Сделай Сам Свою Работу на 5

Процессы, связанные с фазовыми и химическими превращениями в глинах при обжиге.

При обжиге в материале кроме фазовых превращений одновременно протекают процессы тепло- и массообмена, а также химические превращения.

В зависимости от свойств глинистого сырья эти процессы протекают без нарушения целостности изделий или приводят к их деформации трещиноватости и короблению, особенно у чувствительных к обжигу глинистых пород. Более чувствительным к обжигу является полуфабрикат из глин монтмориллонитовой группы, содержащих Аl203 более 20 %, менее чувствительным - полуфабрикат из гидрослюдистых глин. Чувствительность полуфабриката к обжигу повышается при увеличении в глинах тонкодисперсных фракций свыше 35-40 %, числа пластичности свыше 20, а также большом набухании при затворении водой. С повышением пористости полуфабриката снижается его чувствительность к обжигу. Дефекты обжига необратимы, в зависимости от них в большинстве случаев определяется сортность изделий.

Физико-химические изменения и фазовые превращения керамическая масса претерпевает на разных стадиях обжига.

Различают в основном три периода обжига: подогрев, обжиг и охлаждение. Подогрев состоит из стадии завершения сушки (полного удаления влаги) и подогрева до температуры обжига, а охлаждение – из стадии вызревания (закалка) и охлаждения.

В начале первого периода обжига сырца в печи происходит испарение влаги. К окончанию стадии сушки выделение влаги ослабевает и совсем прекращается, после чего наступает стадия собственно подогрева, протекающая в интервале температур от 110 до 4000С. При нагревании полуфабриката керамических изделий до 2000С выделяется свободная гигроскопическая влага из глины. Этот процесс характеризуется поглощением тепла (эндотермическим эффектом). При этом образуется водяной пар, который при слишком быстром подъеме температуры может разорвать изделие. К концу первого периода из глины начинает удаляться химически связанная вода.

Второй период обжига – это период, в течение которого осуществляется собственно обжиг изделий. В начале этого периода, при повышении температуры от 400 до 7000С продолжает удаляться химически связанная вода (не ниже 550-5900С), выгорает топливо, а глинистые минералы, разрушаясь переходят в новое соединение – метакаолинит. При 450-600°С глинистые минералы дегидратируются (удаляется кристаллизационная вода). Этот процесс сопровождается небольшой усадкой материала.



При 300-9000С разлагаются и выгорают из глины органические и карбонатные примеси. При 300-4000С разлагаются карбонаты железа. При 600-7000С разлагаются карбонаты магния.

При 800-9000С разлагаются карбонаты кальция. Т.е. в интервале температур 700-900°С в составе обжигаемой массы начинают появляться свободные Мg0 и СаО в результате разложения карбонатных включений и выделения свободной СО2. С их появлением между образовавшимися компонентами начинают протекать реакции в твердом состоянии, в результате которых в конце этого температурного интервала образуется керамический черепок - каменистая прочная масса, не размокающая в воде.

При 800-850°С начинают разрушаться кристаллические решетки глинистых минералов из только что образовавшегося метакаолинита. В глине появляется жидкая фаза, в которой растворяются глинистые минералы, в результате чего возникают усадочные явления, которые протекают до спекания глинистой массы. Эта усадка в отличие от воздушной называется огневой усадкой. Она объясняется поверхностным натяжением расплава, стягивающего частицы, а кроме того усадка обусловлена также рекристаллизацией новообразований, происходящей с уменьшением размеров кристаллов. Величина огневой усадки зависит от степени запесоченности глин, и может колебаться от 1 % (для сильно запесоченных) за счет модификационных превращений кварца до 8% и более. Ее учитывают наряду с воздушной усадкой при определении внутренних размеров выходных отверстий мундштуков. С точки зрения трещиностойкости сырца этот период наиболее опасен, так как он связан с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и структурными изменениями черепка.

При повышении температуры обжига до 1100°С положительные свойства, приобретенные черепком — прочность, водостойкость, морозостойкость, и др., усиливаются и стабилизируются. Этому способствует протекание фазовых превращений, начало которых в легкоплавких глинах относится к температурам выше 800°С.

Вслед за усадкой при температуре выше 950-1100°С глина размягчается и в процессе размягчения уплотняется — легкоплавкие соединения заполняют поры между зернами скелета, представляющие собой более тугоплавкие частицы, вследствие чего обжигаемая масса приобретает большую плотность — спекается. На спекаемость влияют минералогический и химический составы глины, а также примеси, встречающиеся в глинах и добавляемые в массу.

Температурный интервал от начала спекания (усадки) до температуры начала плавления (начала вспучивания) глины называют интервалом спекания. Интервалу спекшегося состояния соответствует разность между температурами начала пережога и полного спекания. Определение интервалов спекания и спекшегося состояния позволяют установить оптимальную температуру обжига. По интервалу спекшегося состояния оценивают различные глины с точки зрения их пригодности их для производства того или иного вида керамических изделий, подбирают необходимый тип печи обжига.

Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50-1000С, а огнеупорных до 4000С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформации и растрескивания изделии при обжиге.

При быстром подъеме температур часть примесей в изделии может остаться невыгоревшей, что обнаруживается на изломе изделия в виде темной сердцевины.

Третий период обжига — охлаждение, в течение которого изделие подвергается термическому сжатию. При этом неизбежно возникают напряжения от температурного перепада между наружными и внутренними слоями.

Вследствие того, что в составе массы имеется кварц и происходят его модификационные изменения, в изделии возникают дополнительные напряжения. То же самое имеет место и при затвердевании стекловатой фазы, так как ее объемные изменения проходят неравномерно. По этой причине при быстром охлаждении в периферийных зонах изделия наблюдается разрыхление структуры, отчего прочность его уменьшается, а хрупкость увеличивается. И наоборот, при медленном охлаждении черепок имеет возможность еще лучше «вызреть» благодаря постепенному и более полному завершению реакций в жидкой фазе, равномерному течению полиморфных превращений кварца и объемных изменений жидкой фазы при ее затвердевании. Это улучшает структуру черепка, повышает его прочность и уменьшает хрупкость.

46.Режим обжига. Влияние восстановительной (газовой) среды печи на качество керамических изделий. Весь процесс обжига подразделяется на три периода: нагрев до конечной температуры обжига, выдержка при этой температуре и охлаждение. Для каждого из этих периодов устанавливается режим.

Под режимом обжига подразумевается зависимость между температурой и временем обжига, которая выражается температурной кривой обжига (рис. 2). Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов:

- скорости подъема температуры

- конечная температура обжига

- длительность выдержки при конечной температуре

- характеристика газовой среды и скорости охлаждения.

Рациональным режимом обжига называется такой режим, при котором можно в наиболее кратчайший срок при минимальном расходе топлива обжечь изделие без дефектов с высокими техническими характеристиками

В печь сырец поступает с влажностью 8-12%, где в начальный период происходит досушивание сырца.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900 до 11000С для кирпича, камня, керамзита; от 1000 до 13000С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий; от 1300 до 18000С для огнеупорной керамики. Изделия полусухого прессования обжигают примерно на 500С выше, чем изделия пластического прессования.

Важнейший фактор режима обжига — зависимость между химическим составом печной среды и временем обжига (газовый режим). Печная среда является восстановительной при избытке кислорода до 1%, нейтральной —1,5-2, окислительной — 2,5, сильноокислительной — до 10 %.

При установлении газового режима для обжига изделий из тугоплавких и легкоплавких глин в период до полного выгорания углерода и разложения карбонатов поддерживают сильноокислительную среду, в конечный период нейтральную или восстановительную для обеспечения полного спекания.

Температурный режим обжига кирпича и эффективных керамических камней условно разделяется на четыре периода: досушки (до 200°С), подогрева (окура - 700-800°С), собственно обжига (взвар - 900-1050°С), остывания (охлаждения до 40-50°С).

Длительность обжига — один из важнейших факторов, определяющих качество изделий и производительность печного агрегата.

Известно, что при температуре 200-800°С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав шихты при формовании изделий и, кроме того, окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения. Этот период характерен весьма высокой скоростью подъема температур — 300-350, а для эффективных изделий — 400-450°С/ч, что способствует быстрому выгоранию топлива, запрессованного в сырец. Затем изделия выдерживают при этой температуре в окислительной атмосфере до полного выгорания остатков углерода. Дальнейший подъем температуры от 800°С до максимальной связан с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительным структурным изменением черепка, поэтому скорость подъема температуры замедляют до 100-150, а для пустотелых изделий — 200-220°С/ч.

По достижении максимальной температуры обжига изделие выдерживают для выравнивания температуры по всей толще его, после чего температуру снижают на 100-150°С, в результате изделие претерпевает усадку и пластические деформации. При дальнейшем повышении температуры происходит вспучивание материала, плотность его уменьшается за счет увеличения объема пор. Это явление носит название пережог. Затем интенсивность охлаждения при температуре ниже 800°С увеличивается до 250-300°С/ч и более, ограничением спада температуры могут служить лишь условия внешнего теплообмена.

Так как при нагревании кварц (кремнезем), имеющийся в массе претерпевает модификационные превращения в изделии возникают дополнительные напряжения. Кроме того, модификационные превращения кремнезема сопровождаются изменениями в объеме. Опасен в этом смысле интервал температур 650-500°С в связи с модификационными превращениями α- и β-кварца, сопровождающимися объемными изменениями, что влияет на прочность и целостность изделия при обжиге и, следовательно, на выбор соответствующих режимов обжига.

Быстрый переход через температуру 575°С вызывает общее разрыхление обожженного черепка и появление в изделии тонких трещин (холодный треск). То же самое имеет место и при затвердевании стекловатой фазы, так как ее объемные изменения проходят неравномерно. По этой причине при быстром охлаждении в периферийных зонах изделия наблюдается разрыхление структуры, от чего прочность его уменьшается, а хрупкость увеличивается.

В течение периода охлаждения сырец подвергается термическому сжатию, при котором возникают напряжения от температурного перепада между наружными и внутренними слоями.

При медленном охлаждении черепок имеет возможность еще лучше «вызреть» благодаря постепенному и более полному завершению реакций в жидкой фазе, равномерному течению полиморфных превращений кварца и объемных изменений жидкой фазы при ее затвердевании. Это улучшает структуру черепка, повышает его прочность и уменьшает хрупкость.

Удовлетворительные результаты получены при таких скоростных режимах охлаждения: быстрое охлаждение от максимальной температуры обжига до 600°С и от 500°С до обычной, а в интервале от 600 до 500° — медленное охлаждение, что частично исключает вредное влияние полиморфных превращений кварца. Однако в обычных туннельных печах скоростные режимы обжига не могут быть реализованы из-за большой неравномерности температурного поля по сечению обжигательного канала.

Механическая прочность кирпича и керамических камней повышается с увеличением содержания стекловидной фазы в массе изделий. Однако при относительно низких температурах обжига в массе изделий содержится мало стекловидной фазы (6-8 %), изделия имеют повышенную пористость (более 8 %), а нередко и низкую механическую прочность (7,5 МПа) и являются не морозостойкими.

Хорошо обожженные изделия имеют низкие адсорбционные свойства, высокую прочность и требуемую морозостойкость.

В процессе обжига, особенно засоленных глинистых пород, а также в процессе эксплуатации на поверхности обожженных керамических изделий могут образовываться высолы в виде белых налетов.

В зависимости от состава глины и часто от степени обжига изделия получают различную окраску: при нормальном обжиге – краную, при слабом – розовую, при сильном – темно-красную. Имеются также глины, богатые известью, придающие кирпичу желтую или розово-желтую окраску. Хороший стеновой кирпич должен иметь матовую поверхность (не стекловидную), при ударе давать звонкий, ясный звук, не иметь трещин на лицевых сторонах (ложковой и тычковой), раковин и внутренних пустот. Он должен иметь однородный излом, быть достаточно прочным и легким.



©2015- 2019 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.