Керамическая масса

Изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для получения керамических изделий светлых тонов на основе местного красножгущегося глинистого сырья. Техническим результатом изобретения является расширение сырьевой базы, уменьшение содержания карбонатных пород и повышение физико-механических свойств изделий. Указанный технический результат достигается тем, что керамическая масса для получения изделий светлых тонов содержит красножгущееся глинистое сырье, карбонатную породу и модифицирующий реагент сверх 100%, при следующем соотношении компонентов в мас.%: красножгущееся глинистое сырье - 75-95, карбонатная порода - 5-25 и модифицирующий реагент - 0,6-2. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Настоящее изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для изготовления керамических изделий (лицевой кирпич, камни, декоративные изделия и др.) светлых тонов из краносжгущегося глинистого сырья.

Известно, что при добавлении тонкоизмельченных карбонатных пород в красножгущееся глинистое сырье цвет черепка меняется от розового до светло-желтого. Количество добавляемых карбонатных пород зависит от содержания в глинистом сырье оксидов железа и кальция и определяется следующим соотношением оксидов в массе:

- для черепка розового цвета
- для черепка желтого цвета
- для черепка светло-желтого цвета

(Соков В.Н., Лабзина Ю.В., Федосеев Г.П. Лабораторный практикум по технологии отделочных, теплоизоляционных и гидроизоляционных материалов. М.: Высшая школа, 1991. C.22).

При этом содержание карбонатной породы в глиномассе в основном составляет 20-45%, что существенно ухудшает физико-механические показатели обожженных изделий - увеличивает водопоглощение и уменьшает прочность. Кроме того, для осветления черепка необходимо повышать температуру обжига изделий на 50-100°С, а это, как показывает практика, часто приводит к деформации изделий.

Известен состав керамической массы, в которой дополнительное осветление керамического черепка осуществляется введением 20% шамота в шихту, содержащую красножгущуюся легкоплавкую глину и тонкомолотый известняк (Альперович И.А. Лицевой керамический кирпич на основе объемного окрашивания массы тонкомолотым известняком // Использование новых видов сырья и расширение ассортимента керамических материалов и искусственных пористых заполнителей. Сб. трудов ВНИИстром. Вып.61(89), 1987, с.11-17).

Недостатком данного состава является высокая стоимость шамота, для получения которого необходимо строить технологическую линию, что приведет к удорожанию изделий. Кроме того, введение шамота из красножгущегося глинистого сырья не обеспечивает осветления черепка при изменении содержания Fe₂О₃ в составе легкоплавких глин, т.е. приведенный состав может быть использован только для конкретного вида глинистого сырья.

Для осветления черепка из красножгущихся глин разработана комплексная добавка, которая при ее введении в количестве 15-25% (по массе) обеспечивает получение черепка светло-желтого или кремового цвета (Мойсов Г.Л. О выпуске объемно-окрашенного керамического кирпича на предприятиях Краснодарского края // Монтажные и специальные работы в строительстве, 2001 г. №10). Однако использование этой добавки значительно увеличивает стоимость кирпича (в том числе из-за транспортных расходов), что экономически неэффективно и не может найти широкого распространения при производстве изделий из объемноокрашенных глиномасс.

Наиболее близкой к предлагаемой керамической массе является масса. предложенная И.А. Альперовичем (Альперович И.А. Лицевой керамический кирпич широкого цветового ассортимента // Новые материалы и процессы в производстве керамических стеновых изделий и дренажных труб. Сб.трудов ВНИИстрома. Вып.63 (91), М; 1988 с.69-76).

Массы содержат следующие компоненты:
	по объему, %	по массе, %
I	II	I	II
Глинистое сырье	70	60	78	69
Известняк тонкомолотый	30	30	22	22
Натриевое стекло-эрклез	-	10		9

Температура обжига - 1000-1050°С. При этих параметрах автором получены образцы светло-кремового цвета однородной окраски.

Учитывая тот факт, что у большинства изделий из легкоплавкого красножгущегося глинистого сырья при добавлении в него более 15% карбонатной породы значительно снижается прочность и повышается водопоглощение, использование предлагаемой массы в производственных условиях неэффективно. В этой связи авторами изобретения были проведены работы с использованием глинистого сырья пяти месторождений и различных видов карбонатных пород.

В качестве красножгущегося глинистого сырья применяли Ново-Петровское (Краснодарский край), Большелоговское (Ростовская область), Сухо-Чалтырское (Ростовская область), Мало-Ступкинское (Ивановская область) и Каменское (Новосибирская область) месторождения. Легкоплавкое красножгущееся глинистое сырье этих месторождений по своей качественной характеристике является наиболее распространенным для производства керамических изделий (кирпича и камней).

В качестве карбонатных пород было использовано сырье, добываемое в непосредственной близости от предприятий, выпускающих керамический кирпич (ракушка, мел, известняк, отсевы дробления известняка).

Основные характеристики глинистого сырья и химический состав компонентов, используемых при выполнении экспериментальных работ, приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Керамические свойства глинистого сырья
Наименование месторождения	Плас тичность, %	Чувствительность к сушке	Содержание глинистых частиц, %	Минеральный состав глинистой фракции
Ново-Петровское	15,8	Среднечувствительное	49,85	Гидрослюдистая
Большелоговское	8.2	Высокочувствительное	35,10	Монтмориллонито-гидрослюдистая
Сухо-Чалтырское	12,0	-//-	47,45	Монтмориллонито-гидрослюдистая
Мало-Ступкинское	11,8	-//-	39,10	Гидрослюдисто-монтмориллонитовая с примесью каолинита
Каменское	7,3	-//-	29,45	Гидрослюдисто-монтмориллонитовая
Часцовское (прототип)	8,6	Среднечувствительное	32,72	Гидрослюдисто-каолинитовая с примесью монтмориллонита

Таблица 2
Химический состав компонентов
Наименование месторождения	SiO2	Al2O3	Fe2О3	TiO2	CaO	MgO	SO3 общ.	К2О	Na2O	п.п.п.	Сумма
Глинистое сырье
Ново-Петровское	62,40	15,80	6,52	0,90	1,13	1.91	0,56	2,71	2,62	6,48	100,39
Болылелоговское	63,90	10,46	4,19	0,70	5,75	1,65	0,14	2.28	1,79	8,43	99,29
Сухо-Чалтырское	57,82	12,29	6,01	1,05	8,02	1.27	1,20	2,25	1,47	8,80
Мало-Ступкинское	66,13	11,52	4,61	0,89	5,47	1,08	0,41	1.22	1.76	6,91	100,02
Каменское	63,27	11.95	5,00	0,85	5,55	1.26	0,28	2,05	3,10	657
Часцовское (прототип)	74,56	11.39	4,36	0,61	0,85	1,06	0,04	2,20	0,98	3,35	99,40
Карбонатные породы
Ракушка	5,58	0,24	0,32	0,10	52,46	0,12	0,04	-	-	41,12
Мел кульбакинский	0,62	0,18	0,29	-	55,07	0,51	-	-	-	43,27	99,94
Известняк (Судогда)	0,92	0,06	0,09	-	52,24	2,42	0,03	-	-	43,55	99,31
Отсевы известняка	1,64	0,34	0,30	0,01	54,69	0,18	0,10	-	-	42,95
Известняк веневский (прототип)	0,54	0,32	0,33	-	55,01	0,68	Сл.	-	-	43,72	100,60
Стекло-эрклез
Стекло-эрклез	71.2	1,89	0,11	-	6,62	3,04	-	-	16,97	-	99,83

Подготовка керамической массы для выполнения экспериментальных работ проводилась следующим образом:

- глинистое сырье подсушивали и измельчали в дисковом истирателе до размеров частиц менее 1 мм;

- карбонатные породы и стекло-эрклез - подсушивали и измельчали в шаровой мельнице до тонкости помола, характеризуемой остатком на сите с отверстиями 0,063 мм не более 2%.

- компоненты шихты дозировали по массе, тщательно перемешивали, увлажняли до формовочной влажности и изготовляли образцы-кубы размером 5×5×5 см.

Образцы сушили до остаточной влажности 0,5-1% и обжигали при температуре 1000 и 1050°С.

Основные характеристики образцов, изготовленных по составу, предлагаемому в прототипе, но с использованием различных месторождений глинистого сырья и карбонатных пород, приведены в табл.3.

Таблица 3
Физико-механические свойства и цвет образцов изготовленных из керамических масс по составу предлагаемому в прототипе
	Наименование сырья	Fe2О3	Температура обжига, °С	Предел прочности при сжатии, МПа	Водопоглощение, %	Цвет образцов	Примечание
№№ масс	глинистое	карбонатная порода	СаО	на поверхности	в изломе
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Состав шихты, % по массе, глина - 78, карбонатная порода - 22
Состав шихты, % по объему: глина - 70, карбонатная порода - 30
202-10	Часцовское	Веневское	0,26	1000	25,8	12.8	Кремовый	-	Прототип
1050	22,8	13.3	Светло-кремовый	-
Н-П	Ново-Петровское*	Ракушка	0,41	1000	25,9	16,5	Буро-кремовый (неравномерный)	Неравномерный
1050	34,0	14,0	Пережог	Темно-бурый
Б-Л	Большелоговское	Мел	0,20	1000	7,2	23,1	Кремовый с розовым	Кремовый
1050	8,9	22,5	Светло-кремовый	Светло-кремовый
С-Ч	Сухо-Чалтырская	Мел	0,28	1000	8,8	21,8	Кремовый с розовым	Кремовый
1050	10,2	20,9	Светло-кремовый	Светло-кремовый
М-С	Мало-Ступкинская	Известняк (Судогда)	0,23	1000	9,6	20,0	Кремово-розовый	Кремовый
1050	11,7	19,1	Кремовый	Кремовый
Н-O	Каменское	Отсевы известняка	0,24	1000	5,3	24,8	Кремово-розовый	Кремовый
1050	6,8	22,7	Кремовый	Светло-кремовый

Продолжение таблицы 3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Состав шихты, % по массе: глина - 69; карбонатная порода - 22; эрклез -9.
Состав шихты, % по объему: глина - 60; карбонатная порода - 30, эрклез - 10
202-12	Часцовская	Веневское	0,23	1000	27,8	13.1	Светло-кремовый	-	Прототип
1050	33,5	11,2	То же	-	-
Н-П-э	Ново-Петровское	Ракушка	0,35	1000	27,8	15.1	Бурый	Неравномерный
1050	44,2	12,8	Пережог	Темно-бурый
Б-Л-Э	Большелоговский	Мел	0,17	1000	8,8	22,0	Светло-кремовый	Светло-кремовый
1050	10,7	20,1	Светло-кремовый с бежевым неравномерный	То же
С-Ч-Э	Сухо-Чалтырское	Мел	0,23	1000	9,5	20,5	Светло-кремовый	Светло-кремовый
1050	11,8	19,8	Светло-кремовый с бежевыми пятнами	То же
М-С-Э	Мало-Ступкинское	Известняк (Судогда)	0,2	1000	10,8	19,0	Светло-кремовый	Светло-кремовый
1050	14,5	18,1	Светло-кремовый с бежевыми пятнами	То же
Н-О-Э	Каменское	Отсевы известняка	0,21	1000	6,2	21,2	Светло-кремовый	Светло-кремовый
1050	8,8	20,0	Светло-кремовый	То же
Примечание: * Образцы светло-кремового цвета получены при добавлении 45% ракушки, при этом прочность при сжатии образцов составила 4,6 МПа, а водопоглощение - 28,7%.

В результате проведенных работ установлено:

- Наибольшее влияние на цвет черепка при объемном окрашивании оказывает содержание оксидов железа и кальция в составе глиномассы. При соотношении Fe₂О₃/ СаО=0,20-0,28 получены образцы однотонного кремового цвета (при 1050°С). При увеличении соотношения Fe₂О₃/СаО до 0,41 образцы имеют неоднородный бурый цвет. Добавление 10% эрклеза способствует осветлению черепка при температуре обжига 1000°С, однако повышение температуры до 1050°С приводит к появлению темных пятен за счет образования увеличенного количества жидкой фазы, на поверхности образцов.

- Прочность образцов кремового и светло-кремового цвета, полученных из опытных глиномасс, составляет 4,6-11,7 МПа, водопоглощение - 19,1-28,7%. В прототипе прочность образцов при сжатии 22,8 МПа, водопоглощение - 13.3%. Это свидетельствует о том, что добавление 30% карбонатных пород (Fe₂О₃/СаО=0,26) возможно только при использовании глинистого сырья, имеющего высокую природную прочность, что характерно для каолинито-гидрослюдистого глинистого сырья, нетипичного для производства керамического кирпича и редко встречающегося.

Таким образом, недостатками предлагаемого состава керамической массы являются:

- ограниченная область применения (только для высококачественного глинистого сырья);

- недостаточный температурный интервал обжига - обеспечивается получением заданного цвета только при одной определенной температуре, что не позволяет получить стабильный цвет и необходимые физико-механические свойства изделий при обжиге в промышленных печах;

- низкие значения прочности образцов и высокое водопоглощение при добавлении 30% карбонатных пород (Fe₂О₃/CaO=0,17-0,28) в глинистое сырье, что не может обеспечить качественных керамических изделий в производственных условиях.

Целью изобретения является расширение сырьевой базы и уменьшение содержания карбонатных пород при производстве облицовочных керамических изделий светлых тонов из красножгущегося глинистого сырья по технологии объемного окрашивания.

Указанная цель достигается тем, что в керамическую массу, состоящую из красножгущегося глинистого сырья и карбонатной породы при соотношении Fe₂О₃/CaO=0,3-0,5, дополнительно вводится модифицирующий реагент, состоящий из комплекса солей щелочных металлов (фосфатов, фторидов, карбонатов, хлоридов), при этом керамическая масса содержит следующие компоненты, %, по массе:

Красножгущееся глинистое сырье	- 76-94
Карбонатную породу	- 5-25
Модифицирующий реагент	- 0,6-2

Модифицирующий реагент обладает каталитическим действием, усиливающим осветление черепка в процессе обжига, что позволяет уменьшить содержание карбонатных пород в составе керамической массы в 1,5-4 раза.

При указанном соотношении компонентов в массе после обжига получены керамические изделия от светло-кремового до кремового и светло-желтого цвета. При выходе за граничные пределы цель изобретения не достигается. Увеличение содержания карбонатной породы приводит к снижению прочности и повышению водопоглощения изделий. При уменьшении же содержания карбонатной породы не достигается заданный цвет черепка и его однородность.

Снижение содержания модифицирующего реагента уменьшает эффект осветления черепка, а увеличение количества реагента более установленного предела приводит к появлению налета на поверхности изделий.

Как известно, большинство кирпичных заводов, выпускающих керамический кирпич, использует высокочувствительное к сушке глинистое сырье. С целью устранения трещиноватости в процессе сушки при объемном окрашивании черепка предлагается в состав масс дополнительно вводить до 10% каолинитового или каолинито-гидрослюдистого глинистого сырья.

Примеры экспериментальной проверки данного изобретения приведены в таблице 4.

Все указанные компоненты модифицирующих реагентов измельчали в шаровой мельнице менее 0,1 мм и добавляли в виде водного раствора или в виде порошка в дисперсную карбонатную породу, после перемешивания осветляющую добавку вводили в состав шихты. Глинистое сырье измельчали менее 1 мм, отощающие добавки просевали сквозь сито с размером отверстий 1,25 мм.

Все компоненты шихты увлажняли до 18-19% и формовали образцы - кубы размером 50×50×50 мм. Образцы подсушивали в помещении до влажности 5-6%, далее в сушильном шкафу при температуре 100°С. Обжигали объемноокрашенные образцы в электрической печи при температуре 1000 и 1050°С.

Результаты экспериментальных исследований, приведенных в таблице 4, показывают, что введение 0,6-2,0 мас.% модифицирующего реагента позволяет получать черепок от светло-кремового до светло-желтого цвета из керамических масс, имеющих соотношение Fe₂О₃/СаО=0,32-0,5 (без модифицирующего реагента это может быть достигнуто при соотношении Fe₂O₃/СаО<0,25). В приведенных примерах показано, что модифицирующий реагент способствует уменьшению содержания карбонатных пород в составе глиномасс в 1,5-4 раза, в результате чего повышается прочность образцов от 5,3-11,7 до 17,1-25,9 МПа, т.е. в 2-3 раза, и снижается водопоглощение с 19,1-24,8 до 13,9-18,0%. Кроме этого модифицирующий реагент расширяет температурный интервал обжига образцов (до 50°С), что позволяет рекомендовать предлагаемый состав массы для промышленного внедрения на действующих керамических предприятиях.

На технологических линиях предприятий ОАО «Славянский кирпич» (Краснодарский край) и Ростовского УМГ ООО «Мострансгаз» (г.Ростов-на-Дону) выпущены промышленные партии кирпича из керамических масс с добавкой модифицирующего реагента. Полученные результаты подтвердили эффективность использования предлагаемой керамической массы на действующих предприятиях (см. акты выпуска промышленных партий кирпича и фотографии образцов кирпича, выпущенных из естественноокрашенных глин и керамических масс с добавлением карбонатной породы и модифицирующего реагента).

Сопоставление результатов, приведенных в табл. 4, с прототипом показывает, что заявляемый состав керамической массы отличается от известной. Благодаря отличиям достигается новый положительный эффект, выраженный в возможности широкого внедрения технологии производства кирпича объемного окрашивания на действующих керамических предприятиях. Кроме этого предлагаемый состав керамической массы по сравнению с прототипом имеет и другие преимущества:

- снижаются энергозатраты при помоле карбонатных пород за счет уменьшения их содержания в составе глиномассы;

- улучшаются физико-механические показатели изделий (прочность, водопоглощение);

- интенсифицируются процессы, способствующие осветлению черепка в период обжига.

Таким образом, проведенный заявителем поиск и выбранный из перечня аналогов прототип позволили выявить отличительные признаки в заявляемом техническом решении. Следовательно, заявляемый состав керамической массы удовлетворяет критерию изобретения «новизна».

Промышленная применимость подтверждается выпуском промышленных партий кирпича на двух действующих керамических предприятиях (см. акты выпуска промышленных партий кирпича).

1. Керамическая масса для получения изделий светлых тонов на основе красножгущегося глинистого сырья и карбонатных пород, отличающаяся тем, что она содержит модифицирующий реагент, включающий комплекс солей фосфатов, фторидов, карбонатов, хлоридов щелочных металлов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Красножгущееся глинистое сырье	75-95
Карбонатная порода	5-25
Модифицирующий реагент, сверх 100%	0,6-2

2. Масса по п.1, отличающаяся тем, что в качестве компонента, способствующего улучшению пластических и сушильных свойств глиномассы при объемном окрашивании изделий на основе глинистого сырья высокочувствительного к сушке, дополнительно вводят каолинитовое или каолинито-гидрослюдистое глинистое сырье в количестве 2-10 мас.%.