книги из ГПНТБ / Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики учебник

Органические вещества встречаются в глинах в виде примесей, а в производстве кирпича, керамзита и аглопорита их вводят в качестве топливных добавок (уголь, кокс, мазут, опилки). При выгорании органических ве­ ществ в керамических массах можно различать несколь­ ко этапов. При температурах 350—400°С происходит выделение летучих и их сгорание. Коксовый остаток вы­ горает сравнительно медленно при более высоких тем­ пературах 700—800° С. Скорость его выгорания обратно пропорциональна квадрату толщины изделия и в силь­ ной степени зависит от избытка воздуха в печных газах [22]. Выгорание коксового остатка должно быть завер­ шено в период, когда керамический черепок является пористым и газопроницаемым па всю толщину с тем, чтобы газы, образующиеся при выгорании коксового ос­ татка, могли свободно удаляться из толщи керамическо­ го изделия. Если же процесс уплотнения периферийной оболочки изделия будет опережать процесс выгорания коксового остатка, то образующиеся газы, создавая по­ вышенное давление внутри керамического черепка, мо­ гут вызвать деформацию размягченного изделия, а про­ рывы газов в отдельных местах приводят к образованию трещин. Внутри черепка в этом случае остается черная сердцевина, которая свидетельствует либо о наличии не­ выгоревшего углерода, либо о восстановлении железис­ тых окислов до металлического железа.

Таковы процессы, происходящие в глинообразующих минералах, главнейших примесях и добавках при обжи­ ге глинистых пород и керамических масс. Все эти про­ цессы не происходят локально, т. е. независимо друг от друга. В действительности они в значительной мере вза­ имосвязаны и накладываются друг на друга, что еще больше усложняет картину превращений, происходя­ щих в керамической массе при ее обжиге.

Если предельно схематизировать последователь­ ность основных изменений и взаимодействий, происхо­ дящих при обжиге каолинитовой глинистой породы, то их можно представить следующей схемой (рис. 23). В интервале 450—600°С происходит дегидратация као­ линита с образованием безводного метакаолинита, кото­ рый при 700—800° С разлагается с образованием аморф­ ного кремнезема. Начиная с 900°С глинозем вновь сое­ диняется с кремнеземом, но уже в иных соотношениях, с образованием муллита и дальнейшим обогащением си-

50

процесса сильно возрастает при обжиге в восстанови­ тельной среде.

Остатки аморфного кремнезема, не вошедшие в сое­ динения с другими окислами, кристаллизуются р крнсгобалит. Образующаяся жидкая фаза частично оплавляет (разъедает) углы и грани зерен кристаллического крем­ незема, но в основной своей массе он в реакциях образо­ вания жидкой фазы не участвует, оставаясь вместе с кристаллическими новообразованиями, элементом ске­ летного каркаса обожженного материала и претерпевая лишь полиморфные превращения согласно схеме рис. 21.

В зависимости от температуры обжига и степени запесочеипости глинистой породы основными кристалли­ ческими фазами керамического черепка могут быть мул­ лит, кристобалит и p-кварц, причем в гидрослюдистых глинах преобладают процессы муллптпзацпп, а в монтмориллонитовых — кристобялитизяции.

Важна также и последовательность образования от­ дельных фаз: если кристобалит образуется одновремен­ но с муллитом или его кристаллизация предшествует об­ разованию муллита и существенных количеств жидкой фазы, то он разрыхляет керамический черепок, понижая его механическую прочность.

Рассмотренные процессы, происходящие при обжиге глинистой породы, обусловливают формирование при этом ряда технологических свойств, именуемых термиче­ скими. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость, интервал обжига.

Огнеупорностью называют способность керамических материалов противостоять воздействию высоких темпера­ тур не расплавляясь. Показателем (количественной ме­ рой) огнеупорности является температура, при которой пироскоп — образец из данного материала, имеющий форму трехгранпой усеченной призмы установленных размеров (условно именуется «конусом»), деформиру­ ется под влиянием собственной тяжести, касаясь при этом своей вершиной керамической подставки. Эту тем­ пературу называют условной температурой плавления. Условной ее называют потому, что глинистая порода не представляет собой мономинеральпое вещество, а явля­ ется системой полиминералыюй и полидисперсной, не имеющей строго определенной температуры плавления. В этой системе каждое зерно плавится при своей индиви­ дуальной температуре, соответственно своему составу

52

и размерам, а их смесь, т. е. глинистая порола в целом, плавится в некотором интервале температур. Поэтому-то за температуру плавления глины условно принимают по­ казатель ее огнеупорности.

По ГОСТ 9169—59 глины по огнеупорности делят на три класса: огнеупорные-- огнеупорность свыше 1580°С, тугоплавкие — огнеупорность 1350—1580° С и легко­ плавкие— огнеупорность ниже 1350° С.

Огнеупорность глины зависит от ее химического со­ става. Глинозем повышает огнеупорность, что находится в согласии с диаграммой плавкости (см. рис. 19). Топ­ кодисперсный кремнезем в силу своей относительно вы­ сокой реакционной способности понижает огнеупорность, что также находится в согласии с диаграммой рис. 19. Крупнозернистый кристаллический кремнезем практи­ чески не участвует в образовании жидкой фазы, и пото­ му с увеличением его содержания в глинистой породе ее огнеупорность повышается. Примеси щелочных окислов являются наиболее сильными плавнями (флюсами)

веществами, понижающими температуру плавления гли­ ны. Окислы щелочноземельных металлов также являют­ ся плавнями, по их флюсующее действие проявляется при более высокой температуре.

Огнеупорность керамических материалов, содержа­ щих в своем составе окислы железа, зависит еще от хи­ мического характера газовой среды при их обжиге: вос­ становительная среда существенно понижает огнеупор­ ность таких материалов вследствие того, что окись желе­ за восстанавливается в закись, а последняя, обладая большой реакционной способностью, образует с кремне­ земом файялит (2FeOSiOi) с температурой плавления

1205°С.

Спекаемостыо глин называют их способность при об­ жиге уплотняться с образованием твердого камнеподоб­ ного черепка.

Спекание глии может происходить вследствие стяги­ вания и склеивания твердых частиц жидкой фазой — си­ ликатными расплавами, образующимися при обжиге гли­ ны (жидкостное спекание), вследствие рекристаллиза­ ции минералов, составляющих керамическую массу, и благодаря реакциям в твердой фазе между отдельны­ ми компонентами глины или продуктами их распада (твердофазовое спекание). Результатом процесса спека­ ния является уплотнение обжигаемого материала и как

53

следствие уменьшение его открытой пористости. Поэто­ му степень спекания контролируется водопоглощением керамического черепка, и спекшимся считается черепок, имеющий водопоглощенис не более 5%. В связи с этим спекаемость иногда представляют как способность гли­ ны давать без признаков пережога керамический чере­ пок с водопоглощением менее 5%. Признаками пережо­ га считаются деформации образца, видимое вспучива­

ние или снижение объемной массы более чем на

0,1 г/см3.

По ГОСТ 9169—59 различают три группы глинистого сырья по степени их спекаемости: сильноспекающиеся— способные при обжиге давать черепок без признаков пе­ режога с водопоглощением не более 2%, среднеспекающиеся — не более 5% и песпекающиеся—более 5%.

Указанные значения водопоглощения должны на­ блюдаться не менее чем в двух температурных точках с интервалом 50°.

Глины могут спекаться при различных температурах. Поэтому ГОСТ 9169—59 предусматривает классифика­ цию глин на три группы еще и по температуре спекания:

деляющим пригодность глин для производства изделий фасадной керамики, а также косвенно влияет па вспучиваемость глин при их обжиге на керамзит.

Количественно степень спекаемости глин характери­

спекания глины (tA), поскольку при этой температуре начинается заметное уменьшение водопоглощения, т. е. интенсивное уплотнение обжигаемого материала. В точ­

жит область спекшегося состояния, а в точке С (темпе­ ратура tc) отмечаются признаки пережога (оплавление или вспучивание). Температурный интервал tc—tA на­ зывают интервалом спекания, а интервал tc—^ —интер­ валом спекшегося состояния.

В экспериментальной практике часто пользуются по­ нятиями интервала спекания: для глин легкоплавких

54

А^сп— ^ = i% —*w=5%. а для огнеупорных Atcu= l or—

—tw=2 %,me tw=5 %, tw=2 %, tw=\%— температуры, при ко­ торых черепок приобретает водопоглощение соответст­ венно 5, 2 и 1%, а ^ог— температура огнеупорности глин.

Как это видно из диаграммы рис. 19, с увеличением содержания в системе А120з возрастает и н т е р в а л п л а в к о с т и — разность между температурами полного

Рис. 24. Зависимость изменения водопоглощения керамического материала от температуры об­ жига

расплавления смеси и эвтектической температурой. Воз­

испытаниями ряда огнеупорных глин [23]. Окись каль­ ция резко понижает интервал спекания. Щелочные окис­ лы, в особенности Na20, расширяют интервал спекания. У каолинитовых глии интервал спекания, как правило, выше, чем у моптмориллонитовых. Запесоченпость глин резко снижает их интервал спекания. Наименьшим ин­ тервалом спекания порядка 50—100° С обладают легко­ плавкие глины, лессовые глины почти совсем его не имеют. Наибольший интервал спекания (до 400° С) у огнеупорных глин.

Интервалы спекания и спекшегося состояния уста­ навливают возможность обжига изделий в печах, харак­ теризующихся определенным перепадом температур между верхом и низом печи.

Температурный интервал обжига. Для стеновых и некоторых других видов керамических изделий низкое водопоглощение черепка является необязательным или даже недопустимым. В этих случаях

55

температурные границы, в пределах которых допустимо вести обжиг изделий, определяет не интервал спекания, а интервал обжига: тем­ пературные границы, в пределах которых изделие при обжиге при­ обретает кондиционные свойства. Так, например, для строительного кирпича минимальная температура обжига будет ограничена дости­ жением прочности, соответствующей марке 75 (минимальная марка кирпича, допускаемая ГОСТ 530—71), а максимальная — водопоглощепием черепка, равным 8 % (ГОСТ 530—71 устанавливает, что кирпич должен иметь водопоглощение не ниже 8 %)- Интервал тем­ ператур, в пределах которого эти величины соблюдаются, и будет ин­ тервалом обжига. Интервал обжига по своей величине много больше

Рис. 25. Схема действия сил поверхностного натя­ жения, обусловливающих огневую усадку

интервала спекания, чем и объясняется, что глины с очень малым интервалом спекания и совсем не имеющие интервала спекшегося состояния тем не менее оказываются пригодными для обжига кир­ пича в печах с относительно большими перепадами температур.

Огневая усадка представляет собой сокращение раз­ меров абсолютно сухого глиняного образца при его об­ жиге.

Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под воздействием сил поверхностного натяжения, носи­ телем которых является жидкая фаза, возникающая в материале в виде силикатных расплавов. Механизм стя­ гивающего действия этих сил схематически изображен на рис. 25. Как только между двумя твердыми частица­ ми 1 окажется капля жидкого расплава 2 с вогнутыми менисками, она под влиянием сил поверхностного натя­ жения будет растекаться по поверхности твердых ча­ стиц. Равнодействующая этих сил, т. е. поверхностного натяжения, образует силу капиллярного давления Рк, которая будет растягивать каплю жидкости, сближая тем самым твердые частицы.

56

Усадочные явления при обжиге количественно харак­ теризуются величиной огневой усадки Гог в

содержания глинистой фракции усадка возрастает.

повышением температуры обжига усадка, как правило, возрастает. По этой причине неравномерно обожженные изделия могут иметь заметный разброс в размерах.

* *

*

Глинистые породы являются основным сырьем для изготовления всех керамических изделий и некоторых пористых заполнителей. Для регулирования отдельных технологических свойств глинистого сырья в него вво­ дят различного рода добавки и составляют шихты — смеси глинистого сырья с добавками. По роду своего действия добавки могут быть отощающие, флюсующие, выгорающие, пластифицирующие, упрочняющие и др. Свойства и способы приготовления материалов, исполь­ зуемых в качестве добавок, рассматриваются в соответ­ ствующих главах, относящихся к изготовлению отдель­ ных видов пористых заполнителей и керамических изде­ лий.

Глава II. КАРЬЕРНЫЕ РАБОТЫ

Огнеупорные и тугоплавкие глины являются почти всегда привозными и поставляются керамическим заво­ дам специализированными предприятиями, занимающи­

57

мися добычей этого сырья. Легкоплавкие глины явля­ ются, за редким исключением, местным сырьем. Их добывают сами керамические предприятия, в составе которых в этом случае имеется горный цех, называемый обычно карьером.

Комплекс операций, связанных с добычей и достав­ кой глины в производство, именуют карьерными рабо­ тами. Он включает вскрышные работы, добычу, транспортирование и хранение промежуточного запаса глины.

Разработке карьера предшествуют подготовительные работы. Их начинают с геологической разведки месторождения, которую выполняют специализированные организации. Геологическая раз­ ведка устанавливает количественные запасы глины, соотношение по­ лезной толщи глиняного пласта и вскрышных пород, характер их за­ легания и сопутствующие горно-эксплуатационные условия (рельеф местности, обводненность месторождения и т. п.). Одновременно гео­ лого-разведочная партия отбирает пробы для лабораторных и полузаводских испытаний. Последние выполняют научно-исследователь­ ские институты и лаборатории. По результатам разведки и испыта­ ния глины Государственная (ГКЗ) или Территориальная (ТКЗ) ко­ миссия по запасам полезных ископаемых утверждает запасы, указы­ вая в протоколе утверждения категорию, характеризующую их сте­ пень изученности и надежности. К категории А относят запасы, пол­ ностью подготовленные для эксплуатации, количественно оконтурен­ ные и имеющие положительные результаты лабораторных и полузаводских испытаний. Категория В предусматривает запасы, требующие уточнения их пространственного расположения или качественной характеристики, к категории С относят перспективные (предпола­ гаемые) запасы, подлежащие дополнительному уточнению их коли­ чества и качественной характеристики.

По данным разведки составляют проект горных работ, являю­ щийся основным документом для эксплуатации карьера. В проекте помимо системы вскрышных и добычных работ и карьерного транс­ порта определяют также мероприятия по отводу ливневых и откач­ ке грунтовых вод, необходимость планировки поверхности для удоб­ ства работы экскаватора, методы ее очистки от кустарников и пней и другие подготовительные работы, выполняемые до начала разра­ ботки карьера.

§ 1. В С К Р Ы Ш Н Ы Е РАБОТЫ

Под вскрышными понимают рыботы, связанные с удалением пустых пород, покрывающих слой полезного ископаемого.

Для месторождений легкоплавких глин считают эко­ номичным соотношение мощностей вскрышных пород и глиняного пласта до 1:5, хотя в отдельных случаях

58

разрабатывают месторождения с соотношением, близ­ ким 1:1.

При мощности вскрышного слоя порядка 0,5 м (мак­ симально до 1 м) и расстояниях транспортирования до места отвала не более 100 м вскрышной слой удаляют бульдозером, который в этом случае используют как землеройный и транспортный снаряд. Бульдозер устой­ чив в работе даже на тяжелых грунтах и в дождливую погоду, что является его несомненным достоинством. Выработка па машино-смену в зависимости от катего­ рии грунта и расстояний транспортирования составляет 65—350 м3. При заморозках производительность буль­ дозера падает на 30—40%.

При мощностях вскрышного слоя более 1 м, рассто­ яниях транспортирования до 1 км и грунтах I—III категории вскрышные работы производят тракторным скрепером. Он также является снарядом, выполняющим землеройные и транспортные операции. В дождливое время скрепер недостаточно устойчив в работе вследст­ вие налипания глины па стенки ковша. При тяжелых плотных грунтах и даже небольших заморозках ковш иногда скользит по поверхности грунта, не врезаясь в его толщу. Выработка на машино-смену составляет 140—200 м3, расход троса—от 4 до 8 м на 1000 м3 по­ роды.

При мощных слоях вскрышных пород с тяжелыми грунтами и расстояниях транспортирования более 1км их разрабатывают одноковшовыми экскаваторами, а транспортируют автосамосвалами. Выработка на маши­ но-смену составляет 130—380 м3.

В отдельных случаях вскрышные породы удаляют методом гид­ роэкскавации. Сущность его заключается в том, что породу размы­ вают водой, подаваемой под давлением 0,3—0,8 МПа, а иногда — 1,2—1,3 МПа. Вода проходит через гидромонитор — трубу с кони­ ческой насадкой и, вылетая из нее со скоростью до 50 м/с, размы­ вает грунт. Расход воды на 1 м3 размытой породы: для песков 3— 8 м3, для суглинков 5—10 м3 и для глин 10—15 м3.

Обычно вымывается нижняя часть отвесной стены забоя так, чтобы обрушить верхние пласты. При обрушении порода разрых­ ляется. Смесь грунта с водой стекает по трубам или лоткам в спе­ циальные места, так называемые отвалы пустой породы. Для успеш­ ной работы гидромонитор должен быть отдален от забоя на рас­ стояние, равное его полуторной высоте. Этот способ эффективен там, где имеется много дешевой воды, возможность легкого отвода сточ­ ных вод и невелика стоимость электроэнергии.

59