Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология тугоплавких неметаллических материалов

Диссертационная работа:

Егорова Екатерина Юрьевна. Алюмосиликатные керамические материалы на основе природного сырья Сибирского региона : диссертация... кандидата технических наук : 05.17.11 Томск, 2007 174 с. РГБ ОД, 61:07-5/2842

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

1 Современные представления об особенностях структуро- и фазообразования в
алюмосиликатных керамических материалах 12

  1. Особенности формирования структуры алюмосиликатнои керамики с мул-литовой кристаллической фазой 13

  2. Формирование алюмосиликатнои керамики с кордиеритовой кристаллической фазой 16

  3. Физико-химические и технологические особенности получения алюмосиликатнои керамики для высокотемпературной изоляции в алюминиевой промышленности 21

  4. Технологические аспекты получения алюмосиликатнои пористой керамики для фильтрационной и каталитической очистки газов 27

1.4.1 Способы регулирования порового пространства керамических
материалов 28

  1. Современные направления развития технологии керамических носителей катализаторов 30

  2. Пути получения пористой керамики фильтрующего назначения 33

1.5 Постановка задач исследований 37

2 Методология, методы исследования и характеристика исходного сырья 39
2.1 Методология и методы исследования основных характеристик сырьевых
материалов и изделий на их основе 39

  1. Рентгеновский анализ 39

  2. Оптическая и электронная микроскопия 40

  3. ИК-спектроскопия 41

  4. Ртутная порометрия 41

  5. Комплексный термический анализ 42

  6. Методика расчета компонентных составов шихт для синтеза композиций в системе «кордиерит - муллит» 43

2.2 Характеристика исходных пластичных сырьевых материалов 46

  1. Светложгущееся глинистое сырье Кемеровской области 46

  2. Глинистое сырье Красноярского края 48

2.3 Псевдопластичные и непластичные природные и техногенные сырьевые ма
териалы 52

2.3.1 Цеолитовые породы - природное сырье со структурной пористостью по
родообразующего минерала 52

2.3.2 Волластонитовые породы - сырье с породообразующим минералом
игольчато-волокнистого габитуса 56

  1. Диопсидовые породы в составах керамических масс 60

  2. Тальк Онотского месторождения 61

  3. Глиноземистый компонент 61

2.4 Методология работы 62
3 Комплексное исследование физико-химических и технологических свойств
светложгущегося глинистого сырья Сибирского региона 64

  1. Глина Кайлинского месторождения - перспективное сырье для алюмосили-катной керамики 64

  2. Особенности состава, структуры, и свойств каолина Кампановского месторождения 67

3.2.1 Характеристика камневидного материала, выделенного из
каолина-сырца 67

  1. Особенности распределения железистых примесей в каолине Кампановского месторождения 70

  2. Исследование технологических свойств каолина-сырца 73

  3. Исследование физико-химических и технологических свойств продукта обогащения каолина-сырца 77

3.3 Сопоставительный анализ структурно-минералогических особенностей
светложгущегося глинистого сырья Сибирского региона 83

4 Разработка составов и технологии сухих барьерных смесей на основе продук
тов обогащения кампановского каолина 92

  1. Характеристика основных свойств сухих барьерных смесей 92 4.1.1 Определение химико-минералогического и гранулометрического составов образца СБС Е-53 (Китай) 93

  2. Выбор компонентных составов барьерных огнеупоров на основе обогаще-ного кампановского каолина 97

  1. Испытание образцов экспериментальных смесей для получения СБС на основе продукта мокрого обогащения кампановского каолина 99

  2. Разработка составов и технологии сухих барьерных смесей на основе продуктов сухого обогащения кампановского каолина 106

  1. Оценка фазового состава и структуры разработанных барьерных материалов 113

  2. Выбор гранулометрического состава барьерных смесей 116

  3. Разработка технологической схемы получения сухой барьерной смеси на основе продуктов сухого обогащения кампановского каолина 117

  4. Выводы и рекомендации по использованию кампановского каолина для получения сухих барьерных смесей 120

5 Физико-химические процессы формирования фазового состава и структурно-
поверхностных свойств пористой керамики на основе каолинитсодержащего
глинистого сырья Сибирского региона 122
5.1 Создание и регулирование строения порового пространства керамики
фильтрующего назначения за счет использования нетрадиционных связующих
и непластичных природных компонентов 123
5.1.1 Регулирование пористости керамики введением грубозернистого узко-
фракционированного наполнителя 125
5.1.1.1 Использование грубозернистого узкофракционного наполнителя для
создания пористой керамической структуры по полусухой технологии 125

5.1.1.2 Получение пористой керамики с узкофракционным наполнителем из
пластичных масс 131

5.1.2 Получение пористой керамики по пластичной технологии из тонкомоло
тых масс 134
5.2. Получение кордиеритовой керамики на основе кампановского каолина 140

  1. Исследование процессов кордиеритообразования в композициях на основе обогащенного кампановского каолина 141

  2. Керамические материалы в системе «муллит - кордиерит» 146

  1. Исследование процессов синтеза и спекания в кордиерито-муллитовых композициях 149

  2. Исследование процессов синтеза и спекания в муллито-кордиеритовых композициях 154 Общие выводы 159 Литература 161

Введение к работе:

Актуальность темы

Основные тенденции современного развития науки и техники предполагают использование керамических материалов с высоким уровнем функциональных свойств.

Перспективность алюмосиликатной керамики с муллитовой кристаллической фазой определяется ее повышенными механическими свойствами, огнеупорностью, термостойкостью, химической устойчивостью и др., что позволяет использовать ее в качестве высокотемпературного и химически стойкого материала.

В современных условиях, когда практически все высококачественные пластичные сырьевые материалы (каолины и беложгущиеся глины) оказались за пределами России, для развития технологий алюмосиликатной керамики особо значимой становится роль российского светложгущегося глинистого сырья, что обусловливает необходимость изыскания путей и возможностей рационального использования его в керамических технологиях, а также технологических приемов улучшения свойств традиционных глиносодержащих алюмосиликат-ных материалов.

Особую актуальность приобретает необходимость создания новых видов алюмосиликатной керамики более высокого уровня качества, что возможно за счет разработки новых композиций глинистого сырья с нетрадиционным непластичным природным силикатным сырьем и техногенными отходами. Решение указанных проблем может быть обеспечено в результате разработки системы способов и приемов целенаправленного управления процессами синтеза алюмосиликатных керамических материалов с комплексом необходимых эксплуатационных свойств.

Работы, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись в рамках государственных научных и научно-технических программ: 1999 —

2004 г.г. «Изучение физико-химических закономерностей процессов переработки органического и минерального сырья и продуктов на их основе» и по договору-контракту с ФГУП «ПО «Электрохимический завод», г. Зеленогорск, Красноярского края.

Объект исследования - алюмосиликатная керамика из природного сырья.

Предмет исследования - физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств алюмосиликатной керамики.

Цель работы

Разработка составов и технологии алюмосиликатных керамических материалов для цветной металлургии и керамических фильтров.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

обобщение накопленного экспериментального материала в области использования глинистого и непластичного сырья в технологии технической и огнеупорной алюмосиликатной керамики;

исследование и анализ взаимосвязи особенностей вещественного состава и технологических свойств огнеупорного и тугоплавкого глинистого сырья Сибирского региона;

оценка эффективности процесса сухого обогащения каолинового сырья;

разработка составов и исследование свойств алюмосиликатной керамики с использованием псевдопластичного сырья со структурной пористостью породообразующего минерала (цеолитовых пород) и непластичного сырья арми-рующее-упрочняющего действия (волластонитовых и диопсидовых пород);

регулирование пористости керамики введением грубозернистого узко-фракционированного и тонкозернистого полидисперсного наполнителя;

исследование процессов синтеза и спекания керамических материалов кордиерито-муллитового и муллито-кордиеритового составов на основе природного сырья;.

разработка составов и технологии технической и огнеупорной керамики на основе природного и техногенного сырья Сибирского региона.

Научная новизна

  1. Установлено, что критериями оценки спекаемости глинистого сырья являются их минералогический (качественный и количественный состав породообразующей и примесной составляющих) и химический (корреляционная зависимость между кремнеземистым модулем БіОг/АІгОз и модулем кислотности Si02/R203+RO+R20) составы. В частности, особенности химико-минералогического состава глины, характеризующейся значениями БіСУЛЬОз = 2-3 и Мк = 2-2,5, обеспечивают ее спекание (с водопоглощением менее 2 %) при температурах более 1300С (в случае огнеупорных беложгущихся глин), значения Si02/Al203=3,5-5 и Мк = 2,5-4,0 - при температурах 1200 - 1300С (в случае тугоплавких светложгущихся глин), значения SiCVAbCV = 6,5-10 и Мк = 3,0-5,0 - при температурах менее 1100 С (характерно для легкоплавких глин).

  1. Установлено, что критерием выбора составов алюмосиликатных барьерных материалов для алюминиевых электролизеров является химический состав огнеупора (отношение А120з/8Ю2) и количество оксида натрия, поглощенного огнеупором из криолитоглиноземистого расплава (с содержанием ЫагО -44,5%). В частности, в случае кремнеземистых барьерных материалов (А120з -23-28 %) вариации составов с отношением АІгОз/ЗіОг от 0,35 до 0,43 обеспечивают поглощение при температуре 1000С от 13 до 28 % Na20 с образованием в контактном, слое вязких расплавов альбитового состава. Применительно к барьерным огнеупорам глиноземистой природы (А120з - 32-42 %) с соотношением АІгОз/БіОг от 0,59 до 0,75 обусловливает низкотемпературное (при температуре 1050 С) поглощение Na20 в количестве 28-30 %.

  2. Установлено, что использование в составе керамической массы грубозернистого узкофракционированного наполнителя (волластонитовой и диопси-довой пород) размером (0,3-0,15), (0,2-0,15), (0,15-0,1) мм в количестве 50-

60 % независимо от вида связующего компонента (пластичных глинистых или псевдопластичных цеолитовых пород) и способа формования изделий (из полусухих или пластичных масс) обеспечивает создание при температуре обжига 1000-1100 С высокопрочных крупнопористых керамических структур с преобладающим размером пор 20-30 мкм. Роль волластонитовой и диопсидовой пород сводится к армирующе-упрочняющему действию сохраняющейся кристаллической фазы наполнителя с частицами неизометрического габитуса.

4. Применение при тех же условиях тонкодисперсного (с размером частиц менее 0,063 мм) полифракционного наполнителя способствует образованию однородных мелкопористых структур с размером пор 1-2 мкм. При этом присутствие тонкомолотых волластонитовой и диопсидовой пород, наряду с частичным сохранением их породообразующих минералов, обеспечивает протекание процесса синтеза анортита. При этом более активно процесс формирования анортита протекает в волластонитсодержащих массах по сравнению с диопси-довыми композициями.

Практическая ценность работы

1. Разработаны составы и предложены технологические режимы получения высокоплотных барьерных огнеупорных материалов с различным соотношением А120з/8і02 (от 0,35 до 0,76) на основе композиций обогащенного каолина с природными (тугоплавкими глинами, кварцевым песком, нефелиновым сиенитом) породами и техногенными (техническим глиноземом) компонентами, что позволяет использовать их в двухслойной футеровке алюминиевых электролизеров, по составу и свойствам отвечающим требованиям к известным зарубежным аналогам. Установлено, что использование добавки спекающего и минерализующего действия (тугоплавкой глины и/или нефелинового сиенита) обеспечивает снижение температуры спекания алюмосиликатных масс для барьерных огнеупоров с содержанием А1203 более 36-38% на 50-100 С (с 1450 С до 1400 -1350 С) за счет активации процесса жидкофазового спекания при сохранении их достаточной огнеупорности.

  1. Разработаны составы и способы получения высококачественной пористой керамики как мономинерального (с муллитовой и кордиеритовой кристаллическими фазами), так и сложного фазового составов (с волластонитовой, диопсидовой, анортитовой кристаллическими фазами) с открытой пористостью 30-40 % и средним размером пор 2-3 мкм, что позволяет использовать их в качестве керамических мембран, а также крупнопористой керамики со средним размером пор 20-30 мкм (для фильтров и носителей катализаторов) и механической прочностью на сжатие от 30 до 70 МПа.

  2. Разработаны составы и технология керамических материалов кордие-рито-муллитового и муллито-кордиеритового составов с молярным соотношением структурообразующих фаз от 10 : 1 до 1 : 10.

Реализация результатов работы

Разработанная технология химически стойких и теплоизоляционных огнеупорных материалов на основе кампановского каолина для агрегатов цветной металлургии прошла промышленную апробацию на ФГУП «ПО «Электрохимический завод», г. Зеленогорск, Красноярского края.

Разработанная пористая керамика прошла промышленное испытание в качестве носителя катализатора в лаборатории деструктивных методов переработки углеводородного сырья ОЫТР ООО «Томскнефтехим», а также в ООО УНШ «ПИК», г. Томск.

На защиту выносятся: -результаты исследований и сопоставительного анализа свойств светлож-гущегося сырья Сибирского региона;

-роль структурно-минералогического фактора при выборе глинистого сырья для получения технической керамики и пути регулирования его основных свойств;

-основные закономерности формирования структуры, фазового состава и свойств керамической матрицы в зависимости от введения добавок уплотняющего и разуплотняющего действия, а также способа формования изделий;

-физико-химические принципы получения неформованной высокотеплоизоляционной керамики - сухих барьерных смесей - для футеровки алюминиевых электролизеров на основе обогащенного кампановского каолина;

-особенности фазообразования в системах «глина - волластонит», «глина - диопсид», «глина - цеолит - волластонит»;

-результаты исследования по разработке пористой керамики «кордиерит -муллитового» и «муллит-кордиеритового» состава.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней: Всероссийской научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2006 г.); IX, X международных научных симпозиумах им. академика М.А.-'Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2005 - 2006 г.г.); XII международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2006 г.); международной конференции молодых учёных по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006» (г. Москва, 2006 г.); электронном семинаре-совещании «Технология керамики и огнеупоров» (г. Белгород, 2006 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Белоку-риха, 2006 г.).

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 145 наименований и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 60 таблиц и 50 рисунков.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОСОБЕННОСТЯХ СТРУКТУРО- И ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

В настоящее время алюмосиликатная керамика представлена обширным классом изделий. К нему относятся: муллитовая, муллитокорундовая, кордие-ритовая, волластонитовая и др.

Изделия такого состава выпускают в массовом количестве и изготавливают преимущественно из природного сырья с частичным использованием искусственного.

К числу актуальных проблем, наиболее значительных для обеспечения стабильных условий функционирования производства алюмосиликатной керамики, можно отнести, прежде всего, поиск и использование нетрадиционных сырьевых материалов, исследование влияния различных факторов на процесс изготовления керамических изделий на основе инновационных ресурсосберегающих технологий 1X1.

В основу нового направления в технологии технической керамики положена концепция перевода изделий в более высокую категорию качества с одновременной интенсификацией процессов их производства, снижением материалоемкости и энергетических затрат.

Особую значимость в последнее время приобретает проблема повышения огнеупорности и термостойкости в сочетании с повышенной прочностью алюмосиликатной керамики, что позволит расширить области ее традиционного использования.

Направленный синтез в процессах силикатообразования обеспечивает регулирование структуры и фазового состава керамических материалов, определяя возможность получения керамики с заданными свойствами, оптимизация технологии которых позволяет снизить себестоимость продукции за счет уменьшения расходов дорогостоящего сырья и энергии /2, 3/.

Подобные работы
Селиванов Юрий Витальевич
Теплоизоляционные керамические материалы на основе композиций глин с техногенным силикатным сырьем
Субочев Иван Григорьевич
Разработка технологии теплоизоляционных материалов и изделий на основе волокон из природного алюмосиликатного сырья и волокон, модифицированных Cr2O3 и ZrO3
Красный Борис Лазаревич
Огнеупорные и строительные материалы на основе фосфатных связующих
Алексеева Наталья Владимировна
Огнеупорные материалы на основе фаз системы MgO-Al2O3-TiO2
Михайлов Михаил Николаевич
Взаимодействие материалов на основе гематита с расплавленным железом
Суздаль Наталья Владимировна
Стеклокристаллические материалы на основе дисиликата лития и метабората цинка
Лымарь Елена Анатольевна
Композиционные материалы на основе керамоалюминиевых связок
Антипина Светлана Анатольевна
Составы и технология термостойких материалов на основе композиций волластонита с известково-кремнеземистым вяжущим
Морева Ирина Юрьевна
Искусственные керамические вяжущие на основе активированных материалов в технологии тонкой керамики
Хомченко Юрий Викторович
Интенсификация процессов твердения прессованных автоклавных материалов на основе помола известково-кремнеземистого вяжущего в виде концентрированной суспензии

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net