Сведения о процессах, протекающих при обжиге

Обжигом называется процесс высокотемпературной обработки материалов, в результате которой сырец превращается в камнеподобное тело, стойкое против механических, физических и химических воздействий.
Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов: скорости подъема температуры, конечной температуры обжига, длительности выдержки при конечной температуре, характера газовой среды и скорости охлаждения. Таким образом, для того чтобы установить влияние режима обжига на свойства черепка, необходимо прежде всего выявить влияние на эти свойства каждого из вышеперечисленных факторов.

В процессе нагрева при различных температурах в материале керамических изделий происходит ряд сложных физико-химических явлений, вызывающих изменение его свойств.

В интервале температур 0–150° происходит досушка сырца. При этом образуется значительное количество водяного пара, который при быстром подъеме температуры выделяется столь бурно, что может разорвать изделие. При скоростном обжиге это наиболее опасный для изделия этап. Он может быть исключен из режима обжига, если в печь поступает абсолютно сухой сырец.
Однако получение такого сырца в производственных условиях сопряжено с большими трудностями. Кроме того, такой сырец является хрупким и возможны его механические повреждения при транспортировании и садке. Следует также иметь в виду, что высушенные до низкой остаточной влажности керамические изделия во время выгрузки их из сушилки, транспортирования и садки в печь могут насыщаться влагой из внешней среды, в результате чего образуются микротрещины, которые при дальнейшей термической обработке увеличиваются и резко снижают качество.

В связи с этим оптимальная влажность загружаемого в печь сырца должна составлять 5—8%. Ускоренный обжиг сырцатакой влажности невозможен, если досушку в печи производить в основном за счет интенсивного подъема температуры. В этих условиях поверхность материала, быстро высохнув, продолжает сильно нагреваться. Внутри же материала температура постепенно повышается до 100°, удерживаясь на этом уровне вплоть до полного удаления влаги, что приводит к значительным температурным перепадам между поверхностью и внутренней частью изделия и, как следствие, к чрезмерным напряжениям и появлению трещин. Однако, если досушку производить за счет увеличения скорости газового потока при умеренном повышении его температуры (порядка 50–80 град, ч), то процесс происходит весьма интенсивно (примерно 200 г/ч с одного кирпича) при незначительных температурных перепадах по толще сырца (20–30°) и без ущерба для качества продукции.

Следовательно, при соблюдении необходимых условий теплообмена досушка сырца с влажностью 5—8% может быть проведена за 1—2 ч. В интервале температур 150–800° происходит дегидратация— удаление химически связанной воды, входящей в состав глинистого вещества и других минералов. При этом разрушается кристаллическая решетка материала и глина теряет пластические свойства. Удаление химически связанной воды начинается примерно с 350°, а отдача главной массы этой воды идет при температуре 450–500° и может продолжаться до 900°. При этом происходят усадка изделий и снижение их механической прочности. При температуре 200–800° выделяется летучая часть органических примесей глины и введенных в состав шихты при формовке выгорающих добавок, а также окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения.
В этот период материал обладает наибольшей пористостью, способствующей беспрепятственному удалению воды и летучей части органических веществ и запрессованного топлива. Одновременно с отдачей химически связанной влаги закись железа FeO в результате окисления переходит в окись железа Fe203, при этом глина меняет свою окраску и кирпич приобретает красный цвет.
В температурном интервале 300–1000° происходит разложение карбонатов (300–400° — карбонатов железа FeC03; 600–700° —карбонатов магния MgC03; 800–900° —карбонатов кальция СаС03.) Этот период нагрева, включая период дегидратации и модификационных изменений кварца, является практически безопасным даже при обжиге глин, чувствительных к этому процессу, и его можно производить с высокой скоростью (250–300 град/ч).

Выдержку изделий при 800° применяют для выгорания коксового остатка при искусственном введении топлива в сырец. Во время формовки в сырец вводят 60—80% топлива от необходимого для обжига. Это усиливает значение реакции при выгорании органических веществ в глине. Весьма важным при обжиге облицовочного кирпича с запрессованным топливом является темп нагрева изделий. При интенсивном подъеме температур в интервале до 800° усиленно выделяются газообразные продукты горения, которые препятствуют проникновению кислорода внутрь материала. В этот период часть топлива взаимодействует с кислородом ряда окислов, входящих в состав глины, и с кислородом продуктов частичного восстановления паров воды и углекислоты, выделяющихся при обжиге глины. Летучая часть топлива в этих условиях проникает через поры изделия к поверхности, где, соприкасаясь с кислородом, сгорает. При этом внутри образца образуется восстановительная среда, о чем свидетельствует чернота в изломе обожженного изделия. Потери в весе при прокаливании такого образца после обжига не наблюдаются.
Получаемые в период упругих деформаций при быстром подъеме температур закисные соединения железа, являющиеся более сильными плавнями по сравнению с окисью железа, способствуют получению спекшейся сердцевины в обожженных изделиях, что значительно повышает их механическую прочность.

Выгорание топлива в черепке происходит следующим образом:

а) горение летучей части топлива, выделяющейся при нагреве изделий, которое происходит внутри черепка при медленном подъеме температуры, либо же на его поверхности при большой скорости подъема температуры сырца;

б) выгорание части топлива как летучих, так и коксового остатка за счет восстановления окислов железа частично и за счет восстановления паров воды и углекислоты;

в) выгорание коксового остатка топлива за счет диффузии кислорода внутрь черепка.

Скорость выгорания топлива тем выше, чем:

а) меньше толщина изделий (продолжительность выгорания коксового остатка топлива в черепке пропорциональна квадрату его толщины);

б) выше скорость движения газов;

в) выше газопроницаемость изделий;

г) равномернее распределение скоростей газового потока по сечению печи;

д) мельче частицы топлива;

е) больше содержание мелкодисперсных карбонатов в глине.

Кроме того, на скорость выгорания топлива большое влияние оказывает температура обжига пустотелого одинарного кирпича. Скорость выгорания при повышении температуры сначала вследствие повышения скорости реакции, увеличения пористости, ускорения процесса диффузии газов и увеличения соотношения СО : С02 в зоне выгорания углерода быстро возрастает, а затем вследствие появления жидкой фазы в черепке и последующего его спекания начинает быстро падать. Обычно температура, при которой скорость выгорания имеет максимальное значение, на 50—100° ниже максимальной температуры обжига.

Рекомендуется нагревать сырец в печи с максимально допустимой скоростью до температуры, соответствующей наибольшей скорости выгорания запрессованного топлива в сырец, затем выдерживать при этой температуре в окислительной атмосфере до полного выгорания остатков углерода.

Дальнейший подъем температуры производится за счет сжигания дополнительного количества топлива, подаваемого извне.
В интервале температур от 800° до максимальной глинозем А1203 и кремнезем Si02 соединяются в безводный алюмосиликат-муллит, значительно улучшающий физико-механические свойства изделий.

Этот период нагрева, связанный с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительными структурными изменениями черепка, наиболее опасен в отношении трещинообразования.

Допустимая скорость подъема температур в период структурных изменений от 800° до максимальной температуры для полнотелого кирпича составляет 100–150 град/ч, а для эффективных изделий 200–220 град/ч.
Для уменьшения трещиноватости изделий в этот период обжига (850–900°) для глин, чувствительных к обжигу, рекомендуется вводить в состав шихты отощающие добавки (шамот, дегидратированную глину и др.), повышающие пористость сырца, что обеспечивает осуществление скоростных процессов нагрева на всем протяжении обжига.

При высокой температуре в зависимости от вида находящихся в глине легкоплавких примесей и состава газовой среды начинает образовываться жидкая фаза. С повышением температуры увеличивается количество расплава, соответственно уменьшается упругость массы, в результате чего возникает остаточная деформация под нагрузкой и, наконец, деформация изделий.
Подъем температуры при обжиге кирпича прекращается на этапе, обеспечивающем появление минимально необходимого количества жидкой фазы для образования спаек или связок между дегидратированными частицами глинообразующих минералов, декарбонизированными частицами известняка и зернами кварца, что создает условия для достаточной механической и атмосферной стойкости изделия.

При определенном минералогическом составе сырья и макси-мально допустимой температуре обжига существует предел спекаемости массы, характеризующий его технические качества. Задача рационального обжига заключается в том, чтобы как можно ближе подойти к этому пределу без повреждения изделий, т. е. без деформации под нагрузкой.
Одна и та же степень созревания черепка может быть достигнута при кратковременном обжиге и высокой конечной температуре или наоборот при длительном обжиге, заканчивающемся при более низкой температуре. Чем выше температура обжига, тем интенсивнее проявляется спекание массы в результате диффузии частиц. Практически максимальная температура ограничивается неравномерностью температурного поля как по сечению печи, так и по объему изделия.

Выдержку изделий при максимальной температуре обжига применяют для выравнивания температуры но всей толще изделия, более полного созревания черепка и протекания необходимых реакций.

Выдержка изделий при максимальной температуре обжига необходима также и для выравнивания температуры по сечению обжигательного канала печи и зависит как от конструкции печи, так и от садки и метода сжигания топлива.
Охлаждение изделий после выдержки при максимальной температуре обжига является не менее ответственным периодом обжига, чем нагревание.

В начальный период охлаждения на кирпичном заводе "Стройпластполимер" при падении температуры на 100—200° керамические материалы претерпевают термическое сжатие и деформируются пластически, подвергаясь незначительным нагрузкам. В этом периоде при быстром охлаждении в изделии могут появиться трещины. В связи с этим величина температурного перепада по толще изделий не должна превышать 25–30°.
Охлаждение после 750–800 до 600° можно значительно ускорить. Допустимая интенсивность охлаждения па этом участке составляет для полнотелого кирпича 250–300°, а для эффективных изделий 350–400° в час.

Охлаждение изделий в интервале температур 650–500° характеризуется модификационным изменением кварца (573°) с уменьшением объема на 0,82%. Скорость охлаждения на этом участке не должна превышать 200° в час.

Допустимая скорость охлаждения после достижения изделием температуры 500° составляет 500–600° в час и ограничивается лишь условиями внешнего теплообмена.

Таким образом, кирпич высокого качества может быть получен при весьма коротких сроках обжига (для полнотелого кирпича 9–11 ч, для эффективных изделий — 7–8 ч). Однако оптимальные режимы обжига не могут быть полностью реализованы в промышленных печах.

« Назад к списку статей