до формовочной влажности пресс-порошка (8-15% от массы сухих компонентов шихты) при постоянном активном перемешивании ротором гранулятора, затем в гранулятор вводят сухое тонкодисперсное глинистое или кремнеземистое сырье, и шихта активно перемешивается до получения однородной по влажности и фракционному составу керамической массы. В результате происходит покрытие гранул пеностекла равномерным слоем глинистого или кремнеземистого сырья. Прессование кирпича-сырца из гранулированного пресс-порошка влажностью 8-15% осуществляют на прессе СМ-1085Б при удельном давлении прессования от 5 МПа. Сушка изделий происходит в течение 10-16 часов при максимальной температуре 100-110°C , обжиг осуществляется при температуре 900-950°C с выдержкой на максимальной температуре не менее 1,5 часов.

В таблице 2 приведены составы сырьевых смесей, а в таблице 3 - физико-механические свойства изделий.

Результаты физико-механических испытаний керамических изделий показали, что использование гранулированного пеностекла, имеющего идеальную сферическую форму и низкое водопоглощение, взамен крупки пеностекла, а также изменение способа получения пресс-порошка для производства стеновой керамики, позволяют:

1. Сократить технологический цикл получения пресс-порошка (снизить трудоемкость).

2. Получить изделия стеновой керамики с высоким коэффициентом конструктивного качества, которые можно использовать в сооружениях, к которым предъявляются повышенные требования по теплоизоляционным и прочностным характеристикам.

3. Использовать в производстве стеновой керамики не только глинистое, но и кремнеземистое сырье, не обладающее присущими для глин пластическими свойствами.

Заявляемый состав керамической массы в сравнении с прототипом имеет следующие преимущества:

- средняя плотность изделий снижается на 30% при сохранении прочности, что способствует повышению коэффициента конструктивного качества материала;

- при увеличении содержания гранулированного пеностекла в составе шихты до 60-70% коэффициент теплопроводности изделий по сравнению с прототипом снижается на 27-34%;

- водопоглощение керамического черепка по сравнению с прототипом меньше на 20-30%.

Полученные результаты можно объяснить с точки зрения физико-химических процессов формирования керамического черепка из глинистой или кремнеземистой шихты, в которой равномерно распределены пустотелые гранулы пеностекла. В отличие от крупки пеностекла, используемой в прототипе, в заявляемом способе применяется гранулированное пеностекло, которое имеет более низкую насыпную плотность (260 кг/м³ против 400…450 кг/м³), идеальную сферическую форму и низкое водопоглощение, что избавляет от необходимости гидрофобизировать добавку или пластифицировать шихту введением ПАВ. У глинистого и кремнеземистого сырья, используемого для изделий стеновой керамики, уплотнение черепка начинается уже при температурах, близких к 800°C , без признаков деформации. При температуре 850-900°C оболочка гранул размягчается и образовавшаяся жидкая фаза проникает в тело керамического черепка. Происходит сближение частиц твердой фазы за счет сил поверхностного натяжения, кроме того, в ней растворяются частицы глинистых минералов и несвязанного кварца, и из расплава образуются новые кристаллические фазы. Таким образом, в теле керамического черепка создается равномерно распределенная система пор, стенки которых являются водонепроницаемыми и прочными в результате протекания твердофазных реакций по границе «гранула - черепок».

В процессе изотермической выдержки при максимальной температуре в течение 1,5…2 часов образующаяся стеклофаза приводит к ускорению реакций муллитообразования с последующей кристаллизацией муллита на стенках пор и их армированием (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями, приведенными в виде фотографий и дифрактограммы). Армирование, высокая плотность стенок пор препятствуют трещинообразованию получаемых стеклокерамических материалов, этим объясняются их высокая прочность и малое водопоглощение (10…12%). Обеспечение равномерной замкнутой пористости в керамическом материале обуславливает снижение коэффициента теплопроводности изделий.

Результаты опробования способа подтверждаются фотографиями, где представлены макроструктура керамического кирпича с равномерно распределенными в нем гранулами (фото 1); микроструктура керамического кирпича с замкнутыми порами, образованными расплавленными гранулами (фото 2), и контактная зона «гранула - черепок» (фото 3), а также дифрактограммой, где идентифицированы рентгеноаморфная фаза стекла и кристаллическая керамического черепка.