|
Обжиг керамических изделий — завершающая
стадия их изготовления, при которой формируются основные свойства изделий:
плотность, прочность, водостойкость, морозостойкость и др. При обжиге
происходят сложные физико-химические процессы в глинообразую- щих минералах,
примесях, содержащихся в глинах, и добавках.
При нагревании до 200 °С происходит досушка изделия и
удаление физически связанной воды. При дальнейшем повышении температуры до
300—400 °С происходит окисление органических примесей или добавок, выделение
летучих и их сгорание. Выгорание коксового остатка происходит при 700—800 °С.
Оно должно завершиться в период, когда керамический черепок еще остается
пористым и газопроницаемым, иначе могут произойти деформации и растрескивание
изделий.
При нагревании глинистых минералов до 500—600 °С (для
каолинита) и до 700 °С и выше (для других минералов) происходит их
дегидратация с разрушением кристаллической решетки и потерей глиной
пластичности. При более высоких температурах (до 830—850 °С) происходит
распад глинистых минералов на первичные оксиды с образованием -у-глинозема и
кремнезема. В интервале 920—980 °С v-глинозем переходит в а-глинозем п
начинает образовываться новый минерал — муллит
ЗА120З-2Si02. Интенсивность этого процесса увеличивается в
интервале 1000—1200 °С.
Муллит является наиболее ценным кристаллическим
новообразованием в керамических материалах, оказывающим решающее влияние на
прочность, термостойкость и другие свойства изделий. В гидрослюдистых и монт-
мориллонитовых глинах наряду с муллитом в интервале 850—1200 °С образуются
шпинели, которые при 1300 °С расплавляются в стекле. При 1200—1240 °С
происходит кристаллизация кристобалита из аморфного кремнезема. Кристобалит
препятствует спеканию глины, снижает термостойкость изделий, разрыхляет
образующийся при обжиге черепок и увеличивает его водопоглощение. Вредное
действие кристобалита может быть ослаблено введением тонкомолотого
нефелинового сиенита и поле- вошпатных добавок, интенсифицирующих процесс
образования стеклофазы, растворяющей кристобалит.
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.
Карбонатные примеси при нагревании разлагаются с
выделением С02, а оставшийся СаО, вступая в реакцию с компонентами глины,
образует легкоплавкие стекла, снижающие температурный интервал ее спекания,
что ухудшает условия обжига и может привести к деформациям изделий. Железистые
примеси при обжиге в окислительной среде не оказывают существенного влияния
на качество изделий, а при обжиге в восстановительной среде при температуре
ниже 1000 °С восстанавливаются в закисные формы, образуя легкоплавкие
железистые стекла и способствуя уплотнению керамического черепка.
Все рассмотренные процессы, происходящие в глинистых
минералах, добавках и примесях, в значительной мере взаимосвязаны. В
результате взаимодействия различных компонентов шихты происходит спекание
керамических масс. Спекание происходит за счет сил поверхностного натяжения
образующейся жидкой фазы (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и
кристаллизации новообразований. Спекание сопровождается огневой усадкой
изделий. Чем выше температура, тем больше образуется жидкой фазы и тем в
большей степени химически активный расплав растворяет твердые компоненты
массы с образованием новых соединений, а следовательно, интенсивнее
происходит спекание. Однако избыток расплава может привести к деформации
изделий.
Спеканию способствует дисперсность исходных компонентов
массы: чем выше дисперсность, тем больше поверхность контакта частиц и выше
их реакционная способность. Восстановительная газовая среда расширяет
интервал спекания, интенсифицирует процесс спекания и снижает его температуру
на 100—150 °С. Однако при этом наблюдается недожог топлива и очень интенсивно
происходят усадочные процессы, которые могут привести к деформациям изделий.
Для повышения прочности и морозостойкости изделий рекомендуется проводить
комбинированный обжиг: при низких температурах (до 500—600 °С) в
окислительной среде, при высоких температурах (600—900 °С)—в
восстановительной и в зоне выдержки при максимальной температуре — снова в
окислительной.
Процесс обжига условно может быть разделен иа три этапа:
нагрев до максимальной температуры, изотермическая выдержка, охлаждение. Для
каждого температурного интервала и вида изделий расчетно-экспе- риментальным
путем определяют режим обжига.
Для обжига изделий строительной керамики чаще всего
применяют туннельные печи. В таких печах обжигают строительный кирпич,
саиитарно-техническую керамику, канализационные и дренажные трубы, шамотные и
огнеупорные изделия, плитки.
В настоящее время строительство кольцевых печей для обжига
кирпича из-за тяжелых условий труда при садке сырца и выгрузке готовой
продукции прекращено*. Однако еще большая доля кирпича в нашей стране
выпускается в кольцевых печах, поэтому вопросу их реконструкции уделяется
большое внимание. Освоение пакетной садки сырца и запрессовка основной части
топлива в сырец способствуют улучшению условий труда.
За рубежом для обжига плиток, санитарно-техничес- ких
изделий наряду с печами открытого пламени применяют муфельные и электрические
туннельные печи. Недостаток многорядного обжига изделий в туннельных печах —
неравномерность обжига из-за больших перепадов температур, особенно в зонах
подогрева (до 420 °С). Для повышения равномерности обжига и выравнивания
температуры по высоте канала применяют передвижные вентиляторы из жароупорной
стали.
В нашей стране и за рубежом созданы туннельные печи
щелевого типа с однорядным обжигом изделий. Для однорядного обжига
керамических плиток по скоростному режиму в нашей стране НИИстройкерамикой
разработаны туннельные щелевые печи с роликовыми и сетчатыми конвейерами, в
которых сроки обжига сокращены до 17—50 мин по сравнению с 40—80 ч при обжиге
плиток в стопках или капселях в обычных туннельных печах. При этом
разработаны конструкции печей открытого пламени с газовым отоплением,
муфельных печей на газообразном и жидком топливе и электрических печей с
нагревателями типа «зигзаг».
На ряде заводов для политого обжига облицовочных плиток
используют роликовые печи итальянской фирмы «Сити». Обжиг в этих печах
осуществляется на лещад- ках, перемещаемых роликовым конвейером. Укладка и
съем плиток с лещадок, загрузка в печь и их возврат выполняются с помощью
специальных механизмов.
Применение однорядного обжига кирпича в щелевых печах
позволяет сокращать продолжительность процесса до 10 ч, внедрять
автоматизацию садки и выгрузки изделий из печи и повышает качество продукции.
|