Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к производству строительных керамических кирпичей.

«В современном понимании, как сказано в работе (Общая технология силикатов. Силуменко Л.М.: Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2004. С. 7) «Керамика» - это изделия и материалы с камнеподобными свойствами, которые они приобретают в процессе технологической переработки минерального сырья (как глинистого, так и других видов) путем формования, сушки и спекания при высоких температурах».

Глиняный кирпич является одним из основных «керамических стеновых материалов, изготавливаемых из глинистых пород или из трепелов, или диатомитов с добавками или без них и обожженные» (Производство глиняного кирпича. Кашкаев И.С., Шейнман Е.Ш. Учебник для подг. рабочих на производстве. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: «Высшая школа», 1978. С. 5). Известны различные способы изготовления глиняных кирпичей, которые принято называть в зависимости от способа приготовления исходной сырьевой массы. Исходную сырьевую массу, которая используется для изготовления глиняных кирпичей, приготавливают пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способами. Несмотря на различные способы изготовления керамических изделий, основные этапы их производства являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка сырьевой массы, формование изделий, сушка и обжиг (Строительные материалы (Материаловедение. Строительные материалы). Микульский В.Г. и др.: учеб. издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. - 536 с. (С. 116-117). Пластический способ изготовления традиционного глиняного кирпича состоит в изготовлении кирпича-сырца методом пластического формования исходной глинистой массы, имеющей влажность от 18 до 28%, последующей его сушки и обжига в печи (там же, с. 117-118). Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее распространенным. Однако для производства глиняного кирпича могут использоваться далеко не все глинистые породы. Для его изготовления используют среднепластичные и умеренно-пластичные, рыхлые и влажные глины с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающие и превращающиеся в однородную массу (там же, с. 118). Состав большинства глин является далеко не оптимальным для производства керамических кирпичей. От оптимального многие из них отличаются избыточным количеством кремнезема (песка), глинозема и недостатком плавней. Наиболее распространенная примесь - кварцевый песок ухудшает не только пластичность и связующую способность глин, но и их обжиговые свойства.

Изготовление кирпичей по традиционной технологии с использованием качественных глин становится достаточно дорогим и убыточным производством, поскольку с течением времени постепенно иссякают ресурсы местных кондиционных глин, что приводит к необходимости привоза сырья из отдаленных месторождений. Это, в свою очередь, увеличивает себестоимость глиняных кирпичей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению способом изготовления керамических кирпичей является полусухой способ, который отличается от других способов тем, что керамические изделия по этому способу формуют из шихты влажностью 8-12% при давлении 15-40 МПа (там же, с. 120). Для изготовления кирпичей по этому способу используют менее дефицитные малопластичные тощие глины, содержащие кварцевый песок. Прессование изделий производится в пресс-формах на гидравлических или механических прессах. Таким образом можно изготавливать все виды изделий, которые изготавливаются пластичным способом. Интервал температур обжига кирпича по полусухому способу лежит в пределах 950-1100°C (Керамический и силикатный кирпич: Метод, разработки / Авт.-сост. О.А. Корчагина. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 16 с.).

Несмотря на то, что для изготовления кирпичей полусухим способом возможно использование глин, содержащих некоторое избыточное количество кварцевого песка, однако сильно запесоченные глины уже использовать нельзя. К другим недостаткам этого способа изготовления керамических кирпичей относится его большая (более чем в три раза) металлоемкость, по сравнению с пластичным способом. Это связано с большим количеством операций, которым подвергается исходное сырье при его подготовке к формованию изделий. При полусухом способе обработки глину сушат, размалывают, просеивают, доувлажняют глиняный порошок и дополнительно его перемешивают (Справочник по производству строительной керамики. Скрамтаев Б.Г. (гл. ред.). Том III. Стеновая и кровельная керамика. М.: Госстройиздат, 1962 г. С. 191).

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в утилизации отходов крупнотоннажного тротилового производства при изготовлении керамических кирпичей, снижении материальных и энергетических затрат их изготовления, расширении сырьевой базы производства кирпичей с одновременным сохранением качества получаемых изделий, что в итоге позволит перевести производство тротила в разряд безотходных.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления керамических кирпичей, состоящем из подготовки сырьевой массы, формовании изделий, сушки и обжига в качестве сырьевой массы используется речной песок с размером частиц не более 0,5 мм и влажностью не более 7%, предварительно обработанный в течение не менее 72 часов при температуре 40-50°C сульфитным щелоком, отходом тротилового производства, взятым в соотношении 4:6 к песку, после чего подготовленную таким образом массу с помощью прессования формуют в кирпичи при удельном давлении не менее 40 МПа, которые затем высушивают до содержания влаги не более 5% и обжигают в печи путем медленного подъема температуры до 1100°C, в течение не менее трех часов и последующей выдержки в течение не менее 45 мин при максимальной температуре, после чего кирпичи охлаждают в течение не менее 16 ч.

При очистке тротила-сырца (Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ.: Химия, 1973. - 688 с.) образуются десятки тысяч тонн токсичных сульфитных щелоков. По принятой в настоящее время технологии сульфитный щелок после предварительного упаривания до 30-40%-ной концентрации по твердому остатку, направляют на сжигание, а образующуюся золу в отвал. Под воздействием атмосферных осадков она превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что приводит к существенному ухудшению экологической обстановки.

Утилизация сульфитных щелоков - отходов крупнотоннажного химического производства путем их использования при получении керамических кирпичей позволит улучшить экологическую обстановку в районах производства тротила и значительно удешевить производство кирпичей. Кроме того, утилизация сульфитных щелоков позволит перевести процесс производства тротила в разряд безотходных.

Способ изготовления керамических кирпичей по данному изобретению ориентирован на использование оборудования и технологических линий заводов по изготовлению глиняных кирпичей и состоит в следующем.

Для изготовления керамических кирпичей по данному изобретению используется речной песок, предварительно отсеянный или измельченный любыми известными способами до размеров частиц не более 0,5 мм и имеющий влажность не более 7%. Песок смешивается с сульфитным щелоком в соотношении 6:4 соответственно. После этого сырьевая масса в течение не менее 72 ч выдерживается при температуре 40-50°C.

Сульфитные щелока представляют собой растворенные в воде натриевые соли сульфокислот несимметричных изомеров тротила, нитрофенолов, нитрокислот, а также минеральные соли натрия: нитраты, карбонаты, сульфаты, сульфиты и хлориды, а также сульфиды натрия. Гидролиз натриевых солей, присутствующих в сульфитном щелоке, приводит к тому, что величина pH его раствора повышается до 8,0 и более единиц, что соответствует слабощелочным средам. Поэтому сульфитные щелока являются слабым натриевым основанием.

Одним из вяжущих материалов, которое широко используется в промышленности, является растворимое стекло. Твердые растворимые стекла представляют собой вещества, находящиеся в аморфном стеклообразном состоянии и характеризующиеся определенным содержанием оксидов - M₂O и SiO₂, где M - это Na и K. Как правило, основой используемых в промышленности растворимых стекол являются растворимые силикаты натрия и калия. Существуют два способа получения растворимого стекла - сухой и мокрый (Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло (получение, свойства и применение). – М.: Гос. изд. литературы по строительным материалам. 1956. С. 111). Сухой способ получения растворимого стекла основан на получении щелочных силикатов при высокой температуре с последующим их охлаждением до стеклообразного состояния и последующего растворения. При мокром способе различные формы кремнезема растворяются в едких щелочах с непосредственным получением растворов щелочных силикатов (жидкое стекло) без предварительной варки стекловидных щелочных силикатов (силикат-глыбы, гранулята).

При обработке различных видов кремнезема сульфитными щелоками образуется растворимое стекло, часть которого переходит в раствор сульфитных щелоков, а другая - на поверхность частиц кремнезема. При удалении влаги в процессе сушки весь силикат натрия будет переходить на поверхность частиц кремнезема, тем самым скрепляя их между собой. При формовании блочных изделий, изготовленных из подобной сырьевой массы и последующем их нагреве до 1000-1100°C, натриевое растворимое стекло будет размягчаться и плавиться (там же, с. 46), тем самым скрепляя частицы песка в монолит достаточно высокой прочности.

После обработки речного песка сульфитным щелоком проводится пробное формование и обжиг модельных образцов керамических блоков с целью оценки возможности применения подготовленной сырьевой массы для изготовления кирпичей. В случае, когда прочность модельных образцов недостаточна, время обработки песка увеличивается, что определяется экспериментально.

После удовлетворительного результата оценки качества сырьевой массы проводят прессование изделий. Прессование кирпича-сырца производится в пресс-формах на одно или несколько изделий на механических или гидравлических прессах. Удельное давление прессования кирпичей составляет не менее 40 МПа (400 кгс/см²). После прессования кирпичи высушиваются до влажности 5% и обжигаются в печи путем медленного подъема температуры до 1100°C, в течение не менее трех часов и последующей выдержки в течение не менее 45 мин при максимальной температуре, после чего кирпичи охлаждают в течение не менее 16 ч.

Изготовленные керамические кирпичи подвергаются испытаниям на соответствие существующим нормам.

Для оценки возможности изготовления керамических материалов с использованием сульфитных щелоков в лабораторных условиях были изготовлены цилиндрические образцы экспериментальных блочных изделий и такие же образцы из материалов кирпичей промышленного производства - силикатного и глиняного, определены характеристики образцов, а затем их сравнение и анализ.

Все испытуемые образцы имели габариты: высота 19-20 мм, диаметр 20 мм. Экспериментальные образцы изготавливались прессованием, при этом удельное давление прессования образцов в пресс-инструменте составляло 40 МПа. Речной песок, который использовался для изготовления экспериментальных образцов изделий, предварительно измельчался до размера частиц не более 0,5 мм, после чего обрабатывался сульфитными щелоками в соотношении 6:4 соответственно. Обработка песка сульфитным щелоком происходила в течение 72 ч при температуре 40-50°С. Подготовленная таким образом сырьевая масса использовалась для изготовления образов керамических блоков, которые затем высушивались в сушильном шкафу при температуре 100-120°C в течение 30 мин до влажности 5%. Последующий обжиг образцов проходил в лабораторной электропечи при постепенном нагреве до максимальной температуры 1100°C в течение трех часов и выдержке в течение 45 мин при максимальной температуре. После обжига образцы медленно охлаждались в течение 16 ч.

Качество полученных образцов керамических материалов оценивалось по средней плотности, пределу прочности при сжатии, растворимости в воде, по однородности структуры и водопоглощению. Структура материала всех образцов была однородной. Полученные результаты приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице приведены данные по качеству кирпичей в соответствие с ГОСТ 530-2012 (Кирпич и камни керамические. Технические условия) и ГОСТ 379-95 (Кирпич и камни силикатные. Технические условия).

Как оказалось, качество экспериментальных образцов керамических изделий, полученных без применения глинистого сырья, а только на основе речного песка, измельченного и обработанного сульфитным щелоком, выше качества образцов, изготовленных из материала силикатных кирпичей, и сравнимо с качеством образцов, изготовленных из материала глиняных кирпичей. Сравнение качества экспериментальных образцов с показателями соответствующих стандартов показало, что качество экспериментальных образцов по своим параметрам удовлетворяет действующим стандартам на строительные кирпичи - силикатные и керамические (глиняные). Это говорит о том, что существует реальная возможность изготовления более дешевых керамических кирпичей без применения специфического природного глинистого сырья с одновременной утилизацией основного отхода тротилового производства.

Суммарное содержание сульфитных щелоков - отхода тротилового производства в составе сырьевой массы, используемой для изготовления образцов керамических изделий, по данному изобретению составляет около 40%, что значительно удешевляет весь процесс производства стройматериалов и позволяет полностью утилизировать текущие отходы производства тротила. Предлагаемый способ утилизации сульфитных щелоков значительно снижает себестоимость производимого тротила, потому что из процесса его производства исключается операция обезвреживания токсичных щелоков, которая заключается в их предварительном упаривании и последующем сжигании в пламени природного газа.

Подобный способ утилизации сульфитных щелоков впервые позволит перевести производство тротила в разряд безотходных, что существенно скажется на экологической обстановке в районах его производства.

Кроме того, за счет недорогих сырьевых и строительных материалов собственников строительного и тротилового производств возможно строительство более дешевого жилья и объектов соцкультбыта, что приведет к ярко выраженному социальному эффекту.

Ориентировочное количество полуторных керамических кирпичей, которые можно изготовить по предлагаемому способу, утилизируя сульфитные щелока, образующиеся в качестве отхода при получении 1000 кг тротила, составляет 1500-1800 шт. Тогда годовые отходы завода по производству тротила, например, средней производительностью 40 тыс. т/год могут быть использованы для получении керамических кирпичей в количестве около 60 млн. шт.