сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Соединения бора обладают комплексом различных свойств, которые предопределяют многообразие его применения. Основной областью потребления бора и его соединений является стекольная и керамическая промышленности. Более половины уходит на производство оптических стекол, кислото- и термическистойких изделий, теплоизолирующих стекловолокон, стекловидных покрытий, фарфора и т.д. В работе рассмотрена возможность использования колеманита для получения эмали по стали. Разработан оптимальный температурно-временной режим обжига для получения качественного покрытия и достижения необходимого эффекта. Установлено, что колеманитом можно частично заменить буру для покровной эмали. На основании проведенных исследований было установлено, что полученная экспериментальная эмаль более тугоплавкая, чем эмаль ЭСП-210. Установлен оптимальный температурный режим обжига для экспериментального покрытия – 950 °С, для покрытия ЭСП-210 – 825 °С. Для равномерного оплавления экспериментального покрытия необходима температура, превышающая температуру оплавления ЭСП-210 на 125 °С. Была проведена варка шихты, содержащая колеманит. Варка велась в электрической печи при температуре 1300 °C в течение 5 часов. Для дальнейшего исследования из экспериментальной эмали был приготовлен шликер и нанесён методом полива на пластины
эмали, покрытие, колеманит, шликер, обжиг, фритта
Введение. Нанесение покрытий, качество и характеристики которого играют немаловажную роль в получении изделия, является одним из распространенных способов декорирования [1–3]. Они позволяют придать особые эстетические свойства материалам, такие как художественная выразительность и целостность композиции [4–8].
Колеманит является ценным природным промышленным источником нерастворимого бора [9, 10] и борной кислоты, которые применяются в самых различных областях промышленности: химической, фармацевтической и др. [11, 12].
При введении колеманита ускоряются процессы силикато- и стеклообразования в шихте, существенно облегчается варка стёкол за счёт вовлечения в реакцию силикатообразования большего количества оксида бора, чем в шихте на основе борной кислоты. Образующиеся в ходе реакций боро- и алюмосиликаты кальция способствуют более быстрому переходу тугоплавких компонентов системы в расплав. Однако в процессе термообработки при температуре около 500 °С, шихта на основе колеманита увеличивается в объёме на 10–20 %, что вызвано дегидратацией Са2В6Оn·Н2О. Это следует принимать во внимание при производственных варках кальций-алюмоборосиликатного стекла на основе колеманита [9, 10, 13–15].
Также при использовании колеманита сокращаются потери оксида бора при варке стёкол. Большая его часть в процессе стекло- и силикатообразования находится в химически связанном состоянии: колеманит переходит в борат кальция, а затем в боросиликат кальция. Снижение летучести борного ангидрида позволит повысить качество продукции, уменьшить вредное воздействие В2О3 на экологию в целом.
Термостойкие керамические материалы обладают значительным водопоглощением. В настоящее время расширяется использование посудомоечных машин, поэтому стало важным получение материалов, обладающих плотной структурой, что обеспечит улучшение таких свойств изделий как прочность, термическая стойкость и др. [16].
С целью регулирования структурно-технологических факторов производства керамики в состав исходной шихты вводят различные добавки, способные образовывать жидкую фазу в области температур обжига. Преимущество на рынке отдается соединениям бора, которые способны плавится при пониженных температурах, снижать вязкость и ТКЛР стеклофазы [16]. При этом материалы с их использованием обладают повышенной хим- и термостойкостью, а также механической прочностью [16].
Материалы и методы. Для исследований были использованы стеклоэмали марок ЭСГ-26 и ЭСП-210.
В качестве составных частей шликера для нанесения грунтовой эмали, помимо ЭСГ-26, применяли песок, буру и бентонитовую глину. Для приготовления экспериментальной покровной эмали использовали песок Кормиловского месторождения, полевошпатовый концентрат, поташ, соду кальцинированную, буру и колеманит следующего химического состава (таблица 1).
Таблица 1
Химический состав колеманита
|
Химический состав, мас. % |
|||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
B2O3 |
|
6,85 |
0,27 |
35,3 |
52,49 |
В качестве подложки использовали стальные пластины марки СТ-3. Стеклоэмали измельчали в фарфоровой ступке. Варка экспериментальной фритты производилась в электрической печи. Сушка и обжиг – в лабораторной муфельной печи СНОЛ–1,6.
Основная часть. Поверхность любого изделия всегда имеет достаточное количество загрязнений, которые влияют на силу сцепления эмали с металлом, а это, в свою очередь, ведёт к появлению дефектов на эмалевом покрытии. Для исследований использовали следующие методы подготовки поверхности образцов: механическое удаление ржавчины и загрязнений с помощью наждачной бумаги, обезжиривание с использованием ацетона.
Шликер наносили на зафиксированные и обработанные пластины методом полива по всей поверхности. Сушка эмали проходила в сушильном шкафу в течение 25 минут при температуре 150 °C. Чтобы избежать обогащения печной атмосферы парами воды, потому что это может повлиять на сцепление эмали с основой, была произведена тщательная сушка эмалевого покрытия.
Наиболее ответственной операцией эмалирования является обжиг грунтовой эмали, в результате чего происходит сцепление покрытия с металлической основой. Для производства эмали по стали проводили расчёт шихты следующего химического состава (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав эмали
|
Химический состав, мас. % |
|||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
Na2O |
К2О |
B2O3 |
|
49,0 |
10,5 |
7,0 |
17,0 |
2,5 |
14,0 |
Для определения количества сырьевых материалов в шихте составляли систему уравнений, которую решали с использованием программы Shichta. Для приготовления брикетов все сырьевые компоненты смешивали в нужных пропорциях и увлажняли.
Варка полученных образцов (рис. 1) проводилась в электрической печи с нагревом до 1300 °C в течение 5 часов, затем шла выдержка тиглей, которая длилась 2 часа. После выдержки следовала студка образцов при комнатной температуре (рис. 2).
Рис. 1. Приготовленные брикеты
Рис. 2. Экспериментальная эмаль
С целью исследований экспериментальной покровной эмали и ЭСП-210, шликера из этих эмалей, наносили на пластины с грунтовой эмалью. Приготовление шликеров проходило путем измельчения в фарфоровой ступке и просеивания через сито 0071. Пропорции шликеров следующие: 100 % эмали, 10 % бентонитовой глины,
50 % воды. Шликер в керамическом сосуде подвергся «старению» в течение 24 часов. На зафиксированные пластины, покрытые грунтовой эмалью, шликер наносили методом полива по всей поверхности, излишки с поверхности удаляли методом разгона массы шликера относительно подложки динамическими воздействиями.
Для определения оптимального температурно-временного режима обжига покрытий, термообработка образцов велась в интервале температур от 825 до 950 °С с шагом 25, продолжительностью 5 мин. Получены следующие результаты по экспериментальной эмали (рисунок 3):
- при температуре 825 °С оплавления эмали не произошло;
- при температурах 850, 875, 900 и 925 °С покрытие оплавилось, но наблюдался недожог эмали;
- при температуре 950 °С получилось ровно оплавленное покрытие с хорошей силой сцепления.
Получены следующие результаты по эмали ЭСП-210 (рис. 4):
- при температуре 825 °С на образце, покрытом эмалью ЭСП-210, получили ровно оплавленное покрытие с хорошей силой сцепления;
- при температурах 850, 875, 900, 925 и
950 °С покрытие оплавилось, но наблюдался пережог эмали.
Выводы. В ходе эксперимента выявлено, что колеманитом можно частично заменить буру при приготовлении шликера для покровной эмали. Установлено, что полученная экспериментальная эмаль более тугоплавкая, чем эмаль ЭСП-210. Подобранные температурно-временные условия позволили установить, что оптимальной температурой обжига для экспериментального покрытия является 950 °С, а для эмали ЭСП-210 – 825 °С.
Источник финансирования. Программа развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова с использованием оборудования ЦВТ на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Bessmertnyi V.S., Bondarenko N.I., Bondarenko D.O., Makarov A.V., Kochurin D.V., Chuev S.A., Izotova I.A. Еnergy- and resource-saving technology for obtaining decorative coatings on sheet glass // Glass and Ceramics.2020. Vol. 77. Issue 3–4. Р. 154–156. DOI: 10.1007/s10717-020-00260-1.
2. Бондаренко Н.И., Бондаренко Д.О., Кочурин Д.В., Брагина Л.Л., Яловенко Т.А. Листовые строительные стёкла с защитно-декоративными покрытиями // Строительные материалы и изделия. 2019. Т. 2. № 1. С. 11–16. DOI: 10.34031/2618-7183-2019-2-1-11-16.
3. Bondarenko D.O., Strokova V.V., Timoshenko T.I., Rozdol’skaya I.V. Plasma-chemical modification of facing composite material on the basis of hollow glass microspheres with decorative protective coating // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10. Issue 2. P. 445–450. DOI: 10.1134/S2075113319020072.
4. Bondarenko D.O., Strokova V.V. Operating properties of the coating, depending on the composition during plasma-chemical modification // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 341. Article number 012141. DOI: 10.1088/1755-1315/341/1/012141.
5. Bondarenko D.O., Bondarenko N.I., Bessmertnyi V.S., Strokova V.V. Plasma-chemical modification of concrete // Advances in Engineering Research. 2018. Vol. 157. P. 105–110. DOI: 10.2991/aime-18.2018.21.
6. Bondarenko N.I., Bondarenko D.O., Valuiskikh K.A. Smalt based on the broken colored container glasses // Lecture Notes in Civil Engineering. 2020. Vol. 95. P. 274–279. DOI: 10.1007/978-3-030-54652-6_41.
7. Zhernovaya N.F., Burchakova Y.V., Zhernovoi F.E., Miroshnikov E.V. Low-melting non-frit glazes for construction and artistic ceramics // Glass and Ceramics. 2013. Vol. 70. Issue 3–4. P. 104–106. DOI: 10.1007/s10717-013-9519-4.
8. Kovalchenko N.A., Pavlenko Z.V. Waste-bearing decorative glazes for facade ceramics // Glass and Ceramics. 2006. Vol. 63. Issue 1–2. Р. 26–28. DOI: 10.1007/s10717-006-0027-7.
9. Жерновая Н.Ф., Дороганов Е.А., Бессмертный В.С., Дорохова Е.С., Жерновой Ф.Е., Здоренко Н.М., Изотова И.А. Стеклокерамический композит с мультифункциональной колеманитовой добавкой // Перспективные материалы. 2016. № 5. С. 51–58.
10. Dorokhova E.S., Zhernovoi F.E., Izotova I.A., Bessmertnyi V.S., Zhernovaya N.F., Tarasova E.E. Shrink-free face material based on cullet and colemanite // Glass and Ceramics. 2016. Vol. 73. Issue 3–4. P. 103–106. DOI: 10.1007/s10717-016-9835-6.
11. Жерновая Н.Ф., Скурятина Е.Ю., Онищук В.И., Затаковая Р.А. Априорная оценка эффективности и границ применимости колеманита как стекольного сырья // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 3. С. 70–75. DOI: 10.12737/24710.
12. Ануфрик С.С., Курьян Н.Н., Зноско К.Ф., Жукова И.И. Модификация химического состава и повышение износостойкости полуфриттовой глазури напольной керамической плитки путем добавления плавленого корунда // Журнал Белорусского государственного университета. Физика. 2017. № 2. С. 83–94.
13. Dorokhova E.S., Zhernovaya N.F., Bessmertnyi V.S., Zhernovoi F.E., Tarasova E.E. Control of the structure of porous glass-ceramic material // Glass and Ceramics. 2017. Vol. 74. Issue 3–4. P. 95–98. DOI: 10.1007/s10717-017-9936-x.
14. Жерновая Н.Ф., Дороганов Е.А., Жерновой Ф.Е., Степина И.Н. Исследование материалов, полученных спеканием в системе «глина – стеклобой» // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 1. С. 20–23.
15. Onishchuk V.I., Zhernovaya N.F., Skuryatina E.Y., Marieva A.V. Glass formation in the materials system quartz sand – colemanite – soda // Glass and Ceramics. 2019. Vol. 75. Issue 9–10. P. 335–339. DOI: 10.1007/s10717-019-00081-x.
16. Кичкайло О.В., Левицкий И.А. Влияние борсодержащих добавок на свойства литиевой термостойкой керамики // Труды БГТУ. № 3. Химия и технология неорганических веществ. 2010. Т. 1. № 3. С. 74–79.
17. Kichkailo O.V., Levitsky I.A. Influence of boron-containing additives on the properties of lithium heat-resistant ceramics [Vliyaniye borsoderzhashchikh dobavok na svoystva litiyevoy termostoykoy keramiki]. Trudy BGTU. No 3. Khimiya i tekhnologiya neorganicheskikh veshchestv. 2010. Vol. 1. No. 3. Pp. 74–79.
