автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Пористые волластонитсодержащие керамические материалы на основе композиций высококремнеземистого сырья с природными и техногенными компонентами

На правах рукописи

Карионова Нина Петровна

ПОРИСТЫЕ ВОЛЛАСТОНИТСОДЕРЖАЩИЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ВЫСОКОКРЕМНЕЗЕМИСТОГО СЫРЬЯ С ПРИРОДНЫМИ И ТЕХНОГЕННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Специальность 05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск, 2013 г.

5 ДЕК ¿013

005541760

Работа выполнена на кафедре технологии силикатов и наноматериалов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национального исследовательского Томского политехнического университета»

Научный руководитель

Вакалова Татьяна Викторовна доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Козик Владимир Васильевич

Саркисов Юрий Сергеевич

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский государственный университет, зав. кафедрой неорганической химии

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Томский государственный архитектурно-строительный университет, зав. кафедрой химии

ФГБУН институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Защита состоится - 24 декабря 2013 г. в 1430 час. на заседании диссертационного совета Д 212.269.08 при ФГБОУ ВПО «Национальном исследовательском Томском политехническом университете» по адресу: 634050 г. Томск, пр. Ленина, 30, корп. 2, ауд. 117.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь //

Диссертационного совета Петровская Т.С..

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

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

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

Одним из путей повышения прочностных характеристик пористых керамических материалов может быть использование добавок армирующе-упрочняющего действия за счет неизометрического габитуса частиц кристаллической фазы, создающей игольчатый сросток в теле керамической матрицы, например, при использовании добавок волластонитовых пород. Другим путем повышения прочности высокопористой керамики может быть синтез такой кристаллической фазы непосредственно в теле керамической матрицы в однократном обжиге.

Использование как природного, так и синтезированного волластонита имеет большие перспективы для повышения качества керамических материалов, используемых как для теплоизоляции, так и для оснастки литейных агрегатов алюминиевой промышленности. Это связано с активной заменой в последнее время асбестосодержащих огнеупорных материалов, обладающих канцерогенными свойствами, на экологически чистые волластонитсодержащие керамические материалы. При этом улучшение эксплуатационных свойств футеровоч-ных материалов волластонитового состава обеспечивается благодаря армирующему действию игольчатого габитуса кристаллов минерала волластонита, его высокой термостойкостью и химической стойкостью к расплавам алюминия.

В настоящее время накоплен значительный научный и практический опыт интенсификации процессов твердофазного синтеза волластонита. Однако ограниченность сырьевой базы, высокая температура синтеза (1100 - 1200 °С) и невысокий выход целевого продукта обусловливают актуальность проведения исследований в направлении активации твердофазных процессов синтеза волластонита по керамической технологии.

Работы, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись в рамках госзадания «НАУКА» 3.3055.2011 «Разработка научных основ получения наноструктурированных неорганических и органических материалов», программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) (2013 - 2014 гг.), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы» (2010-2011 гг.).

Объект исследования - пористые волластонитсодержащие керамические материалы на основе кремнеземистого сырья с природными и техногенными добавками.

Предмет исследования - физико-химические процессы формирования структуры, физико-механических и теплофизических свойств керамических волластонитсодержащих материалов различной плотности на основе природного и техногенного высококремнеземистого сырья.

Цель работы заключается в разработке составов и технологии керамических материалов на основе композиций высококремнеземистого сырья с природными и техногенными компонентами для строительной и промышленной теплоизоляции, а также для керамической оснастки литейных агрегатов в цветной металлургии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование и анализ взаимосвязи особенностей вещественного состава и технологических свойств используемого природного и техногенного сырья: кремнеземистого (диатомита, опоки, маршалита, микрокремнезема); известкового (мела и известняка), алюмосиликатного (цеолитовых пород); вспученных перлита и вермикулита;

• исследование процессов синтеза волластонита на основе природного и техногенного сырья;

• разработка составов и технологии теплоизоляционной диатомитсодер-жащей керамики на основе природного и техногенного сырья Сибирского региона;

• разработка составов и исследование свойств алюмосиликатной керамики на основе диатомита с использованием псевдопластичного сырья со структурной пористостью породообразующего минерала (цеолитовых пород);

• регулирование пористости диатомитсодержащей керамики введением вспученного наполнителя;

• разработка составов и технологии керамических материалов на основе диатомита с волластонитовой связкой для промышленной теплоизоляции;

• разработка составов и технологии керамических материалов с волластонитовой кристаллической фазой в качестве литейной оснастки для разлива цветных металлов.

Научная новизна

1. Установлено, что химико-минералогический (чистота состава и наличие аморфизированной составляющей) и зерновой составы кремнеземистого сырья, а также различия в структурно-фазовых изменениях при их нагревании, определяют разную степень активности данного сырья в процессах твердофазного синтеза волластонита. Наиболее полно синтез волластонита происходит в смесях карбоната кальция (независимо от его природной формы) с аморфной (микрокремнеземом) и аморфно-кристаллическими (опокой и диатомитом) формами кремнеземистого сырья с выходом волластонита до 92 - 96 % (при температуре 1200 °С). В случае использования высокочистой аморфной кремнекислоты и природного кварцевого компонента в виде маршалита выход волластонита составляет не более 60 - 80 %.

кремнекислоте остаточных катионов щелочных оксидов активирует процесс тридимитообразования при ее нагревании выше 1000 "С.

Таким образом, последовательность и интенсивность полиморфных превращений при нагревании кремнеземистого сырья объясняется особенностями

, их химического и фазового со-Таблица2 -Компонентный состав и шифр

масс для синтеза волластонита

Шифр состава Компонентный состав, мае. %

кремнеземистый известковый

CaO:Si02=l,0 (0,9) 37,5 (40,0) 62,5 (60,0)

М I диатомит известняк

Мб мел

М 2 опока известняк

М 7 мел

МЗ микрокремнезем известняк

М 8 мел

М 4 маршалит известняк

М 9 мел

М 5 кремнекислота известняк

М 10 мел

личного рода силикатных соединений.

Исследование процессов синтеза волластонита проводилось в смесях исходных компонентов (таблица 2), стехиометрических по волласто-ниту с молярным соотношением СаО:8Ю2= 1,0 (48,25 мае. % СаО и 51,75 мае. % БЮг), а также в смесях с избыточным содержанием кремнеземистого сырья с молярным соотношением СаО:8Ю2= 0,9 (42,50 мае. % СаО и 57,50 мае. % БЮг). При этом предполагалось, что некоторый избыток кремнезема необходим для смещения реакций синтеза силикатов кальция в сторону образования волластонита, а также для обеспечения полноты связывания СаО в силикаты кальция.

Исследование дериватографи-ческим методом физико-химических процессов, протекающих при нагреве

ставов. Различия в структурно-фазовых изменениях, сопровождающихся возникновением кварц-кристобалитовых (в случае диатомита и опоки), а также кристобалит-тридимитовых структур с различной степенью упорядоченности, в которых чередуются пакеты с кристо-балитовым и тридимитовым типом укладки (в случае микрокремнезема и безводной кремнекислоты), будут определять, в перспективе, разную степень активности данного сырья в процессах синтеза раз-

2Ó0

-¡ST

~ eco

eos 1000 1ЛВО Температуре, "С

Рисунок 2 — ДТА-криеые исследуемых стехиометрических по волластониту составов мела с диатомитом (Мб), опокой (М7), микрокремнеземом (М8), маршалитом (М9) и кремнекислотой (М10)

4. Карионова, Н. П. Эффективные теплоизоляционные керамические материалы на основе диатомитовых пород и другого силикатного сырья / Т. В. Вакалова, Н. П. Карионова, И. Б. Ревва, Н. А. Сеник // Новые огнеупоры : научно-технический и производственный журнал. — М.: ООО "Интермет инжиниринг", 2010. - № 4. - С. 44.

5. Карионова, Н. П. Пористая керамика с добавками вспученных перлита и вермикулита для промышленной изоляции / Т. В. Вакалова, Н. П. Карионова, И. Б. Ревва, В. С. Стрюков // Новые огнеупоры : научно-технический и производственный журнал. — М. : ООО "Интермет инжиниринг", 2011. -№ 3. - С. 44-45.

6. Карионова, Н. П. Теплоизоляционные керамические материалы с использованием техногенного порообразующего сырья / Т. В. Вакалова, И. Б. Ревва, Н. П. Карионова // Новые огнеупоры : научно-технический и производственный журнал. — М. : ООО "Интермет инжиниринг", 2011. -№ 3. - С. 45 - 46.

7. Карионова, Н. П. Теплоизоляционные керамические материалы на основе природного и вспученного алюмосиликатного сырья / Т. В. Вакалова, Н. П. Карионова, В. С. Стрюков // Новые огнеупоры : научно-технический и производственный журнал. — М. : ООО "Интермет инжиниринг", 2012. - № 3. - С. 58.

8. Карионова, Н. П. Высокопористые диатомитсодержащие керамические материалы на волластонитовой связке / Т. В. Вакалова, Н. С. Крашенинникова, Н. П. Карионова, Н. К. Абильбаева // Новые огнеупоры: научно-технический и производственный журнал. — М.: ООО "Интермет инжиниринг", 2013. -№ 3. - С. 63 - 64.

9. Карионова, Н. П. Влияние природы кремнеземистого сырья на твердофазный синтез волластонита / Т. В. Вакалова, Н. С. Крашенинникова, Н. П. Карионова, В. М. Погребенков // Новые огнеупоры : научно-технический и производственный журнал.

— М. : ООО "Интермет инжиниринг", 2013. -№ 3. - С. 27.

10. Шляева, Н. П. (Карионова, Н. П.) Структурно-минералогические особенности природных и техногенных сырьевых материалов для синтеза волластонита / Н. П. Шляева, Н. А. Сеник ; науч. рук. Т. В. Вакалова // Современные техника и технологии : 14 Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Томск, 24-28 марта 2008 г. : труды : в 3 т. / Томский политехнический университет (ТПУ).

— Томск, 2008. — Т. 2. — С. 218-219.

11. Шляева, Н. П. (Карионова, Н. П.) Синтез волластонита в стехиометрических смесях на основе природного и техногенного сырья / Н. П. Шляева ; науч. рук. Т. В. Вакалова // Химия и химическая технология в XXI веке : IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов, Томск, 14-16 мая 2008 г.— Томск, 2008. — С. 78-79.

12. Шляева, Н. П. (Карионова, Н. П.) Фазовые изменения при нагревании природного и техногенного высококремнезёмистого сырья / Н. А. Сенник, Н. П. Шляева (Н. П. Карионова) ; науч. рук. Т. В. Вакалова // Проблемы геологии и освоения недр : труды XII Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 100-летию первого выпуска горных инженеров в Сибири и 90-летию создания Сибгеолкома в России. — Томск, 2008. — С. 838-839.

13. Шляева, Н. П. (Карионова, Н. П.) Влияние структурно-фазовых особенностей природного и техногенного кремнезёмистого сырья на твёрдофазовый синтез волластонита / Н. П. Шляева (Н. П. Карионова), Н. А. Сеник ; науч. рук. Т. В. Вакалова // Проблемы геологии и освоения недр : труды XIII Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 110-летию со дня рождения К. В.— Томск, 2009, —С. 869-871.

14. Шляева, Н. П. (Карионова, Н. П.) Твёрдофазный синтез волластонита по керамической технологии в смесях на основе природного и техногенного сырья / Н. П. Шляева (Н. П. Карионова), Н. А. Сеник ; науч. рук. Т. В. Вакалова // Химия и химическая технология в XXI веке : X Юбилейная всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов, г. Томск, 13-15 мая 2009 г. - Томск, 2009. — С. 82-83.

15. Шляева, Н. П. (Карионова, Н. П.) Пористая теплоизоляционная строительная керамика из природного сырья / Н. А. Сеник, Н. П. Шляева (Н. П. Карионова) ; науч. рук.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАНТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

на правах рукописи

04201453940 ^

КАРИОНОВА НИНА ПЕТРОВНА

ПОРИСТЫЕ ВОЛЛАСТОНИТСОДЕРЖАЩИЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ВЫСОКОКРЕМНЕЗЕМИСТОГО СЫРЬЯ С ПРИРОДНЫМИ И ТЕХНОГЕННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

Специальность 05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких

неметаллических материалов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Вакалова Т.В.

Томск 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ВЫСОКОКРЕМНЕЗЕМИСТОГО СЫРЬЯ....................................9

1.1 Общие сведения о функциональных свойствах керамических теплоизоляционных материалов..............................................................................9

1.2 Области применения керамических теплоизоляционных материалов... 15

1.3 Физико-химические и технологические закономерности процесса твердофазного синтеза воллатонита...............................................................16

1.4 Постановка цели и задач работы..................................................34

2 ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ...........................................35

2.1 Характеристика используемого природного и техногенного сырья.......35

2.2 Методы исследования основных характеристик сырьевых материалов и изделий на их основе............................................................................52

2.3 Структурно-методологическая схема проведения исследований.........55

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТВЕРДОФАЗНОГО СИНТЕЗА ВОЛ-ЛАСТОНИТА ИЗ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ.....................56

3.1 Комплексное исследование особенностей химико-минералогического состава кремнеземистого сырья и фазовых изменений при его нагревании.........57

3.2 Выбор компонентных составов для синтеза волластонита, подготовка керамических масс и отработка технологического режима процесса синтеза волластонита ..........................................................................................65

3.3 Исследование процессов, протекающих в стехиометрических по волла-стониту (СаО : БЮ2 = 1,0) составах дериватографическим методом..................69

3.4 Исследование процесса твердофазного синтеза волластонита в исследуемых составах в температурном интервале 1000 - 1200 °С..........................70

3.5 Кинетические особенности твердофазного синтеза волластонита........83

Выводы по главе 3........................................................................92

4 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ДИАТОМИТА С ПРИРОДНЫМИ И ТЕХНОГЕННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ...................................................94

4.1 Разработка составов и технологии высокопористых керамических материалов масс для промышленной и строительной теплоизоляции......................95

4.1.1 Технологические особенности получения теплоизоляционных материалов на основе диатомита по пластичной технологии................................95

4.1.2 Разработка технологических режимов получения теплоизоляционных керамических материалов на основе диатомита по полусухой технологии.......109

4.2 Разработка составов и технологии керамических материалов на основе диатомита с волластонитовой связкой для промышленной теплоизоляции и керамической оснастки для литья цветных металлов.......................................112

4.2.1 Керамические материалы различной плотности с волластонитовой связкой на основе композиций диатомита с мелом и вспученным компонентом.................................................................................................112

4.2.2 Разработка составов и технологических режимов получения на основе высококремнеземистого сырья волластонитсодержащей керамики для литейной оснастки..........................................................................................122

4.3 Выработка рекомендаций по технологии и возможным областям применения разработанных керамических материалов.........................................140

Выводы по главе 4......................................................................146

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..............................................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................151

Приложения

167

ВВЕДЕНИЕ

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

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

Одним из путей повышения прочностных характеристик пористых керамических материалов может быть использование добавок армирующе-упрочнякяцего действия за счет неизометрического габитуса частиц кристаллической фазы, создающей игольчатый сросток в теле керамической матрицы, например, при использовании добавок волластонитовых пород. Другим путем повышения прочности высокопористой керамики может быть синтез такой кристаллической фазы непосредственно в теле керамической матрицы в однократном обжиге.

Использование как природного, так и синтезированного волластонита имеет большие перспективы для повышения качества керамических материалов, используемых как для теплоизоляции, так и для оснастки литейных агрегатов алюминиевой промышленности. Это связано с активной заменой в последнее время асбестосодержащих огнеупорных материалов, обладающих канцерогенными свойствами, на экологически чистые волластонитсодержащие керамические материалы. При этом улучшение эксплуатационных свойств футеровочных материалов волластонитового состава обеспечивается благодаря армирующему действию игольчатого габитуса кристаллов минерала волластонита, его высокой термостойкостью и химической стойкостью к расплавам алюминия.

В настоящее время накоплен значительный научный и практический опыт интенсификации процессов твердофазного синтеза волластонита. Однако ограниченность сырьевой базы, высокая температура синтеза (1100 - 1200 °С) и невысокий выход целевого продукта обусловливают актуальность проведения исследований в направлении активации твердофазных процессов синтеза волластонита по керамической технологии.

Работы, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись в рамках госзадания «НАУКА» 3.3055.2011 «Разработка научных основ получения наноструктурированных неорганических и органических материалов», программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) (2013 -2014 гг.), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы» (2010 - 2011 гг.).

Цель работы заключается в разработке составов и технологии керамических материалов на основе композиций высококремнеземистого сырья с природными и техногенными компонентами для строительной и промышленной теплоизоляции, а также для керамической оснастки литейных агрегатов в цветной металлургии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

•исследование и анализ взаимосвязи особенностей вещественного состава и технологических свойств используемого природного и техногенного сырья: кремнеземистого (диатомита, опоки, маршалита, микрокремнезема); известкового (мела и известняка), алюмосиликатного (цеолитовых пород); вспученных перлита и вермикулита;

• исследование процессов синтеза волластонита на основе природного и техногенного сырья;

• разработка составов и технологии теплоизоляционной диатомитсодержа-щей керамики на основе природного и техногенного сырья Сибирского региона;

• разработка составов и исследование свойств алюмосиликатной керамики на основе диатомита с использованием псевдопластичного сырья со структурной пористостью породообразующего минерала (цеолитовых пород);

• регулирование пористости диатомитсодержащей керамики введением вспученного наполнителя;

• разработка составов и технологии керамических материалов на основе диатомита с волластонитовой связкой для промышленной теплоизоляции;

• разработка составов и технологии керамических материалов с волластонитовой кристаллической фазой в качестве литейной оснастки для разлива цветных металлов.

Научная новизна

1. Установлено, что химико-минералогический (чистота состава и наличие аморфизированной составляющей) и зерновой составы кремнеземистого сырья, а также различия в структурно-фазовых изменениях при их нагревании, определяют разную степень активности данного сырья в процессах твердофазного синтеза волластонита. Наиболее полно синтез волластонита происходит в смесях карбоната кальция (независимо от его природной формы) с аморфной (микрокремнеземом) и аморфно-кристаллическими (опокой и диатомитом) формами кремнеземистого сырья с выходом волластонита до 92 - 96 % (при температуре 1200 °С). В случае использования высокочистой аморфной кремнекислоты и природного кварцевого компонента в виде маршалита выход волластонита составляет не более 60 - 80 %.

2. Установлено, что механизм твердофазового синтеза волластонита определяется природой и дисперсностью покрываемого (кремнеземистого) компонента. Использование кремнезема в кристаллической (в виде маршалита с размером элементарных частиц от 1-3 до 10—15 мкм) и в аморфно-кристаллической формах - в виде опоки и диатомита (с частицами от 1,0 - 1,5 до 10 — 15 мкм) независимо от природы известковой составляющей обусловливает диффузионный синтез по схеме Лидера (кинетически описываемый уравнением Гинстлинга-Броунштейна). В случае применения аморфного кремнезема в наноразмерной форме (в виде микрокремнезема с дисперсностью частиц менее 0,1 — 0,5 мкм) наиболее вероятно протекание процесса по схеме анти-Яндера.

3. Установлено, что повышенная прочность пористых (с плотностью 1,1 — 1,8 г/см3) керамических материалов с волластонитовой кристаллической фазой обусловлена армирующим действием синтезированного волластонита удлиненно-призматического габитуса: с длиной иглы от 5 до 15 мкм - в композициях мела с микрокремнеземом (прочность на сжатие - 30 - 76 МПа), и частиц паутинообразной формы размером от 2 до 3 мкм - в композициях мела с диатомитом (28 — 46 МПа) и опокой (28 - 57 МПа).

Практическая значимость работы:

1. Предложен состав и способ получения шихты для синтеза волластонита (патент на изобретение № 2380340 РФ);

2. Разработаны составы и технология керамических материалов волластони-тового состава для элементов литейной оснастки в технологии цветных металлов;

3. Разработаны составы и технология диатомито-вермикулитовой и диато-мито-перлитовой теплоизоляционной керамики с волластонитовой связкой;

4. Разработаны составы и технология пористой керамики пониженной плотности для промышленной (с температурой службы до 1000 °С) и строительной теплоизоляции на основе диатомита с добавками вспученных перлитовой и вер-микулитовой пород в качестве порообразующего компонента;

5. Разработаны составы и технология теплоизоляционной керамики для строительной теплоизоляции на основе диатомита на связке из цеолитовых пород с добавками вспученных перлита и вермикулита.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, выборе направлений и методов исследований, непосредственном участии при проведении экспериментальной работы, анализе и интерпретации полученных результатов.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней: IX, X, XII, XIII Всероссийских научно-практических конференциях «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (г. Томск, 2008, 2009, 2011, 2012 гг.); XII- XVI Международных научных симпозиумах им.

академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2008 — 2012 гг.); XIV - XVI Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008 - 2010 гг.); Международной конференции огнеупорщиков и металлургов (г. Москва, 2010 - 2013 гг.), VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2009).

На защиту выносятся;

• Влияние химико-минералогического состава кремнеземистого сырья на структурно-фазовые превращения при его нагревании;

• результаты исследования процесса твердофазного синтеза волластонита на основе природных и техногенных компонентов;

• способы формирования пористой структуры керамических материалов на основе кремнеземистого (диатомита) сырья;

• составы и технология высокопористых теплоизоляционных керамических материалов, в том числе с волластонитовой связкой, на основе композиций диатомита с природными и техногенными компонентами;

• технологические разработки по получению высокопрочных, химически стойких керамических материалов волластонитового состава для элементов литейной оснастки разлива цветных металлов.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 22 работах, включая 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 143 источников и приложений. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 39 таблиц и 87 рисунков.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ВЫСОКРЕМНЕЗЕМИСТОГО СЫРЬЯ

Развитие индустрии пористых керамических материалов в последнем десятилетии определяли три основных фактора — необходимость внедрения энергосберегающих технологий их производства, отказ от производств, применяющих озоноразрушающие вещества, обеспечение ресурсосбережения.

В настоящее время Россия может обеспечить свой рынок теплоизоляционными материалами только на 20 %, остальное все - импорт. Поэтому развитие этой отрасли имеет большую перспективу. Создание и разработка новых композиций для производства теплоизоляции, введение в производство и выпуск имеет большое значение для российского рынка, что определяет актуальность и неоспоримость этой работы.

1.1 Общие сведения о функциональных свойствах керамических теплоизоляционных материалов

Теплоизоляционные материалы характеризуются пористым строением и, как следствие этого, малой плотностью и низкой теплопроводностью [1—4].

Свойства пористой керамики зависят от минерального состава, пористости и строения. Вид, характер распределения, объем пор определяет важные свойства керамических материалов (прочность, теплопроводность, объемная масса), однако некоторые свойства (истинная плотность, огнеупорность, термический коэффициент линейного расширения) зависят только от природы материала.

Максимально достижимый объем пористости зависит от вида пористой структуры, а характеристика структуры пор — от объема пористости, технологических приемов и параметров производства [5-8].

При формировании оптимальной пористой структуры в теплоизоляционных

материалах стремятся достичь максимальных значений пористости (минимальной объемной массы), получить оптимальные характеристики пористой структуры, чтобы улучшить функциональные показатели качества изделий, понизить теплопроводность без значительного снижения прочности, а также повысить экономические показатели - снижение материалоемкости и себестоимости.

Прочность пористой керамики с ростом пористости, увеличением размера пор, разрыхлением структуры при введении выгорающих добавок, образованием разрывов в ячеистом каркасе при повышенном содержании пены снижается, притом интенсивнее по мере увеличения пористости [4, 5].

Падение прочности объясняется эффектом ослабления живого сечения, уменьшением контактной поверхности соприкосновения зерен и концентрацией вокруг пор напряжений, зависящих от характера строения. Учет строения керамического материала обязателен, так как в противном случае данные окажутся несопоставимыми. Например, при пористости 50 % корундовая пенокерамика имеет прочность при сжатии 40 — 60 МП а, а с выгорающими добавками не более 5 МПа.

Для оценки влияния пористости (П) на прочность (о) керамики и металлокера-• мики предложен ряд эмпирических формул:

где ао — прочность беспористого тела, МПа;

ш и Ь—константы, зависящие от размера пор и строения.

При соответствующем подборе эмпирических констант расчетные величины удовлетворительно с