Щербина Н.Ф., Кочеткова Т.В., Гришин Н.Н.

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева  КНЦ РАН, Апатиты, Россия

The composition and properties of the major clay deposits of the Kola Peninsula have been studied. The results of manufacturing testing are presented. The feasibility of manufacturing various-purpose building ceramic articles from local sources is demonstrated.

Несмотря на увеличение в общем объеме современных керамических материалов доли керамики из синтетического сырья, для ряда традиционных керамических материалов, в том числе и для строительной керамики, важнейшее значение имеет глинистое сырье.

Особенностью современной отечественной базы керамического сырья является истощение общих запасов высококачественных глин и каолинов, что обуславливает вынужденное вовлечение в керамические производства местного глинистого сырья, достаточная обеспеченность которым определяет его необходимость для развития производства керамики в регионе [1].

Многообразие видов и типов керамических материалов, технологических приемов, свойств сырья, использование в производстве искусственных масс обязывает рассматривать стеновые керамические материалы как продукт сложной керамики, требующий особого подхода. Одним из приоритетных направлений подотрасли керамического кирпича является расширение объемов производства и номенклатуры лицевой продукции [2].

В Мурманской области строительство долгие годы осуществлялось, в основном, за счёт производства керамического кирпича, выпускаемого на Кильдинском заводе. В качестве сырья завод использовал глины Кильдинского и Шонгуйского месторождений. Продолжительная эксплуатация этой сырьевой базы привела к значительному сокращению запасов глин, снижению качества выпускаемой продукции за счёт использования оставшейся части сырья сравнительно невысокого качества, а впоследствии и к остановке завода. В настоящее время для нужд строительства Мурманская область закупает керамический кирпич за пределами области.

В связи с всё возрастающими потребностями строительного комплекса Мурманской области в керамическом кирпиче, особую остроту, в ближайшие годы, приобретает решение вопроса строительства современного предприятия по выпуску керамических изделий из местного сырья.

Балансом запасов на 1 января 2005 года по Мурманской области учтено 7 месторождений. Суммарные запасы которого по категории А+В+С₁ составляют 16858 тыс. м³.

Балансовые запасы глинистого сырья по отдельным месторождениям, согласно отчетному балансу по Мурманской области, приведены в таблице.

Запасы глинистого сырья месторождений Мурманской области

В Отделе технологии строительных материалов Института химии КНЦ РАН проведены исследования глинистого сырья Мурманской области, определены его физико-химические и физико-механические свойства. Определены области применения, составы керамических масс и режимы обжига [3-5].

Из приведенных месторождений для производства кирпича наиболее перспективны Урагубское, Ермаковское и Каленгозёрское.

Ермаковское месторождение глин

Минеральный состав глин ермаковского месторождения представлен гидрослюдой, каолинитом, хлоритом с примесью кварца, полевого шпата и амфибола.

Химический состав, мас.%: SiО₂ - 58.8-63.00; Al₂O₃ - 12.58-18.04; Fe₂O₃ - 5.99-7.39; CaO - 0.98-6.03; MgO - 1.20-5.01; R₂О - 1.89-12.24; SO₃^-2 - 0.13-0.89; п.п.п. - 2.51-3.32.

Сырье малопластичное, легкоплавкое, сильноспекающееся с высоким содержанием свободного кварца. Количество гумуса в сырье составляет 0.28-0.89 мас.%. Содержание свободного кварца - 25.1-36.1 мас.%. По гранулометрическому составу сырье относится к низкодисперсному. Число пластичности находится в пределах 3.1-7.3. Огнеупорность 1180-1200ºС. Коэффициент чувствительности к сушке - 0.2-1.0. Воздушная усадка - 2.9-4.8.

В результате проведенных полузаводских испытаний суглинков ермаковского месторождения установлено, что сырье пригодно для производства полнотелого кирпича марки 100 и 200, при следующем составе массы, мас.%: cуглинок ермаковский - 100 [6].

Каленгозерское месторождение глин

Минеральный состав суглинков каленгозерского месторождения представлен гидрослюдой, хлоритом, каолинитом с примесью амфибола, полевого шпата и кварца. Содержание свободного кварца составляет 20.31- 27.31 мас.%. Содержание гумуса - 1.2-3.3 мас.%.

Химический состав, мас.%): SiО₂ - 58.85-63.03; Al₂O₃ - 12.18-14.75; Fe₂O₃ - 4.21-5.55; CaO - 1.81-4.67; MgO - 2.23-2.81; TiO₂ - 0.73-1.40; Na₂O - 2.08-4.20; K₂O - 1.81-3.01; C - 0.44-1.62; SO₃^-2 - 0.85-1.65; п.п.п. - 2.97-6.18.

По гранулометрическому составу сырье относится к низкодисперсному. По пластичности - к мало- и умереннопластичному. Число пластичности - 4.3-13.2. Огнеупорность - 1210-1250ºС. Коэффициент чувствительности к сушке - 0.30-1.20. Воздушная усадка от 2.7 до 8.0%.

В результате полузаводских испытаний установлено, что суглинки Каленгозерского месторождения пригодны для производства полнотелого кирпича марки 75 и 100, при следующем составе массы, мас.%:

Суглинок каленгозерский-100.

Температура обжига - 980-1000ºС.

Сравнительный анализ запасов глинистого сырья Ермаковского и Каленгозерского месторождений позволил установить, что они недостаточны для обеспечения промышленного производства кирпича в планируемом для Мурманской области объеме 30 млн. шт. в год..

Урагубское месторождение глин

Наибольшими запасами глинистого сырья располагает Урагубское месторождение и по своим характеристикам оно позволяет получать продукцию требуемого качества.Минеральный состав глин: каолинит, гидрослюда, монтморилонит с примесью хлорита, полевого шпата, кварца и амфибола.

Химический состав глин, мас. %: SiО₂ - 46.48-58.24; Al₂O₃ - 15.33-18.50; Fe₂O₃ - 7.28-12.85; CaO - 2.90-4.65; MgO - 3.03-5.42; Na₂O - 2.36-6.75; K₂O - 1.85-2 85; C - 0.18-0 67; SO₃ - 0.09-0.5; п.п.п. - 1.52-7.40.

Исходя из зернового состава, преобладает сырье, относящееся к группе низкодисперсного. Число пластичности находится в пределах 3.0-17.0 Основу составляют умеренно - и среднепластичные разности. Малопластичное сырьё представляет, в основном, подстилающий слойОгнеупорность глин составляет 1190-1250°С.

Глины легкоплавкие, характеризуются повышенной влажностью, имеют, преимущественно, среднюю или умеренную пластичность и короткий интервал спекания.

По своим характеристикам сырьё Урагубского месторождения пригодно для производства изделий грубой керамики: кирпича, облицовочной плитки, черепицы и позволяет получать продукцию требуемого качества [6, 7].

На основе глин Урагубского месторождения разработаны оптимальные составы керамических масс для изготовления керамического кирпича (полнотелого марки 300 и пустотелого марки 200), а также облицовочной плитки. Составы керамических масс (мас.%) для производства:

   - полнотелого кирпича:  глина урагубская - 80

                                                  песок урагубский - 20

   - пустотелого кирпича:   глина урагубская - 92

                                                  шамот                    -   5

                                                  уголь марки АШ  -   3

   - облицовочной плитки: глина урагубская  - 60

                                                  нефелиновый концентрат АО « Апатит» - 20

                                                  доломит                -  5

                                                  песок                     - 10

                                                  бой плиток           -  5.

Температура обжига кирпича - 970-990°С, температура утельного обжига облицовочной плитки - 1040°С, политого - 970°C [6,8].

На Красковском опытно - керамическом заводе ВНИИСТРОМ была выпущена опытно-промышленная партия  полнотелого и пустотелого кирпича на основе глин Урагубского месторождения. По теплотехническим свойствам пустотелый кирпич соответствует требованиям стандарта для группы условно эффективного кирпича с плотностью 1470-1480 кг/м³, а полнотелый кирпич - группе с плотностью 1880 - 1950 кг/м³. По морозостойкости оба вида кирпича соответствуют Мрз 50.

Состав и свойства лицевого кирпича с глазурным покрытием

На основе глин Урагубского месторождения была опробована технология получения лицевого кирпича методом полусухого прессования с одновременным нанесением глазурного покрытия. При полусухом  прессовании качество сырья оказывает меньшее влияние на свойства получаемых изделий, чем при пластическом. В результате одновременного прессования черепка и декоративного покрытия при однократном обжиге происходит образование промежуточного слоя, благодаря которому обеспечивается прочное сцепление черепка с глазурью, что исключает возможность отслаивания глазури и образования волосяных трещин после обжига. Образующийся в процессе обжига промежуточный слой позволяет нивелировать различие между коэффициентами термического расширения черепка и декоративного покрытия. Прессование образцов при удельном давлении 50МПа позволяет при одинаковых температурах обжига получить изделия марки 350-400. Такой запас прочности кажется избыточным для рядового кирпича, но имеющийся запас прочности может быть использован  для разработки изделий с повышенной теплоизолирующей способностью. Традиционный для строительной промышленности пустотелый кирпич не  обеспечивает достаточной теплоизоляции зданий и увеличивает расход раствора при кладке. Для декорирования образцов использовались глазури на основе эгирина ОАО «Апатит». Высокое содержание в них оксидов железа создает дополнительные условия для получения прочного покрытия [9].

Составы керамических масс (мас.%):

1.         глина урагубская                  - 80

                             нефелиновый концентрат     - 20

2.        глина урагубская  -  80

            песок урагубский  -  20

Температура обжига изделий - 1050ºС.

Минеральный состав разработанных эгириновых глазурей, мас.%:

Эгириновый концентрат   - 25.0

Нефелиновый концентрат - 30.0

Кварцевый концентрат      - 22.0

          Борная кислота                   - 23.0

ZnO - или Cu₂O сверх 100% - 5.0.

Свойства глазурей:

КЛТР ^.10^-7 град^-1                   59.4 - 64.5

Микротвердость, кг/мм²       679 - 698

Растекаемость, мм                 120 - 130

          Химическая стойкость, %:

конц. H₂SO₄                            97.89 - 99.60

2н NaOH                                 95.67 - 97.20

H₂O                                                       l гидр. Класс

             Образцы c глазурным покрытием представлены на рис.1.

Рис. 1. Образцы на основе ура-губской глины с глазурным  покрытием.

Литература

1. Вакалова Т.В., Погребенков В.М. Рациональное использование природного и техногенного сырья в керамических массах // Строительные материалы. - 2007. - № 4. - С.58-61.
2. Гудков Ю.В., Бурмистров В.Н. Пути повышения эффективности производства изделий строительной керамики. // Строительные материалы. - 2005. - № 2. - С.14-15.
3. Брянцев Б.А., Кособокова П.А. Исследование глин Шонгуйского месторождения как сырья для производства облицовочных плиток. // Природные и техногенные силикаты для производства строительных и технических материалов. - Л.: Наука, 1977. - С.3-9.
4. Кособокова П.А., Лактионова В.И., Рябинина Э.М. Исследование минералогического состава и керамических свойств глинистого сырья Кольского полуострова // Строительные и технические материалы из минерального сырья и отходов промышленности - Л.: Наука, 1980. - С.64-70.
5. Лимберис Ю.Т., Кособокова П.А., Тарасевич И.П. Новые месторождения глин в Кандалакшском и Терском районах и перспективы расширения сырьевой базы керамической промышленности. // Геология неметаллических полезных ископаемых Кольского полуострова.- Апатиты: КФ АН СССР, 1982. - С.85-94.
6. Кособокова П.А., Беляева Т.В. Глины Карело-Кольского региона России для производства керамических изделий. Обзорно - аналитический справочник. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1996 - 72 с.
7. Кособокова П.А., Беляева Т.В. Урагубское месторождение глин - новый источник сырья для производства керамических изделий. // Строительные и технические материалы на основе минерального сырья и горнопромышленных отходов. - Апатиты, 1994. - С.55-65.
8. Щербина Н.Ф., Калинников В.Т. Урагубское месторождение глин - перспективный источник для получения строительной керамики // XVIII Менделеевский съезд по общей химии, Москва, 23-28 сентября 2007.- Москва, 2007. - Т.3 - С.122.
9. Кособокова П.А., Кузнецов В.Я. Влияние оксидов элементов ІІ группы на стеклообразование и свойства пироксеновых стекол. - Апатиты, 2000. - 14 с. Деп. в ВИНИТИ 4.05.00, № 1503-В00.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2