Результат интеллектуальной деятельности: Керамический кирпич и способ его получения

Изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности керамических стеновых материалов, и может быть использовано при производстве керамического кирпича и камней.

Известен способ получения конструкционной строительной керамики с повышенными прочностными свойствами и повышенными теплоизолирующими качествами (патент №2379258 опубл. 20.01.2010), включающий подготовку основной части минеральной связующей добавки - цеолитовой породы, состоящую в ее сушке при температуре 110-150°С и измельчении до размеров менее 0,5 мм, приготовление по шликерному способу пластифицирующей добавки путем совместного мокрого помола в шаровой мельнице до остатка на сите 0,088 не более 2-3% той же цеолитовой породы с добавкой лигносульфоната кальция (сульфитно-спиртовой барды) с получением цеолитлигносульфонатного шликера плотностью 1,20-1,25 г/см³, пластификацию зольных микросфер подготовленным шликером, смешивание сухой связующей добавки с пластифицированными микросферами, полусухое прессование изделий под давлением 20-25 МПа и обжиг полуфабриката при температуре 980±20°С. Состав для изготовления керамического материала содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: зольные микросферы 60-95, цеолитовая порода 5-40, цеолитлигносульфонатный шликер 12-16 сверх 100%. Недостатком данного способа является востребованность зольной микросферы при производстве различных строительных материалов. Соответственно, возникает конкуренция, увеличение стоимости данного сырья. Так же можно отметить невысокие прочностные показатели, что позволяет использовать данные изделия только в качестве облицовочных или в декоративно-ограждающих конструкциях.

Известен способ получений сырьевой смеси для декоративной стеновой керамики (патент №2641533 опубл. 18.01.2018), включающий сушку компонентов, измельчение указанных шлака и сырья и их последующее смешение, гранулирование с получением гранулированной пресс-массы, ее полусухое прессование и обжиг изделий, где осуществляют увлажнение указанной шламистой части и гранулирование ее в турболопастном смесителе-грануляторе до получения гранул преимущественного размера 1-3 мм при частоте вращения лопастей 20-25 с-1, с последующим опудриванием их смесью глинистого сырья и ванадиевого шлака при следующем соотношении компонентов, масс. %: шламистая часть отходов обогащения железных руд 80-88, глинистое сырье 10-15, ванадиевый шлак 2-10. Однако описанный способ производства не позволяет получать прочный керамический черепок изготавливаемых изделий, а нацелен больше на декоративную выразительность и эстетическую привлекательность керамического кирпича. Соответственно, использование данных изделий возможно только в качестве декоративного слоя конструкции.

Известен способ изготовления керамических изделий (патент №2445286 опубл. 20.03.2012), включающий закарбонизованный суглинок и кремнеземистую добавку. В качестве добавки используется гранулированная добавка, изготовленная по принципу «кремнеземистая оболочка - органическое ядро», при следующем соотношении компонентов, мас. %: закарбонизованный суглинок - 93,0-97,0; микрокремнезем (оболочка гранулированной добавки) - 1,5-3,5; уголь (ядро гранулированной добавки) - 1,5-3,5.

К недостаткам этого способа можно отнести высокую зольность угля и необходимость в дополнительных защитных мероприятиях при его помоле и хранении.

Наиболее близким по технической сути (прототип) являются строительные керамические изделия на основе микродисперсных золошлаковых соединений [1], выполненные из глины Верхового месторождения Томской области и добавки в виде золы. Глинистое сырье и зольные отходы подсушивают до воздушно-сухого состояния, после чего осуществляется помол в шаровой мельнице. Приготовление шихты осуществляется методом полусухого прессования. Для контрольного образца формовочная влажность смеси из глины составляла 10% по массе, для шихты с добавлением золы влажность шихты увеличивали до 12% до придания шихте пластических свойств, так как зола обладает меньшей гигроскопичностью. Формование сырца проводили при давлении 25 МПа, после чего осуществляли его сушку в течение 24 ч и дальнейший обжиг при температуре 950°С.

Недостатком данного способа является то, что при использовании золошлаковых отходов снижается пластичность формуемой смеси, что несет за собой риск возникновения брака при сушке и транспортировке образцов.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке строительной керамики, изготовленной методом полусухого прессования.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке керамического кирпича и способа его изготовления, которые, расширяя арсенал строительной керамики, преодолевали бы недостатки аналогов.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложена смесь сырьевых материалов для получения керамического кирпича, содержащая глину Верхового месторождения и непластичное техногенное сырье - шлам газоочистки конверторного производства с компонентным соотношением 80 масс. % глины, 20 масс. % шлама газоочистки и воды в количестве 10 масс. % от общей массы сухой компонентой смеси с размером частиц менее 50 мкм. Шлам газоочистки конвертерного производства имеет следующий состав, мас. %: SiO ₂ 34,54, Al₂O₃ 14,05, СаО 6,29, MgO 2,02, K₂O 1,32, Na₂O 1,46, FeO 6,47, P₂O₅ 0,23, TiO₂ 0,61, ВаО 0,12, ппп 32,89.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложен способ получения керамического кирпича, включающий подготовку сырьевых материалов, смешивание и гомогенизацию шихты, формование, сушку и обжиг изделий, согласно предложенному решению, шлам газоочистки и глину Верхового месторождения высушивают и раздельно измельчают до размера частиц менее 50 мкм, затем смешивают друг с другом с добавлением воды в компонентном соотношении 80 масс. % глины, 20 масс. % шлама газоочистки и воды в количестве 10 масс. %, до получения гомогенной смеси и отсутствия комковых включений, механическим способом вручную или автоматизировано; после чего осуществляется формование готовой смеси полусухим методом в пресс-форме. Сформованные образцы сушат в течение 24 ч в сушильных камерах при температуре 100-140°С. Высушенные образцы обжигают в камерных печах при постепенном подъеме температуры со скоростью не более 100°С/ч до температуры 1050°С в течение 2 ч до полного спекания. После обжига следует плавное охлаждение естественным путем до комнатной температуры.

Осуществление изобретения.

Керамический кирпич представляет собой прямоугольный параллелепипед. Способ получения керамического кирпича осуществляется следующим образом. Для получения керамических кирпичей производят высушивание шлама газоочистки и глины Верхового месторождения до минимальной влажности и их дальнейшее раздельное измельчение до размера частиц менее 50 мкм. Подготовка сырьевой массы заключается в смешивании данных компонентов и воды в соотношении 80 масс. % глины, 20 масс. % шлама газоочистки и воды в количестве 10 масс. % от общей массы сухой компонентой смеси. Процесс смешивания происходит механическим способом вручную или автоматизировано до получения гомогенной смеси и отсутствия комковых включений. После чего осуществляется формование готовой смеси полусухим методом в пресс-форме при формовочном давлении 23±2 МПа. Сформованные образцы высушиваются в течение 24 ч в сушильных камерах при температуре 100-140°С. Затем высушенные образцы обжигают в камерных печах при постепенном подъеме температуры со скоростью не более 100°С/ч до температуры 1050°С в течение 2 ч до полного спекания. После обжига следует плавное охлаждение естественным путем до комнатной температуры.

На выходе получается кирпич с показателями прочности при сжатии 32,2 МПа, плотности 1,93 г/см³, водопоглощением 7,5%, и морозостойкостью свыше 50 циклов.

Химические составы сырьевых материалов для изготовления строительного керамического кирпича с повышенными прочностными характеристиками приведены соответственно в табл. 1 и табл. 2.

Соблюдение вышеописанной технологии получения керамических кирпичей с введением в состав сырьевой шихты конверторного шлама при различном содержании позволяет получать изделия, с физико-механическими характеристиками, представленными в табл. 3.

Описанные преимущества материалов достигаются за счет образования новой кристаллической фазы при обжиге - анортита, а также наличию выгорающего компонента в шихте - углерода. Появление анортита обеспечено химическим составом компонентной шихты, в которой оксиды СаО, Al₂O₃, SiO₂ имеют соотношение ~1:1:2, что при проецировании составов, описанных в данной технологии, на трехкомпонентную диаграмму системы СаО-Al₂O₃-SiO₂ позволяет им попасть в поле кристаллизации анортита. Анортит, благодаря своей прочной кристаллической сетке, взаимодействуя с другими кристаллами, упрочняет структуру керамического черепка. В свою очередь углерод, являющийся выгорающим компонентом шихты, образует микропоры, понижая плотность изделий и снижая температуру образования анортитовой фазы.

Источники информации:

1. Н.К. Скрипникова, И.Ю. Юрьев «Строительные керамические изделия на основе микродисперсных золошлаковых соединений», Вестник ТГАСУ, 2011, 4, с. 127-131.