автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Хозяйственный фарфор на основе каолинов месторождения "Журавлиный Лог"

ОАО „Южноуральский фарфоровый завод"

На правах рукописи

Солодкий Николай Федорович

Хозяйственный фарфор на основе каолинов месторождения „ Журавлиный Лог".

Специальность 05.17.11- Технология керамических,силикатных и

тугоплавких неметаллических материалов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники России,

доктор технических наук,профессор Масленникова Г.Н.

Южноуральск 1999

Оглавление

Стр.

Введение 4

Глава!. Состояние и проблемы производства фарфора в России,

1.1. Состояние производства фарфоровых изделий в

России в конце XX веке. 9

1.2. Сырьевые материалы, используемые в производстве фарфора. 15

1.3. Краткая характеристика основных месторождений

каолинов стран СНГ. 19

1.3.1.Общие сведения о месторождениях каолинов Урала. 22

1.3.2.Краткая характеристика основных зарубежных

месторождений каолинов. 30

1.4. Перспективы развития сырьевой базы каолинового

сырья в Российской Федерации. 33

1.5. Качественная характеристика технологических

свойств каолинов месторождений стран СНГ. 36

1.5.1.Анализ отечественных и зарубежных технический

к каолину. 40

Глава 2. Исследование нетрадиционных каолинов Южного Урала.

2.1. Геологическая характеристика. 45

2.2. Химический, дисперсный и минеральный состав

каолина месторождения „Журавлиный Лог". 48

2.3. Исследование различных способов обогащения

каолинов месторождения „Журавлиный Лог". 72

2.4. Анализ обогатимости и оценка пригодности каолина месторождения „Журавлиный Лог" для производства

11

Глава 3. Физико-химические процессы и фазообразования при обжиге каолина и фарфоровых масс на его основе.

3.1. Влияние каолина на свойства фарфоровых масс. 80

3.2. Керамические свойства элювиальных каолинов месторождения„Журавлиный Лог". 82

3.3. Технологические свойства фарфоровых масс на основе каолинов месторождения „Журавлиный Лог". 90

3.4. Исследование сушильных свойств каолинов Южного

Урала и фарфоровых масс на их основе. 103

3.5. Процессы, протекающие при обжиге уральских каолинов и фарфоровых масс на их основе.

3.5.1.Термический анализ каолинов. 112

3.5.2.Процессы, протекающие в фарфоре при обжиге. 116

3.5.3.Исследование микроструктуры фарфора. 121 3.6. Расчет состава и показателей свойств фарфоровой массы. 123

Глава 4. Реализация результатов работы в производственных условиях.

4.1. Обогащение каолина месторождения „Журавлиный Лог" в производственных условиях Южноуральского фарфорового завода. 136

4.2. Обогащение каолина месторождения „Журавлиный Лог"в условиях Кыштымского и Еленинского

каолиновых комбинатов. 140

4.3. Внедрение в производство фарфоровой массы на

основе каолина месторождения „Журавлиный Лог". 144

Общие выводы. 149

Литература 153

-4-

Введение

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Каолин является основным материалом, используемым в производстве бытовой, строительной и технической керамики. Он нашел широкое примененне в бумажной, кожевенной, резинотехнической и других отраслях промышленности.

Потребность Российских предприятий в обогащенном каолине составляет 800 тысяч тонн в год. Из этого количества около 700 тысяч тонн поступало с Украины и Казахстана и лишь 100-105 тысяч тонн производилось в России. Потребность России в каолине для тонкокерамического производства (фарфорово-фаянсового, санитарно-технического, электротехнического) оценивается в 200-250 тысяч тонн в год. Однако российская каолиновая промышленность (Кыштымский, Новокаолиновый и Челганский обогатительные комбинаты) выпускают сегодня около 60 тысяч тонн в год обогащенного каолина.

Однако после распада^ СССР Россия осталась без сырьевой базы качественных^^каолинов. Крупнейшие месторождения элювиальных каолинов и базирующиеся на них предприятия, монопольно выпускающие каолиновые продукты для производства тонкой керамики и бумаги, а также все вновь разведанные ( резервные ) месторождения высококачественных элювиальных каолинов остались за пределами России - на Украине и в Казахстане.

Сырьевая база каолина в Российской Федерации представлена в настоящее время Кыштымским, Еленинским (Челябинская обл. ) и Чалганским ( Амурская обл. ) месторождениями. Однако даже обогащенный каолин этих месторождений характеризуется низким качеством. Производство этого ценного минерала не обеспечивает и десятой доли потребности фарфоро - фаянсовой, радиокерамической и электрофарфоровой промышленности, которые почти полностью используют каолин, поставляемый с Украины.

Россия располагает значительными разведанными ресурсами каолинового сырья, которое, однако, требует дальнейшего изучения. К числу актуальных задач на ближайшую перспективу относятся выявление и подготовка к освоению залежей каолинов, при обогащении которых могут быть получены минеральные продукты, по качеству не уступающие ныне импортируемым. К наиболее перспективным относятся месторождения, расположенные на Южном Урале. Для формирования и развития Российской сырьевой базы наиболее подготовленным и перспективным является месторождение „ Журавлиный Лог " ( Челябинская обл. ), как ^ единственный подготовленный на сегодня источник высококачественных < каолинов, способный полностью удовлетворить потребности в этом виде сырья. Это позволит полностью отказаться от поставок каолина с известных месторождений Украины.

Освоение месторождения „Журавлиный Лог", строительство обогатительного комплекса и выпуск обогащенного каолина обеспечит Челябинской области доминирующее положение на рынке каолинового сырья. Высокий и стабильный уровень цен на мировом рынке на обогащенный каолин позволит создать высокорентабельное производство, окажет позитивное влияние на экономику области и социально - экономическое развитие района.

Диссертационная работа выполнена в рамках плана по новой технике и технологии на 1994 - 1996 гг. ОАО „Южноуральский фарфоровый завод".

Цель работы. В соответствии с вышеизложенным к основным задачам проведенной нами работы были отнесены следующие:

- разработать составы хозяйственного фарфора на основе каолинов месторождения „Журавлиный Лог";

-- изучить вещественный состав и качественные характеристики элювиальных каолинов месторождения „Журавлиный Лог"; -изучить керамические свойства элювиальных каолинов месторождения „Журавлиный Лог";

-- подтвердить опытными работами возможность использования каолина- сырца и обогащенного каолина месторождения „Журавлиный Лог" в составах хозяйственного фарфора.

Нтчная повита. По генезису каолины месторождения „Журавлиный Лог" относятся к элювиальным (первичным) каолинам.

- Впервые изучен вещественный состав, качественные характеристики и керамические свойства этих нетрадиционных элювиальных каолинов.

Количественный минеральный состав природного каолина представлен каолинитом (45%), кварцевым песком (42%), калиевым полевым шпатом (5%) и другими минералами (8%). По химическому и минеральному составам журавлиноложские каолины относятся к высококачественным каолинам с низким содержанием красящих оксидов БегОз (0,22 - 0,7%) и ТЮ2 (0,2 - 0,56%). Каолин представлен высоким содержанием тонкодисперсных частиц (менее 5 мкм - 78,8%, менее 1 мкм до 54%) и присутствием в них слюды в виде сернцнтовых включений, что предполагает его использование в составе хозяйственного фарфора и других видов тонкой керамики как в природном, так и в обогащенном состоянии.

- Установлено, что по показателю упругости обогащенные безэлектролитным способом каолины месторождения „Журавлиный Лог" относятся к первой и второй группам, имеют высокие значения порога структурообразования (1,31 - 1,38) и хорошую текучесть.

По основным структурно-механическим характеристикам необогащенный журавлиноложский каолин относится к 3 типу. Он обладает сравнительно большой условной мощностью деформации.

Обогащение каолина месторождения „Журавлиный Лог" по безэлектролитному способу значительно понижает условную мощность

деформации. Значительно возрастает упругая мгновенная деформация. Доля эластической деформации продолжает оставаться незначительной.

- Установлено, что при термической обработке природного и обогащенного каолинов месторождения „Журавлиный Лог" образование первичного муллита наблюдается при 1050 - 1250°С, вторичный муллит формируется при 1200 - 1300°С. При более высоких температурах идет рекристаллизация муллита. Предел прочности при изгибе обожженных при температуре 1350°С образцов журавлиноложского каолина достигает 93 МПа, что значительно выше, чем у образцов из просяновского каолина (75 МПа), что является следствием повышенной дисперсности каолинитовых частиц, большей неупорядоченностью кристаллического пакета каолинита и наличием слюды в тонкодисперсной фракции (менее 1 мкм).

- Установлено, что пластичность по Пфефферкорну разработанных фарфоровых масс колеблется в пределах 24,5 - 25,7%. Данные фарфоровые массы относятся к незыбким и отличаются значительным развитием эластических деформаций, определяющих хорошие формовочные свойства.

Полуфабрикат на основе журавлиноложского каолина обладает повышенным пределом прочности при изгибе как в воздушно-сухом (4,0 -5,8МПа), так и в высушенном (4,2 - 6,0 МПа) состоянии.

- Установлено, что фарфоровая масса на журавлиноложском каолине характеризуется повышенным содержанием тонкодисперсной фракции (менее 1 мкм до 40,6%) в состав которой входят не только каолиннтовые частицы, но и слюда в виде серицитовых включений, что способствует снижению температуры начала спекания до 1200°С, и завершению спекания при 1320°С с водоноглащением керамического материала в пределах 0,03 - 0,06%.

Микроструктура разработанного состава фарфора отличается большей степенью муллитизации, меньшей усадкой, повышенной плотностью (2,43 г/см3) и повышенным пределом прочности при изгибе (101,43^МПа) по сравнению с массой на просяновском каолине (89,1 МПа)Г

Практическое значение работы. Разработаны составы хозяйственного фарфора с использованием как природного, так и обогащенного каолина месторождения „Журавлиный Лог" с улучшенными термомеханическими характеристиками. Изделия из разработанных масс удовлетворяют требованиям ГОСТ 28390 - 89, Изделия фарфоровые.

Показано, что каолин месторождения „Журавлиный Лог" является высококачественным сырьем для тонкой керамики.

На основе проведенных исследований разработан метод безэлектролитного обогащения природных каолинов и определены основные параметры этого процесса.

Результаты работы подтверждены опытно-промышленными испытаниями и реализованы в ОАО „Южноуральский фарфоровый завод", изготавливающим хозяйственный фарфор.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, доложены и обсуждены на совещаниях и семинарах различного уровня:

п

/

-- школа-семинар. Новые технологии и оборудование в производстве керамики ( г. Москва, 1992 г.);

- научное совещание по силикатным строительным материалам „ Силстром - 92" (г.Москва,1993г.);

-научно-техническое совещание„Керамика-93"(г.Южноуральск, 1993г.);

-межотраслевая научная конференция „ Керамика в народном хозяйстве" (г.СуздальД993г.);

- совещание по проблемам использования новых видов сырья и обогащение российских глин и каолинов (г.Москва,1994 г.);

-научно-технический семинар „ Керамика - 94" (г.Южноуральск, 1994г.);

-научно-технический совет акционерных обществ горнопромышленной компании „Демарино" и „ Южноуральский фарфоровый завод" (г.Южноуральск, 1994г.);

-научно-техническая конференция „ Физико - химические и механические процессы в композиционных материалах и конструкциях" (г.Москва,ВИМЙ,1996г.);

- научно-техническая конференция „ Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве" (г.Вологда, 1996г.);

- научно - практическая конференция „ Стекло и керамика; производство и применение" (г.Москва, 1997г.);

- всероссийская конференция „ Физико-химические проблемы создания керамики специального и общего назначения на основе синтетических и природных материалов" (г.Сыктывкар, 1997г.);

- региональное совещание „ Керамика - материал будущего" (г.Екатеринбург, 1998г.).

- международный семинар „Прогрессивные технологии в производстве силикатных материалов на рубеже веков" (г. Москва, 1999г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ.

Исходные материалы и методы исследования.

В качестве исходных материалов при разработке составов хозяйственного фарфора использовали глину Веселовского месторождения (ТУУ 00188340 - 001 - 95), глину Трошковского месторождения (ТУ 1512 -107 - 13195028 - 94), глинозем марок ГО, Г - 00 (ГОСТ 6912 - 74), каолин Кыштымского месторождения (ГОСТ 21286 - 82), каолин Еленинского месторождения ( ТУ 5729 - 002 - 05494310 - 95), каолин месторождения „Журавлиный Лог" (ТУ 5729 - 001 - 21638451 - 96), материалы полевошпатовые для тонкой керамики Чупинского месторождения (ГОСТ 7030 - 75), кварцевый песок Ташлинского месторождения (ГОСТ 7031 - 75),

маршалнт Болотовского месторождения (ТУ 2 - 043 - 860 - 80), глину бентонитовую Огланлинского месторождения (ГОСТ 7032 - 75), стекло натриевое жидкое (ГОСТ 13078 - 67), соду кальцинированную синтетическую (ГОСТ 5100 - 73), череп фарфоровый недекорированный политой и утильный.

Изготовление опытных масс осуществляли по методикам, принятым в технологии производства хозяйственного фарфора, для исследования использовали стандартные образцы, изготовленные методом пластического формования и литья, которые обжигали в лабораторных и производственных печах.

Техниченские характеристики образцов и изделий определяли по действующим стандартным и аттестованным методикам ( Сырье глинистое. Методы анализа ГОСТ 21216.0 - 93 - ГОСТ 21216.4 - 93, ГОСТ 21216.6 - 93 -ГОСТ 21216.12 - 93; Каолин обогащенный. Методы испытаний ГОСТ19609.0-89

- ГОСТ 19609.15 - 89, ГОСТ19609.17 - 89 - ГОСТ 19609.20 - 89, ГОСТ 19609.23

- 89; Каолин обогащенный. Метод определения дисперсного состава ГОСТ 23905 - 79; Каолин обогащенный. Метод определения белизны ГОСТ 16680 -79; Каолин обогащенный. Метод определения разжижаемости. ГОСТ 30036.1 -93; Каолин обогшценный. Метод определения гранулометрического состава ГОСТ 19286 - 77; Каолин обогащенный для керамических изделий. Технические условия ГОСТ 21286 - 82; Изделия фарфоровые. Технические условия ГОСТ 28390 - 89; Посуда фарфоровая. Метод определения белизны ГОСТ 24768-81; Посуда фарфоровая. Метод определения просвечиваемости. ГОСТ 24769 - 81; Посуда фарфоровая. Методы определения термостойкости. ГОСТ 24770 - 81; Методы исследования и контроля в производстве фарфора и фаянса.(авт. Юрчак И.Я., Августиник А.И. и др. Издательство „Легкая индустрия", 1971 г.).

Хар актер истики литейных шликеров, масс, образцов после формования, литья, сушки, обжига определяли по стандартным методикам, принятым при технологическом контроле в фарфоровом производстве.

ХГ www w

Химический, термическии, рентгеновский и дисперсный анализы выполнены в лабораториях НИИФ (г. С. Петербург), ВНИИЭК (г. Москва), АО „Мосизолятор" (г. Москва), ОАО „Южноуральский фарфоровый завод" (г. Южноуральск).

Глава 1

Состояние и проблемы производства бытового фарфора в России

1.1 Состояние производства бытового фарфора в России в конце XX века

Фарфоровая промышленность бывшего СССР приобрела подлинно индустриальный характер. Было преодолено секретничество полукустарного производства и создано на основе научно обоснованной технологии современное производство фарфора хозяйственного и технического назначения.

Конец 50-х и начало 60-х годов стали поворотными в истории развития отечественной фарфоровой промышленности [ 1, 2 ]. К этому времени возникла необходимость замены устаревшего оборудования новым, механизированным и автоматизированным, чтобы выполнить серьезную социальную программу - обеспечить на базе непрерывного технического прогресса и повышения производительности труда резкий подьем производства и достичь уровня объема производства в 600 - 700 млн. штук фарфоро - фаянсовых изделий в год и обеспечить норму потребления фарфоро - фаянсовой посуды около трех изделий на душу населения в год [3,4,5,6]. Для обеспечения выпуска изделий в таких объемах необходимо было увеличить производство хозяйственного фарфора примерно в три раза по сравнению с 1955 годом [4,7,8,9].

Реализация увеличения производства хозяйственного фарфора и фаянса была достигнута за счет интенсивного расширения и реконструкции действующих, атакже строительства новых предприятий [1,4,10].

В 1962 и 1963 годах были построены и введены в эксплуатацию Краснодарский и Южноуральский фарфоровые заводы [11]. К концу 1967 года - Октябрьский, Бориславский, Тернопольский и Синельниковский фарфоровые заводы, - выдали первую продукцию. На 01.01.1969 года в промышленности было установлено 9,7 тысяч единиц оборудования, в том числе импортного 1,5 тысяча единиц. Объем производства достиг ЗООмлн. штук в год (в 1955г. - 251 млн. штук) [12,13,14,15].

В 1969 - 1970 г.г. началось ст�