Email this article Assessment of clay raw materials of western Kazakhstan
- Authors: Chumachenko N.G.1, Kalinina M.G.1, Burakhta V.A.2, Bekkaliev N.M.3
-
Affiliations:
- Samara State Technical University
- West Kazakhstan Innovation and Technology University
- West Kazakhstan Innovation and Technological University
- Issue: Vol 13, No 3 (2023)
- Pages: 59-64
- Section: BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/611068
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2023.03.08
- ID: 611068
Cite item
Full Text
Abstract
The article presents the results of the estimated assessment of the clay raw materials of the West Kazakhstan Pogodaevsky and Taskalinsky fields. The calculation was made by the chemical composition of clays, focusing on the formation of low-melting triple aluminosilicate eutectics. Based on the calculated data, the melt formation dynamics curves were built, from which the possible sintering degree, sintering intervals and the recommended firing temperature were determined. A forecast was made for a change in the properties of clay raw materials with the introduction of 2% alkaline oxides. The optimal directions of use of these clays and firing parameters are determined.
Full Text
На территории Казахстана, так же как и в Российской Федерации, наиболее распространенным природным сырьем для производства строительных материалов являются глины. Глины относятся к осадочным горным породам. Основные свойства глин, такие как пластичность, гранулометрический состав, связующая способность и др., определяются прежде всего минеральным составом. Большинство месторождений глинистого сырья имеет полиминеральный состав как по глинистым минералам, так и по составу примесей и включений.
Вид и количество глинистых минералов, примесей и включений определяют свойства глинистого сырья и направления использования глин. Наибольший объем глинистого сырья расходуется для производства керамического кирпича [1, 2]. Для каждого вида керамических материалов и изделий определены требования к глинистому сырью [3]. Также известны требования к глинам для производства портландцементного клинкера.
Для выбора направлений использования глинистого сырья в первую очередь необходимо определить стандартные свойства, знать химический и минеральный состав. Состав шихт, параметры обжига можно устанавливать экспериментально, варьируя рецептурой и параметрами обжига. Этот этап достаточно длительный.
Современные методы [4, 5] позволяют провести оценку глинистого сырья оперативно, используя данные по химическому и минеральному составу глин [6].
В Западном Казахстане достаточно активно изучаются свойства глинистого сырья Погодаевского и Таскалинского месторождений для производства клинкера портладцемента [7]. Химический состав этих глин представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав глинистого сырья [6]
Вид глинистого сырья | Содержание осксидов, мас. % | |||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | Потери при прокаливании | Сумма, р. | |
Глина Погодаевского месторождения | 44,351 | 38,928 | 1,683 | 0,516 | 4,014 | 1,149 | 9,359 | 100,00 |
Глина Таскалинского месторождения | 48,126 | 39,028 | 0,316 | 0,483 | 0,386 | 0,635 | 11,026 | 100,00 |
По [2] данные глины по содержанию Al2O3 относятся к основному глинистому сырью. По содержанию красящих оксидов глина Таскалинского месторождения относится к группе с весьма низким содержанием красящих оксидов (менее 1 %), а глина Погодаевского месторождения – к группе со средним содержанием красящих оксидов.
Для прогнозирования процессов, протекающих при обжиге глин, применили расчетные методики [3, 4]. Расчетные характеристики глины Погодаевского месторождения по данным химического анализа, представленным в табл. 1, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные характеристики глины Погодаевского месторождения
Расчетные эвтектики | Фигуративные точки | Содержание эвтектического расплава, % | Химический состав, мас. % | Температура плавления эвтектик, оС | Доля температуры, оС | Температура плавления, оС | |||||||||||||||
SiO2 свободное | SiO2 общее | SiO2 расчёт-ное | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | CaO | MgO | Na2O | K2O | R2O | Органика | ППП +SO3 | |||||||||
Исходный состав | 100,00 |
| 44,35 | 44,35 | 38,93 | 1,68 | - | 0,52 | 4,01 | - | - | - | - | 10,51 |
|
|
| ||||
Промежуточный | 89,49 |
| - | 44,35 | 38,93 | 1,68 | - | 0,52 | 4,01 | - | - | - | - |
|
|
|
| ||||
Состав для расчета | 100,00 |
| - | 49,55 | 43,50 | 1,88 | - | 0,59 | 4,48 |
|
|
|
|
|
|
|
| ||||
K1 | 1 | 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
N1 |
| 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
K1+N1 | 2 | 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
K2 |
| 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
N2 |
| 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
K2+N2 | 3 | 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
F1 |
|
|
|
|
|
|
|
| - |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||
K2+N2+ F1 | 4 | 0 |
|
|
|
|
|
| - |
|
|
| - |
|
|
|
|
| |||
C1 |
| 2,54 | - |
| 1,58 | 0,37 | - | - | 0,59 | - | - | - | - |
|
| 1170 | 29,7 |
| |||
K2+N2+ F1+ C1 | 5 | 2,54 | - |
| 1,58 | 0,37 | - | - | 0,59 | - | - | - | - |
|
| 1170 | 29,7 |
| |||
М1 |
| 22,08 |
|
| 13,57 | 4,03 |
|
|
| 4,48 |
|
|
|
|
| 1345 | 297 |
| |||
K2+N2+ F1+ C1 + М1(состав эвтектического расплава) | 6 | 24,62 | - |
| 15,15 | 4,40 | - | - | 0,59 | 4,48 |
|
|
|
|
|
| 326,7 | 1327 | |||
Нерастворившийся остаток | - | 75,38 | - | - | 34,40 | 39,10 | 1,88 | - | - | - | - | - | - |
|
|
|
|
| |||
Плавление Fe2O3 | - | 1,88 | - | - | - | - | 1,88 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| 29,4 | 1562 | |||
…+ Fe2O3 | 7 | 26,50 | - | - | 15,15 | 4,40 | 1,88 | - | 0,59 | 4,48 | - | - |
|
|
|
| 356,1 | 1344 | |||
Алюмосиликатный остаток | - | 73,50 |
|
| 34,40 | 39,10 | - | - | - | - | - | - | - |
|
|
| 1357 | 1847 | |||
Расплав | 8 | 100,00 | - | - | 49,55 | 43,50 | 1,88 | - | 0,59 | 4,48 | - | - | - |
|
|
| 1713,3 |
| |||
Как видно из расчетных данных (см. табл. 2) и динамики образования расплава (рис. 1), из-за малого содержания модифицирующих ионов первичный расплав может образоваться только при температуре 1170 °С за счет эвтектического расплава в системе СаО-Al2O3-SiO2 в количестве 2,54 %. Наличие в глине достаточно высокого содержания MgO (4,01 %) приведет к образованию эвтектического расплава в системе MgO-Al2O3-SiO2, но при более высокой температуре. Полное спекание, как это видно из рис. 1, возможно при температурах выше 1400 °С.
Рис. 1. Динамика образования расплава для глины Погодаевского месторождения
Анализ большой выборки глинистого сырья, исследованного в различных регионах, показывает, что в большинстве глин присутствуют щелочные оксиды в количестве до 2 %, а соотношение между Na2O и К2О распределяется как 2:1 (табл. 3).
Таблица 3
Расчетные характеристики глины Погодаевского месторождения при восстановлении оксида железа и наличии щелочей
Расчетные эвтектики | Фигуративные точки | Содержание эвтектического расплава, % | Химический состав, мас. % | Температура плавления эвтектик, оС | Доля температуры, оС | Температура плавления, оС | |||||||||||||||
SiO2 свободное | SiO2 общее | SiO2 расчётное | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | CaO | MgO | Na2O | K2O | R2O | Органика | ППП +SO3 | |||||||||
Исходный состав | 100,00 |
| 44,35 | 44,35 | 38,93 | 1,68 | - | 0,52 | 4,01 | - | - | - | - | 10,51 |
|
|
| ||||
Промежуточный | 91,99 |
| - | 44,35 | 38,93 | - | 1,52 | 0,52 | 4,01 | 1,92 | 0,74 | - | - |
|
|
|
| ||||
Состав для расчета | 100,00 |
| - | 48,21 | 42,31 | - | 1,66 | 0,57 | 4,36 | 2,08 | 0,81 |
|
|
|
|
|
| ||||
K1 | 1 | 3,55 |
|
| 2,61 | 0,13 | - | - | - | - | - | 0,81 | - |
|
| 710 | 25,2 |
| |||
N1 |
| 9,69 |
|
| 7,15 | 0,46 | - | - | - | - | 2,08 | - | - |
|
| 740 | 71,7 |
| |||
K1+N1 | 2 | 13,24 |
|
| 9,76 | 0,59 | - | - | - | - | 2,08 | 0,81 | - |
|
|
| 96,9 | 732 | |||
K2 |
| 8,65 |
|
| 6,89 | 0,95 | - | - | - | - | - | 0,81 | - |
|
| 985 | 85,2 |
| |||
N2 |
| 26,70 |
|
| 21,02 | 3,60 |
|
|
|
| 2,08 |
| - |
|
| 1050 | 280,4 |
| |||
K2+N2 | 3 | 35,35 |
|
| 27,91 | 4,55 | - | - | - | - | 2,08 | 0,81 | - |
|
|
| 365,6 | 1034 | |||
F1 |
| 3,50 |
|
| 1,40 | 0,44 | - | 1,66 | - | - | - | - | - |
|
| 1073 | 37,6 |
| |||
K2+N2+ F1 | 4 | 38,85 |
|
| 29,31 | 4,99 | - | 1,66 | - | - | 2,08 | 0,81 | - |
|
|
| 403,2 | 1038 | |||
C1 |
| 2,46 | - |
| 1,52 | 0,37 | - | - | 0,57 | - | - | - | - |
|
| 1170 | 28,8 |
| |||
K2+N2+ F1+ C1 | 5 | 41,31 | - |
| 30,83 | 5,36 | - | 1,66 | 0,57 | - | 2,08 | 0,81 | - |
|
|
| 432 | 1046 | |||
М1 |
| 21,49 |
|
| 13,2 | 3,93 | - | - | - | 4,36 | - | - |
|
|
| 1345 | 289 |
| |||
K2+N2+ F1+ C1 + М1(состав эвтектического расплава) | 6 | 62,8 | - | - | 44,03 | 9,29 | - | 1,66 | 0,57 | 4,36 | 2,08 | 0,81 |
|
|
|
| 721 | 1148 | |||
Не растворившийся Алюмосиликатный остаток | - | 37,2 | - | - | 4,18 | 33,02 | - | - | - | - | - | - | - |
|
| 1923 | 715 |
| |||
Расплав | 7 | 100,00 | - | - | 48,21 | 42,31 | - | 1,66 | 0,57 | 4,36 | 2,08 | 0,81 | - |
|
|
| 1436 |
| |||
Если принять эти условия и провести расчет динамики образования расплава (см. табл. 2), то кривая динамики образования расплава глины Погодаевского месторождения переместится в более низкотемпературную зону, как это видно на рис. 1. И при температуре 1034 °С будет образовано более 35 % эвтектического расплава. Кроме этого, в температурном интервале 1100–1180 °С может образоваться пиропластическая масса, способная при достаточном газовыделении вспучиваться. В этом случае из глины Погодаевского месторождения можно организовать производство керамзитового гравия.
Аналогичные расчеты были проведены для глины Таскалинского месторождения. По расчетным данным построена кривая динамики образования расплава, представленная на рис. 2. В исходном составе глины (см. табл. 1) количество оксидов-плавней еще меньше, чем в глине Погодаевского месторождения. Поэтому процесс жидкостного спекания перемещается в более высокотемпературную зону. Даже при наличии 2 % щелочных оксидов пиропластическая масса не формируется и процесс вспучивания данной глины невозможен.
Рис. 2. Динамика образования расплава для глины Таскалинского месторождения
Выводы. 1. Выполнена расчетная оценка глинистого сырья Западного Казахстана двух месторождений.
- Расчетами и графической оценкой установлено следующее:
а) Глины Таскалинского и Погодаевского месторождений в чистом виде, без корректирующих добавок, нельзя рекомендовать для производства спекшейся строительной керамики – керамического кирпича, черепицы, керамической плитки, так как они не содержат нужного для процесса спекания количества оксидов-плавней.
б) При введении в глину Таскалинского месторождения 2 % щелочей процесс спекания смещается в низкотемпературную зону. При температуре около 1000 °С возможно производство частично спекшейся, пористой керамики, а при температуре обжига 1150–1200 °С – производство полностью спекшихся керамических изделий.
в) Динамика образования расплава в глине Погодаевского месторождения без корректирующих добавок аналогична глине Таскалинского месторождения с небольшим смещением в низкотемпературную зону. При введении в глину Погодаевского месторождения 2 % щелочей количество эвтектического расплава становится более 50 % и может привести к образованию пиропластической массы, способной вспучиваться. В данном случае глину с такой добавкой можно рекомендовать для производства керамзитового гравия.
- Для определения перспектив использования глин каждого конкретного месторождения необходимо при исследовании выполнять полный химический анализ, включая содержание не только SiO2, Al2O3, CaO, MgO, FeO (или Fe2O3 и органики), но и Na2O, K2O.
4. Расширить возможности природного сырья можно за счет направленной корректировки глин техногенным сырьем – промышленными отходами.
About the authors
Natalia G. Chumachenko
Samara State Technical University
Email: uvarovang@mail.ru
doctor of engineering science, professor, head of the production of building materials, products and structures chair
Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244Maria G. Kalinina
Samara State Technical University
Author for correspondence.
Email: uporova97@mail.ru
postgraduate student of the production of building materials, products and structures chair
Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244Vera A. Burakhta
West Kazakhstan Innovation and Technology University
Email: burakhta@mail.ru
doctor of chemical sciences, professor, vice-rector for scientific work and international relations
Kazakhstan, 090000, Uralsk, pr. Dostyk-Druzhba, 194Nurlan M. Bekkaliev
West Kazakhstan Innovation and Technological University
Email: nurlan_b-90@mail.ru
master of engineering science, senior lecturer of the oil and gas business and industry technologies chair
Kazakhstan, 090000, Uralsk, Ihsanova str., 44References
- Semenov A.A. Trends in the development of the brick industry and brick housing construction in Russia. Stroitel'nye materialy [Construction Materials], 2018, no. 8, pp. 49–51. (in Russian) doi: 10.31659/0585-430X-2018-762-8-49-51
- Chumachenko N.G., Tyurnikov V.V., Kalinina M.G. Dumps and Landfills from of Carbonate Rock Waste of the River Sok Quarry. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban Construction and Architecture], 2022, vol. 12, no. 4, pp. 62–66. (in Russian) doi: 10.17673/Vestnik.2022.04.8
- GOST 9169-2021. Clay raw materials for the ceramic industry. Classification. (In Russian)
- Natalia Chumachenko, Vladimir Turnikov, Vladimir Kuzmin. Using the calculation method for low-melting clay assessment. MATEC Web of Conferences Volume 196 (2018) XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering (27RSP). Rostov-on-Don. 2018. doi: 10.1051/matecconf/201819604014
- Chumachenko N.G. Possibilities of software complex for evaluation of mineral aluminosilicate raw materials. Vestnik Privolzhskogo territorial'nogo otdelenija Rossijskoj akademii arhitektury i stroitel'nyh nauk: sb. nauch. tr. [Bulletin of the Volga Territorial Branch of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences: Sat. scientific. tr.], N. Novgorod: NNGASU, 2017, Iss. 20, pp. 207–212. (In Russian).
- Chumachenko N.G., Petrova E.V., Bezgina L.N. Study of the stability of the chemical composition of clay raw materials of the Samara region. Tradicii i innovacii v stroitel'stve i arhitekture. Stroitel'nye tehnologii: sbornik statej [Traditions and innovations in construction and architecture. Building Technology: A Collection of Articles], Samara, SGASU, 2016, pp. 18–22. (In Russian).
- Burakhta V.A., Dzhubanalieva A.M. Study of chemical composition of raw materials of West Kazakhstan region for use in Portland cement production. Habarshy: Vestnik ENU im. L.N. Gumileva [Khabarshi: Bulletin of the ENU named after L.N. Gumilyova], 2017, no. 2(117), pp. 141–145.
Supplementary files
