Обжиговые материалы

Обжиг важнейшая технологическая операция, заключающаяся в термической обработке материалов при температуре выше 1000-1800 ⁰С.

Основные процессы, происходящие при термической обработке минерального сырья. Под термической обработкой материалов подразумевают такие процессы, как сушка, обжиг, автоклавирование, разварка и др. Термическая обработка рассматривается как способ ускорения протекания физико-химических процессов. Это происходит за счет подъема температуры, а в ряде случаев - и давления. В некоторых случаях реакции могут протекать только при повышенных температурах, поэтому термическая обработка рассматривается как способ создания условий для протекания той или иной реакции. В ходе термической обработки минерального сырья могут протекать следующие процессы:

- удаление физически связанной воды (100-120⁰ С);

- удаление химически связанной воды (400-600⁰ С);

- разложение карбонатных пород - декарбонизация (800-1000⁰ С);

- выгорание органических примесей (200-700⁰ С);

- образование алюминатов (700-1000⁰ С);

- плавление материала, жидкофазные реакции с образованием силикатов (1200-1500⁰ С).

Лекция 10 Керамические материалы и изделия

Керамическими называют изделия, получаемые из глиняных масс или из их смесей с минеральными добавками путем формования, сушки и обжига.

Сырьем для производства керамических материалов являются глины. Это осадочные горные породы, которые независимо от их минералогического и химического состава способны при смешении с водой образовывать пластичное тесто, переходящее после обжига в водостойкое и прочное камневидное тело. Глины в основном состоят из алюмосиликатов со слоистой кристаллической структурой. Наиболее распространенными видами глин является каолинит Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O и галлуазит Al₂O₃∙2SiO₂∙4H₂O. Химический состав глин выражается следующим образом: SiO₂ – 40-80 %, Al₂O₃ – 8-50 %, Fe₂O₃ 0-15%, CaO – 0,5-25 %, MgO – 0-4 %, R₂O – 0,3-5 %.

Общая технология изготовления керамических изделий заключается в следующем: добыча сырья, подготовка массы, формование изделий, сушка, обжиг. Формование может происходить несколькими способами:

-пластический, с использование ленточного пресса, когда на ленту через мундштук выдувается глиняная масса (глина, смешанная с водой и добавками) под давлением 1,6-7 МПа. После чего происходит разрезание образующегося бруса (ленты) на отдельные изделия (обычный кирпич, пустотелый, черепица).

- полусухой. При данном способе используется глиняная масса с небольшой влажностью (8-12% - так называемая жесткая смесь). Масса помещается в пресс-формы и уплотняется на гидравлическом или механическом прессе (плитка, пустотелый кирпич).

После формования осуществляется сушка (до влажности 8-12 %) и обжиг изделий. Для последнего, как правило, используются туннельные печи.

Формирование состава и структуры в результате обжига до спекания. Обжиг происходит в 3 этапа: прогрев, собственно обжиг, охлаждение. При нагреве сырых керамических изделий до температуры 110⁰ С удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной. С повышением температуры до 500-700⁰ С выгорают органические примеси, удаляется химически связанная вода. Затем происходит разложение глинистых минералов вплоть до полного распада кристаллической решетки и образования аморфной смеси глинозема Al₂O₃ и кремнезема SiO₂. При дальнейшем нагреве до 1000⁰ С образуются новые кристаллические соединения, например, силлиманита (Al₂O₃∙SiO₂), которые затем при температуре 1200-1300⁰ С переходят в муллит 3Al₂O₃∙SiO₂.Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы создают некоторое количество расплава, который частично обволакивает не расплавившиеся частицы, сжимая их и заполняя поры между ними. При остывании за счет сжимания частиц происходит уплотнение структуры и образование прочного монолита. Этот процесс называется спеканием.

После обжига изделия медленно охлаждают, не допуская больших колебаний температур.

Структура. Керамические материалы представляют собой композиционные материалы, в которых матрица представлена остывшим расплавом, а дисперсная фаза представлена нерасплавленными частицами глинистых, пылевидных и песчаных фракций, а также порами и пустотами, заполненными воздухом. Материал матрицы, в свою очередь, состоит из стекловидной фазы и кристаллических зерен силлиманита, муллита, кремнезема различных фракций и других веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов). Стекловидная фаза представлена компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания.

Изделия из керамики. Кирпич изготавливается из легкоплавких глин по пластическому или полусухому способу. Кирпич может быть полнотелым и пустотелым; одинарным 250×120×65 мм и утолщенным 250×120× (88) мм; рядовым и лицевым (красивый, стойкий к воздействиям).

Таблица 3

Характеристика керамического кирпича и керамоблока

Свойства	Лицевой пустотный кирпич	Полнотелый кирпич	Поризованный камень
Плотность, кг/м3	1200-1400	2000-2100	700-900
Прочность на сжатие, кгс/см2	150-175	200-250	35-150
Морозостойкость	F35-F50	F35-F75	F35-F50
Водопоглощение, %	6-8	8,0-8,5	9-17
Теплопроводность, при влажности 0%, Вт/м0 С	0,26-0,37	0,61-0,72	0,15-0,26

Преимущества:

• высокая прочность,

• долговечность,

• отсутствие усадки при высыхании;

• лицевой кирпич не требует отделки и сохраняет свой первоначальный вид в процессе эксплуатации.

Недостатки:

• высокая теплопроводность,

• мелкий размер, высокая трудоемкость монтажа,

• подвержен «высолообразованию».

Полнотелый керамический кирпич применяется при возведении несущих стен, сводов, опорных колонн, фундаментов и других, сильно нагруженных конструкций зданий, а также дымовых труб в тех случаях, когда температура отходящих газов ниже температуры обжига кирпича. Пустотелый кирпич применяется для устройства наружных стен с повышенной теплоизолирующей способностью, а также для возведения внутренних стен и перегородок.

Керамоблок – выпускается из поризованной керамики. Отличие керамоблока от кирпича заключается в том, что он крупнее и помимо обычных пустот в нем присутствуют поры, полученные от сгорания органических добавок. Сырьем для керамоблоков служит специальная глина, в которую добавляют древесную стружку. Стружка выгорает в процессе обжига заранее отформованных изделий при температуре около 1100⁰ С. В результате керамоблок получает пористую структуру (примерно 50 %). Блоки имеют плотность в среднем 800 кг/м³, прочность - 35-150 кг/см². Также увеличен максимальный размер 510×250×210 мм.

Преимущества:

• большой размер,

• пониженная плотность – повышенная теплоэффективность.

Недостатки:

• большие пустоты, в которые попадает строительный раствор;

• сниженная морозостойкость;

• при плотности 650 – очень хрупкий;

• требует особых редких глин;

• высокая цена.

Применяется для кладки наружных стен, в несущих конструкциях 3-7 этажей.

Черепица производится из легкоплавких глин. К недостаткам материала следует отнести, что при устройстве кровли из черепицы требуется большой уклон до 30 %; при использовании черепицы получается высокая масса кровли, и требуется особая прочность стропил; высокая трудоемкость процесса; низкая полезная площадь – менее 50 % (так как она укладывается друг на друга). Преимущества: высокая долговечность, огнестойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям.

Керамические трубы. Разделяют на канализационные и дренажные.

Канализационные керамические трубы - пустотелые изделия, покрытые снаружи и внутри кислотостойкой глазурью и имеющие на одном конце раструб. Изготавливаются из тугоплавких и огнеупорных глин с отощающими добавками (кварцевый песок, шамот (обожженная до спекания огнеупорная глина), вводимыми для снижения пластичности и усадки глиняной массы. Технология их изготовления состоит из: смешивании глины и отощающих добавок; формовании труб посредствам прессования; сушка; глазурования (заключается в нанесении на внутреннюю и наружную поверхность глазури); обжиг при температуре 1200-1350 ⁰С.

Трубы производят диаметром 150-600 мм с длиной ствола 800-1200 мм и толщиной стенки - 19-41 мм. Водопоглощение труб - не более 9%, кислотостойкость - не менее 92%. Трубы должны выдерживать гидравлическое давление не менее 0,2 МПа в течение 5 мин и внешнюю нагрузку на 1 м длины 20-30 кН в зависимости от диаметра труб.

Преимущества: высокая стойкость к агрессивным средам, низкая цена (в 2 раза ниже чугунных, в 1,5 - бетонных).

Недостаток: низкое давление, которое могут выдерживать трубы.

Керамические трубы применяют для строительства безнапорных канализационных сетей, производственных, бытовых и дождевых сточных вод.

Керамические дренажные трубы изготавливают из пластичных глин по технологии, схожей с канализационными. Данный вид труб изготавливается с раструбом или без него. Раструбные трубы имеют отверстия, через которые вода попадает в трубу. В трубах без раструбов соединения происходят через муфту, а вода поступает через стык. Внешняя поверхность труб покрывается глазурью. Их выпускают без раструбов с внутренним диаметром 40-200 мм, длиной - 33-500 мм. Они должны выдерживать внутреннее гидравлическое давление не менее 0,05 МПа, морозостойкость должна быть не ниже 15 циклов.

Состав и свойства строительного стекла.

Стеклом называют все аморфные, хрупкие тела, получаемые при охлаждении силикатных расплавов.

К сырьевым материалам относят кварцевый песок, кальцинированную соду, сульфат натрия, доломит, известняк, мел. Также применяются осветлители (вводятся для освобождения стекломассы от пузырьков), глушители (придают стеклу светорассеивающие свойства), красители.

Производство стекла состоит из этапов: подготовка сырьевых материалов (сушка, измельчение), приготовление шихты, варка стекломассы.

Свойства и состав. Прочность стекла при сжатии довольно высока - 700-1100 МПа, а на растяжение - в 15-20 раз ниже (30-60 МПа).

Стекло хорошо пропускает всю видимую и инфракрасную часть спектра и не пропускает ультрафиолетовые лучи. Светопрозрачность обычного стекла - 83-90 %. Теплопроводность стекол - 0,5-1,0 Вт/м ⁰ С.

Стекло обладает высокой стойкостью к агрессивным средам.

Недостаток стекла - повышенная хрупкость, низкая ударная прочность (0,2 МПа).

Строительное стекло имеет состав: SiO₂ – 72%, Al₂O₃ – 2 %, Na₂O – 15 %, CaO – 6,5 %, MgO – 4 %.