В мировой практике волластонитовые изделия широко применяют для теплоизоляции алюминиевых электролизеров и для футеровки желобов и литьевой оснастки при разливке алюминия. Это обусловлено свойствами волластонита, который является экологически чистым материалом, не смачивается и не взаимодействует с расплавом алюминия, а также имеет низкую теплопроводность. В ОАО «УкрНИИО им. А. С. Бережного» разработана технология получения волластонитовых легковесных изделий путем твердофазного синтеза из кальций- и кремнеземсодержащих материалов. В качестве кремнеземсодержащего материала используют кварц.

Согласно литературным данным, для синтеза волластонита можно использовать как природные материалы, так и промышленные отходы. Цель настоящей работы — исследование возможности замены кварца при производстве волластонитовьгх легковесных изделий промышленными кремнеземсодержащими отходами. В качестве таких отходов использованы осыпь, образующаяся при производстве силикагеля марки КСМГ, и бой пенодиатомитового кирпича марки КПДИ-400-И.

Исследования проводили на оптимальном составе шихты, который включал мел, гипс и кварц. Кварц частично или полностью заменяли кремнеземсодержащими отходами, учитывая фактическое содержание SiO₂ в этих материалах.

Для проведения исследований бой пенодиатомитового кирпича дробили на щековой дробилке и подвергали помолу в шаровой мельнице до преобладающего размера частиц 4–40 мкм. Осыпь силикагеля подвергали помолу в вибрационной мельнице до преобладающего размера частиц 4–45 мкм. Эти материалы добавляли к кварцу в количестве 7, 14 и 21 %, а при полной замене кварца в шихте — 39 % осыпи силикагеля и 40 % боя пенодиатомитового кирпича. Образцы формовали методом шликерного литья, сушили и обжигали при соответствующих температурах. Для сравнения свойств изготавливали образцы из оптимального состава шихты.

В результате исследований установлена температура обжига, обеспечивающая наилучшие показатели образцов каждого состава.

Свойства волластонитовых легковесных образцов с добавкой осыпи силикагеля представлены в табл. 1.

Таблица 1

При увеличении количества осыпи силикагеля с 7 до 39 % кажущаяся плотность образцов увеличивается с 0,81 до 1,06 г/см³. Предел прочности при сжатии с увеличением количества осыпи силикагеля также возрастает от 1,2 до 4,4 МПа. Максимальная усадка 21,7 % наблюдается у образцов, в которых кварц полностью заменен осыпью силикагеля (марка С₃₉). Такой результат, вероятно, можно объяснить удалением химически связанной воды, которая содержится в осыпи силикагеля, и увеличением степени спекания образцов.

Наилучшими свойствами обладают образцы, содержащие 7 % осыпи силикагеля (марка С₇). Они характеризуются низкой кажущейся плотностью 0,81 г/см³, пределом прочности при сжатии 1,2 МПа и невысокой линейной усадкой 2 %.

Как показали петрографические исследования, фазовый состав образцов указанной марки представлен, в основном, волластонитом в количестве около 92–94 %. Такое большое количество волластонита обусловлено высокой химической активностью порошкообразной осыпи силикагеля. В образцах также присутствуют примерно 5–7 % метакристобалита, следы кварца и стекловидного вещества.

Свойства волластонитовых легковесных образцов с добавкой боя пенодиатомитового кирпича представлены в табл. 2.

Таблица 2

При увеличении количества боя пенодиатомитового кирпича с 7 до 21 % кажущаяся плотность образцов снижается с 0,85 до 0,79 г/см³. При увеличении его количества до 40 % кажущаяся плотность образцов увеличивается до 0,84 г/см³. Предел прочности при сжатии образцов с увеличением количества боя пенодиатомитового кирпича возрастает от 0,3 до 1,9 МПа. Линейный рост образцов с добавкой боя пенодиатомитового кирпича от 7 до 21 % уменьшается с 1,5 до 0,1 %. У образцов, в которых кварц полностью заменен боем пенодиатомитового кирпича (марка Д₄₀), наблюдается усадка 5,1 %.

Низкий предел прочности при сжатии (0,3–0,4 МПа) образцов с 7–21 % боя пенодиатомитового кирпича, очевидно, можно объяснить недостаточно высокой температурой обжига (обжиг при более высокой температуре приводит к деформации образцов). В результате этого синтез волластонита проходит не до конца. Согласно петрографическим исследованиям, в образцах содержится приблизительно 65–70 % волластонита, 12–15 % ангидрита, 15–17 % кварца и 1–3 % диатомита.

Более высокие предел прочности при сжатии (1,9 МПа) и линейная усадка (5,1 %) у образцов, в которых кварц полностью заменен боем пенодиатомитового кирпича, свидетельствуют о большей степени спекания материала в образцах. Однако, согласно данным петрографического исследования, волластонит в образцах не наблюдается. Фазовый состав образцов, %: суммарное количество СаСО₃, СаО и Са(ОН)₂ — 40–45; ангидрит — 15–17; диатомит — 40.

В табл. 3 приведены характеристики волластонитовых легковесных образцов с добавкой 7 % осыпи силикагеля и образцов оптимального состава М_о.

Таблица 3

Образцы обеих марок имеют близкие значения кажущейся плотности и линейной усадки. Предел прочности при сжатии образцов оптимального состава в 3 раза выше, чем образцов, содержащих 7 % осыпи силикагеля. Содержание волластонита в образцах с добавкой 7 % осыпи силикагеля несколько выше (до 94 %), чем в образцах оптимального состава (до 91 %).

Таким образом, проведенные исследования показали принципиальную возможность изготовления волластонитовых легковесных изделий с использованием промышленных кремнеземсодержащих отходов, в качестве которых можно использовать осыпь силикагеля. Установлено, что частичная замена кварца осыпью силикагеля в количестве 7 % позволяет получить волластонитовые легковесные изделия со свойствами, близкими к изделиям оптимального состава.

The principal possibility of using industrial silica-containing waste instead of quartz for production of wollastonite lightweight products has been shown as a result of research. Properties and phase composition of the wollastonite lightweight products containing industrial waste have been studied. It was discovered that the partial replacement of quartz by silica-containing waste such as talus silica gel in the amount of 7 % enables manufacture of wollastonite lightweight products with their properties close to the optimum content products.

Крахмаль Юлия Александровна, мл. науч. сотр., ОАО «Украинский научно-исследовательский институт огнеупоров им. А. С. Бережного», ул. Гуданова, 18, Харьков, 61024, Украина. Tел. (057) 700-34-40, факс (057) 714-29-45
Казначеева Наталья Михайловна, канд. техн. наук, и. о. вед. науч. сотр., ОАО «Украинский научно-исследовательский институт огнеупоров им. А. С. Бережного», ул. Гуданова, 18, Харьков, 61024, Украина. Тел. (057) 700-34-40, факс (057) 714-29-45
Питак Ярослав Николаевич, д-р техн. наук, проф., кафедра технологии керамики, огнеупоров, стекла и эмалей, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Tел. (057) 707-63-92