Лабораторная работа № 1 Определение скорости перерождения и степени тридимитизации кварцитов в процессе обжига

Цель работы: определение скорости перехода кварца в тридимит и кристобалит (скорость перерождения) и процентного количества кварца, перешедшего в тридимит (степени тридимитизации) при обжиге природных кварцитов и другого кварцевого сырья; определение истинной плотности образцов кварцитов до и после обжига при температуре 1 450°С; пригодность данных кварцитов для применения в качестве сырья в производстве динасовых огнеупоров.

Оборудование и материалы: кварцит, металлическая и фар­форовая ступка, сито № 008, фарфоровый тигель, пикнометры, водяная баня или вакуум-аппарат, силитовая печь, технические весы, аналитиче­ские весы.

Основные понятия

Кварциты представляют собой плотные породы, состоящие в ос­новном из зерен кварца. Они являются одним из основных сырьевых ма­териалов для производства динасовых огнеупоров, широко применяемых' для кладки сводов и стен мартеновских печей, насадок регенераторов, сводов стекловаренных, коксовых печей и пр.

Динасовыми называются огнеупоры, содержащие не менее 93% Si0₂, изготовленные из кварцевых пород на известковой или иной связке и обожженные при температурах, обеспечивающих полиморфное пре­вращение кварца в тридимит и кристобалит. Кристаллы тридимита в ди­насе образуют сплетения "тридимитовый сросток", который и придает динасу ценные свойства.

Динасовый огнеупор, содержащий 50 – 70% тридимита и 20 – 30% кристобалита, называется тридимитизированным. Обжигают динас при температурах порядка 1 430°С, что обеспечивает перерождение кварца преимущест­венно в тридимит. Обжиг при более высоких температурах приводит к интенсивному превращению кварца в кристобалит, ухудшению свойств изделиям. Скорость и степень перерождения зависят, помимо технологиче­ских параметров процесса производства динаса, в частности, от темпера­туры, продолжительности обжига, а также от свойств применяемых квар­цитов.

В природе существуют цементные и кристаллические кварциты. Цементные кварциты состоят из зерен кварца и цементирующей связки из аморфной кремнекислоты. Перерождаются они быстро. Равномерно рас­пределенные примеси играют роль минерализаторов, ускоряющих превращение, так как кристаллизация тридимита идет непосредственно из рас­плава. Кроме того, примеси образуют с кремнеземом расплавы, которые в известной степени играют роль связки.

В кристаллических кварцитах зерна кварца непосредственно сцеп­ляются друг с другом. Они сохраняют достаточно плотную структуру и после обжига, но показывают наименьшую скорость превращения. Для более полного перерождения и увеличения скорости превращения обжи­гают кварциты более тонкого помола, вводя добавки - минерализаторы (известь, железную окалину, сварочные шлаки, колошниковую пыль и др.).

Динас, полученный из кристаллических кварцитов, отличается большей механической прочностью, большей плотностью и меньшей по­ристостью. Это объясняется тем, что известь (СаО), добавляемая в качест­ве минерализатора, при применении цементных кварцитов вследствие большой реакционной способности их аморфной части быстро связывает­ся в твердом состоянии в монокальциевый силикат, кристаллы которого успевают достигнуть значительной величины, это ослабляет структуру динаса и увеличивает его пористость. В кристаллических кварцитах мо­нокальциевый силикат образуется менее интенсивно, кристаллы его мель­че, легче растворяются в жидкой фазе (расплаве), поэтому в динасе из кристаллических кварцитов известь связана главным образом в стекло­видной фазе, чем объясняется его лучшие механические свойства.

Большое влияние на технологический процесс производства дина­совых огнеупоров и их свойства оказывает скорость перерождения квар­цитов, которая характеризуется изменением истинной плотности после обжига до 1 450°С с выдержкой в течение 1 ч при максимальной темпера­туре. В зависимости от величины истинной плотности после обжига кварциты по скорости перерождения подразделяются на группы (см. табл. 1.1).

Качественные (со средней скоростью перерождения) кварциты после обжига при температуре 1 450°С с выдержкой в течение 1 ч не крошатся и не растрескиваются. Водопоглощение их 3 – 4%, кажущаяся пористость 8 – 10%.

Кварциты со средней и замедленной скоростью перерождения, а также медленно перерождающиеся кварциты при соответствующих режимах обжига могут (при удовлетворении ряда других требований) служить основным сырьем для изготовления первосортного динаса. Из одних быстро перерождающихся кварцитов изготовить хороший динасовый огнеупор весьма трудно, ввиду большой склонности такого динаса к трещинообразованию. Это происходит потому, что при переходе кварца в α-тридимит и α-кристобалит происходит уменьшение удельного веса кремнезема, увеличение удельного объема, которое приводит к появлению в обжигаемом материале внутренних механических напряжений. Они могут достигнуть величины, при которой происходит растрескивание материала.

Таблица 1.1

Группы кварцитов в зависимости от величины истинной плотности

№ п/п	Группа кварцитов	Истинная плотность после обжига в течение 1 ч. при температуре 1450°С, кг/м3
1	Быстро перерождающиеся кварциты	менее 2400
2	Кварциты со средней скоростью перерождения	от 2400 до 2450
3	Кварциты с замедленной скоростью перерождения	от 2450 до 2500
4	Медленно перерождающиеся кварциты	Более 2500