44. Термічні процеси у виробництві непродовольчих товарів. Високотемпературні процеси у виробництві будівельних матеріалів: стадії виробництва порт ланд цементу, стадії виробництва керамічних виробів.

Термічними(лат.«Оіегтаеьвід грецьк. - теплота)називають такі технологічні процеси, у ході яких головним рушієм є теплота.

Термічні процеси відбуваються за високих або низьких температур. За цією ознакою технологічні процеси поділяють на високотемпературні та низькотемпературні.

5.1. Високотемпературні процеси

Високотемпературниминазивають такі технологічні процеси, для проходження яких сировину нагрівають.

Для нагрівання сировини використовують різні види палива та енергії. Ці процеси є енергозатратними.

Нагрівання сировини проводять до такої температури, за якої економічно вигідно отримувати продукцію. ■

Високотемпературні процеси лежать в основі виробництва чавунів, сталей, більшості кольорових металів, різних видів штучного палива, мінеральних добрив, цементу, цегли тощо.

Хоч підвищення температури позитивно впливає на хід технологічних процесів, на практиці застосування теплоти для інтенсифікації процесів часто обмежене. Це зумовлено тим, що у багатьох випадках підвищення температури,по-перше, прискорює побічні реакції внаслідок яких утворюється побічна продукція, погіршується якість основної продукції та зменшується продуктивність обладнання;по-друге, спричиняє виведення реагуючих речовин (складових сировини) із зони реакції, випаровуючи, спікаючи або сплавляючи їх;по-третє,виводить з ладу обладнання, оскільки найважливішими конструкційними матеріялами, з яких виготовляють обладнання, є метали та сплави на їх основі, які витримують нагрівання лише до 1000°С. Кераміка витримує нагрівання до вищих температур. Пошуки нових конструкційних матеріялів, які витримували б нагрівання до вищих температур, обмежуються гнергетичними затратами і віддачею теплоти у довкілля. Чи раціонально це? Очевидно, ні. Тому термічні процеси необхідно проводити лише за економічно вигідних температур, які вибирають з урахуванням мінімального спрацювання обладнання; вартості конструкційних матеріялів; витрат палива чи енергії; тепловтрат тощо. Крім того, термічні процеси мають велику частку ручної праці на допоміжних операціях у гарячих цехах. їх важко механізувати й автоматизувати.

5.2. Низькотемпературні процеси

Низькотемпературниминазивають такі технологічні процеси, для проходження яких сировину охолоджують.

При охолодженні речовин рух атомів і молекул поступово сповільнюється і за температури, що становить -273,15°С зупиняється.

Температури близькі до «абсолютного нуля» (-273,15°С) називають кріогенними(від грецьк. «кріо» - холод).

При охолодженні речовин до дуже низьких температур змінюються їх властивості. Наприклад, гума з еластичної стає крихкою і при ударі молотком розлітається на осколки.

Низькі температури, які використовують у промисловості умовно поділено на чотири області.

Першою є областьпомірно низьких температур(від +27°С до -73°С). У цьому діапазоні температур зберігають продукти харчування.

За нею йде областьглибокого холоду {від -73°С до -203°С). За цих температур розділяють повітря на складові, зріджують кисень, азот тощо.

Далі йде областькріогенних температур(від -203°С до -272,7°С). У цьому діапазоні температур зріджують гелій та інші гази.

Нижче -272,7°С лежить областьнаднизьких температур.

Низькотемпературні процеси використовують у харчовій промисловості, в енергетиці, ракетобудуванні, в медицині, біології. Навіть у медицині впроваджується кріогенна хірургія, при якій проводять операції майже без виділення крові.ї

Портландцемент

Підготовка сировинних матеріалів до випалу  полягає в тонкому подрібнюванні й змішанні компонентів з дотриманням установленого співвідношення. Залежно від виду підготовки сировинної суміші до випалу портландцемент одержують трьома способами: мокрий (помел і змішання сировини роблять у воді до одержання однорідного шламу, що містить до 40% води), сухий (матеріали подрібнюють і перемішують у сухому вигляді до отримання сировинного борошна) і комбінований ( сировинну суміш готують мокрим способом, отриманий шлам збезводнюють і гранулюють).

Основним етапом виробництва портландцементу є випал, здійснюваний у печах, що обертаються. Піч являє собою зварений циліндр діаметром 4..5 м і довжиною 150...185 м. Конструкція печі і її розташування (легкий ухил до обрію) дозволяють гартованій масі переміщуватися з однієї температурної зони в іншу назустріч топковому газу. Випал підготовленої сировини супроводжується складними фізико-хімічними процесами. З цього погляду умовно його поділяють на 6 температурних зон:

1-я зона – зона випару.  При поступовому підвищенні температури з  70оС сировина підсушується. 2-я зона – зона підігріву. Сировина  поступова нагрівається від 200оС до 700оС, вигорають органічні домішки, видаляється хімічно зв'язана вода, що містилася в глинистому мінералі. 3-я зона – зона кальціювання. Підвищення температури від 7000С до 1100оС приводить до розкладання глинистого мінералу і карбонату кальцію з утворенням вільних оксидів SiО2, Al2О3, Fe2O3, СаО. У цій же температурній зоні відбуваються твердофазові реакції взаємодії між зазначеними оксидами, в результаті яких утворюються мінерали 3СаОAl2О3, СаОAl2О3, частково 2СаОSiО2. 4-я зона – зона екзотермічних реакцій. З подальшим підвищенням температури (1100-1250 оС) завершується утворення мінералів 2СаОSiО2, 3СаОAl2О3, 4СаОAl2О3Fe2O3. 5-я зона – зона спікання. Температура гартованого матеріалу досягає 1300-14500С. Відбувається часткове плавлення матеріалу утворюється головний клінкерний мінерал 3СаОSiО2, повністю зв'язується вільний оксид кальцію. 6-я зона – зона  охолодження. Отриманий клінкер прохолоджується до 10000С, завершується формування його мінералогічного складу. Після випалу клінкер подрібнюється в тонкий порошок переважно в трубних млинах. Зі збільшенням тонкості помелу підвищується активність цементу, однак процес подрібнювання клінкера зв'язаний зі значними витратами  електроенергії,  тому  оптимальний  розмір  цементних  зерен від 5 до 40 мкм.

Випал

Тільки в початковий період є різниця між змінами фізичний властивостей сумішей, виготовлених за мокрим і за сухим способами. Проте після випаровування води із шламу в обох випадках відбуваються одні й ті самі процеси.

У довгих обертових печах і підготовчий процес, і процес клінкероутворення відбуваються в одному агрегаті. У печах з зовнішніми теплообмінними пристроями (циклонними і шахтно-циклонними теплообмінниками, конвеєрними кальцинаторами) у короткій печі відбуваються реакції декарбонізації і клінкероутворення, а підготовчий період здійснюється в теплообмінний пристроях.

Обертову піч, що працює за сухим способом, можна умовно розділити на пять зон. Перша зона, що називається зоною підігрівання, займає до 1/3 довжини печі. Матеріал у кінці зони підігрівається до 800-850 0С.

У зоні кальцинування, що займає близько 20 % довжини печі, температура підіймається до 1100 0С. Тут практично завершується процес розкладення карбонатів, які починають дисоціювати вже в попередній зоні. Зона кальцинування є термічно найбільш напруженою, оскільки на розкладення 1кг СаСО3 витрачається 1740 кДж теплоти. За зоною кальцинування розміщується коротка зона екзотермічних реакцій, що займає 5-7 % довжини печі. У цій зоні завершуються твердофазні реакції, що розпочалися в попередніх зонах. У кінці зони матеріал складається з C2S, C3A, C4AF та вільного вапна. У кінці зони зявляється рідка фаза, температура підвищується до 1300 0С. Зона спікання займає до 10-15 % довжини печі. У цій зоні температура підвищується від 1300 до 1450 0С, а потім знижується до 1300 0С. У цій зоні в розплав переходять алюмінати й алюмоферити, а також усі легкоплавкі домішки, а в твердому стані залишаються C2S і СаО, а також кристали C3S, що утворилися на стадії твердофазного спікання. Кількість рідкої фази становить 15-30 %. У цій зоні утворюється основна маса аліту. Кількість вільного вапна спочатку падає дуже різко, але залишок СаО (менше ніж 2 %) засвоюється повільно. Останньою зоною в печі є зона охолодження, що займає 2 - 4 % довжини печі. У ній температура знижується до 1100-1000 0С. Відбувається кристалізація розплаву, виділяються C3A, C4AF, MgO, частина розплаву, що не встигла кристалізуватись, застигає у вигляді скла.

Кераміка

Підготовка глин і формування залежно від виду виготовленої продукції, виду й властивостей сировини здійснюється такими способами:  - пластичне формування застосовують тоді, коли глиниста сировина волога, пухка, добре розмокає у воді. Для цього використовують легкоплавкі середньо- та помірнопластичні глини, що містять 40...50% піску.

Формування  виробів при вологості 18-28% здійснюється на стрічкових пресах, які бувають вакуумними й безвакуумними. - напівсухий спосіб виробництва припускає формування керамічних виробів із шихти вологістю 8-12% при тиску 15-40 МПа. Зазначений спосіб має ряд переваг: вироби мають більш правильну форму й точні розміри, до 30% скорочуються витрати палива, допускається використання малопластичних глин з більшим вмістом відходів промислового виробництва. Пресування виробів виконують у пресформах на гідравлічних пресах. 

Напівсухий спосіб пресування використовується для виготовлення усіх видів виробів; - сухий  спосіб є різновидом напівсухого виробництва керамічних матеріалів. Прес-порошок при цьому способі  має вологість 2-6%. Усувається операція сушіння відформованого виробу. Цим способом виготовляють щільні керамічні вироби-плитки для підлог, дорожня цегла; -    шлікерний спосіб застосовується для виготовлення керамічних виробів складної конфігурації. Виливок виробів виконують з маси вмістом води 40%. Цим способом виготовляють санітарно-технічні вироби, лицювальну плитку. Сушіння виробів. Перед випалом вироби висушують до вмісту вологи 5-6% у тунельних і камерних сушарках протягом 72-х годин, температура теплоносія 120-1500С. Вказана технологічна операція необхідна, щоб уникнути нерівномірної усадки, скривлень і розтріскування виробів при випалі. Випалювання виробів – найбільш важлива й завершальна стадія виготовлення керамічних виробів. У процесі випалу під дією температури в сировинної суміші відбуваються складні фізико-хімічні перетворення. Так, при нагріванні сирцю до 1200С видаляється фізично зв'язана вода й керамічна маса стає непластичною. У більш високій температурній зоні – від 4500С до 6000С відбувається виділення хімічно зв'язаної води, глинисті мінерали розкладаються на окремі оксиди. При подальшому збільшенні температури вигорають органічні домішки й керамічна маса втрачає свою пластичність. Формування міцності майбутнього черепка починається при 800 0С завдяки протіканню твердофазових реакцій. У процесі нагрівання від 1000 0С до 1200 0С відбувається вогнева усадка виробу й спікання (залежно від виду глини усадка становить 2%-8%.). Інтервал температур випалу лежить у межах: від 9000С до11000С для цегли, каменю, керамзиту; від 11000С до 13000С для клінкерної цегли, плиток для  підлог; від 13000С до18000С для вогнетривкої кераміки.

Випал виробів.Обжиг завершує виготовлення керамічних виробів. У процесі випалу формується їх структура, визначальна технічні властивості вироби.

Повністю художнім образом виявляється лише по тому, коли грунтовно "спекся", затвердів черепок, застигли розплавлені глазурі.Сформованное виріб,подсушенное, підправлене,декорированноеангобом, солями, зновуподсушенное, вміщують у піч. Це перший, утильний, випал. Потім виріб розписуютьглазурями. За умови повторного випалюванні розплавляють глазурі. Послідовність повторного випалу той самий. Головне у своїй — повільне, підвищення температури.Обжиг можна розділити на періоди:

У першому періоді (за нормальної температури 150 °З) з вироби йде механічно пов'язана вода. При різкому підвищенні температури, передусім, випарується вода із поверхні черепки й утворюється плівка, яка затримає вологу, розташовану за середині. Для її видалення доведеться підвищити температуру, що сприятимепарообразованию і руйнації.

Другий період — температура 150—500 °З. Саме тоді видаляється хімічно пов'язана вода, виріб червоніє.

>Температуру випалу можна визначити за кольором напруження. Коли виріб починає червоніти — це 550—600 °З; стаєтемно-красним — 600—700; вишнево-червоним на тойсветло-вишневий — 800—900;ярко-вишневим — 900—1000;темно-оранжевим — 1100; починається білекаление — 1300; стає білим — 1400 °З.

Піч виключають, а коли він охолоне до 200 °З, дверцята печі відкривають. Виріб виймають після повного остигання печі.

>Обжиг керамічних виробів ввозяться тунельних печах з автоматичним управлінням.Туннельная піч є довгий канал, викладений всередині вогнетривкоїфутеровкой.Вагонетки з виробами, складові суцільний поїзд, переміщаються в печі та поступово проходять зони підігріву, випалу і охолодження. Максимальна температура випалу цегли та інших стінових керамічних виробів (950 –1000°С) необхідна для спечення керамічної маси.Спекание відбувається внаслідок цементуючого дії розплавуевтектик (рідинне інтеграція), реакцій у твердій фазі і кристалізації новоутворень.

Обпалювати глину зручно в муфельної печі. У піч завантажують вироби, попередньо просушені впродовж п'яти - шести днів із кімнатної температурі. У печі під впливом високої температури глина втрачає пов'язану із нею хімічно води і стаєвлагоустойчивой і міцної.Обжигают глину приблизно трьох годин.Обожженную, але з вкриту глазур'ю глину називають теракотою. Після закінчення випалу піч виключають, і вироби остигають просто у печі.