RZECZPOSPOLITAPOLSKA (12)OPIS PATENTOWY (19)PL (11)168663 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 296227 Urząd Patentowy( 2 2 ) D a t a z g ł o s z e n i a : 13.10.1992 Rzeczypospolitej Polskiej (5 1) IntCl6 C04B 33/00 (54) Masa surowcowa do wytwarzania ceramiki budowlanej (73) Uprawniony z patentu: (43) Zgłoszenie ogłoszono: 18.04.1994 BUP 08/94 Jopek Wacław, Zabrze, PL (72) Twórca wynalazku: Wacław Jopek, Zabrze, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.03.1996 WUP 03/96 (74) Pełnomocnik: Gałajda Zofia (57) Masa surowcowa do wytwarzania ceramiki budowlanej z gliny i/lub iłów plastycznych i dodatków schudzających w ilości od 10 do 40%, znamienna tym, że jako dodatek schudzający zawiera mączkę z kruszonego bazaltu o rozdrobnieniu do 1,0 mm, korzystnie od 0,063 do 0,8 mm, korzystnie z piaskiem o takim samym rozdrobnieniu w proporcji wagowej co najmniej 2,5 części bazaltu na 1 część piasku. PL 168663 B1
Masa surowcowa do wytwarzania ceramiki budowlanej Zastrzeżenie patentowe Masa surowcowa do wytwarzania ceramiki budowlanej z gliny i/lub iłów plastycznych i dodatków schudzających w ilości od 10 do 40%, znamienna tym, że jako dodatek schudzający zawiera mączkę z kruszonego bazaltu o rozdrobnieniu do 1,0 mm, korzystnie od 0,063 do 0,8 mm, korzystnie z piaskiem o takim samym rozdrobnieniu w proporcji wagowej co najmniej 2,5 części bazaltu na 1 część piasku. * * * Przedmiotem wynalazku jest masa surowcowa do wytwarzania ceramiki budowlanej, jak dachówka, cegła budowlana zwykła, klinkier budowlany, cegła i pustaki ceramiczne licowe, płytki okładzinowe i elewacyjne, cegła drążona oraz pustaki ceramiczne ścienne wielocegłowe, pustaki stropowe, wyroby kamionkowe. Masa surowcowa do produkcji wyrobów ceramiki budowlanej składa się zwykle z glin lub iłów o odpowiednio wysokiej plastyczności oraz dodatków schudzających, to jest materiałów nieplastycznych. Skład chemiczny i mineralogiczny surowca gliniastego wpływa na przebieg formowania masy, właściwości uformowanych wyrobów, proces suszenia, zachowanie się podczas wypalania oraz na barwę i jakość gotowego wyrobu. Skład chemiczny i mineralogiczny surowców umożliwia przewidywanie niektórych cech technologicznych glin i planować ich techniczne przeznaczenie. O plastyczności glin i iłów decyduje zawartość w niej najdrobniejszych cząstek o wielkości poniżej 0,002 mm, bogatych w minerały ilaste. Plastyczność, jaką nadają glinom i iłom minerały ilaste jest spowodowana ich zdolnością do absorbowania wody na powierzchni cząstek jak również zatrzymywania dużych ilości wody kapilarnej oraz gromadzenie wody pomiędzy warstwami sieci krystalicznej. Plastyczność masy surowcowej decyduje z kolei o jej urabialności, a więc łatwości formowania wyrobów. Z drugiej strony zbyt wysoka plastyczność może być przyczyną występowania podwyższonej wrażliwości masy na suszenie, co przejawia się w powstawaniu rys na wyrobach oraz zwiększeniu się skurczu suszenia i wypalania. Powoduje to zazwyczaj trudności technologiczne a także niekorzystnie odbija się na końcowej jakości wyrobów. Na przykład cegły wypalone z glin tłustych, o wysokiej plastyczności, wykazują niższą mrozoodporność oraz niższą wytrzymałość mechaniczną. Przy zbyt wysokiej plastyczności masy surowcowej mogą również wystąpić trudności z utrzymaniem kształtu wyrobów po ich uformowaniu, a także w czasie suszenia i wypalania. Dlatego w celu skorygowania plastyczności masy surowcowej wprowadza się do niej dodatki schudzające, to jest materiały o niskiej plastyczności lub nieplastyczne. Dodatkowym celem stosowania dodatków schudzających do masy surowcowej jest uzupełnienie składu granulometrycznego glin lub iłów tak, żeby wypalania utworzył się w czerepie trwały szkielet, co korzystnie wpływa na właściwości techniczne wyrobów. Znane są masy surowcowe do wytwarzania ceramiki budowlanej z glin lub iłów z takimi dodatkami schudzającymi jak piasek kwarcowy, zmielony złom ceglany, popiół z elektrowni lub elektrociepłowni oraz zmielone żużle. Masy z takimi dodatkami wykazują wiele wad. Na przykład stosowanie dużych dodatków piasku nie zapewnia, ze względu na jego gruboziarnistość, równomiernego rozkładu ziarnowego w masie, co nie sprzyja utworzeniu trwałego szkieletu podczas wypalania. Uniemożliwia to uzyskanie niskiej nasiąkliwości, a przez to dobrej mrozoodporności wyrobów, co jest szczególnie ważne przy cegle klinkierowej, licowej, dachówce oraz wyrobach kamionkowych. Stosowanie samego piasku daje też najczęściej ograniczone
168 663 3 możliwości uzyskania wysokich wytrzymałości mechanicznych wyrobów, a dodatkowo może prowadzić do pogorszenia urabialności masy. Również niekorzystnie wpływa na zagęszczenie czerepu i jego wytrzymałość znikomy zakres przebiegu reakcji chemicznych pomiędzy ziarnami piasku a fazą ciekłą oraz powstającymi z rozkładu minerałów ilastych reaktywnymi składnikami masy w czasie wypalania wyrobów. Dodatkowe utrudnienie technologiczne stanowi przemiana polimorficzna kwarcu beta w odmianę alfa, która zachodzi w temperaturze 846 K ze znaczną zmianą objętości, co przy dużej zawartości kwarcu zmusza do wolniejszego chłodzenia wyrobów w celu uniknięcia powstawania pęknięć studzeniowych, a to z kolei ogranicza wydajność pieca. Stosowanie jako środka schudzającego masę surowcową popiołów z węgli może być korzystne przy produkcji wyrobów ściennych, co do których nie stawia się wysokich wymagań wytrzymałościowych, a także odnośnie do zagęszczenia czerepu i mrozoodporności. Natomiast przy produkcji elementów elewacyjnych bądź licowych, klinkieru, dachówki, kamionki i innych wyrobów, gdzie wymagane jest duże zagęszczenie czerepu oraz wysoka wytrzymałość mechaniczna, stosowanie popiołów z węgli, a często także zmielonego złomu ceglanego jest niekorzystne. Z polskich opisów patentowych nr 93 434 i 139 034 znane jest stosowanie do mas ceramicznych z surowca plastycznego dodatku bazaltu lub bazaltu z innymi dodatkami schudzającymi. W rozwiązaniach tych bazalt stosowany jest jako topnik. Według wynalazku przedstawionego w polskim opisie patentowym nr 139 034 mielony bazalt, rozdrobniony do uziarnienia 2-4 mm dodany jest w ilości 12-22% wagowo razem z popiołem lotnym, którego udział wynosi 6-8% wagowo. Dodatek ten spełnia role surowca korygującego, który w temperaturze wypału około 1100 C może działać jak topnik i wpływać na poprawę cech użytkowych wyrobów, jak nasiąkliwość i wytrzymałość na ściskanie. Otrzymane tym sposobem wyroby, wypalane w temperaturze 1100-1150 C, mają nasiąkliwość 3-5% i wytrzymałość na ściskanie 42-50, jak to podano w przykładach wykonania wynalazku. Według polskiego opisu patentowego nr 93 434 do mas ceramicznych z gliny, stosowanych do produkcji wyrobów klinkierowych, dodaje się jako topnik odpad bazaltowy po produkcji tłucznia drogowego, zawierający między innymi żelaziste związki mineralne i metaliczne żelazo. Aby wykorzystać właściwości odpadu bazaltowego jako topnika konieczne jest wypalanie wyrobów w temperaturach powyżej 1100 C. Otrzymane według tej technologii wyroby, wypalane w tej temperaturze mają nasiąkliwość 3-5% oraz wytrzymałość na ściskanie 42-50 lecz wykazują duży skurcz wypału co prowadzi do deformacji kształtu. Nieoczekiwanie okazało się, że można uzyskać wyroby ceramiczne o bardzo korzystnych parametrach, jak dachówki, płytki elewacyjne, cegły klinkierowe i elewacyjne stosując masę otrzymaną z surowca ilastego schudzonego mączką z kruszonego bazaltu, korzystnie z dodatkiem piasku, pod warunkiem, że dodatki te mają rozdrobnienie do 1,0 mm, korzystnie od 0,063 do 0,8 mm. Ilość dodatku schudzającego zależy od rodzaju surowca ilastego i wynosi od 10 do 40%. Korzystny stosunek wagowy bazaltu do piasku wynosi co najmniej 2,5:1. Zawartość w masie ceramicznej jako dodatku schudzającego wyłącznie kruszonego bazaltu o podanym uziarnieniu umożliwia uzyskanie korzystnych cech wyrobów lecz powoduje utrudnienia technologiczne. Jednym z najtrudniejszych jest zwężenie interwału spiekania, co wymaga doskonałego rozłożenia temperatur w przekroju kanału ogniowego jak i bardzo dokładnego ich pomiaru. Z tego powodu korzystnie jest stosować jako dodatek do mas ceramicznych bazalt z piaskiem. Udział mączki z kruszonego bazaltu lub mieszaniny mączki bazaltowej z innymi dodatkami schudzającymi, korzystnie z piaskiem, w masie surowcowej jest zależna od stopnia plastyczności gliniastych składników masy i może być ustalony znanymi metodami. Zwykle udział ten nie przekracza 60% wagowych w przeliczeniu na suchą substancję masy. Korzystna wielkość ziarn mączki bazaltowej jest zależna od rodzaju wyrobu, który ma być produkowany z masy surowcowej. Dla dachówek, cegły licowej, kamionki, przy których to wyrobach wymagana jest duża gładkość powierzchni, najkorzystniej jest stosować frakcję ziarnową do 0,8 mm, a w najgorszym przypadku 1,0 mm. Użycie mączki bazaltowej, pochodzącej z kruszenia bazaltu, ma tę zaletę, że w wyniku kruszenia ziarna bazaltu uzyskują ostre krawędzie, co w połączeniu z kulistymi ziarnami piasku
4 168 663 kwarcowego powoduje szczelne i równomierne ich ułożenie w masie ceramicznej. Dodatek bazaltu i piasku o tak małych frakcjach odwrażliwia surowiec podstawowy, jakim są gliny i iły na suszenie. W związku z tą cechą masy ceramicznej, wykonanej według wynalazku, ograniczone zostały bardzo istotnie braki suszarniane, bo z 15% do 1,5%. Ponadto uzyskane wyroby ceramiczne charakteryzują się bardzo dobrymi cechami estetycznymi: jednolitą ceglasto-czerwoną barwą, gładką i szczelną powierzchnią oraz fizykotechnicznymi: wytrzymałością na ściskanie 35-45, niską nasiąkliwością i wysoką mrozoodpornością. Dodatkową zaletą stosowania wynalazku jest obniżenie temperatury wypału wyrobów. Wyroby wykonane z masy ceramicznej według wynalazku wypala się w temperaturze od 1223 K (950 C) do 1323 K (1050 C). Wynalazek jest przedstawiony w następujących przykładach wykonania: Przykład I: Masę ceramiczną przygotowano z łupka ilastego karbońskiego ze złoża w Kozłowej Górze, województwo katowickie, z następującymi dodatkami schudzającymi, dodanymi w ilości 24% wagowych w przeliczeniu na suchą substancję masy surowcowej: Próba 1: piasek kwarcowy o rozdrobnieniu do 0,8 mm, Próba 2: mączka z kruszonego bazaltu o uziarnieniu do 1 mm, Próba 3: mieszanka mączki bazaltowej j. w. z piaskiem kwarcowym w stosunku 1:1. Dla porównania przygotowano mase surowcową bez dodatku schudząjącego - próba 4. Z masy zarobionej wodą uformowano kostki o wymiarach 50 x 50 x 50 mm, które wysuszono i wypalono w piecu laboratoryjnym w temperaturze 1173 K i 1223 K. Uzyskane parametry techniczne przedstawiono w tabeli 1: Tabela 1 Nr próby Temperatura wypalania 1173 K (900 C) Temperatura wypalania 1223 K (950 C) Skurcz Skurcz Nasiąkli- Wytrzyma-- Skurcz Nasiąkli- Wytrzyma-- suszenia całkowity wość łość całkowity wość łość % % % na ściskanie % % na ściskanie 1 3,24 5,94 16,80 20,4 6,43 13,48 27,0 2 3,54 7,16 15,10 29,6 7,86 11,42 38,2 3 3,35 6,48 16,08 24,8 7,26 12,71 33,8 4 4,36 7,56 17,82 7,2 8,06 13,90 7,8 Przykład II. Masę ceramiczną przygotowano z triasowego iłu czerwonego ze złoża Patoka w Panoszowie, województwo częstochowskie, z następującymi dodatkami schudzającymi, dodanymi w ilości 35% wagowych w przeliczeniu na suchą substancję masy surowcowej: Próba 1: piasek kwarcowy o uziarnieniu do 0,8 mm, Próba 2; mączka z kruszonego bazaltu o uziarnieniu do 1,0 mm, Próba 3: mieszanka mączki bazaltowej j. w. z piaskiem kwarcowym w stosunku 1:1. Dla porównania przygotowano mase surowcową bez dodatku schudząjącego - próba 4. Z masy zarobionej wodą uformowano kostki o wymiarach 50 x 50 x 50 mm, które wysuszono i wypalono w piecu laboratoryjnym w temperaturze 1273 K i 1323 K. Uzyskane parametry techniczne przedstawiono w tabeli 2:
168 663 5 Tabela 2 Nr próby Temperatura wypalania 1273 K (1000 C) Temperatura wypalania 1323 K (1050 C) Skurcz Skurcz Nasiąkli- Wytrzyma- Skurcz Nasiąkli- Wytrzymasuszenia całkowity wość łość całkowity wość łość % % % na ściskanie % % na ściskanie 1 3,66 5,50 11,72 17,2 6,30 9,20 21,0 2 3,30 8,34 5,36 35,0 9,60 2,12 45,6 3 3,56 7 94 8,07 27,0 8,90 4,58 30,2 4 5,04 9,06 10,12 14,4 11,50 5,54 18,8 Przykład III. Ił czerwony ze złoża Patoka, jak w przykładzie II, schudzono: próba 1 - piaskiem kwarcowym, próba 2 - mieszaniną piasku kwarcowego z mączką z bazaltu kruszonego, jak w przykładzie II, w stosunku 1:1, próba 3 - mieszaniną piasku z mączką bazaltową jak w przykładzie II w stosunku 1:2,5. Masy przerobiono na skalę przemysłową, uformowano z nich dachówki karpiówki, wysuszono i następnie wypalono w tunelowym piecu przemysłowym w temperaturze 1273 K (1000 C). Ilość dodatków schudzających wynosiła 35% wagowych w przeliczeniu na suchą substancję masy surowcowej. Parametry techniczne wyprodukowanych dachówek zestawiono w tabeli 3. Braki suszamiane wynosiły: przy produkcji według próby 1-9,5%, według próby 2-3,5% a według próby 3-1,5%. T a b e l a 3 Nr próby Nasiąkliwość % Siła łamiąca N Siła łamiąca N na 1 cm przekroju dachówki 1 10,2 580 24,78 2 8,02 910 38,88 3 6,15 1201 51,32 Przykład IV. Ił czwartorzędowy ze złoża w Środzie Śląskiej, województwo wrocławskie, schudzono piaskiem kwarcowym (próba nr 1) oraz mączką z kruszonego bazaltu (próba nr 2). Ilość dodatku schudzającego wynosiła w obu przypadkach 30% wagowo w stosunku do suchych składników masy. Obydwie masy surowcowe przerobiono na urządzeniach przemysłowych i wypalono z nich cegłę modularną licową w piecu tunelowym w temperaturze 1243 K (970 C). Z masy według próby nr 1 otrzymano wyrób klasy 15 o nasiąkliwości 8,5%, natomiast z masy według próby nr 2 uzyskano wyrób klasy 30 o nasiąkliwości 6,6%. Braki suszarniane przy zastosowaniu masy według próby 1 wynosiły 12% a według próby 2-1,5%.
168 663 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł