46. Сформулируйте определение понятия «режим обжига». На какие периоды делят режим обжига керамической массы при получении керамического кирпича? Приведите их характеристику

Обжиг.

Режим обжига печи – это комплекс условий и процессов, при которых происходит термическая обработка керамических изделий. К этим условиям относится: изменение температуры в течение времени и изменение состава газового состава в печи во время термической обработки.

Составляющие режима – теплоёмкость среды, её скорость и давление.

Оптимальный режим печи обжига керамического кирпича – это наиболее короткий режим обжига, который проходит при минимальных температурах, а изделие получает необходимые свойства.

Действительный эксплуатационный режим печи обжига керамического кирпича – это компромисс между оптимальным режимом и возможностью оборудования.

МЕТОДЫ УСТАНОВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ПЕЧИ ОБЖИГА

Для полного представления о поведении материала при термической обработке, как правило, применяются все методы лабораторных исследований.

Лабораторные исследования:

дифференциальный термический анализ (ДТА);

гравиметрический термический анализ (ГТА);

термический анализ объёмных (линейных) изменений материала – дилатометрические измерения;

определение минералогического состава сырья.

Процесс обжига изделий строительной керамики может быть условно разделен на четыре периода: подогрев до 200°С и досушка-удаление физической воды из глины; дальнейший нагрев до 700°С «на дыму» и удаление химически связанной воды из глины; «взвар» - до температуры обжига 980-1000°С - созревание че­репа; охлаждение, «закал» - медленное до 500°С и быстрое от 500 до 50°С обожженных изделий. К этим реакциям добавляется выгорание топлива из изделия, если это топливо было введено в глину при подготовке массы; количество вводимого топлива может достигать 70-80% от того количества, которое необходимо для обжига. Можно отметить шесть главных видов реакций, протекающих в рядовых глинах при обжиге: 1) выделение гигроскопической воды из глинистых минералов и воды из аллофаноидов, если таковые присутствуют в глине; 2) окисление органических примесей; 3) выделение конституционной воды, т. е. дегидратация глинистых минералов и реакции в так называемых твердых фазах; 4) жидкофазные реакции и образование стекловидного расплава; 5) образование новых кристаллических фаз; 6) реакции декарбонизации и десульфуризации. В результате физико - химических процессов, происходящих при высоких температурах, глинистое вещество и другие компоненты уплотняются (спекаются), придавая изделию прочность и плотность, т.е. полуфабрикат превращается в готовое изделие. Химические и физические процессы, протекающие при обжиге, предопределяют состав и характер образующихся фаз, их соотношение, размер, форму и взаимное расположение, а также изменение массы и объема обжигаемого изделия.

       С точки зрения изменения свойств, в т.ч. фазового состава весь процесс  обжига может быть разделен на четыре периода.

       Первый  этап характеризует процесс от начала собственно спекания. В это время плотность и пористость практически не меняются, а линейные размеры несколько увеличиваются за счет термического расширения. Второй этап обжига – период спекания, когда наблюдается усадка материала, увеличение его плотности и снижение пористости. Третий период обжига соответствует так называемому «интервалу спекшегося состояния». Это интервал между температурой полного спекания и температурой начала деформации изделия. В этот период достигаются максимальные значения плотности и усадки. В четвертом периоде может наблюдаться вспучивание материала и происходить деформация изделий за счет их размягчения, что свидетельствует о нарушении режима обжига и «пережоге» изделий.

       С точки зрения организации технологического процесса цикл обжига керамического  кирпича складывается из трех периодов: нагревания, выдержки при конечной температуре обжига и охлаждения.

       Период  нагревания преследует цель нагреть  изделие до заданной температуры  без разрушения. В связи с этим приходится лимитировать скорость нагрева  изделий, учитывая ряд факторов. Удаление остатков воды из пор при излишне высокой скорости нагрева может привести к резкому увеличению давления пара внутри обжигаемого изделия, что приведет к «взрывному» его разрушению. Если до начала интенсивного спекания материала не успевают завершиться процессы удаления химически связанной воды и разложение органических остатков, то выделение газообразных веществ в системе может привести к вспучиванию материала.

       В обжигаемом материале возможно возникновение  и механических напряжений. Они могут быть обусловлены как термическим расширением отдельных его частей, так и огневой усадкой изделий. Механические напряжения, обусловленные термическим расширением, обычно возникают при нагревании до температуры порядка 1000⁰С. Это заставляет замедлять или даже приостанавливать нагревание непосредственно перед началом спекания с тем, чтобы заранее выровнять распределение температур в теле изделий и создать благоприятные условия для равномерной усадки в различных частях изделий.

       Выдержка  при конечной температуре должна обеспечить полное завершение химических реакций и фазовых превращений и необходимую степень спекания материала. Эти параметры можно в известных пределах варьировать с получением аналогичных результатов, т.е. либо снижать температуру, повышая длительность обжига, либо наоборот [4].

       В период охлаждения в теле изделия  могут возникнуть термические напряжения, обратные по знаку напряжениям, вызываемым термическим расширением. В тех  случаях, когда в изделии происходит затвердевание жидкой фазы, необходимо учитывать влияние скорости охлаждения на ход этого процесса, поскольку в зависимости от условий охлаждения расплав может затвердеть в виде стекловидной фазы или закристаллизоваться.

       До 200⁰С происходит удаление физически связанной воды:

       (Сa,Mg)O_*Al₂O_3*4SiO_2*2H₂O=(Ca,Mg)O_*Al₂O_3*4SiO_2*(2-x)_*H₂O+x_*H₂O (3.1)

       400-650⁰C – удаление химически связанной воды из алюмосиликатов:

       (Сa,Mg)O_*Al₂O_3*4SiO_2*(2-x)_*H₂O=(Ca,Mg)O_*Al₂O_3*4SiO₂+(2-x)_*H₂O (3.2)

       300-1000⁰C – разложение карбонатов, (300-400⁰С – карбонат железа, 600-700⁰С – карбонат магния, 800-900⁰С – карбонат кальция):

       FeCO₃=FeO+CO₂         (3.3)

       MgCO₃=MgO+CO₂         (3.4)

       CaCO₃=CaO+CO₂         (3.5)

       При температуре 573⁰С происходит переход β – кварца в α – кварц с увеличением объема на +0,82%.

       В туннельных печах полуфабрикат обжигают на вагонетках, передвигающихся вдоль печи по рельсам. Длина канала печи составляет 65-140 м, ширина 1,1-1,3 м. Тоннельная печь имеет три зоны: подогрева, обжига и охлаждения, через которые последовательно проходит обжигаемый материал. Наличие стабильных температурных зон и перемещение материала в противотоке с горячими газами позволяет поднять температуру обжига до 1050-1100⁰С и интенсифицировать процесс спекания.   

Обжиговый вагон с кирпичом с посадочного  поста электрической тележкой подается на туннельную печь. Проталкивание  вагонов в печь осуществляется гидротолкателем.

       Процесс обжига подразделяется на зоны [3]:

зона подогрева – 1-15 позиции, температура от 40 до 550 град. С

зона обжига – 16-26 позиции,  температура 550-980 град. С

зона остывания–27-40 позиции,  температура 980-50град. С

       Срок  обжига кирпича – 42 часа.