Физико-химические основы производства керамического кирпича

     Этот  период является практически безопасным. Происходит процесс спекания.

      Четвертая стадия обжига  (взвар) – характеризуется достижением максимально допустимой температуры обжига изделий, созреванием черепка и выдержкой, осуществляемой обычно при температуре 900—1050°С. Поднимают температуру осторожно, так как при 800—900°С возникают упругие деформации, что связано с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительными структурными изменениями черепка.

Эта стадия применяется для выравнивания температуры по всей толщине изделия, обеспечивающего равномерное распределение жидкой фазы. Эта выдержка необходима также для выравнивания температуры сечения обжигательной печи, так и от садки и метода сжигания топлива.

Физико-химические превращения, начинающиеся в этом периоде и протекающие более интенсивно при дальнейшем повышении температуры, оценивают по-разному.

      Так, при нагревании, например, каолинита  последний распадается на свободные  окислы с образованием γ-глинозема и кремнезема, далее образуется силлиманит А1₂О₃2SiO₂ и SiO₂ и соединение метастабильной структуры типа метакаолинита А1₂О₃2SiO₂, имеющего скрыто-кристаллическое, почти аморфное строение, а затем муллит ЗА1₂О₃2SiO₂ и другие соединения. Процессы образования новых соединений сложны, протекание их связано с образованием промежуточных соединений, наличием расплава, условиями нагрева и др.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

      Период  взвара характеризуется изменением огневой усадки,    начинающейся при температуре 750—850°С, в зависимости от свойств сырья, и заканчивающейся к моменту достижения конечной температуры обжига. Вязкость массы изделий и пористость при 900—950°С резко снижаются, в особенности у сырца из сырья, богатого карбонатами. Диссоциация карбонатов к этому времени почти полностью заканчивается. Окислы щелочных и щелочно-земельных металлов, делая глину легкоплавкой, способствуют быстрому размягчению ее за счет увеличения количества расплава и тем самым резко уменьшают пористость массы изделий. Материал изделий переходит в пиропластическое состояние. Железосодержащие минералы наряду со щелочами являются наиболее легкоплавкими составляющими, особенно закись железа FеО, так как плавится она при температуре на 150—200°С ниже, чем Fе₂О₃. Поскольку в глинах железо чаще всего встречается в виде окиси (Fе₂О₃), переход ее в закись возможен только в восстановительной среде, получаемой при сгорании топлива, запрессованного в изделия, или при вводе воды в печь на конечной стадии обжига. Поэтому обжиг изделий в восстановительной среде при температуре 900—1000°С равносилен обжигу в обычной (окислительной) среде при 1050—1100° С без риска деформации изделий.

      Для выравнивания температуры в печи и более полного протекания физико-химических процессов в конце взвара производится выдержка 3-5 ч.

      Краткосрочная выдержка также способствует интенсивному протеканию превращений кремнезема, образованию муллита, хотя завершение этих процессов переносится в  область более высоких температур, чем температуры обжига изделий. Поэтому нарастание прочности черепка изделий, начинающееся при температуре 800—850°С и продолжающееся до конца обжига (900—1050° С), объясняется не столько влиянием вновь образующихся соединений (из-за недостаточных для их образования температур и времени), сколько действием расплава, который, благодаря энергии поверхностного натяжения, сближает и связывает более крупные частицы массы, — дегидратированные частицы глинистого вещества и зерна кварца. Прочность охлажденного расплава (стекловидной фазы) достигает 490— 588 кгс/см² (5000—6000 гс/см²).

      В изделиях пластического формования глинистые частицы более равномерно распределяются в массе заполнителя (кварцевые зерна, шамот и др.), обволакивая его зерна. При обжиге образующаяся на поверхности зерен заполнителя жидкая фаза цементирует их. Проникая в трещины и поры, расплав еще больше увеличивает прочность связи./3,7/

     Спекание.

     Начиная с 700⁰С и выше, щелочи, находящиеся в глине, вступают во взаимодействие с другими компонентами глины, образуют расплав, количество которого также возрастает с повышением температуры.

         При спекании керамики протекают разнообразные физические и химические процессы – уменьшение объема и пористости тела; разложение исходных сырьевых материалов; полиморфные превращения; химические реакции взаимодействия с образованием новых кристаллических, стекловидных и газовых фаз; растворения кристаллов в расплаве или кристаллизация их из расплава.

     Основными признаками спекания керамики являются повышение плотности и механической прочности, снижение пористости и водопоглощения материала.

      Жидкостное  спекание характерно для всех видов  керамических материалов на основе глинистого сырья. Образование жидкой фазы в  материале при высоких температурах обусловлено присутствием легкоплавких компонентов как примесных, так и специально вводимых в массу для ускорения спекания керамики и регулирования ее свойств. При жидкостном спекании могут возникнуть два варианта: когда твердые частицы не взаимодействуют с образовавшимся расплавом и когда происходит взаимодействие между твердой фазой и жидкой фазами. Первый вариант практического значения не имеет, поскольку в чистом виде этот процесс не протекает. Но в ряде случаев растворение бывает незначительным и не влияет на механизм спекания.

     

     Модель  жидкостного спекания                                                    

  

1 – спекание без взаимодействия между твердой и жидкой фазами

2 – спекание при  взаимодействии между  жидкой и твердой  фазами

Рис.15.

      Модель  жидкостного спекания показана на рис.15. В начале процесса между двумя твердыми частицами (условно сферическими) образуется прослойка жидкости с резко вогнутой кривизной поверхности на границе с газовой средой. Наблюдается склеивание твердых частиц. Под действием сил поверхностного натяжения расплава и возникающего капиллярного давления происходит стягивание частиц друг к другу и перемещение жидкости из зоны контакта в пространство пор. Происходит слипание центров двух частиц.

      Наиболее  важные факторы для данного процесса спекания – это вязкость, ее изменение при спекании и размер частиц. Поверхностное натяжение расплава в керамических массах меняется мало и решающего влияния на усадку не оказывает. Для спекания нужно обязательно хорошее смачивание твердой фазы расплава. С уменьшением вязкости расплава спекание ускоряется, однако чрезмерное снижение вязкости не допустимо, так как это может вызвать деформацию изделия под действием силы тяжести.

      Еще один вид жидкостного спекания, более  распространенный, сопровождается взаимодействием  жидкой фазы с твердой. Спекание, как и в первом случае, начинается с образования расплава, сближения частиц по действием сил поверхностного натяжения и уплотнения системы. На первой стадии происходит взаимодействие и растворение твердой фазы в жидкой. По мере насыщения расплава отмечается кристаллизация кристаллической фазы из расплава. В первую очередь растворяются мелкие кристаллы и выпуклые участки других кристаллов. Выпадающие из расплава кристаллы осаждаются на выгнутых или плоских поверхностях крупных частиц. Осуществляется перенос вещества через расплав, при этом укрупняются кристаллы, сглаживается их поверхность, что обеспечивает более плотную упаковку твердой фазы в системе. Вначале растворяются зоны контактов зерен, центры сближаются, в результате наблюдается усадка и уплотнение материала в более высокой степени, чем при чисто жидкостном спекании. Кроме того, спекание заканчивается меньшем количестве расплава (20 – 25%), в то же время как без взаимодействия фаз для полного спекания необходимо 35 – 40% расплава.

      Для жидкостного спекания при взаимодействии с твердой фазой имеют значения не только физические свойства расплава (вязкость, поверхностное натяжение), но и его строение. Установлено, что если в расплаве есть группировки (сиботаксические групп), сходные по строению со спекаемой кристаллической фазой, то взаимодействие идет интенсивнее. Таких группировок будет больше, если состав расплава лежит в поле кристаллизации данной твердой фазы.

      В реальных условиях жидкостное спекание можно интенсифицировать путем  повышения температуры, введения добавок, увеличивающих общее количество расплава, снижающих его вязкость и изменяющих структуру.

      В качестве жидкой фазы выступают легкоплавкие эвтектики сложного состава на основе Na₂O, K₂O, CaO, Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ при Т>800⁰С./3/

     Стадии  спекания:

1 –  участок до начала спекания, когда  отмечается только термическое  расширение изделия;

2 –  участок процесса спекания усиливающегося  с увеличением температуры, наблюдается  усадка, уменьшается пористость;

3 –  участок «спекшегося состояния», соответствует максимальным значениям плотности и усадки, пористость представлена, главным образом, закрытая пористость;

4 –  участок пережога керамики, когда  происходит вспучивание, увеличивается  пористость, снижается прочность.                                                                                                   

Изменение плотности и пористости керамики в процессе обжига 

 1-плотность; 2, 3-соответственно истинная  и открытая пористость.  

Рис.16. 

      Охлаждение начинается небольшой зоной «закала» и характеризуется медленным понижением температуры (около 30°С в час) до 550—500° С без отбора тепла для избежания внутренних напряжений и растрескивания изделий.

      Появление трещин скорее всего возможно в интервале температур 600—400°С в результате полиморфных превращений кварца (при 573° С) и перехода расплава из вязкого в твердое состояние. Поэтому при использовании в качестве отощающей добавки крупнозернистого кварцевого песка (размером 0,6— 1,2 мм) скорость охлаждения должна уменьшаться на 15—20% по сравнению со скоростью охлаждения при использовании мелкозернистого песка.

      Дальнейшее  охлаждение до конечной температуры 40—50°С происходит быстро, и допускаемая величина температурного перепада возрастает до 120—125 град в час.

      Продолжительность обжига изделий зависит от материала обжигаемых изделий и его физических свойств (теплопроводности, плотности, механической прочности и др.), температуры обжига, скорости изменения температуры, типа и плотности садки, вида обжигаемых изделий (размера, формы, сложности), типа и состояния печи, условий сжигания топлива, теплоотдачи и движения газов в рабочем канале печи. Общая продолжительность обжига кирпича и керамических камней 48—80 ч в кольцевых, 18—36 ч в туннельных и 6—8 ч в щелевых печах при однорядной садке изделий./3,7/ 
 
 
 
 
 
 
 

 

Заключение 

     В данной курсовой работе приведена химико-минералогическая характеристика сырьевых компонентов, а также рассмотрены физико-химические процессы, протекающие при измельчении, формовании, сушке, и обжиге  керамического кирпича. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы 

1. Бобкова Н.М. Физическая химия силикатов –М.: Высшая школа, 1977, - 267с.

2.Августиник А.И. Керамика-М.:Стройиздат, 1975, - 592с.

3.Бобкова Н.М.,Дятлова Е.М.,Куницкая Т.С. Общая технология силикатов –М.: Высшая школа, 1987, - 288с.

4. Щипалов Ю.К. Физико-химические основы технологии вяжущих материалов: Учеб. пособие / Иван. хим.-технол. ин-т. – Иваново, 1979, - 90с.

5.Горшков В.С. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. – М.: Высшая школа, 1988, - 400с.

6. Химическая технология керамики / Под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003, - 493с.

7. Мороз Н.И.  Технология строительной керамики. – К.: Вища школа, 1972, - 414с.

8. Торопов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия. – Л.: Стройиздат. 1972, -  505с.