Введение к работе
Актуальность работы. В современных экономических условиях строительство объектов и производство строительных материалов имеет тенденцию к объединению в единый строительный комплекс. Среди всего многообразия стеновых строительных материалов лицевой керамический кирпич, отличающийся архитектурной выразительностью и долговечностью, по-прежнему остается востребованным и в перспективе сохранит свои позиции на рынке. Получение лицевых керамических изделий на кирпичных заводах Западной Сибири и Красноярского края сопряжено с целым комплексом проблем. Одно из первых мест по значимости занимает отсутствие сколь-нибудь существенных запасов качественного глинистого сырья.
Значительная часть осадочных пород Западно-Сибирской низменности и степных районов Красноярского края представлена лессовидными суглинками, которые являются основной сырьевой базой производства изделий стеновой керамики в этих регионах. Однако эти суглинки в подавляющем большинстве случаев являются низкодисперсными, алевролито-песчаными, с малым количеством глинистых и значительным содержанием пылеватых частиц, что обуслав-' ливает неудовлетворительные технологические свойства этого сырья. В связи с этим, получение на базе лессовидных суглинков керамических изделий, которые по качеству отвечали бы потребностям рынка строительных материалов, требует принципиально новых подходов к технологии переработки данного сырья и шихт на его основе. Одним из таких подходов, открывающих широкую перспективу в производстве строительной керамики из сибирских суглинков, является создание технологического комплекса, способного обеспечить необходимую подготовку некондиционного глинистого сырья путем использования механохимической активации и формирования благоприятной макроструктуры изделий на стадии подготовки пресс-порошка и прессования изделий.
Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках программы "Жилье - 2000".
Цель работы заключается в разработке новых технологий получения оптимальных коагуляционно-конденсационных структур изделий стеновой керамики с высокими эксплуатационными свойствами из некондиционного глинистого сырья с использованием различных способов его активации и создание технологических линий для реализации их на практике.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: /. Обоснование видов активационного воздействия на глинистое малопластичное сырье и разработка активационных агрегатов;
-
Установление природы процессов, происходящих при активации полиминерального глинистого сырья в предложенных агрегатах;
-
Разработка оптимальной технологической схемы реализации процесса активации глинистого малопластичного сырья;
-
Разработка критериев требуемой степени активации исходного сырья;
-
Разработка методов и технологий активации сырья в производстве стеновых керамических материалов;
-
Разработка технологических параметров получения керамических стеновых материалов из активированного сырья;
-
Исследование процессов структурообразования в керамических материалах из активированного сырья;
8. Создание эффективных технологий производства изделий стеновой кера
мики из некондиционного глинистого сырья и реализация их в производстве.
Научная новизна работы заключается в установлении общих закономерно
стей процессов, протекающих в глинистом сырье при одновременном высоко
скоростном механическом и температурном воздействии на его частицы в газо
вом вихревом потоке, что является основой создания технологического ком-
плекса, обеспечивающего получение стеновой керамики из некондиционного природного глинистого и техногенного сырья. При этом:
установлено, что благодаря одновременному термическому и механическому воздействию в вихревом потоке при механохимической активации глинистого сырья в вихревых мельницах, происходит распределение глинистых и других "мягких" породообразующих минералов в виде тонких оболочек на зернах кварца. Образование гетероминеральных конгломератов структуры "оболочка-ядро" обусловлено разрушением природной структуры сырья, накоплением дефектов в кристаллах и электростатическим взаимодействием минералов различной природы;
установлено, что основным условием получения из некондиционного глинистого сырья стеновых керамических материалов с высокими эксплуатационными свойствами является создание фрактальной структуры изделий. Последняя на микроуровне достигается формированием гетероминеральных конгломератов, и на макроуровне —обработкой активированного материала в турболопастном смесителе-грануляторе для получения пресс-порошка монофракционного состава с преобладающим размером зерен 2-3 мм, и прессованием из него изделий при давлениях 12-15 МПа;
установлено, что двухступенчатая обработка некондиционного сырья с содержанием глинистых частиц менее 20%, включающая механохимическую активацию, обеспечивающую образование конгломератов структуры "оболочка-ядро", и их грануляцию до зерен однородного состава при полусухом прессовании, обеспечивает снижение температуры обжига изделий на 50С;
установлено, что снижение температуры обжига изделий из активированного сырья обуславливается изменением морфологии частиц получаемого после механохимической активации сырья, равномерным распределением глинистой компоненты на зернах кварца и процессами организации фрактальной
структуры изделий, а также преимущественным спеканием по границам гранул.
Практическая значимость работы. Разработанные технологические принципы механохимическои активации расширили границы использования суглинков с низким содержанием глинистых минералов и позволили получить керамические лицевые изделия из сырья, ранее считавшимся непригодным для их производства. Созданы агрегаты для активационного диспергирования глинистого сырья в производстве керамического кирпича. Новизна технических решений защищена 5-ю авторскими свидетельствами и 2-мя патентами РФ.
Реализация научных положений работы путем разработки и внедрения в производство технологических комплексов обеспечила получение из некондиционного глинистого (суглинков с содержанием СаО до 20%) и техногенного сырья (шламистая часть отходов обогащения железных руд) лицевого кирпича марок 125-150, снижение температуры обжига изделий на 50-70С и сокращение технологического цикла за счет совмещения процессов помола, сушки, активации и пневмотранспорта сырья в одном агрегате.
Составлены технологические регламенты на производство керамического кирпича из активированного глинистого сырья для заводов, работающих по технологиям полусухого прессования и пластического формования.
Полученные в работе данные используются на кирпичных заводах, где была осуществлена практическая реализация результатов исследований. Результаты работы используются в учебном процессе в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете при чтении лекций по курсам "Технология стеновых материалов", "Технология строительной керамики" и "Механизация производства строительной керамики". Изданы учебные пособия: "Технология изделий стеновой и кровельной керамики" (1998 г.) - 5 п.л.; "Оборудование для механической активации сырья в производстве строитель-
ной керамики" (2000 г.) - 5 п.л..
Реализация результатов исследований. Совместно с НПП "Сибирь-объединение" разработан и внедрен в серийное производство на заводе АО "Булат" (г. Златоуст) и на производственном участке ООО "Баскей" (г. Новосибирск) активационный измельчительно-сушильный агрегат ИСА-10.015.М.
Построено 7 кирпичных заводов общей мощностью 58 млн. штук усл. кирпича в год в Новосибирске, Златоусте, Лесосибирске, Ужуре, Канске, поселках Красноярского края Идринское, Шунеры.
Реконструировано 3 кирпичных завода полусухого прессования с установкой на них актнвационного оборудования в г. Чуете (Республика Узбекистан), пос. Верх-Коён (Новосибирская обл.), г. Барнауле. В настоящее время строится кирпичный завод в г. Красноярске.
На основании принципов химической активации была разработана и внедрена на Канском кирпичном заводе технология производства кирпича с использованием гидролизного лигнина. Автор защищает:
положение об эффекте активации в глинистых полиминеральных породах, заключающемся в равномерном распределении глинистых частиц на зернах кварца с образованием структуры "оболочка-ядро" в результате одновременного воздействия температуры и механохимического воздействия в аппаратах вихревого типа;
положение о процессах, протекающих в минералах при механохимической активации глинистого сырья, заключающихся в том, что образование новых агрегированных частиц происходит в результате разрушения природных агломератов, частичной аморфизации минеральных зерен и обусловлено энергией, выделяющейся при развитии в них дефектов структуры;
положение о предпочтительности и эффективности однородного по дисперс-
ности и структуре гранулированного пресс-порошка из активированного глинистого сырья, получаемого в турболопастных грануляторах-смесителях. В результате обеспечиваются: большая подвижность, меньшие значения упругой деформации и внутренней энергии пресс-массы по сравнению с дисперсными порошками.
положение о формировании фрактальной структуры керамического черепка в результате механохимической активации сырья, его грануляции, прессования и обжига кирпича, что способствует снижению температуры их обжига на 50С и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства изделий;
положение о том, что механоактивация глинистого сырья в технологии пластического формования должна заключаться не в измельчении грубодис-персных частиц, образующих структурный каркас керамической массы, а в изменении коллоидно-химических свойств (активации) ее поровой составляющей;
положение об общих принципах создания технологических комплексов для получения высококачественных керамических стеновых материалов, включающих малоэнергоемкие аппараты вихревого типа, обеспечивающие активацию сырья и формирование гетероминеральных конгломератов структуры "оболочка-ядро" и турболопастные смесители-грануляторы для формирования фрактальной структуры сырца. При пластическом формовании - активация сырья в роторных аппаратах кавитационного действия и введение активированного шликера в качестве добавки в сырье.
Методология работы основана на теоретических положениях в технологии строительной керамики, разработанных П.П.Будниковым, А.И. Августиником, М.И. Роговым, Н.Н. Круглицким, Г.И. Книгиной, В.И.Верещагиным, Ю.И. Та-расевичем, С.Ж. Сайбулатовым, В.Ф.Павловым, И.И.Морозом и другими учеными. Реализация поставленных научно-практических задач производилась со-
гласно разработанной структурно-методологической схеме.
В работе исследовались представительные пробы глинистого сырья месторождений Западной Сибири и Красноярского края, которые являются сырьевой базой кирпичных заводов этих регионов. Представительность проб техногенного сырья, используемого качестве добавок, подтверждалась заводскими службами, осуществляющими эксплуатации) отвалов.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ИК СО РАН Г.Н.Крюковой и П.А.Симонову за помощь и полезные советы в проведении исследований.
Публикации. Материалы исследований опубликованы в 36 научных статьях и тезисах докладов, получено 5 авторских свидетельств на изобретение и 2 патента РФ.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях НГАСУ (1985-1999 гг.), на Всесоюзных конференциях в гг. - Юрмале (1987 г.), Москве (1990 г.), Белгороде (1991 г.), научно-технических семинарах в гг. - Пензе (1986 г.), Челябинске (1986 г.), Всесоюзных совещаниях в гг. - Свердловске (1985 г.), Новосибирске (1988 г.), Республиканских научно-технических конференциях в гг. - Томске (1989 г.), Риге (1990 г.), Алма-Аты (1990 г.), Бишкеке (1991 г.), Международных конференциях и семинарах в гг. - Санкт-Петербурге (1995 г.), Варне (Болгария, 1996 г.), Турку (Финляндия, 1996 г.), Барнауле (1997 г.), Новосибирске (май, август, сентябрь 1997 г.), Маастрихте (Германия, 1997 г.), Сан-Франциско (США, 1998 г.), Всероссийской конференции в г. Томске (1998 г.).
Личное участие автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии или под его руководством. Автору принадлежит постановка задач, определение путей их решения, обобщение результатов, выявление закономерностей и формулировка ос-
новных выводов, личное участие в разработке технологий и их промышленном внедрении.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, списка использованных источников из 172 наименований, содержит 235 страниц, 55 рисунков, 48 таблиц, 10 приложений.