Лекция 11. Теоретические основы высокотемпературных процессов обработки строительных материалов и изделий (2 часа)

11.1. Общие сведения

В технологии силикатов основные свойства материалов и изделий приобретаются в процессе обжига.

Обжиг – это нагрев и выдержка при высокой температуре различных материалов с целью придания им необходимых свойств. Так получают кирпич, керамическую, фарфоровую, фаянсовую посуду, санитарно-технические изделия, заполнители, вяжущие вещества. Обжиг осуществляется в обжиговых печах. При этом в исходном сырье происходят сложные физические, химические и физико-химические изменения, которые сопровождаются конструктивными (конструирующими, т. е. создающими новый материал) и деструктивными (разрушающими) процессами. Если в обжигаемом изделии превалируют деструктивные процессы, то нарушения структуры практически необратимы.

От правильного ведения обжига зависят расходы топлива, электроэнергии и затраты труда. Суммарные затраты на обжиг составляют 35...40 %, а потери от брака почти 10 % себестоимости товарной продукт и.

Режим обжига включает такие параметры, как температура, время и характер газовой среды. Процесс обжига состоит из следующих периодов: прогрев до температуры обжига, выдержка при этой температуре и охлаждение. Длительность каждого периода определяют отдельно.

Длительность прогрева тем больше, чем выше влажность полуфабриката, поступающего на обжиг. В противном случае вода внутри материала превращается в пар, требующий значительно большего объема и разрушающий стенки пор и капилляров. Особенно опасен участок температур до 250 °С, так как удаление физически связанной и аллофаноидной воды может привести к аналогичным последствиям. При температурах дегидратации глины также может произойти нарушение структуры и даже взрыв черепка. С потерей влаги связана и усадка сырца, которая может привести к появлению трещин в обжигаемом изделии. Скорость нагрева не должна вызывать недопустимых (перепадов) градиентов массопереноса и теплообмена.

При определении возможной длительности периодов нагрева и охлаждения необходимо учитывать внутренние напряжения, возникающие в материале при изменении его температуры. В связи с этим длительность указанных периодов обжига зависит, главным образом, от механических свойств обжигаемого материала, т. е. от его способности выдерживать большие или меньшие внутренние напряжения.

Максимальную температуру и длительное время обжига назначают с учетом требуемых прочности и водопоглощения черепка. Их устанавливают опытным путем.

Характер газовой среды. Для успешного протекания требуемых реакций или упреждения их возникновения в тепловых установках нужна определенная газовая среда. Она может быть восстановительной при содержании кислорода до 1 %, нейтральной–1,5...2 %, окислительной–2...5 % и сильноокислительной–до 10 %.

Окислительная среда необходима для окисления всех органических примесей в керамической массе. Восстановительная газовая среда способствует разложению глинистых минералов и карбонатов, повышает активность освободившихся оксидов и создает благоприятные условия для протекания твердофазовых реакций. Она резко интенсифицирует процессы спекания и понижает их начало на 100... 150 °С, В восстановительной среде Fe₂О₃ переходит в FeO. Последний же плавится при температуре на 150...200 °С ниже чем Fe₂O₃. Восстановительную среду получают от сгорания топлива, запрессованного в изделия, или при вводе водяного пара (воды) в печь на конечной стадии обжига.

Водяной пар вводится в высокотемпературную зону с целью улучшения качества обжигаемого материала, снижения расхода топлива и понижения температуры обжига. Наиболее эффективно действие паров воды при использовании глин с высоким содержанием оксидов железа. Среда водяного пара способствует разложению глинистых минералов и карбонатов, повышению активности освободившихся оксидов и созданию более благоприятных условий для твердофазовых реакций.

Количество расплава, образующегося при одной и той же темперагуре, зависит от химического состава глинистых материалов и добавок, реакционной способности и дисперсности компонентов массы, качества печной среды и продолжительности нагрева. При малом количестве жидкой фазы низка и механическая прочность изделий, при излишнем – возможна деформация изделии в процессе обжига. Прочность охлажденного расплава стекловидной фазы достигает 588 МПа.

Химизация (модификация) материала проводится с целью придания конечному продукту специальных или улучшенных физико-механических свойств. Модификация строительных материалов основана на физико-химическом соединении их с активным веществом, которое можно производить в любом периоде процесса обжига.

Дробленые кремнистые опоки смешивают с водным раствором углекислого натрия концентрацией 10...30 %, высушивают и подают в печь. Это позволяет изменить температуру обжига на 100...300 °С и получить оплавленную корку на поверхности обожженного материала. Полученный в результате этого термолит характеризуется более низкой величиной водопоглощения (в 1,5...2,5 раза) и более высокими прочностью и морозостойкостью (в 1,5...2 раза).

Во вращающейся печи при температуре 1200...1400 °С кварцевый песок обжигают с небольшими присадками оксидов щелочных металлов, которые служат минерализаторами для быстрого структурного перерождения кварца в тридимит и кристобалит. Так получают тридиуию-кристобалитовое вяжущее для химически стойкого и жаропрочного бетона.

Выходящий из холодильника искусственный пористый заполнитель модифицируют водными эмульсиями (растворами) кремнийорганических соединений. Гидро-4'юбизация улучшает качество заполнителя: снижается в 2...15 раз количество поглощенной влаги; повышается в 1,2...1,5 раза коэффициент размягчения, в 1,4...2,5– морозостойкость, а также стойкость в агрессивных средах.