ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ГЛИН НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СТРУКТУРА ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ, ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 9
1.1. Структура минералов группы каолинита,
монтмориллонита и гидрослюды 11
1.2. Обменная способность глин 16
1.3. Поверхность глинистых частиц 19
1.4. Электрический ^-потенциал глиняных частиц 20
1.5. Физико-химические и реологические свойства шликеров 22
1.6. Влияние формы частиц на их агрегацию 23
1.7. Промышленные изделия, получаемые методом
шликерного литья с использованием ПАВ 24
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА 31
2.1. Методы исследования 31
2.2. Характеристики глинистых материалов 35
2.3. Характеристики нефелин-сиенита и кварцевого песка,
входящих в шихту 42
Выводы 44
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛИНИСТОГО
СЫРЬЯ С РАЗЛИЧНЫМ СТРОЕНИЕМ СТРУКТУРЫ 45
3.1. Минеральный состав глин 45
3.2. Исследование структуры глин методом растровой
электронной микроскопии 52
3.3. Исследование состава поверхности глин методом
электронной спектроскопии 54
3.4. Влияние состава поверхности на адсорбцию
и реологические свойства глин 64
3.5. Реологические свойства глинистых суспензий 71
Выводы 81
4. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ШЛИКЕРОВ 84
4.1. Керамические составы и подготовка шликера 84
4.2. Влияние температуры термообработки на свойства изделий
из исследуемых масс 86
4.3. Влияние электролитов на реологические свойства шликеров 89
4.4. Опытно-промышленные испытания шликера на основе
разработанного состава 93
Выводы 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 101
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ 103
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. СТРУКТУРА ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ, ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 9
1.1. Структура минералов группы каолинита,
монтмориллонита и гидрослюды 11
1.2. Обменная способность глин 16
1.3. Поверхность глинистых частиц 19
1.4. Электрический ^-потенциал глиняных частиц 20
1.5. Физико-химические и реологические свойства шликеров 22
1.6. Влияние формы частиц на их агрегацию 23
1.7. Промышленные изделия, получаемые методом
шликерного литья с использованием ПАВ 24
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА 31
2.1. Методы исследования 31
2.2. Характеристики глинистых материалов 35
2.3. Характеристики нефелин-сиенита и кварцевого песка,
входящих в шихту 42
Выводы 44
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛИНИСТОГО
СЫРЬЯ С РАЗЛИЧНЫМ СТРОЕНИЕМ СТРУКТУРЫ 45
3.1. Минеральный состав глин 45
3.2. Исследование структуры глин методом растровой
электронной микроскопии 52
3.3. Исследование состава поверхности глин методом
электронной спектроскопии 54
3.4. Влияние состава поверхности на адсорбцию
и реологические свойства глин 64
3.5. Реологические свойства глинистых суспензий 71
Выводы 81
4. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ШЛИКЕРОВ 84
4.1. Керамические составы и подготовка шликера 84
4.2. Влияние температуры термообработки на свойства изделий
из исследуемых масс 86
4.3. Влияние электролитов на реологические свойства шликеров 89
4.4. Опытно-промышленные испытания шликера на основе
разработанного состава 93
Выводы 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 101
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ 103
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104
ПРИЛОЖЕНИЯ
Актуальность темы исследования. Производство керамических изделий
на многих заводах России, в том числе и Уральского региона, ориентировано на
применение алюмосиликатного сырья, отгружаемого горнодобывающими предприятиями Украины, что способствует удорожанию продукции и не гарантирует
стабильность его поставок. Поэтому важным является разработка составов керамических масс, в которых импортные материалы частично или полностью замещаются местным сырьем. Однако при замещении импортного сырья на местное
необходимо оптимизировать процессы структурообразования и реологические
свойства шликеров на его основе.
Научный и практический интерес представляют исследования по изучению поведения свойств шликеров на основе каолинито-монтмориллонитовой
глины и разработка комплексных модифицирующих добавок, обеспечивающих
требуемые показатели текучести. Актуальность исследования состоит в решении
проблемы импортозамещения высокопластичного глинистого сырья с целью повышения конкурентоспособности керамических изделий, выпускаемых российскими предприятиями.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени российскими и зарубежными учеными проведены
исследования, направленные на изучение поведения суспензий глин, содержащих
минералы группы монтмориллонита, особенностей процесса связывания воды и
природы взаимодействия таких глин с электролитами. Однако, в этих работах не в
полной мере рассмотрены сведения о химическом составе катионов на поверхности глинистых частиц и их влияния на обменные процессы при взаимодействии с
электролитами.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выбран шликер
на основе глин разного минерального состава: каолинито-гидрослюдистая марки
«Веско-Прима» месторождения Андреевского (Украина), каолинито-монтмориллонитовая Нижне-Увельского месторождения в Челябинской области и монтмориллонитовая Ярского месторождения в Удмуртии.5
Предметом исследования являются состояние поверхности глинистых частиц, физико-химические и технологические свойства глинистого сырья, специфическое поведение суспензий глин разной структуры при взаимодействии с
электролитами.
Цель диссертационной работы оптимизация состава, реологических и
технологических свойств керамических шликеров с учетом минерального состава
глин, модифицированных комплексными электролитами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- установить влияние распределения катионов на поверхности частиц глин
разных минеральных групп на их разжижение электролитами;
- выявить закономерности изменения реологических свойств в зависимости
от характера течения суспензий на основе исследуемых глин в процессе разжижения;
- разработать состав шликера с содержанием местной каолинитомонтмориллонитовой глины вместо импортной каолинито-гидрослюдистой глины
для получения керамических изделий с требуемыми свойствами;
- провести опытно-промышленные испытания шликеров на основе разработанного состава для изготовления керамических изделий.
Научная новизна работы
1. Впервые определен химический состав катионов в поверхностном слое
частиц каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой глины. Установлено, что состав поверхности глинистых частиц в
основном представлен атомами кислорода (63,4-66,0 ат. %), кремния (18,2-
22,0 ат. %) и алюминия (9,6-17,1 ат. %), которые являются основой структуры
алюмосиликатных материалов.
2. Показано, что содержание примесных атомов кальция, железа, натрия и
калия у глин разных минеральных групп в объеме и на поверхности неодинаково.
Так, количество атомов кальция на поверхности каолинито-гидрослюдистой и каолинито-монтмориллонитовой глины больше, чем в объеме. У монтмориллонитовой глины содержание атомов кальция в поверхностном слое составляет 1,0 ат. %,
в то время как у других глин меньше в 2 раза. Концентрация атомов калия в объ6
еме глинистой частицы больше, чем на её поверхности у исследованных групп
глинистых минералов и составляет 1,6, 1,5 и 0,67 ат. % соответственно для каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой
глины.
на многих заводах России, в том числе и Уральского региона, ориентировано на
применение алюмосиликатного сырья, отгружаемого горнодобывающими предприятиями Украины, что способствует удорожанию продукции и не гарантирует
стабильность его поставок. Поэтому важным является разработка составов керамических масс, в которых импортные материалы частично или полностью замещаются местным сырьем. Однако при замещении импортного сырья на местное
необходимо оптимизировать процессы структурообразования и реологические
свойства шликеров на его основе.
Научный и практический интерес представляют исследования по изучению поведения свойств шликеров на основе каолинито-монтмориллонитовой
глины и разработка комплексных модифицирующих добавок, обеспечивающих
требуемые показатели текучести. Актуальность исследования состоит в решении
проблемы импортозамещения высокопластичного глинистого сырья с целью повышения конкурентоспособности керамических изделий, выпускаемых российскими предприятиями.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени российскими и зарубежными учеными проведены
исследования, направленные на изучение поведения суспензий глин, содержащих
минералы группы монтмориллонита, особенностей процесса связывания воды и
природы взаимодействия таких глин с электролитами. Однако, в этих работах не в
полной мере рассмотрены сведения о химическом составе катионов на поверхности глинистых частиц и их влияния на обменные процессы при взаимодействии с
электролитами.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выбран шликер
на основе глин разного минерального состава: каолинито-гидрослюдистая марки
«Веско-Прима» месторождения Андреевского (Украина), каолинито-монтмориллонитовая Нижне-Увельского месторождения в Челябинской области и монтмориллонитовая Ярского месторождения в Удмуртии.5
Предметом исследования являются состояние поверхности глинистых частиц, физико-химические и технологические свойства глинистого сырья, специфическое поведение суспензий глин разной структуры при взаимодействии с
электролитами.
Цель диссертационной работы оптимизация состава, реологических и
технологических свойств керамических шликеров с учетом минерального состава
глин, модифицированных комплексными электролитами.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- установить влияние распределения катионов на поверхности частиц глин
разных минеральных групп на их разжижение электролитами;
- выявить закономерности изменения реологических свойств в зависимости
от характера течения суспензий на основе исследуемых глин в процессе разжижения;
- разработать состав шликера с содержанием местной каолинитомонтмориллонитовой глины вместо импортной каолинито-гидрослюдистой глины
для получения керамических изделий с требуемыми свойствами;
- провести опытно-промышленные испытания шликеров на основе разработанного состава для изготовления керамических изделий.
Научная новизна работы
1. Впервые определен химический состав катионов в поверхностном слое
частиц каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой глины. Установлено, что состав поверхности глинистых частиц в
основном представлен атомами кислорода (63,4-66,0 ат. %), кремния (18,2-
22,0 ат. %) и алюминия (9,6-17,1 ат. %), которые являются основой структуры
алюмосиликатных материалов.
2. Показано, что содержание примесных атомов кальция, железа, натрия и
калия у глин разных минеральных групп в объеме и на поверхности неодинаково.
Так, количество атомов кальция на поверхности каолинито-гидрослюдистой и каолинито-монтмориллонитовой глины больше, чем в объеме. У монтмориллонитовой глины содержание атомов кальция в поверхностном слое составляет 1,0 ат. %,
в то время как у других глин меньше в 2 раза. Концентрация атомов калия в объ6
еме глинистой частицы больше, чем на её поверхности у исследованных групп
глинистых минералов и составляет 1,6, 1,5 и 0,67 ат. % соответственно для каолинито-гидрослюдистой, монтмориллонитовой и каолинито-монтмориллонитовой
глины.
1. Изучены химико-минеральный состав и физико-керамические свойства
глин разных минеральных групп. Установлено, что глина «Веско-Прима» имеет
каолинито-гидрослюдистый состав, является среднепластичной, высокодисперсной и интенсивно спекается в интервале температур от 900 до 1100 °С. Глина
Нижне-Увельского месторождения содержит в основном каолинит и монтмориллонит, относится к среднепластичной и среднедисперсной группе глинистого сырья. Глина Ярского месторождения монтмориллонитовая, умеренно-пластичная и
низкодисперсная. В температурном интервале 900-1100 °С глины НижнеУвельская и Ярская являются неспекающимися.
2. Установлено, что состав поверхности глинистых частиц в основном
представлен атомами, ат. %: кислорода 63,4-66,0, кремния 18,2-22,0 и алюминия 9,6-17,1, которые являются основой структуры алюмосиликатных материалов. Кроме основных атомов в поверхностном слое присутствуют атомы кальция,
железа, калия, натрия. В монтмориллонитовой глине содержание атомов кальция
приповерхностного слоя в 2 раза больше, чем в других глинах, и составляет 1,0
ат. %. Повышенная концентрация катионов Са2+ на поверхности монтмориллонитовой глины значительно затрудняет обмен на Na+ электролита и соответствующий ему переход рыхлосвязанной воды из диффузного в слой свободной воды,
что не приводит к разжижению суспензии.
Концентрация атомов калия в объеме глинистой частицы больше, чем на
её поверхности. Содержание примесных атомов железа сосредоточено в объеме
частиц у всех исследованных глин, в основном они влияют на процессы, происходящие при обжиге.
3. Установлено, что, при начальных концентрациях электролита 21,7, 43,5,
2,2 мг-экв/100 г, суспензии на основе каолинито-гидрослюдистой, каолинито-монтмориллонитовой и монтмориллонитовой глин характеризуются реопекснотиксотропной структурой. Дальнейшее увеличение концентрации электролитов
до 30,0, 56,5 и 6,5 мг-экв/100 г для соответствующих суспензий приводит к изменению структуры от тиксотропной к дилатантной. Оптимальное содержание элек100
тролитов соответствует структуре, в которой отсутствует реопексный характер ее
восстановления, а дилатантный еще не появился.
4. Разработан состав керамического шликера с содержанием 60-70 % местной Нижне-Увельской глины каолинито-монтмориллонитового состава вместо
импортной каолинито-гидрослюдистой глины «Веско-Прима». После обжига при
температуре 1080 °С керамические изделия характеризуются водопоглощением
до 3,7 %, открытой пористостью – 8,2 %, общей усадкой – 12,5 %.
5. Подобрана комплексная модифицирующая добавка в количестве 0,3 %
жидкого стекла + 0,1 % углещелочного реагента, для разработанного состава
шликера с содержанием каолинито-монтмориллонитовой Нижне-Увельской глины. Установлена малая эффективность неорганических разжижителей в сравнении с комплексными. При введении жидкого стекла в количестве 0,4 % и комплексного электролита (0,3 % жидкого стекла + 0,1 % углещелочного реагента) от
массы сухих глинистых компонентов шликера, коэффициент загустеваемости составил 1,7 и 1,49, водоотдача шликера за 30 мин – 5,3 и 7,5 мл, набор массы на
поверхности гипсовой формы – 0,67 и 0,73 г/см2, соответственно.
глин разных минеральных групп. Установлено, что глина «Веско-Прима» имеет
каолинито-гидрослюдистый состав, является среднепластичной, высокодисперсной и интенсивно спекается в интервале температур от 900 до 1100 °С. Глина
Нижне-Увельского месторождения содержит в основном каолинит и монтмориллонит, относится к среднепластичной и среднедисперсной группе глинистого сырья. Глина Ярского месторождения монтмориллонитовая, умеренно-пластичная и
низкодисперсная. В температурном интервале 900-1100 °С глины НижнеУвельская и Ярская являются неспекающимися.
2. Установлено, что состав поверхности глинистых частиц в основном
представлен атомами, ат. %: кислорода 63,4-66,0, кремния 18,2-22,0 и алюминия 9,6-17,1, которые являются основой структуры алюмосиликатных материалов. Кроме основных атомов в поверхностном слое присутствуют атомы кальция,
железа, калия, натрия. В монтмориллонитовой глине содержание атомов кальция
приповерхностного слоя в 2 раза больше, чем в других глинах, и составляет 1,0
ат. %. Повышенная концентрация катионов Са2+ на поверхности монтмориллонитовой глины значительно затрудняет обмен на Na+ электролита и соответствующий ему переход рыхлосвязанной воды из диффузного в слой свободной воды,
что не приводит к разжижению суспензии.
Концентрация атомов калия в объеме глинистой частицы больше, чем на
её поверхности. Содержание примесных атомов железа сосредоточено в объеме
частиц у всех исследованных глин, в основном они влияют на процессы, происходящие при обжиге.
3. Установлено, что, при начальных концентрациях электролита 21,7, 43,5,
2,2 мг-экв/100 г, суспензии на основе каолинито-гидрослюдистой, каолинито-монтмориллонитовой и монтмориллонитовой глин характеризуются реопекснотиксотропной структурой. Дальнейшее увеличение концентрации электролитов
до 30,0, 56,5 и 6,5 мг-экв/100 г для соответствующих суспензий приводит к изменению структуры от тиксотропной к дилатантной. Оптимальное содержание элек100
тролитов соответствует структуре, в которой отсутствует реопексный характер ее
восстановления, а дилатантный еще не появился.
4. Разработан состав керамического шликера с содержанием 60-70 % местной Нижне-Увельской глины каолинито-монтмориллонитового состава вместо
импортной каолинито-гидрослюдистой глины «Веско-Прима». После обжига при
температуре 1080 °С керамические изделия характеризуются водопоглощением
до 3,7 %, открытой пористостью – 8,2 %, общей усадкой – 12,5 %.
5. Подобрана комплексная модифицирующая добавка в количестве 0,3 %
жидкого стекла + 0,1 % углещелочного реагента, для разработанного состава
шликера с содержанием каолинито-монтмориллонитовой Нижне-Увельской глины. Установлена малая эффективность неорганических разжижителей в сравнении с комплексными. При введении жидкого стекла в количестве 0,4 % и комплексного электролита (0,3 % жидкого стекла + 0,1 % углещелочного реагента) от
массы сухих глинистых компонентов шликера, коэффициент загустеваемости составил 1,7 и 1,49, водоотдача шликера за 30 мин – 5,3 и 7,5 мл, набор массы на
поверхности гипсовой формы – 0,67 и 0,73 г/см2, соответственно.
Подобные работы
- ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ГЛИН
НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ШЛИКЕРОВ
Авторефераты (РГБ), материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 2200 р. Год сдачи: 2019