ВЛИЯНИЕ ОКСИДОВ МАГНИЯ И ЖЕЛЕЗА НА ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ И СПЕКАНИЯ АНОРТИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ
Аннотация
Керамические проппанты на основе силикатов и алюмосиликатов различной структуры используются при добыче углеводородов методом гидроразрыва пласта. Недостатком существующих проппантов является их высокая кажущаяся плотность. Перспективным материалом для получения проппантов является анортит CaO∙Al2O3∙2SiO2, однако широкое применение анортитовой керамики в данной области ограничено вследствие недостаточной степени изученности системы MgO-CaO-Fe2O3(FeO)-Al2O3-SiO2. В связи с этим, были исследованы физико-химические процессы, протекающие при обжиге смесей на основе каолина и мела с добавками оксида магния и оксида железа (III) для получения анортитовой керамики. Установлено, что введение оксида магния в количестве 5 – 10% в шихту для получения анортита позволяет получать керамику с нулевым водопоглощением при температуре обжига 1250 °C. Увеличение температуры обжига до 1300 °C приводит к пережогу керамики и уменьшению ее прочности. Оксид магния взаимодействует с каолином с образованием шпинели и форстерита. Наиболее высокая прочность при сжатии (350 – 390 МПа) достигается при введении в шихту 5% MgO. Структура керамики – микрозернистая с размером зерен менее 5 мкм. Оксид железа (III) в незначительной степени минерализует процесс синтеза анортита за счет участия в твердофазной реакции образования твердых растворов на основе геленита. При температуре обжига 1350 °C происходит интенсификация процесса спекания керамики за счет плавления частной эвтектики между анортитом и оксидом железа (III), что снижает водопоглощение керамики с содержанием 5 – 10% Fe2O3 в шихте до значений порядка 2 – 3%. Прочность такой керамики составляет 230 – 250 МПа.
Для цитирования:
Шарафеев Ш.М., Сергеев Н.П., Меженин А.В. Влияние оксидов магния и железа на процессы фазообразования и спекания анортитовых материалов на основе природного сырья. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 4. С. 101-107. DOI: 10.6060/ivkkt.20246704.6940.
Литература
Liang F., Sayed M., Al-Muntasheri G.A., Chang F.F., Li L. A comprehensive review on proppant technologies. Petroleum. 2016. V. 2. N 1. P. 26-39. DOI: 10.1016/j.petlm.2015.11.001.
Feng Y.-C., Ma C.-Y., Deng J.-G., Li X.-R., Chu M.-M., Hui C., Luo Y.-Y. A comprehensive review of ultralow-weight proppant technology. Pet. Sci. 2021. V. 18. N 3. P. 807-826. DOI: 10.1007/s12182-021-00559-w.
Ding D., Fang Y., Xiao G., Zhu X., Fu P., Chong X. Effects of sintering temperature on microstructure and prop-erties of low-grade bauxite-based ceramic proppant. Int. J. Appl. Ceraм. Technol. 2021. V. 18. N 5. P. 1832-1844. DOI: 10.1111/ijac.13797.
Vakalova T.V., Reshetova A.A., Revva I.B., Rusinov P.G., Balamygin D.I. Effect of thermochemical activation of clay raw materials on phase formation, microstructure and properties of aluminosilicate proppants. Appl. Clay Sci. 2019. V. 183. P. 105335. DOI: 10.1016/j.clay.2019.105335.
Vakalova T.V., Devyashina L.P., Sharafeev Sh.M., Sergeev N.P. Phase formation, structure and properties of light-weight aluminosilicate proppants based on clay-diabase and claygranite binary mixes. Ceram. Int. 2021. V. 47. N 11. P. 15282-15292. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.02.092.
Li L., Wen R.L., Zhang X.G., Wang C.B., Fang M.H., Liu Y.G., Wu X.W., Huang Z.H. Effect of Mineral Com-position and Sintering Temperature on the Synthetic Cordierite. Key Eng. Mater. 2014. V. 633. P. 61–64. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.633.61.
Zou X., Hou R., Hao J., Li G., Wand K., Tian Y. The Low Temperature Preparation of Ultra Low-Density Ce-ramic Proppants by Adding Fly Ash. Ceram. Silik. 2019. V. 64. N 2. P. 107-114. DOI: 10.13168/cs.2019.0055.
Vakalova T.V., Pogrebenkov V.M., Revva I.B., Rusinov P.G., Balamygin D.I. Effect of fluorine-containing addi-tive on the synthesis and sintering of compositions from natural raw materials in the “cordierite–mullite” system. Ceram. Int. 2019. V. 45. N 8. P. 9695–9703. DOI: 10.1016/j.ceramint. 2019.02.079.
Zaiou S., Harabi A., Harabi E., A. Guechi A., Karboua N., Benhassine M.-T., Zouai S., Guerfa F. Sintering of anorthite based ceramics prepared from kaolin DD2 and calcite. Cerâmica. 2016. V. 62. N 364. P. 317-322. DOI: 10.1590/ 0366-69132016623642015.
Ke S., Cheng X., Wang Y., Wang Q., Wang H. Dolomite, wollastonite and calcite as different CaO sources in anorthite-based porcelain. Ceram. Int. 2013. V. 39. N 5. P. 4953–4960. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.11.091.
Kenzour A., Belhouchet H., Kolli M., Djouallah S., Kherifi D., Ramesh S. Sintering behavior of anorthite-based composite ceramics produced from natural phos-phate and kaolin. Ceram. Int. 2019. V. 45. N 16. P. 20258-20265. DOI: 10.1016/ j.ceramint.2019.06.299.
Cheng X., Ke S., Wang Q., Wang H., Shui A., Liu P. Fabrication and characterization of anorthite-based ceram-ic using mineral raw materials. Ceram. Int. 2012. V. 38. N 4. P. 3227–3235. DOI: 10.1016/j.ceramint.2011.12.028.
Kurama S., Ozel E. The influence of different CaO source in the production of anorthite ceramics. Ceram. Int. 2009. V. 35. N 2. P. 827–830. DOI: 10.1016/j.ceramint.2008.02.024.
Fuertes V., Reinosa J.J., Fernández J.F., Enríquez E. Engineered feldspar-based ceramics: A review of their po-tential in ceramic industry. J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. N 2. P. 307-326. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.017.
Mergen A., Kayed T.S., Bilen M., Qasrawi A.F., Gürü M. Production of Anorthite from Kaolinite and CaCO3 via Colemanite. Key Eng. Mater. 2004. V. 264-268. P. 1475–1478. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.264-268.1475.
Filatova N.V., Kosenko N.F., Denisova O.P., Sadkova K.S. The physicochemical investigation of the Zhuravliny Log kaolin. Part 1. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 8. P. 85-93. DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6656.
Smorokov A.A., Kantaev A.S., Bryankin D.V., Mi-klashevich A.A. Development of a low-temperature desili-conization method for the polymetallic slags with a solution of ammonium hydrogen fluoride. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 8. P. 70-76 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6608.
Skripnikova N.K, Semenovykh M.A, Shekhovtsov V.V. Anorthite-based building ceramics. Mag. Civ. Eng. 2023. V. 117. N 1. P. 11706. DOI: 10.34910/MCE.117.6.
Shekhovtsov V.V., Skripnikova N.K., Semenovykh M.A., Volokitin O.G. Anorthite-Containing Building Ceramic Using Metallurgical Sludge Waste. Glass Ceram. 2021. V. 78. N 5-6. P. 237-241. DOI: 10.1007/s10717-021-00386-w.
Tabit K., Hajjou H., Waqif M., Saâdi L. Effect of CaO/SiO2 ratio on phase transformation and properties of anorthite-based ceramics from coal fly ash and steel slag. Ceram. Int. 2019. V. 46. N 6. P. 7550-7558. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.11.254.
Csáki Š., Štubňa I., Kaljuvee T., Dobroň P., Lukáč F., Trník A. Electric properties of anorthite ceramics prepared from illitic clay and oil shale ash. J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 21 P. 4164-4173. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.11.030.
Xu L., Liu Y., Chen M., Wang N., Chen H., Liu L. Production of green, low-cost and high-performance anor-thite-based ceramics from reduced copper slag. Constr. Build. Mater. 2023. V. 375. P. 130982. DOI: 10.1016/j.conbuildmat. 2023.130982.
Essaidi N., Samet B., Baklouti S., Rossignol S. The role of hematite in aluminosilicate gels based on metakaolin. Ceram. Silik. 2014. V. 58. N 1. P. 1-11.
Boyanov B.S. Solid state interactions in the systems CaO(CaCO3)-Fe2O3 and CuFe2O4-CaO. J. Min. Metall. Sect. B Metall. 2005. V. 41. N 1. P. 67-77. DOI: 10.2298/ JMMB0501067B.
Pogrebenkov V.M., Sedel’nikova M.B., Vereshchagin V.I. Ceramic pigments with diopside and anorthite struc-tures based on wollastonite. Glass Ceram. 1999. V. 56. N 1-2. P. 55-57. DOI: 10.1007/BF02681408.
Roeder P.L., Osborn E.F. Experimental data for the system MgO-FeO-Fe2O3-CaAl2Si2O8-SiO2 and their petrologic implications. Am. J. Sci. 1966. V. 264. N 6. P. 428-480. DOI: 10.2475/ajs.264.6.428.
