Физико-химические основы производства керамического кирпича

     При непосредственном контакте с водой  глина набухает, т.е. увеличивается в объеме. Этот процесс характеризуется влагоемкостью т.е. способностью глины поглощать то или иное количество воды и удерживать ее. 

Схема строения водной оболочки зерна глинообразующего минерала

      Рис .12.

     1 - зерно минерала; молекулы воды: 2 –  мономолекулярного слоя; 3 – полимолекулярного слоя; 4 – диффузного.

     Как влагоемкость, так и набухание  зависят от дисперсности глин и природы  глинообразующего минерала. Наибольшим сродством к воде отличаются высокодисперсные глины с минералом, обладающим легкораздвигающейся кристаллической решеткой. По этой причине высокодисперсная монтмориллонитовая глина имеет большую влагоемкость и может увеличить свой объем в 16 раз. Используемые глины являются преимущественно каолинитовыми, т.е. обладают более низкой влагоемкостью./3/ 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Физико-химические основы процесса сушки 

    Сушка  - это тепловая обработка материала, применяемая для удаления влаги из материала путем ее испарения.

    Основное  назначение сушки – завершение изменения объема полученного полуфабриката, обусловленное удалением влаги; обеспечение необходимой прочности полуфабриката, позволяющей садить его на печные вагонетки и подвергать другому виду транспортировки; удаление связки до такого количества, которое не влияет отрицательно на работу печей и не вызывает дефектов при обжиге./3/

    При испарении влага, содержащаяся в  материале, переходит из жидкой фазы в газообразную, которая в виде водяных паров заполняет окружающее пространство. Как известно, такое  фазовое превращение сопровождается поглощением тепла, поэтому для сушки материала требуется подвод тепловой энергии. Для испарения влаги недостаточно иметь только источник тепловой энергии, необходимы также условия перехода водяных паров с поверхности материала в окружающую среду.

    Интенсивность испарения влаги зависит от разности парциальных давлений пара на поверхности материала и окружающей среды и от притока тепла к поверхности материала.

    При сушке создаётся разность концентраций влаги на поверхности и во внутренних слоях материала, что обуславливает непрерывное поступление влаги от центра к поверхности материала. При наличии источника тепла протекает не только процесс испарения влаги, но и процесс нагрева материала от поверхности к центру. Следовательно, при сушке происходит сложный процесс влагообмена и теплообмена, связанный с изменением теплосодержания и влагосодержания как материала, так и окружающей среды.

    В процессе сушки тепло к поверхности  материала при внешнем обогреве может передаваться излучением или  теплопроводностью от нагретой поверхности или конвекцией от горячих газов и нагретого воздуха. Графическую зависимость влагосодержания материала от времени называют кривой сушки, а скорость сушки от времени - кривой скорости сушки. Изменение влагосодержания материала пропорционально времени сушки.

    Кривую  скорости сушки представим на рисунке 13.

  Диаграмма процесса  сушки  

Периоды сушки:

I – возрастающей скорости,

II – постоянной,

III – падающей.

T - температура, V - скорость сушки,  U – влагосодержание.

Рис.13.

    Из  графика следует, что весь процесс сушки разбит на три отдельных периода, протекающих с разной скоростью.

      К первому относится период  подогрева от начальной температуры до температуры насыщенного воздуха. Влагосодержание полуфабриката при этом изменяется незначительно, а скорость сушки возрастает скачкообразно.

    Второй  период – постоянной скорости сушки. Характеризуется наличием на кривой горизонтального участка, указывающего на то, что скорость сушки численно равна скорости испарения влаги  с поверхности полуфабриката.   Во второй период  из материала удаляется влага, имеющая с ним непрочную связь, т.е. физико-механическую. Температура поверхности полуфабриката остается постоянной; так как основная масса тепла расходуется на испарение влаги. Поверхность изделий остается смоченной влагой, поступающей из внутренних слоев.

    Период  постоянной скорости сушки сохраняется  до тех пор, пока количество испаряющейся с поверхности изделия воды меньше или равно количеству воды, поступающему по капиллярам из внутренних слоев под действием диффузионно-осмотических и капиллярных сил. Этот процесс называется влагопроводностью (изотермической массопроводностью) материала. Интенсивность сушки во втором периоде зависит уже не от испарения влаги с поверхности изделия, а от скорости перемещения ее из внутренних слоев наружу. При этом влага перемещается в основном в виде пара и изделие теряет большую часть физико-химической влаги. С понижением влажности затрудняется поступление влаги с глубинных слоев полуфабриката, скорость сушки резко падает, что фиксируется изломом кривой, указывающей на окончание второго периода сушки. Влажность соответствующая окончанию второго периода называется критической для данного материала и при данных параметрах теплоносителя. Величина критической влажности является важным параметром при определении чувствительности глин к сушке.

    К концу второго периода температура  изделий приближается к температуре  теплоносителя. Влагосодержание поверхности  материала выравнивается с его  равновесным влагосодержанием. Фронт  испарения влаги перемещается внутрь материала и начинается третий период.

    Третий  период – период падающей скорости сушки, характеризуется дальнейшим снижением скорости сушки и повышением температуры полуфабриката. Интенсивность влагоотдачи в этом периоде пропорциональна средней влажности материала в интервале от критической до конечной влажности.

    Третий  период сушки можно условно разделить  на три части.

      По характеру скорости удаления влаги называют: первый – период подогрева, второй – период постоянной скорости сушки, третий – период падающей скорости сушки.

    Первый  характеризуется тем, что лишь наиболее мелкие капилляры оказываются в  состоянии подавать влагу к поверхностным  слоям изделия. Количество более  крупных капилляров слишком мало и зеркало испарения в этих капиллярах перемещается вглубь материала, сокращается вся поверхность испарения и скорость сушки.

    Вторая  часть периода наступает тогда, когда последние мелкие капилляры  отрываются от поверхности испарения. На поверхности изделия устанавливается  равновесная влажность, соответствующая параметрам теплоносителя. Зеркало испарения во всех капиллярах передвигается вглубь материала, а возникающий там водяной пар диффиндирует через все возрастающую длину капилляров к поверхности (паропроводность).

    Третья  часть этого периода сушки  наступает, когда наиболее влажная часть изделия достигает гигроскопической влажности. Температура полуфабриката становится равной температуре сухого термометра. Скорость постепенно снижается до нуля, причем в материале устанавливается равновесная влажность, определяемая главным образом параметрами теплоносителя и адсорбционными свойствами массы изделия./7/ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Физико-химические основы процесса обжига 

     Обжигом называется процесс высокотемпературной  обработки материалов, в результате которой кирпич – сырец превращается в камнеподобное тело стойкое к механическим, физическим и химическим воздействиям. Только при обжиге изделия окончательно формируется структура материала, т.е. происходит спекание керамики, в результате чего сырец из конгломерата слабосвязанных частиц превращается в достаточно прочное твердое тело.

      Процесс обжига делится на несколько периодов: нагрев до 200⁰С, досушка – удаление физически связанной влаги из глинистых минералов, дальнейший нагрев до 800⁰С, происходит дегидратация – удаление химически связанной влаги, входящей в состав глинистого вещества и других минералов, повышение температуры до 1000⁰С и выдержка при этой температуре – период созревания черепка, охлаждение изделий, при дальнейшем охлаждении скорость уменьшения температуры повышается.

     При выборе режима обжига необходимо учитывать  все процессы, протекающие в каждом из периодов обжига.

      Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов: скорости подъема температуры обжига, длительность обжига при конечной температуре, характера газовой среды и скорости охлаждения. В процессе нагрева при различных температурах в материале керамических изделий происходит ряд сложных физико – химических явлений, вызывающих изменения его свойств.

      В интервале температур 20 – 150⁰С происходит досушка кирпича – сырца. Досушка производится с целью полного удаления воды затворения и гигроскопической влаги, а также равномерного прогрева массы полуфабриката. Наиболее интенсивно вода удаляется при температуре 80 – 130⁰С. Удаление адсорбционно-связанной воды сопровождается первым эндотермическим эффектом, что связанно с возможностью растрескивания сырца. При этом образуется достаточное количество водяного пара, который при быстром росте температуры выделяется столь бурно, что может разорвать изделие. Температуру нужно поднимать медленно, обеспечивая этим равномерное и своевременное удаление остаточной влаги из полуфабриката.

      Вторая  стадия обжига – подогрев сырца до температуры 800⁰С (до начала упругих деформаций). В период подъема температуры в материале происходят следующие процессы: химически связанная вода начинает удаляться из кирпича – сырца при температуре 350⁰С, а отдача главной массы этой воды идет при температуре 450 – 500⁰С и может продолжаться до 900⁰С, происходит усадка изделия и снижение механической прочности. При температуре 200 – 800⁰С начинается выделение летучей части органических примесей глины и введенных в состав массы выгорающих добавок, а так же окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения.                                 

C + O₂ → CO_2(г)                    

      В этот период материал обладает наибольшей пористостью, способствующий беспрепятственному удалению воды и летучей части  органических веществ. Одновременно с  отдачей химически связанной  влаги оксид железа FeO в результате окисления переходит в оксид железа Fe₂O_3.                                                          

Fe₂O₃·nH2O

Fe₂O₃ + nH₂O

                                             4FeO +O₂ →2Fe₂O₃ 

     Глина меняет окраску, и кирпич приобретает красный цвет. При нагреве до 500 – 600⁰С начинается разрушение каолинита Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈. Процесс дегидратации протекает с образованием метакаолинита                                                            

Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈

Al₂O₃·2SiO₂+2H₂O

      В результате разложения каолинита и  удаления из сырца химически связанной  воды происходит полная потеря пластичности.

      В интервале температур 300 – 1000⁰С происходит разложение карбонатов, содержащихся в глине.

      При температуре ≥450⁰С происходит разложение карбонатов железа FeCO₃                                                             

FeCO₃

FeO + CO₂↑

4 FeO +O₂ →2 Fe₂O₃

      При температуре 450 – 600⁰С разлагается карбонат магния MgCO₃                                                        

MgCO₃

MgO + CO₂↑

      При температуре 900⁰С разлагается карбонат кальция CaCO₃

CaCO₃

CaO+CO₂↑

     Также происходит процесс полиморфного перехода кварца, сопровождающийся изменением объема на 2%.

   Превращения SiO₂ при обжиге  

     
 
 
 
 
 
 

                                                

   Рис.14.