METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
VLIV MINERALOGICKÉHO SLOŽENÍ HLINITOKŘEMIČITÝCH SUROVIN NA VYBRANÉ FUNKČNÍ PARAMETRY KERAMICKÝCH VÝROBKŮ EFECT OF MINERALOGY COMPOSITION OF ALUMINOUS RAW MATERIALS ON SELECTED FUNCTIONAL PARAMETERS OF CERAMIC PRODUCTS Tereza Porodováa Jozef Vlčeka a
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR
Abstrakt Pro žádané vlastnosti keramického výrobku je nevyhnutelná správná volba dílčích surovin a jejich vhodné zastoupení. Práce je zaměřena na sledování vlivu fázového složení hlinitokřemičitých surovin s různým obsahem minerálů. Tyto suroviny jsou: 1. 2. 3. etáž, spraš, plastický jíl a zároveň výrobní směs obsahující všechny jmenované suroviny. Jednotlivé suroviny byly podrobeny fázové analýze a na základě jejího vyhodnocení byly namíchány směsi, které byly před a po výpalu podrobeny různým technologickým zkouškám. Technicky nejpříznivější výsledné vlastnosti (tj. pevnost v tlaku, nasákavost, pórovitost, objemová hmotnost, hustota atd.) byly zaznamenány u směsi s vyšším obsahem spraše, vnášející především křemičitou složku. Abstract Important factor in ceramics manufacturing is advisable selection of raw materials. The work is focused on study of mineral composition effect of aluminosilicates with diferent content of minerals. This raw materials are: 1., 2., 3. slice, loess, which is compound from slices, plastic clay and also production mixture, which contains all the raw materials listed above. This raw materials are put to the X - ray difraction analysis and according to results evaluation are prepared mixtures, which are put to technological tests before and after burn. The most interesting properties (i.e. compresive strength, absorbability, porosity, volume weight, density, etc.) are recorded in mixture, with higher content of loess, which contains mainly silicious component. 1. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Úkolem této práce bylo pomocí použitých postupů hledat možnost zlepšení vlastností produktů obměnami surovinové směsi. Jednotlivé suroviny byly rozplaveny přes síto o velikosti ok 0,063 mm a následně vysušeny. Podsitné podíly byly podrobeny granulometrickému rozboru laserovou metodou v laboratoři sypkých hmot strojní fakulty VŠB-TU. Nadsitné podíly byly po vysušení opět podrobeny sítovému rozboru za sucha. Získané výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.
1
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Vzorky nadsitných a podsitných podílů získané po rozplavení se po vysušení jemně rozetřely a byl proveden rtg. rozbor pomocí difraktografu INEL ve VUCHEM VŠB-TU. Zastoupení všech minerálů v surovinách je uvedeno v tabulce 2. Na základě těchto získaných parametrů byly z připravených surovin a výrobní směsi vyhotoveny zkušební cihličky, na kterých byly posuzovány další parametry. Vyhotoveny byly z výrobní směsi (S), výrobní směsi a spraše (SS), výrobní směsi a plastického jílu (SJ), výrobní směsi a 1.a 2. etáže (SE). Na vzorcích byly nejdříve zjišťovány ztráty sušením a poté byl proveden výpal na teploty 900°C a 950°C s dvěmi různými výdržemi (0,5 a 4 hod.). Podmínky tepelného zpracování simulují v praxi méně obvyklý rychlovýpal výrobků obdobného mineralogického složení [1]. Vypálené cihličky byly podrobeny dalším zkouškám jako jsou ztráta žíháním, pórovitost, pevnost v tlaku, nasákavost, výskyt černých jader, objemová hmotnost a hustota. Tyto vlastnosti jsou zobrazeny v příslušných tabulkách a grafech v závislosti na složení. Table 1. Global granulometric analysis Tabulka 1. Celkový granulometrický rozbor suroviny
1. Etáž
2. Etáž
3. Etáž
spraš
plastický jíl
22,89
27,42
46,86
42,64
19,58
24,51
22,26
20,28
17,59
12,93
19,41
16,9
9,93
14,84
9,53
11,54
10,25
10,78
7,38
2,72
19,48
19,99
10,75
15,20
43,33
2,17
3,18
1,4
2,3
11,91
100
100
100
100
100
78,35
76,83
87,85
82,5
44,76
částice nad 0,125 mm [%] částice od 0,08 do 0,125 mm [%] Částice od 0,063 do 0,08 mm [%] částice od 0,02 do 0,063 mm [%] Částice od 0,002 do 0,02 mm [%] částice pod 0,002 mm [%] celková zrnitostní skladba [%] částice nad 0,02 mm
Tabulka 2. Mineralogické složení surovin surovina plastický jíl
podíl
vermikulit chlorit kaolinit muskovit křemen živce biotit
Nadsitný
II
I
IIII
II
IIII
I
Podsitný
I
I
IIII
II
III
II
Table 2. Mineralogical composition of raw materials 2
II
illit II III
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Tabulka 2. Mineralogické složení surovin (pokračování) surovina
podíl
vermikulit chlorit kaolinit muskovit křemen živce biotit
Nadsitný
illit
II
II
II
IIII
I
I
IIII
I
II
IIII
III
III
I
II
I
II
II
IIII
II
II
IIII
III
II
IIII
IIII
I
II
III
Nadsitný
II
II
II
IIII
IIII
I
II
Podsitný
II
II
I
IIII
I
III
III
Nadsitný
III
II
II
II
IIII
I
II
spraš Podsitný
I
Nadsitný 3. Etáž Podsitný
I
2. Etáž
1. Etáž
křemičitý jíl
Podsitný
I
II
II
III
III
IIII
I
III
Nadsitný
I
I
III
III
IIII
III
I
III
I
II
II
IIII
II
I
III
Podsitný
Table 2. Mineralogical composition of raw materials (instalment)
Závislost velikosti černého jádra na složení směsi 0.9 0.8
dz/d0 [1]
0.7 0.6
900°C a
0.5
900°C b
0.4
950°C a
0.3
950°C b
0.2 0.1 0.0 S
SS
složení směsi
Obr. 1. Závislost velikosti černého jádra Fig. 1. Size of black core dependence
3
SJ
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Závislost vybraných vlastností na složní směsi 45
SP [%] N [%] R f [MPa]
40 35
900°C SP
30
950°C SP
25
900°C N
20
950°C N
15
900°C Rf
10
950°C Rf
5 0 S
SS
SJ
složení směsi
Obr. 2. Závislost vybraných vlastností na složení směsi při 0,5 hodinové výdrži na maximální teplotě výpalu Fig. 2. Selected properties on raw materials mixture composition dependence at 0,5 hour holding time on maximal temperature of burn
SP [%] N [%] R f [MPa]
Závislost vybraných parametrů na složení směsi 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
900°C SP 950°C SP 900°C N 950°C N 900°C Rf 950°C Rf
S
SS
SJ
SE
složení směsi
Obr. 3. Závislost vybraných parametrů na složení směsi při 4 hodinové výdrži na maximální teplotě výpalu Fig. 3. Selected properties on raw materials mixure dependence at 4 hour holding time on maximal temperature of burn
4
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 2. DISKUSE VÝSLEDKŮ A ZÁVĚR Ze zrnitostní skladby uvedené v tabulce 1. je patrné, že nejjemnější surovinnou je plastický jíl. Naopak větší procento hrubých částic bylo zachyceno u surovin 3. etáž a spraš. Tyto surovinové složky obsahují více než 40% částic větších než 0,125 mm. V tabulce 2 jsou zpracovány výsledky fázové analýzy. Plastický jíl obsahuje vysoký podíl neuspořádaného kaolinitu, zvyšujícího plastičnost a pevnost v ohybu za syrova i po vysušení [2]. První etáž je obohacena živcem, druhá etáž má největší zastoupení křemene a částečně živce a třetí etáž má kromě velkého zastoupení křemene také vysoký obsah illitu a muskovitu. Surovina označená jako spraš obsahuje minerály obsažené v etážích, v kterých převládá křemen. Na vzorcích sestavených z těchto surovin byla stanovena ztráta žíháním, ze které není patrný výraznější vliv změny v důsledku rozdílného sledovaného surovinového složení. Vyšší teplota se projevila vyšší ztrátou žíháním. Dále byla hodnocena nasákavost, pórovitost a pevnost v tlaku, jejichž závislosti na surovinovém složení je uvedeno v obr 2 a 3. Nasákavost se v případě obměny surovinového složení výrazně neměnila. Mírný nárust byl zaznamenán pouze u směsi SS při teplotě 950°C, což je důsledkem rozdílného smršťování křemene a matrice. Delší doba výdrže snižuje nasákavost v důsledku procesu uzavírání pórů. Skutečná pórovitost se v důsledku obměny složení měnila významněji. Při 0,5 hodinové výdrži pórovitost vzrostla v důsledku přídavku spraše i jílu v základní směsi. Pórovitost vlivem delší výdrže vzrůstá u všech sledovaných vzorků a nejvýrazněji u směsi SS. Při této výdrži snižuje oproti základní směsi pórovitost přídavek jílu a etáží. Nárůst skutečné pórovitosti při 4 hodinové výdrži se na nasákavosti neprojevil nepříznivě, jelikož nasákavost klesla. Vyšší pórovitost za těchto podmínek zlepšuje tepelně izolační vlastnosti výrobků. Nejvyšší pevnost v tlaku byla dosažena u směsi SS, a to již při 0,5 hodinové výdrži. Delší výdrž na maximální teplotě zvyšuje pevnost u všech srovnatelných směsí. Toto chování je důsledkem poskytování širšího prostoru pro proces slinování materiálu. U vzorků byl pozorován výskyt černých jader (viz. obr. 1), který se projevil pouze při 0,5 hodinové výdrži na maximální teplotě. Příčina vzniku těchto jader je nedostatečná difúze plynů přes střep během výpalu [3]. Tato skutečnost byla potvrzena zmenšením velikosti jader při vyšší vypalovací teplotě a stejné časové výdrži. U tvarovek s vyšším obsahem plastického jílu byl při obou teplotách výskyt černých jader největší na rozdíl od tvarovek se zvýšeným obsahem spraše, kde se černá jádra téměř nevyskytovala. Závěrem lze konstatovat, že na základě výše uvedených parametrů jako nejpříznivější projevil přídavek spraše (která vnáší především křemičitou složku) k výrobní surovinové směsi. Vzorky tohoto složení vykazovaly příznivé parametry v celém rozsahu podmínek, za kterých byly stanovovány. Byla dosažena nejvyšší pevnost, a to již při krátkodobější výdrži na maximální teplotě výpalu. U těchto vzorků byl sice zaznamenán nárůst skutečné pórovitosti oproti výrobní směsi, ale při 4 hodinové výdrži je u těchto vzorků hodnota nasákavosti nižší než nasákavost výrobní směsi při 0,5 hodinové výdrži. Také výskyt černých jader při této výdrži byl ze všech sledovaných vzorků nejméně patrný. Obdobně jako spraš působí i přídavek etáží, avšak pevnosti nedosahovaly hodnot spraše a nasákavost nebyla výrazně příznivěji ovlivněna. 3. POUŽITÁ LITERATURA [1]
Hanykýř, V., Kutzendörfer, J. Technologie keramiky. 1. vyd. Praha : Vega, s.r.o., 2000. 287 s. ISBN 80-900860-6-3
5
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ [2] [3]
Konta, J. Keramické a sklářské suroviny. 1. vyd. Praha : Univerzita Karlova, 1982. 364 s. Pytlík, P. Cihlářství. Brno : CERM, 1995. 264 s. ISBN 80-214-0612-7
6
