48. Химические превращения в глинах при обжиге.

48. Химические превращения в глинах при обжиге.

49. Фазовые превращения, происходящие при обжиге глин.

Главнейшие свойства керамических материалов (прочность, плотность, термостойкость, проницаемость, кислотостойкость и некоторые другие) в значительной степени обусловлены их фазовым составом. Кроме того, на свойства керамических изделий оказывают влияние характер фазовых превращений, последователь-ность образования кристаллических фаз, а также источники их образования. При производстве керамических изделий мономинеральные глины применяются редко. Но и в мономинеральных глинах всегда содержатся примеси, которые оказывают влияние на ход фазовых превращений при обжиге. Применяемые в керамичес-ком производстве глины чаще всего сложены несколькими глинистыми минералами. Характер смеси этих минералов, а также их соотношение влияют на ход фазовых превращений, природу кристаллических фаз и свойства керамических изделий. Поэтому исследование физико – химических процессов, происходящих при обжиге огнеупорных и тугоплавких глин различного минералогического состава, позволит установить необ-ходимые условия при составлении керамических масс, а также выбрать режимы обжига, обеспечивающие получение керамических изделий с заданными свойствами.

50. Модификационные превращения кварца при обжиге керамических изделии.

В примесях, содержащихся в глинах, и добавках при обжиге изделий тоже происходят физико-химические процессы. Песчаные примеси, представленные в основном p-кварцем, претерпевают модификационные превращения с объемными изменениями, наиболее значительными при 573 °С (переход в а-кварц) и 1050 °С (переход в а-кристобалит). Образовавшиеся при обжиге модификации кварца в процессе охлаждения изделия переходят в p-форму тоже с объемными изменениями, которые могут привести к растрескиванию черепка. Кроме того, при охлаждении изделий в них могут возникнуть напряжения в результате перехода материала из пиро- пластического состояния в хрупкое и наличия перепада температур по объему изделия. В связи с этим при обжиге керамических изделий, особенно в период охлаждения в определенных температурных интервалах (800—780 °С, 650—500 °С, 300—200 °С), необходимо уменьшить скорость изменения температуры для локализации напряжений от модификационных превращений кварца, от перепада температур и перехода материала в камнеподобное состояние.

51. Модификационные превращения кварца при обжиге керамических изделии.

Обжиг изделий является конечной и очень важной стадией изготовления кирпича. Его основные отличия от сушки – это наличие более высокой температуры и более жестких, условий выдержки кирпича. К основным деструктивным явлениям в период обжига можно отнести:

- удаление остаточной (после сушки) влаги;

- дегидратацию глинистых минералов;

- выделение летучих газообразных веществ;

- модифицированные превращения кварца;

- термические напряжения на границах раздела отдельных фаз;

- термические напряжения вследствие неоднородного температурного поля в нагреваемом (охлаждаемом) изделии.

Именно в процессе обжига вероятность появления деформаций и нарушений в структуре особенно высока. Рассмотрим механизм действия основных причин на появление трещин и нарушение структуры изделий. Во многих глинах в качестве примесей встречаются карбонаты кальция и магния. В некоторые керамические смеси их вводят в качестве добавки.

Напряженное состояние и сопутствующие ему деструктивные явления возникают также в процессе охлаждения уже обожженных изделий. На этой стадии особо опасны два температурных интервала. Первый при температуре 900–700оС, при котором происходит отвердевание стекловидной фазы с переходом тела обожженного изделия из пиропластического состояния в хрупкое. Второй интервал – 600–550оС, которому соответствуют модификационные превращения кристаллического кварца. Быстрое охлаждение в этом интервале температур приводит к разрыхлению керамического тела, нарушению его монолитности вследствие образования многочисленных коротких волосных трещин – посечек, невидимых невооруженным глазом; изделие при ударе издает глухой звук.

Весь период нагрева и охлаждения изделий необходимо подразделять на отдельные этапы соответственно рассмотренным деструктивным процессам и для каждого назначать локальные температурные режимы скорости нагрева и охлаждения изделий, которые помогут исключить возникновение в изделиях предельных напряжений, обусловленных деструктивными процессами.

52. Влияние газовой среды печи на качество керамических изделий.

Качество керамических материалов во многом зависит от режима обжига. Среди факторов, характеризующих режим обжига, особое значение имеет состав газовой среды в печи, которая может иметь окислительный, восстановительный и нейтральный характер. При этом наибольшие трудности возникают при оптимизации состава восстановительной газовой среды.

Влияние восстановительной газовой среды на обжигаемые керамические материалы связано главным образом с протеканием при термообработке гетерогенных реакций с участием оксидов металлов переменной валентности. Установлено, что в традиционных керамических массах (фарфор, строительная керамика и др. ) интенсификация процесса спекания и повышение качественных показателей связаны с образованием в восстановительной газовой среде соединений с FeO. Выбор состава газовой среды осуществляли обычно исходя из требований обеспечения условий для протекания реакции Fe2O3 FeO.

Восстановительно - окислительные реакции с участием оксидов железа при обжиге керамических материалов, способствующие улучшению их качественных показателей, могут протекать в газовых средах, представленных продуктами сжигания топлива с n< или = 1 даже при незначительной концентрации газов - восстановителей. При этом выбор состава восстановительной газовой среды должен осуществляться исходя не из обеспечения условий для протекания какой-либо отдельной гетерогенной реакции, а из обеспечения возможности протекания процесса обжига всего керамического материала в восстановительной газовой среде. Определяется подобный состав газовой среды при помощи исследования кинетики ее взаимодействия с обжигаемым керамическим материалом с учетом химико - минералогического состава исходных масс и температурно - временного режима обжига. Установлено, что высокоморозостойкие материалы можно получить при поддержании (в интервале температур 800-1100С) восстановительной газовой среды, представленной продуктами сжигания топлива с n=0, 92-0, 97.

53. Оптимальный режим термической обработки

Оптимальный режим термической обработки - это наиболее короткий режим сушки и обжига, позволяющий при наименьших температурах получать наилучшие свойства. Короткий режим оптимален потому, что печь, обеспечивающая требуемую производительность, имеет при этом наименьшие размеры. Туннельная печь, например, с постоянным циклом обжига продолжительностью 48 ч, наполовину короче, чем туннельная печь такой же производительности, но работающая с циклом обжига 96 ч. Наиболее низкая температура оптимальна потому, что при повышенной температуре термической обработки возрастает удельное потребление теплоты. Например, при обжиге фарфора в туннельной печи с температурой 1400 °С удельное потребление теплоты равно 29, 6 МДж/кг. При использовании материала, дающего возможность изготовить при температуре обжига 1300 °С изделия того же ассортимента, та же туннельная печь без какой-либо реконструкции потребует теплоты приблизительно 24, 6 МДж/кг.

Оптимальный режим термической обработки определяется не только составом обрабатываемой массы, он зависит и от размеров и формы изделия, способности подготовки и формовки полуфабриката, вида и типа печи, способов размещения в печи, примененного вида топлива и системы нагрева. Изделия больших размеров, изделия с толстой стенкой черепка, изделия сложного вида, изделия плотно уложенные в печи, необходимо обрабатывать медленнее, чем изделия мелкие, тонкостенные и изделия простой формы. Изделия, изготовленные при формовке на прессах, в частности из массы, подго-товленые из молотого просушенного сырья, можно обжигать с большей скоростью, чем те же изделия, но изготовленные протяжкой из мундштука или методом литья. В печах с редкой садкой можно нагревать изделия с большей скоростью, чем в печах с более плотной садкой, в печах, работающих на газе, допустимо более быстрое изменение температуры, чем в печах, работающих на жидком топливе. Туннельные печи малого сечения позволяют производить более быстрый обжиг, чем периодические печи большого объема даже тогда, когда система отопления большой печи рассчитана на быстрый обжиг.

54. Пластический способ подготовки сырья и применяемое оборудование.

Пластический способ подготовки сырья и приготовления полуфабриката применяют при использовании увлажненных пластичных и рыхлых глинистых пород как однородного, так и неоднородного состава. При пластическом способе производства керамзита в глиняную массу могут вводиться добавки, повышающие склонность к вспучиванию исходного сырья, тогда как при сухом способе, когда полуфабрикат получают непосредственно из природной породы, это исключается.

При переработке по пластическому способу вспучиваются, однородные глинистые породы гранулируются в полуфабрикат определенной формы размером 7-15мм в поперечнике. Более тщательной переработки такому сырью не требуется, так как оно уже самой природой гомогенизировано, и химико-минералогические составляющие в нем распределены равномерно. Это обстоятельство значительно упрощает изготовление гранулированного материала из подобного сырья.

Таким образом, технология обработки однородных глин сводится к их грануляции на упрощенных механизмах типа дырчатых и прессующих вальцов. При этом куски материала можно направлять непосредственно во вращающуюся печь на обжиг или сначала сушить в отдельных сушильных установках. Следует, однако, иметь в виду, что однородное керамзитовое сырье встречается весьма редко. Переработка глинистых пород неоднородного состава по пластическому способу имеет целью разрушение природной структуры сырья, его гомогенизацию и изготовление полуфабриката с размером зерен в пределах примерно 7-15 мм в поперечнике, пригодного для обжига со вспучиванием во вращающихся печах.

Механизм и оборудование для переработки и грануляции сырья выбирают в зависимости от склонности к вспучиванию и физико-механических свойств исходного сырья: влажности, плотности, вязкости, пластичности, однородности состава и т. д. При этом необходимо учитывать, что основная задача переработки неоднородного глинистого сырья по пластическому способу тщательная его гомогенизация в целях разрушения природной структуры, равномерного распределения по всей массе химических и минералогических составляющих, влаги, а также твердых и жидких добавок, применяемых для интенсификации процессов образования керамзита и улучшения его качества.

55. Механизм образования пористой структуры керамических материалов.

56. Способы повышения качества глинистых пород. Механический и физический способы обработки глинистых пород.

Для повышения качества керамических изделий разработано значительное количество способов управления механическими и физико-химическими свойствами глинистых пород, конечной целью которых является разрушение их природной структуры. Процессы направленного структурообразования в таких системах возможны лишь в условиях непрерывного разрушения структур с обратимыми (по прочности) контактами между частицами дисперсной фазы. Изменение энергетического состояния вещества при этом принято называть активизацией.

Известны следующие технологические и физико-химические способы воздействия на глинистые породы с целью улучшения их качества:

- механическая дезагрегация сырья;

- пластическая переработка глинистых дисперсий;

- вылеживание предварительно переработанной массы;

- паропрогрев массы;

- вакуумирование формовочной массы;

- обработка гидрофильными и гидрофобными ПАВ;

- ионный обмен на поверхности частиц глинистых минералов; дегидратация;

- ультразвуковое диспергирование;

- электроимпульсная обработка в водной среде.

Последние четыре способа, несмотря на физико-химическую эффективность, практически не применяются из-за их низкой технологичности, повышенной энерго- и металлоемкости.

Способы активации глинистого сырья в технологии стеновой и строительной керамики в зависимости от характера воздействия подразделяют на физический, механический, химический, биологический, и комплексный.

Механическая обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить или измельчить каменистые включения, гомогенизировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. Каменистые включения выделяют из глины, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины.

К физическим способам активации можно отнести также методы, которые в настоящее время выполнены только на уровне лабораторных исследований: обработка дисперсий высоковольтным импульсным разрядом, магнитная обработка воды затворения, использование ультразвука и др.

Подогрев массы. В глиносмесителе осуществляют паро- или газопрогрев глиномассы при температуре 50-80°С через систему нагревательных трубок, что облегчает работу головки пресса и подготавливает отформованное изделие - сырец к более быстрой сушке.

Вакуумирование. При формовании керамического кирпича и камней используют пресса с вакуум-камерой, в которой создается разряжение порядка 600-740 мм рт. ст. При этом происходит удаление воздуха и частично паров воды из глиномассы, благодаря чему масса становится прочнее в сушке и обжиге. При вакуумировании уменьшается на 1-2% влажность глиномассы и на 25-30 % уменьшается усадка керамических изделий при сушке и обжиге. При формовании более пластичных масс вакуумирование должно быть более глубоким.

Виброформование - технологический прием решения задачи устранения свилеватости в отформованных изделиях. При этом осуществляется вибрация глиномассы при движении в головке и мундштуке пресса. Вибрация способствует своеобразному разжижению глиномассы по всему объему. В настоящее время теория изменения тиксотропных свойств глиняных масс при действии на них вибрации практически не исследована.

57. Химическая активация глинистых материалов. Биологическая обработка глинистых пород.

Химическая активация заключается в том, что в дисперсионную среду вводятся поверхностно-активные вещества, электролиты или водорастворимые полимеры - универсальные регуляторы свойств технических дисперсий. Химическая активация суглинков с помощью ПАВ улучшает не только реологические и сушильные свойства масс, но и качество обожженных изделий: марка кирпича повышается на 1-2 единицы, Кроме поверхностно-активных веществ в технологии широко используются электролиты, щелоче- и кислотосодержащие добавки-отходы. Введение в глиномассу добавок слабоконцентрированной (рН 4, 5-5, 0) ортофосфорной кислоты способствует снижению кажущейся энергии активации твердофазных реакций и интенсификации в них процессов силикатообразования и диссоциации кальцита. Гидролизный лигнин, имеющий в своем составе химически активные компоненты комплексно воздействует на свойства глиномасс.

Одним из методов регулирования свойств грунтов, в том числе глинистого сырья, является использование жизнедеятельности бактерий, участвующих в разложении органических веществ и разрушении глинистых минералов.

Наибольшей степени воздействия бактерий подвергается монтмориллонит (разрушается 62, 3 % массы исходного минерала, переходит в раствор 48, 9 %), гидрослюда (соответственно 38, 1 и 29, 6 %) и каолинит (33, 4 и 23, 1 %). Кварц практически не разрушается.

Разрушение и растворение минералов силикатными бактериями связывают с действием выделяемых ими органических кислот, катализируемых ферментами. Водорастворимые соединения, образующиеся под воздействием бактерий на минералы, проявляют себя в комплексе как поверхностно-активные вещества.

Практический опыт использования биологических методов активации глинистого сырья показал их высокую эффективность за счет повышения качества шихты, снижения топливно-энергетических затрат при изготовлении изделий и улучшения физико-механических свойств керамического черепка.

Заслуживает внимание исследователей метод комплексной активации глинистых пород, а также активация глиномасс и глинопорошков на стадии их перемешивания, формования и грануляции. Поверхностная обработка сырцовых гранул активными химическими реагентами обеспечит хорошую влагопроводность отформованных изделий и спекаемость их при обжиге.

58. Современные способы производства изделий строительной керамики. Комбинированный и шликерный способы производства изделий.

Технологический процесс изготовления изделий стеновой керамики включает следующие основные операции: переработка глиняной массы, формование изделий, их сушка и обжиг.

В настоящее время приняты следующие способы изготовления керамических изделий: пластический; жесткое формование; полусухое прессование; комбинированный способ, шликерное литье.

При пластическом методе формования влажность шихты в зависимости от свойств глиняного сырья, находится в пределах от 18 до 22 %. При жестком методе формования формовочная влажность на 3-4 % ниже, чем при пластическом. Полусухой способ производства изделий предусматривает формование из сыпучих масс влажностью 8-12 %.

Комбинированный способ. При этом способе глинопорошок готовится по технологии полусухого прессования с последующим его затворением водой до формовочной влажности и формованием изделий по пластической технологии. Такая технология обеспечивает высокую степень гомогенизации и качества керамических изделий.

По шликерному способу исходные материалы предварительно измельчают и тщательно смешивают с большим количеством воды (влажность смеси до 40 %) до получения однородной текучей массы (шликера). Шликер используют непосредственно для изготовления изделий (способ литья) или для приготовления пресспорош-ка, высушивая его в распылительных башенных сушилках. Шликерный способ применяют в технологии фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток.

59. Технология производства керамических изделий полусухим способом прессования. Преимущества и недостатки.

Технологический процесс производства методом полусухого прессования включает следующие операции: добычу, доставку, переработку и хранение глинистого сырья и добавок; приготовление пресс-порошка; хранение пресс-порошка; полусухое прессование пресс-порошка под давлением 15-20 МПа; сушку и обжиг кирпича-сырца (возможно совмещение сушки и обжига в одном агрегате); приемку, упаковку, складирование и отправку потребителю готового кирпича.

Подготовку пресс-порошков из глин с повышенной влажностью 18-25 % рекомендуется производить с одно- или двухстадийной сушкой и с последующим его измельчением до крупности не более 3 - 5 мм. Глины предварительно подсушенные, а также глины с пониженной карьерной влажностью 13-17% (сланцевые, аргиллиты, туфоаргиллиты и другие материалы с влажностью до 14%) рекомендуется измельчать с одновременной подсушкой до крупности не более 2 мм.

В современной технологии существует два основных способа подготовки пресс-порошков: сушильно-измельчительный (помольный) и шликерный (при обезвоживании в башенных распылительных сушилках и реже в фильтр-прессах). Каждый из этих способов имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Последний применяется для производства керамических плиток.

Преимущества:

- Высокая плотность изделий

- Малая усадка, можно сразу обжигать

- Автоматизация производства, высокая производительность

Недостатки:

- Неоднородность изделия из-за неравномерного распределения механических напряжений (так делают только керам. плитки и кирпичи) Лучше прессовать, чтобы высота была в 10 раз больше. Самое высокое давление в верхних углах

- При снятии давления газ расширяется, и могут быть микроразрушения

- Может быть вовлечен воздух

60. Технология производства керамических изделий пластическим способом формования. Преимущества и недостатки.

При пластическом способе производства глинистые породы подвергают механической обработке, при которой свойства керамической массы изменяются в результате механического воздействия на нее рабочих органов глинообрабатывающих машин. При этом из глинистой породы выделяются каменистые включения, разрушается ее текстура, осуществляется гомогенизация массы и улучшения ее технологические свойства.

Первой стадией переработки является разрушение кусков глинистой породы, которое осуществляется глинорыхлителем, установленным над ящичным подавателем.

После предварительной переработки глину подвергают тонкому измельчению. Целью тонкого измельчения является разрушение водопрочных оболочек, связывающих зерна глинообрабатывающих минералов, частичное разрушение самих зерен и освобождение молекулярных связей, за счет которых глина будет гидратироваться, присоединяя большое количество связанной воды. Второй стадией грубого дробления является измельчение глины до размеров 10-15 мм. Вязкие пластичные глины перерабатывают на гладких дифференциальных вальцах грубого помола.

Выдавливание, протяжка, раскатка, набивка, штампование, лепка

Преимущества:

- усилия относительно небольшие для формования таким способом. Внутреннее трение частиц должно превышать трение частиц о поверхность.

- Автоматизация производства и высокая производительность

Недостатки:

- Тяжело получить однородный полуфабрикат.

- Образование текстур (выливается в трещины при сушке)

- Значительная усадка из-за влаги

- Надо уплотнять пластическую массу (обычно вибропрессованием, набивкой)

- Сложнее приготовить однородную массу (больше затрат времени и энергии)

⇐ Предыдущая 1 2 3 45