Файл: Кашкаев, И. С. Производство глиняного кирпича учеб. пособие.pdf

Г л а в а XI

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ОБЖИГЕ КИРПИЧА

§ 50. СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ОБЖИГЕ

Обжигом называется процесс высокотемпературной обработки материалов, в результате которой сырец превращается в камнепо­ добное тело, стойкое против механических, физических и химиче­ ских воздействий.

Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов: скорости подъема температуры, конечной температуры обжига, длительности выдержки при конечной температуре, харак­ тера газовой среды и скорости охлаждения. Таким образом, для то­ го чтобы установить вляние режима обжига на свойства готовой продукции, необходимо прежде всего выявить влияние на эти свой­ ства 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 и н т е р в а л е т е м п е р а т у р 0—150° С происходит досушка сырца. При этом образуется значительное количество водяного па­ ра, 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 хрупкий и возможны его механические повреждения при транспор­ тировании 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 образуют­ ся микротрещины, которые при дальнейшей термической обработ­ ке увеличиваются и резко снижают качество.

В связи с этим оптимальная влажность загружаемого в печь сырца должна составлять 3—8%. Ускоренный обжиг сырца такой влажности невозможен, если досушку в печи производить в основ­ ном за счет интенсивного подъема температуры. В этих условиях поверхность материала, быстро высохнув, продолжает сильно на­ греваться. Внутри же материала температура постепенно повыша­ ется до 100° С, удерживаясь на этом уровне 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 до­ сушку производить за счет увеличения скорости газового потока при умеренном повышении его температуры (порядка 50—

191

80 град/ч), то процесс происходит весьма интенсивно (примерно 200 г/ч влаги с одного кирпича) при незначительных температур­ ных перепадах по толще сырца (20—30° С) и без ущерба для ка­ чества продукции.

Следовательно, при соблюдении необходимых условий теплооб­ мена досушка сырца влажностью 3—8% может быть проведена за

1— 2 ч.

В и н т е р в а л е т е м п е р а т у р 150—800° С происходит дегид­ ратация— 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 пример­ но с 350° С, а отдача главной массы этой воды идет при температу­ ре 450—500° С и может продолжаться до 900° С. При этом проис­ ходит усадка изделий и снижение их механической прочности. При температуре 200—800° С выделяется летучая часть органических примесей глины и введенных в состав шихты при формовке выго­ рающих добавок, а также окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения.

Вэтот период материал обладает наибольшей пористостью, способствующей беспрепятственному удалению воды и летучей части органических веществ и запрессованного топлива. Одновре­ менно с отдачей химически связанной влаги закись железа FeO в результате окисления переходит в окись железа Fe203. Глина ме­ няет окраску, и кирпич приобретает красный цвет.

Винтервале температур 300—1000° С происходит разложение

карбонатов (при 300—400° С — карбонатов железа FeC03; 600— 700° С — карбонатов магния MgC03; 800—900° С — карбонатов кальция СаС03). Этот период нагрева, включая период дегидрата­

Во время формовки в сырец вводят 60—80% топлива от необходи­ мого для обжига. Это усиливает значение реакции при выгорании органических веществ в глине. Весьма важным при обжиге сырца с запрессованным топливом является темп нагрева изделий. При интенсивном подъеме температур в интервале до 800° С усиленно выделяются газообразные продукты горения, которые препятству­ ют проникновению кислорода внутрь материала. В этот период часть топлива взаимодействует с кислородом ряда окислов, входя­ щих в состав глины, и с кислородом продуктов частичного восста­ новления паров воды и углекислоты, выделяющихся при обжиге глины. Летучая часть топлива в этих условиях проникает через по­ ры изделия к поверхности, где, соприкасаясь с кислородом, сгора­ ет. При этом внутри образца образуется восстановительная среда, о чем свидетельствует чернота в изломе обожженного изделия. По­

192

тери в массе при прокаливании такого образца после обжига не наблюдаются.

Получаемые в период упругих деформаций при быстром подъе­ ме 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 подъе­ ме температуры, либо же на его поверхности при большой скоро­

сти подъема температуры сырца; б) выгорание части топлива как летучей, так и коксового ос­

татка за счет восстановления окислов железа частично и за счет восстановления паров воды и углекислоты;

в) выгорание коксового остатка топлива за счет диффузии кис­ лорода 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. Скорость выгорания при повыше­ нии температуры сначала вследствие повышения скорости реакции, увеличения пористости, ускорения процесса диффузии газов и уве­ личения соотношения СО : С 02 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° С ниже максимальной темпе­ ратуры обжига.

Рекомендуется нагревать сырец в печи с максимально допусти­ мой скоростью до температуры, соответствующей наибольшей ско­ рости выгорания запрессованного топлива в сырец, затем выдер­ живать при этой температуре в окислительной атмосфере до пол­ ного выгорания остатков углерода.

Дальнейший подъем температуры производится за счет сжига­ ния дополнительного количества топлива, подаваемого извне.

водный алюмосиликат-муллит, значительно улучшающий физико­

ской решетки глинистых минералов и значительными структурны­ ми изменениями черепка, опасен в отношении трещинообразования.

Допустимая скорость подъема температур в период структурных изменений от 800° С до максимальной температуры для полнотело­ го кирпича составляет 100—150 град1ч, а для эффективных изде­ лий 200—220 град/ч.

Для уменьшения трещиноватости изделий в этот период обжи­ га (850—900° С) для глин, чувствительных к обжигу, рекомендует­ ся вводить в состав шихты отощаюгцие добавки (шамот, дегидра­ тированную 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 увеличи­ вается количество расплава, соответственно уменьшается упругость массы, в результате чего возникает остаточная деформация под на­ грузкой и, наконец, деформация изделий.

Подъем температуры при обжиге кирпича прекращается на этапе, обеспечивающем появление минимально необходимого ко­ личества 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.

Одна и та же степень созревания черепка может быть достигну­ та при кратковременном обжиге и высокой конечной температуре или, наоборот, при длительном обжиге, заканчивающемся при бо­ лее низкой температуре. Чем выше температура обжига, тем ин­ тенсивнее проявляется спекание массы в результате диффузии частиц. Практически максимальная температура ограничивается неравномерностью температурного поля как по сечению печи, так и по объему изделия.

лия, более полного созревания черепка и протекания реакций. Выдержка изделий при максимальной температуре обжига не­

обходима также и для выравнивания температуры по сечению об­ жигательного канала печи и зависит как от конструкции печи, так и от садки и метода сжигания топлива.

обжига, чем нагревание.

В начальный период охлаждения при падении температуры на

194