TEKNILLINEN TIEDEKUNTA KVARTSIMAASÄLPÄHIEKAN KÄYTTÄYTYMINEN ALKALISIDOTUN TIILEN VALMISTUKSESSA Antti Tarkka PROSESSITEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA Kandidaatintyö 2018
TEKNILLINEN TIEDEKUNTA KVARTSIMAASÄLPÄHIEKAN KÄYTTÄYTYMINEN ALKALISIDOTUN TIILEN VALMISTUKSESSA Antti Tarkka Ohjaajat: Tanskanen Pekka, Heikkinen Eetu-Pekka PROSESSITEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA Kandidaatintyö 2018
TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Oulun yliopisto Teknillinen tiedekunta Koulutusohjelma (kandidaatintyö, diplomityö) Pääaineopintojen ala (lisensiaatintyö) Prosessitekniikka - Tekijä Antti Tarkka Työn ohjaaja yliopistolla Pekka Tanskanen, FM & Eetu-Pekka Heikkinen, TkT Työn nimi Kvartsimaasälpähiekan käyttäytyminen alkalisidotun tiilen valmistuksessa Opintosuunta Työn laji Aika Sivumäärä Kemiantekniikka Kandidaatintyö Marraskuu 2018 17 s. Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan, voidaanko sivutuotteena syntyvää rikastushiekkaa hyödyntää lisäämällä siihen sidosainetta ja polttamalla siitä tiiliä, joita voitaisiin käyttää esimerkiksi rakennusteollisuudessa. Työn tavoitteena on tutkia missä lämpötiloissa tiilen polttamisen tulee tapahtua, jotta saavutettaisiin riittävä kestävyys ja muut ominaisuudet. Kokeissa näytekappaleita hehkutettiin eri lämpötiloissa, minkä jälkeen näytteiden mikrorakenne tutkittiin mikroskoopin avulla. Työn päätarkoituksena on selvittää, millainen faasirakenne voidaan saavuttaa hehkuttamalla näytteitä eri lämpötiloissa ja jäähdyttämällä ne takaisin huoneenlämpötilaan. Näytekappeleiden tutkiminen tapahtuu valomikroskoopin avulla näytteiden ollessa huoneen lämpötilassa. Tärkeimpänä tuloksena huomattiin, että mitä korkeammassa lämpötilassa näytettä on hehkutettu, sitä paremmin rikastushiekka ja sidosaine olivat sulaneet toisiinsa kiinni, niin kuin odotettiin. Saatuja tietoja voidaan käyttää hyväksi, kun halutaan selvittää mm. näytekappaleiden muita ominaisuuksia, kuten vetolujuutta ja kestävyyttä. Muita tietoja Asiasanat: rikastushiekka, kammiouuni, mikrorakenne, Keliber.
ALKUSANAT Työn päätarkoituksena on pyrkiä saamaan tietoon, soveltuuko Keliberillä sivutuotteena syntyvä rikastushiekka uudelleen käytettäväksi muussa teollisuudessa. Rikastushiekan käsittelyn jälkeen kiderakenteen tarkastelun perusteella pyritään päättelemään, pystytäänkö materiaali hyödyntää alustavasti esimerkiksi rakennusteollisuudessa. Kandidaatin työn ohjaajana toimi Eetu-Pekka Heikkinen ja apuohjaajana Pekka Tanskanen. Kaikki tutkimukseen tarvittavat materiaalit ja kokeiden suunnittelu on Pekka Tanskaselta saatuja, yhteistyössä Keliberin Oy kanssa. Tanskanen oli myös valvomassa kokeiden suorittamista sekä tulosten todenmukaisuutta. Kokeiden suorittamisessa käytettiin Oulun yliopiston tiloja, jotka ovat prosessimetallurgiantutkimusryhmän käytössä. Kandidaatin työn kirjallista puolta valvoi ja opasti toteuttamaan Eetu-Pekka Heikkinen. Erityiset kiitokset haluaisin esittää Eetu-Pekka Heikkiselle ja Pekka Tanskaselle kandidaatin työn ohjaamisesta ja kaikesta muusta avustamisesta. Haluaisin myös kiittää vanhempiani Jarmo Tarkkaa ja Terttu Tarkkaa henkisestä tuesta sekä kaikkia kavereitani, joilta varmasti olen saanut paljon vastauksia kysymyksiini. Oulu, 12.11.2018 Tarkka Antti Matias Työn tekijä
SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 2 ALKUSANAT... 3 SISÄLLYSLUETTELO... 4 1 JOHDANTO... 5 2 TUTKITTAVA MATERIAALI... 6 3 TUTKIMUKSEN TOTEUTUS... 8 4 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU... 13 5 YHTEENVETO... 16 6 LÄHDELUETTELO... 17
5 1 JOHDANTO Normaalissa tiilen polttamisessa käytetään raaka-aineina savea, hiekkaa, kalkkia ja sahanpuruja, jotka sekoitetaan tarkasti reseptin mukaan tasaiseksi massaksi, joka leikataan ja viimeistellään haluttuun muotoon ennen polttamista uunissa. Tiilen polttaminen tapahtuu yli 1000 asteen lämmössä, joka saa aikaan tiilen kovettumisen lopulliseen muotoonsa. Tiilien valmistamiseen on useita eri menetelmiä, jotka riippuvat halutuista ominaisuuksista kuten ulkonäöstä ja kestävyydestä. Kuvassa 1 on poltetun tiilen valmistuskaavio, josta nähdään prosessin päävaiheet. Kuva 1. Poltetun tiilen valmistuskaavio. Työn aiheena on rikastushiekan poltto alkalisilikaattisidotuksi tiileksi. Tutkittavana materiaalina on Keliberin tuotannossa sivutuotteena muodostuva kvartsimaasälpähiekka, joka muodostuu vaahdottamisen sivutuotteena. Rikastushiekan sidosaineena käytetään natriumsilikaattiliuosta. Tutkimuksessa tavoitteena tutkia, onko mahdollista polttaa Keliberin rikastushiekasta onnistuneesti tiiliä sekä missä lämpötiloissa ja missä ajassa tämä pitäisi tehdä, jotta saavutettaisiin paras mahdollinen tulos. Tarkastelu toteutettiin kokeellisesti valmistamalla näytekappaleita ja tutkimalla niiden rakennetta kuumennuksen jälkeen. Tarkastelu tehtiin hiomalla näytekappaleet napeiksi ja tarkastelemalla niiden mikrorakennetta mikroskoopin alla.
6 2 TUTKITTAVA MATERIAALI Keliber Oy on aloittamassa litiummalmin hyödyntämistä Keski-Pohjanmaalla. Kaivoksella keskitytään louhimaan spodumeenipegmatiittia, joka on pyrokseenimineraali. Spodumeenipegmatiitti murskataan louhinnan jälkeen, josta se jatkaa jatkokäsittelyyn, jossa arvomineraalit erotellaan sivukivestä. Erotuksen jälkeen arvomineraalit siirtyvät esirikastukseen, missä magneettinen materiaali erotellaan magneettien avulla. Kun esirikastus on valmis, etenee spodumeenimalmi jauhatukseen, jossa partikkelikoko pienennetään valmiiksi vaahdotusprosessia varten. Vaahdotukseen menevästä hienojakoisesta spodumeenimalmista erotetaan arvomineraali ja sivukivi käyttäen hyväksi materiaalien erilaisia pintaominaisuuksia. Vaahdotus toteutetaan vaahdotuskennossa, jonka pohjaan puhalletaan ilmaa, jolloin muodostuu nousevia kuplia. Oikeanlaisella pintaominaisuuksien ohjauksella haluttu materiaali saadaan kiinnittymään kupliin ja nousemaan kennon pinnalle. Ei haluttu tuote tippuu pohjalle, josta se poistetaan sivutuotteena. Spodumeenimalmin vaahdotuksessa syntyvä liete saostetaan ja suodatetaan rikastushiekaksi. Syntyvä rikastushiekka sisältää noin 36,7 % kvartsia, 39,3 % plagioklaasia, 15,9 % mikrokliiniä, 6,4 % muskoviittiä, 1,2 % sodumeeniä ja loput muita pieniä määriä erilaisia mineraaleja. Muodostunutta kvartsimaasälpähiekkaa voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi alkaanisilikaattisidotun tiilen valmistuksessa. Kvartsimaasälpähiekan sidosaineena käytetään natriumsilikaattiliuosta, joka sisältää natriumin ja piin oksideja sekä vettä. Natriumsilikaatin sulamispiste on hieman yli 1000 C, mutta yhdessä kvartsimaasälpähiekan kanssa se muodostaa seoksen, jossa sulafaasia muodostuu jo matalammissakin lämpötiloissa. Jäähdytettäessä tämä sula muodostaa sidosfaasin mineraalien välille. Alkaalisilikaattisidotun tiilen polttaminen tapahtuu sekoittamalla kvartsimaasälpähiekkaa ja natriumsilikaattiliuosta toisiinsa. Tiili muodostuu, kun kvartsimaasälpähiekasta ja natriumsilikaattiliuoksesta muodostettua seosta lämmitetään uunissa nousevassa lämpötilassa noin 850 925 asteeseen, josta se jäähdytetään hitaasti alle 200 C:een, minkä jälkeen seoksen annetaan sen jäähtyä loppuun huoneenlämpötilassa. Lämmityksen aikana seoksen mikrorakenteet alkavat sulaa, joka jäähtyessään muodostaa uuden kestävämmän mikrorakenteen. Kuvassa 2 on esitetty
7 natriumsilikaattisysteemin faasidiagrammi, mistä nähdään eri faasien stabiilisuusalueet. Faasidiagrammin avulla voidaan arvioida olosuhteita, joissa mikrorakenne alkaa muuttua. Mikrorakenteen hallinta on tärkeää, koska seoksen ominaisuudet ovat riippuvaisia mikrorakenteesta. Kuva 2. Na 2 O-SiO 2 -systeemin faasidiagrammi.
8 3 TUTKIMUKSEN TOTEUTUS Kokeissa käytetty kvartsimaasälpähiekka muodostuu malmikivestä (ks. kuva 3) spodumeenin rikastuksen yhteydessä. Työssä hyödynnetty kvartismaasälpähiekka on saatu Keliber Oy:ltä kokeellista käyttöä varten. Kuva 3. Spodumeenimalmikivi, joka koostuu spodumeenista, kvartsista sekä maasälvistä. Kammiouunissa poltettavien näytekappaleiden valmistaminen aloitettiin kuivaamalla 300 g rikastushiekkaa 110 C:n lämpötilassa 18 tunnin ajan ylimääräisen kosteuden poistamiseksi. Tästä punnittiin 25,00 g kuivattua kvartsimaasälpähiekkaa, johon lisättiin 7,5 ml laimennettua natriumsilikaattiliuosta. Natriumsilikaattilios oli laimennettu ionipuhdistetulla vedellä 50 %:n pitoisuuteen. Lisäyksen jälkeen seokset sekoitettiin hyvin ja niistä tampattiin tiiviit kappaleet, joiden annettiin vettyä rauhassa noin 2 tuntia. Vettymisen annettiin tapahtua rauhassa ruiskussa, jotta natriumsilikaatti pääsi jakautumaan tasaisesti näytekappaleeseen. Tiivistymisen jälkeen ruiskusta työnnettiin männän avulla 5 ml näytekappale. Näytekappaleesta puristettiin männän sylinterin muotoinen näytebriketti, joka on esitetty kuvassa 4. Näytebrikettiin merkittiin tunniste kuulakärkikynällä ja se asetetettiin alumiinioksidilautaselle. Lautanen asetettiin huoneenlämpöön 2 tunnin ajaksi, josta se laitettiin vielä 12 tunnin ajaksi lämpökaappiin 105 C:n lämpötilaan. Tämän jälkeen näytekappale oli valmis kammiouuniin.
9 Kuva 4. Uuniin valmis laitettava näytekappale. Näytteen polttaminen kammiouunissa toistettiin neljällä eri maksimilämpötilalla siten, että lämmityksen nostonopeus oli vakio. Kammiouuni on esitelty kuvassa 5a. Lämmityksen aikana näyte asetettiin upokkaan sisälle käsittelyn helpottamiseksi. Lämmitysohjelman aloituksessa lämpötila oli alle 200 C, josta sitä nostettiin tavoitelämpötilaan nopeudella 20 C /min. Kun tavoitelämpötila oli saavutettu, lämpötilaa pidetään vakiona 30 min ajan, jonka jälkeen näytekappaleen annettiin jäähtyä uunin mukana alle 500 C:een. Kun lämpötila on alle 500 C, otettiin upokas pois uunista ja se laskettiin tulenkestävälle alustalle, jossa näyte jäähtyi huoneenlämpötilaan. Näytteen jäähtyminen on esitetty kuvassa 5b. Uunin annettiin jäähtyä noin 200 C:een, jonka jälkeen seuraava ajo voitiin aloittaa.
10 Kuva 5. a) Kammiouuni sekä b) näytekappale jäähtymässä. Jokaiselle näytekappaleelle toteutettiin oma lämmitysohjelma omilla tavoitelämpötiloilla. Ensimmäisessä lämmityksessä (ramppi 1) tavoitelämpötila oli 850 C, toisessa lämmityksessä (ramppi 2) 875 C, kolmannessa (ramppi 3) 900 C ja neljännessä (ramppi 4) 925 C. Kuvassa 6 on esitetty lämpötilarampit koottuna. Kuva 6. Kooste näytteiden lämpötilarampeista ja arvoista.
11 Näytteiden jäähdyttyä huoneenlämpötilaan, ne asetettiin muottiin, johon lisättiin epoksi, joka imeytyi näytteeseen. Epoksi on läpinäkyvää muovia, joka kovettuu kovettajan avulla muodostaen hyvän kestävän tukirakenteen näytteelle sen hiomista ja tutkimista varten. Jotta epoksin ja näytteen väliin ei jäisi ilmaa, se vakumoitiin, minkä jälkeen sen annettiin kovettua. Kovettumisen jälkeen epoksinäytteestä sahattiin laatta halkaisemalla keskeltä noin 10 mm leveä ja paksu näytepala. Näytepalaan lisättiin uudestaan epoksia ylimäärin, jotta syntyisi halkaisijaltaan 40 mm pyöreä kiekko, jonka keskellä on näytepala. Kiekon pinnalta hiotaan ylimääräinen epoksi pois, jolloin paljastuu näytteen pinta. Hiontavaihe on esitetty kuvassa 7b. Tämän jälkeen kiekon keskellä oleva näytepalan mikrorakenne on valmis tutkittavaksi valomikroskoopilla. Kuvassa 7a on esitetty valmis näytekappale. Kuva 7. a) Valmis hiottu näytekappale, jonka vieressä on näytekappale ennen epoksikäsittelyä b) Epoksinäytteen hionta. Näytepalojen analysointi suoritettiin valomikroskoopilla, jonka avulla selvitettiin, miten kiderakenne oli muuttunut eri lämpötiloissa. Kuvassa 8 on analysointiin käytetty valomikroskooppi. Jokaisesta näytteestä otettiin kaksi kuvaa ensin 100-kertaisella suurennuksella sekä samasta kohdasta vielä 200-kertaisella suurennuksella.
Kuva 8. Mikroskooppi, jossa tutkittava näyte on paikallaan. 12
13 4 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU Näytteiden rakenteita kuvaavat mikroskooppikuvat kaikista neljästä eri lämpötiloissa suoritetusta kokeesta on esitetty kuvissa 9 ja 10. Kuvat 9a ja 9b ovat 100-kertaiset suurennukset korkeimman (925 C) ja matalimman (850 C) koelämpötilan näytteistä, joita vertailemalla nähdään hyvin lämpötilan vaikutus materiaalin rakenteeseen. Kuvaan 10 on puolestaan koottu sekä 100- että 200- kertaiset suurennukset kaikkien neljän kokeen näytteistä. Kuvissa 9 ja 10 tummemman harmaa koostuu alumiinisilikaattista ja vähän vaaleampi harmaa kvartsin mineraalipartikkeleista. Täysin valkoinen osa näytteessä on epoksia ja mustat kohdat ovat näytteeseen jääneitä ilmakuplia. Loput näytteessä esiintyvät kohdat ovat hiomapastaa tai muita näytteessä olevia epäpuhtauksia. Kuvista havaitaan, että mitä suurempi tavoitelämpötila on näytteellä ollut, sitä enemmän alumiinisilikaattia ja kvartsipartikkeleita on liimautuneena toisiinsa, jolloin näytteeseen muodostuu vähemmän huokosia. Kuva 9. a) 850 C:ssa lämmitetty näyte 100-kertaisella suurennuksella b) 925 C:ssa lämmitetty näyte 100-kertaisella suurennuksella.
Kuva 10. Näytteiden rakenteet eri lämpötiloissa 100- ja 200-kertaisella suurennuksella. 14
15 Kokeiden lopullinen johtopäätös on, että mitä suuremmassa lämpötilassa kappaleiden polttaminen on tapahtunut, sitä paremmin mineraalipartikkelit kiinnittyvät toisiinsa ja sitä kestävämmäksi rakenne muodostuu. Tiilen polttaminen olisi siis mahdollista, ainakin kiderakenteen sitoutumisen puolesta. On kuitenkin vielä tutkittava, miten täysikokoinen tiili toimisi käytännön olosuhteissa, esimerkiksi toimiiko ja kestääkö materiaali hyvin mm. erilaisten rasitusten ja korroosion vaikutuksen alaisena. Kokeesta saadut tulokset antava hyvän alkupohjan jatkotutkimuksia varten. Tulosten avulla voidaan saada arvio mm. mistä uusi tutkimus olisi hyvä aloittaa, jos tutkitaan esimerkiksi eri lämpötilojen vaikutusta kappaleiden kestävyyteen, sen tarkempaan rakenteeseen tai materiaalin sopivuutta muuhun käyttötarkoitukseen. Jatkossa kokeista tulisi suorittaa useampia toistoja, minkä lisäksi koeaikoja tulisi muuttaa. Tällöin voitaisiin tarkastella, kuinka aika vaikuttaa mineraalien sulamisen nopeuteen ja mineraalipartikkeleiden sitoutumiseen toisiinsa. Tuloksien avulla voitaisiin optimoida energian kulutusta ja vähentää ylimääräisen ajan kulumista.
16 5 YHTEENVETO Kandidaatintyön aiheena oli tutkia, onko mahdollista käyttää sivutuotteena muodostuvaa rikastushiekkaa eli kvartsimaasälpää pääraaka-aineena tiilenpoltossa lisäämällä natriumsilikaattiliuosta sidosaineeksi ja polttamalla tehtyä rikastushiekkaseosta uunissa käyttäen tiettyjä erin suuruisia lämpötiloja. Tutkimuksen tärkein kohta oli selvittää, miten eri lämpötilat uunissa vaikuttavat seoksen kiderakenteisiin ja sen muodostumiseen. Tutkimus toteutettiin tarkastelemalla mikroskoopilla eri lämpötiloissa hehkutettuja näytekappaleita. Näytekappaleiden valmistus tapahtui kuivaamalla kvartsimaasälpähiekkaa ja lisäämällä siihen laimennettua natriumsilikaattiliuosta. Seoksesta tampattiin tiivis näytekappale, josta ylimääräinen vesi lämmitettiin pois aluksi käyttäen huoneen lämpöä ja sen jälkeen uunissa 105 C:n lämpötilassa. Esivalmistetut näytekappaleet poltettiin kammiouunissa käyttäen viittä erilaista lämmitysohjelmaa, joiden maksimi lämpötilat erosivat toisistaan. Polton jälkeen näytteistä valmistettiin epoksia käyttäen lopullinen näytepalakiekko. Näytepalakiekko tutkittiin käyttäen mikroskooppia. Mikroskoopin avulla otettuja kuvia näytekappaleista verrattiin lopuksi keskenään. Tämän avulla voitiin tehdä päätelmä, miten eri lämpötila vaikuttaa aineen kiderakenteen muodostumiseen. Tutkimuksista saatujen kiderakenteiden avulla voidaan arvioida suuntaa antavasti kiderakenteen kestävyyttä sekä muita ominaisuuksia.
17 6 LÄHDELUETTELO Koutila, A. (2017) Spodumeenivaahdotuksen rikastushiekan soveltuvuus vaahtolasin raakaaineeksi, DI-työ, Oulun yliopisto, TTK, Prosessitekniikan koulutusohjelma Metallinjalostajat ry (2003) Teräskirja 7 th edition 08/2003 Sanoma Media Finland Oy, Julkaisuvuosi tuntematon [verkkodokumentti], viitattu 10.08.2018, saatavissa: https://www.rakentaja.fi/artikkelit/1663/tiilen_valmistus.htm Strand, S. (2016) Sivukiven vaikutus rikastukseen agglomeroitumiseen spodumeenin lämpökäsittelyssä, DI-työ, Oulun yliopisto, TTK, Prosessitekniikan koulutusohjelma Suomen Tiiliteollisuusliitto ry (2018) julkaisuvuosi tuntematon [verkkodokumentti], viitattu 10.08.2018, saatavissa: http://www.tiili-info.fi/tiili-materiaalina/tiilen-valmistus/ Wienerberger AG (2018), Julkaisuvuosi tuntematon [verkkodokumentti], viitattu 10.08.2018, saatavissa: https://wienerberger.fi/ratkaisut/poltettujen-tiilien-valmistus