Synthesis of mullitic, spinelic and cordieritic materials using greek raw materials

Abstract

Η διατριβή έχει ως στόχο να συμβάλει στη διερεύνηση των δυνατοτήτων αξιοποίησης ορυκτών πρώτων υλών του Ελληνικού χώρου, πλούσιων σε Al2O3, SiO2 και MgO, δηλαδή βωξιτών, καολινών, σερπεντινίτη / ολιβινίτη και μαγνησίτη, για την παραγωγή κεραμικών μαζών με υψηλά ποσοστά α) μουλλίτη, β) σπινελίων / μουλλίτη και γ) κορδιερίτη, οι οποίες θα είναι κατάλληλες για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Μετά από στοχευμένη δειγματοληψία καολίνη στις περιοχές Λευκόγεια του Ν. Δράμας, σερπεντινίτη / ολιβινίτη στο Βούρινο του Ν. Κοζάνης, την προμήθεια δειγμάτων βωξίτη από την εταιρία «Αλουμίνιον της Ελλάδος», καολίνη της Μήλου από την εταιρία «S&B Βιομηχανικά Ορυκτά Α.Ε.», μαγνησίτη Μαντουδίου από το εργαστήριο Εμπλουτισμού των Μεταλλευμάτων της Σχολής Μηχανικών Ορυκτών Πόρων, και ιπτάμενης τέφρας (Ι.Τ.) από τον ατμοηλεκτρικό σταθμό (ΑΗΣ) της ΔΕΗ στη Μελίτη - Αχλάδα ακολούθησε προσδιορισμός της σύστασης των δειγμάτων. Μετά τον προσδιορισμό της ορυκτολογικής και χημικής σύστασης των παραπάνω δειγμάτων, εξετάστηκαν διάφορες συνθέσεις, οι οποίες αποσκοπούσαν στην πειραματική σύνθεση κεραμικών προϊόντων με υψηλά ποσοστά μουλλίτη, σπινελίων / μουλλίτη και κορδιερίτη. Από τις παραπάνω συνθέσεις παρασκευάστηκαν σειρές δειγμάτων τα οποία στη συνέχεια ψήθηκαν σε διάφορες θερμοκρασίες μεταξύ 1225 και 1525oC. Σε κεραμικές μάζες που προέκυψαν με αυτόν τον τρόπο πραγματοποιήθηκαν ορυκτολογικές ποιοτικές και σε ορισμένες ποσοτικές αναλύσεις και προσδιορίστηκαν η συρρίκνωση, το πορώδες, η πυκνότητα, η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη και, κατά περίσταση, ο συντελεστής θερμικής διαστολής και η πυριμαχικότητα υπό φορτίο, ενώ παράλληλα εξετάστηκε και η μικροδομή τους. Από τις συνθέσεις που σχεδιάστηκαν με βάση το βωξίτη, τον καολίνη και την ιπτάμενη τέφρα προέκυψαν μάζες αποτελούμενες κυρίως από μουλλίτη των οποίων η πυριμαχικότητα έφθασε τους 1500oC, ενώ η συρρίκνωση κυμάνθηκε από -0,2 έως 17,4%. Το πορώδες τους κυμάνθηκε από 0,2 έως 34,1% και η πυκνότητα από 1,77 έως 3,08g/cm3 ενώ τέλος η αντοχή σε θλίψη από 40 έως 91MPa. Ορισμένες από τις συνθέσεις αυτές παρουσιάζουν, κατά περίπτωση, προοπτικές για την παραγωγή πυρότουβλων ή τροφοδοτών. Από τις συνθέσεις που σχεδιάστηκαν με βάση το βωξίτη και σερπεντινίτη ή ολιβινίτη προέκυψαν μάζες αποτελούμενες κυρίως από σπινελίους και μουλλίτη των οποίων η πυριμαχικότητα έφθασε τους 1350oC, ενώ η συρρίκνωση τους κυμάνθηκε από 4,5 έως 7,5%. Το πορώδες τους κυμάνθηκε από 1,00 έως 25,20% και η πυκνότητα από 2,46 έως 2,95g/cm3 ενώ τέλος η αντοχή σε θλίψη από 43,2 έως 49,4MPa. Από τις συνθέσεις που σχεδιάστηκαν με βάση το βωξίτη, τον καολίνη και το σερπεντινίτη / ολιβινίτη ή μαγνησίτη, προέκυψαν μάζες αποτελούμενες κυρίως από κορδιερίτη, των οποίων η πυριμαχικότητα έφθασε έως τους 1350oC, ενώ η συρρίκνωση κυμάνθηκε από 0,11 έως 9,87%. Το πορώδες τους κυμάνθηκε από 0,6%, έως 38,5% και η πυκνότητα από 1,43 έως 2,59g/cm3 ενώ τέλος η αντοχή σε θλίψη κυμάνθηκε από 13,1 έως 31,0MPa. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής κυμάνθηκε από 2,19 έως 4,11*10-6/oC. Ορισμένες από τις συνθέσεις αυτές παρουσιάζουν, κατά περίπτωση, προοπτικές για την παραγωγή διαφόρων εξαρτημάτων κλιβάνων ή καταλυτικών μετατροπέων και κεραμικών φίλτρων.

There is a variety of Greek minerals rich in Al2O3, SiO2 and MgO which potentially can be used for the production of ceramics materials suitable for high temperature applications. The aim of this thesis was to identify the most suitable mixtures which after all the appropriate processing steps may be used for the production of ceramic products. To accomplish this, ceramics containing a) mullite b) spinel / mullite and c) cordierite have been developed using raw materials obtained from different regions of Greece. Kaolin collected from Lefkogeia region (Drama) and serpentinite / olivinite from Vourino region (Kozani). Bauxite was supplied from “Aluminium of Greece” and kaolin form “S&B Industrial Minerals.” Magnesite was obtained from the Laboratory of Ore Processing (Technical University of Crete) and finally fly ash form Achlada - Melitis thermal power plant in Western Macedonia. After appropriate processing, different compositions have been investigated to produce ceramics containing mullite, spinel/mullite or cordierite phases. All samples were sintered in temperatures ranging between 1225 and 1525°C. The obtained ceramics were analyzed by XRD to identify the crystalline phases. XRF analysis was used to determine the chemical composition of the raw materials and produced ceramics. For ceramics shrinkage, porosity, density, refractoriness, thermal expansion coefficient and compressive strength were also identified. Microstructure analysis of ceramics was performed using SEM. In ceramics produced from bauxite, kaolin and fly ash, mullite phases have been detected. All samples exhibited high refractoriness (1500°C) while porosity varied from 0,2 to 34,1%, density from 1,77 to 3,08 g/cm3 and shrinkage from -0,2 to 17,4%. Mechanical strength was also high, in the range of 40 to 91MPa. Ceramics produced from specific compositions can be considered as candidate materials for the production of refractory blocks and feeders. In ceramics prepared from bauxite, serpentinite or olivinite, spinels and mullite phases have been detected. All samples exhibited high refractoriness (1350°C) while porosity varied from 1,00 to 25,2%, density from 2,46 to 2,95g/cm3 and shrinkage from 4,5 to 7,5%. Mechanical strength was also high, in the range of 43,2 to 49,4MPa. In ceramics prepared from bauxite kaolin and serpentinite / olivinite or magnesite cordierite phases have been detected. All samples exhibited high refractoriness (1300 to 1350°C) while porosity varied from 0,6 to 38,5%, density from 1,43 to 2,59g/cm3 and shrinkage from 0,11 to 9,87%. Mechanical strength was also high, in the range of 13,1 to 31,0MPa. Thermal expansion coefficient varied from 2,19 to 4,11*10-6/oC. These results indicate that ceramics with attractive properties for producing ceramic and honeycomb filters can be obtained.