Керамические строительные материалы

Глину измельчают после выделения каменистых включений. Если их нет в глине, то после доставки на завод ее сразу подвергают грубому дроблению, потом тонкому измельчению. После тонкого измельчения глину надо промять, чтобы получить глиняную массу с необходимой формовочной влажностью.

В настоящее время приняты следующие способы изготовления керамических изделий: пластический; жесткое формование; полусухое прессование; комбинированный способ, шликерное литье.

При пластическом методе формования влажность шихты в зависимости от свойств глиняного сырья находится в пределах от 18 до 22%. При жестком методе формования формовочная влажность на 3-4% ниже, чем при пластическом. Полусухой способ производства изделий предусматривает формование из сыпучих масс с влажностью 8-12%. При первых двух методах формование производится способом экструзии, в третьем случае - уплотнением пресс-порошка в коленорычажных или гидравлических прессах. Выбор способа производства керамических изделий определяется карьерной влажностью и плотностью сырья, чувствительностью его к сушке, а также зависит от предполагаемого ассортимента продукции. Немаловажное значение при выборе способа производства имеет возможность приобретения заводом того или иного комплекта оборудования. Добыча, переработка и хранение глинистого сырья, а также методы контроля и испытания глинистого сырья являются одинаковыми для всех способов.

Способ пластичного формования. Пластический способ производства кирпича нашел наибольшее распространение. Для этой технологии пригодно разнообразное сырье.

Низкая энергоемкость переработки глины в пластическом состоянии, малая запыленность производственных помещений, возможность получения широкого ассортимента продукции (стеновые изделия с пустотностью до 71%) дают предпочтение этому способу. Однако производство изделий из масс с высокой формовочной влажностью - процесс многопередельный, требующий корректировки природных свойств глинистого сырья.

Изделия стеновой керамики формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными. В корпусе этого пресса вращается шнек - вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса поступая через воронку и питающий валик, перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке и мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук глиняного пресса для производства кирпича имеет прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и керамических камней, в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник. Применяются также фасонные вставки с узкими щелями - для формования черепицы, кольцевые для керамических труб.

Способ жесткого прессования. Особенностью технологической схемы является сухая переработка глинистого сырья и формовка изделий по пластическому методу. Этот способ рекомендуется при наличии глинистого сырья с карьерной влажностью менее 16-17%. Данный способ исключает из технологической схемы операция укладки сырца на сушильную вагонетку и перекладку его на печную.

Характерной особенностью технологической схемы является увлажнение порошка глинистой массы непосредственно в мешалке пресса, такой метод позволяет формовать изделия при влажности глиномассы на 3-4% ниже нормальной с давлением в головке пресса около 10 МПА.

Кирпич до сушки необходимо выдерживать в течение 12-48 ч для усреднения влажности во всем его объеме.

Способ полусухого прессования. Керамические изделия формуют способом полусухого прессования из шихты влажностью 8-12%, уплотняемой прессованием под значительным давлением (15 - 40 МПа).

Полусухой способ применяется, когда глина имеет плотную структуру, плохо увлажняется и обрабатывается, содержит многочисленные посторонние включения, низкую карьерную влажность.

Полусухой способ изготовления керамических изделии позволяет до 30% сократить расход топлива, использовать малопластичные тощие глины с большим количеством отходов производства.

При полусухом прессовании температура обжига кирпича должна быть на 50-100 выше, чем при пластическом формовании.

Способ литья. Плитки (толщиной 2 мм) изготовляют способом литья на автоматизированных конвейерных линиях. По конвейеру движутся пористые керамические поддоны, на которые наливные аппараты последовательно наносят шликеры разделительного, плиточного и глазурованного слоев. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем на режущее устройство. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22-30 минут, после чего он автоматически предается в тепловые установки. Полный цикл производственного процесса (вместе с обжигом) занимает около 2 часов.

Комбинированный способ. При этом способе глинопорошок готовится по технологии полусухого прессования с последующим его затворением водой до формовочной влажности и формованием изделий по пластической технологии. Такая технология обеспечивает высокую степень гомогенизации и качества керамических изделий.

Сушка сырца. Перед обжигом изделие надо высушить до содержания влаги не более 5 % во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Сушку сырца проводят в туннельных и камерных сушилках.

Обжиг изделий. Обжиг завершает изготовление керамических изделий. В процессе обжига формируется их структура, определяющая технические свойства изделия. Суммарные затраты на обжиг составляют 35-40 %, а потери от брака достигают 10% себестоимости товарной продукции. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных печах с автоматическим управлением. Максимальная температура обжига кирпича и других стеновых керамических изделий (950-10000С) необходима для спекания керамической массы.

27. Производство керамических изделий пластическим способом

Способ пластичного формования. Пластический способ производства кирпича нашел наибольшее распространение. Для этой технологии пригодно разнообразное сырье.

Низкая энергоемкость переработки глины в пластическом состоянии, малая запыленность производственных помещений, возможность получения широкого ассортимента продукции (стеновые изделия с пустотностью до 71%) дают предпочтение этому способу. Однако производство изделий из масс с высокой формовочной влажностью - процесс многопередельный, требующий корректировки природных свойств глинистого сырья. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными. В корпусе этого пресса вращается шнек - вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса поступая через воронку и питающий валик, перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке и мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук глиняного пресса для производства кирпича имеет прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и керамических камней, в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник. Применяются также фасонные вставки с узкими щелями - для формования черепицы, кольцевые для керамических труб. Из мундштука пресса выходит глиняный брус, который разрезают автоматически резательным аппаратом, получая изделия заданного размера. Плотный вакуумированный сырец устанавливают рядами на печную вагонетку и он поступает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакуумирование глины позволяет извлечь из нее воздух, снизить влажность формовочную на 3-4 %, увеличить связующую способность глины, увеличить прочность сырца в 2-3 раза, прочность обожженного изделия увеличивается до 2 раз, его водопоглощение снижается на 10-15 %. Отборку сырца от пресса и укладку его на транспортные средства выполняют автоматы. Для повышения трещиностойкости изделий стеновой керамики при сушке применяют следующие мероприятия: паровое увлажнение глины, введение в шихту крупнозернистых минеральных и органических добавок, вакуумирование глиняной шихты, добавка пластификаторов, увлажнение теплоносителя водяным паром. В зависимости от физико-минералогических характеристик сырья схема производства может видоизменяться. При повышенной карьерной влажности до 24-25% в начале технологической линии необходимо предусматривать подсушку глины в сушильном барабане или в конвейерной сушилке. Наличие карбонатных включений обуславливает введение в технологию дополнительных вальцев тонкого помола или сухую подготовку массы в шахтных мельницах или других аналогичных агрегатах. При производстве кирпича из суглинков или малопластичных глин желательно осуществлять вылеживание их в буртах или конусах в течение 3-12 месяцев. Вода, содержащаяся в глине, при замерзании разрушает природную структуру, диспергирует агрегаты глинистых частиц. В процессе вылеживания увеличивается удельная поверхность, более полно завершаются процессы набухания, возрастает количество связанной воды и пластическая прочность глиняной массы, улучшаются ее формовочные и сушильные свойства, облегчается последующая переработка массы.

28. Цель вакуумирования керамической массы и виды вакуум-прессов

При формовании керамического кирпича и камней используют пресса с вакуум-камерой, в которой создается разряжение порядка 600-740 мм рт. ст. При этом происходит удаление воздуха и частично паров воды из глиномассы, благодаря чему масса становится прочнее в сушке и обжиге. При вакуумировании уменьшается на 1-2% влажность глиномассы и на 25-30 % уменьшается усадка керамических изделий при сушке и обжиге. При формовании более пластичных масс вакуумирование должно быть более глубоким.

29. Брак при формовании керамических изделий пластическим способом и способы его устранении

В процессе формования необходимо следить за тем, чтобы глиняный брус имел правильную форму, без выпуклостей, волнистости, задиров, а отрезаемый сырец - прямоугльную форму, четкие грани, прямые ребра, целые углы, ровные, а не зазубренные линии среза. Брак формования может быть вызван следующими причинами.

Слоистость сырца при изломе возможна при недостаточном разрежении в вакуум-камере, износе лопастей пресса, неравномерном питании пресса или снижении количества отощающих материалов в массе.

«Драконов зуб» (разрыв сплошности массы на углах бруса) бывает при пониженном вакууме, нарушениях дозировки, гранулометрического состава массы и ее пониженной влажности.

Искажение формы бруса, ее разрывы происходят от перегрева пресса, низкой влажности массы, при износе шнековых лопастей или рубашки цилиндра пресса, нарушении заданного состава массы.

Нарушение геометрии сырца может быть следствием повышенной влажности массы, неполадок в работе резательного автомата.

При формовании канализационных труб ствол трубы может иметь волнистую поверхность из-за вибрации пресса или подъемного стола, неправильного расположения лопастей шнека, большой влажности массы, низкой установки колокола или неправильного уравновешивания стола пресса. На внутренней поверхности ствола трубы ниже плечика на 10-20 мм может образовываться кольцевая трещина (венчиковая трещина) из-за неправильной установки колокола по высоте или большого угла наклона наружной поверхности конусной части раструба. Трещины под раструбом могут образовываться из-за разных скоростей выхода трубы и опускания стола или из-за выработки формы.

Чешуйчатая поверхность изделия образуется из-за недостаточной пластичности массы или повышенного количества отощителя.

Несоответствие размеров сырца, заусенцы при допрессовке кислотоупорных изделий происходят из-за износа или деформации формы, неправильного регулирования подкладок, нарушения размеров заготовок. Посечки шириной 0,5-1 мм на поверхности изделия могут быть в результате применения густой смазки при допрессовке или подачи на допрессовку заготовок с пересушенной поверхностью.

Отрыв штампом массы от поверхности изделия может происходить, если заготовки плохо смазаны или имеют повышенную влажность.

Недопрессованные углы изделий - следствие пониженной влажности заготовок или уменьшенного размера.

Опускание углов происходит, если заготовки плохо смазаны или боковые пластины формы неплотно соединены, а также когда изделия снимают со стола пресса неаккуратно.

38. Классификация сушильных установок и принципы их действия. Сушка кирпича производится в сушилах следующих типов с естественной сушкой, с искусственной и комбинированной. Естественные способы применяются главным образом, при небольшой производительности завода. Естественная сушка довольно продолжительна и при большом объёме производства не вполне рентабельна, так как требуется много складского пространства и успех работы в значительной степени зависит от погоды. Для искусственной сушки применяют тепло отработанного пара, остывающего обожженного кирпича, а в некоторых случаях тепло дымовых газов. Нагретый воздух ( 350-400 С ) отсасывается из обжиговой печи эксгаустром и подаётся в сушильную камеру. Благодаря постепенному подъёму температуры, в закрытой сушильной камере с течением времени образуются испарения воды без заметного движения воздуха. Это весьма благоприятно влияет на сушку кирпича, особенно из чувствительных к режиму сушки глин в первый период. Сырец нагревается во влажном воздухе и преждевременного высыхания его поверхности не происходит, а влага равномерно испаряется из всей массы сырца. Для обеспечения равномерности тяги и работы в печи устанавливают вентиляторы. Газы продуктов горения используются для сушки сравнительно реже, т. к. они действуют разрушающим образом на дерево и железо.

Их следует пропускать по трубам или каналам под полом сушилки. Высушенный кирпич при помощи различного рода подъёмников и вагонеток подаётся в печь для обжига.

Методы тепловой (искусственной) сушки классифицируют по энергетическому признаку, т. е. по методу сообщения тепла материалу на: конвективную: радиационную (сушка термоизлучателями); кондуктивную; в энергетическом поле высокой частоты (диэлектрическая сушка); комбинированную: 1. кондуктивно-конвективную циклическую и 2. радиационно-конвективную.

Наиболее распространены конвективный и радиационный способы сушки. При конвективной сушке теплоноситель (дымовые газы, горячий воздух) омывает изделия и передает им тепло, при радиационной - изделия воспринимают тепло от нагретых поверхностей.

При сушке сырца искусственным способом основным источником тепла для сушки является тепло зоны охлаждения туннельных печей, дополнительным источником тепла являются продукты сгорания в теплогенераторе, где сжигается природный газ.

Искусственную сушку производят в сушилах периодического действия - камерных сушилах или непрерывного действия - туннельных сушилах.

Предварительный процесс сушки проходят керамические изделия, отформованные пластическим или литым способом.

Сырец высушивается до остаточной влажности 5-8 %. При такой влажности изделий уменьшается их объем (воздушная усадка) за счет уменьшения толщины гидратных оболочек глинистых частиц, сырец приобретает необходимую механическую прочность для погрузки на обжиговые вагонетки или для многорядной садки на поду в печи, а также допускает быстрый подъем температуры при обжиге, что ведет к ускорению процесса обжига.

Схематично процесс сушки можно представить следующим образом: теплоноситель, омывая изделие, поглощает с его поверхности влагу (внешняя диффузия).

30. Процессы, протекающие при сушке керамических материалов

Процесс сушки включает в себя три фазы:

1. Перемещение влаги внутри материала

2. Парообразование

3. Перемещение водяных паров с поверхности материала в окружающую среду

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, связанных с тепло- и массообменом между материалом и окружающей средой и характеризуется следующими факторами:

- скоростью перемещения влаги внутри материала

- скоростью влагоотдачи материала в окружающую среду

- усадочными напряжениями, обусловленными неравномерным распределением влажности внутри материала

В результате сушки происходит перемещение влаги из внутренней части изделий на поверхность и испарение ее.

Одновременно с удалением влаги частицы материала сближаются и происходит усадка.

Уменьшение объема глиняных изделий при сушке происходит до определенного предела, несмотря на то, что вода к этому моменту полностью еще не испарилась.

При сушке изделий из них сначала удаляется свободная вода, а затем связанная

При испарении молекулы воды вырываются из окружения соседних молекул и переходят в воздушную среду

Испарение теплой влаги идет интенсивнее, чем холодной

При наличии градиента влажности влага будет перемещаться из зон более влажных к менее влажным, а при наличии температурного градиента - влага стремится переместиться из зон более нагретых к менее нагретым

Поэтому, если масса предварительно прогрета, то испарение и, следовательно, процесс сушки будут идти более интенсивно

Влага перемещается также вследствие развития ее концентрации и действия капиллярных сил

Удаление влаги с поверхности происходит за счет испарения, а к поверхности влага поступает из центральных зон изделия за счет диффузии

Процесс сушки делится на 3 периода: нагрева изделий, постоянной скорости сушки и замедленной скорости сушки

На первой стадии сушки происходит удаление воды в объеме равном величине изменения объема сырца, за счет чего происходит интенсивная усадка.

Такая вода называется усадочной.

Поры на этой стадии пока не образуются, т. е. вода из них не удаляется.

В этот период тепло, подводимое к материалу, расходуется на подогрев изделия от начальной температуры до температуры теплоносителя.

Влажность изделий уменьшается незначительно

На второй стадии влага, поступающая из внутренних слоев, испаряется с поверхности изделий.

Объем удаляющейся воды превышает величину объема, на которую уменьшается сырец.

Это происходит вследствие того, что наряду с усадочной водой начала удаляться и вода из пор - поровая вода.

Скорость сушки в этот период остается постоянной до тех пор, пока влажность на поверхности изделий начнет уменьшаться.

Этот период сушки характеризуется примерно постоянным уменьшением массы изделия в единицу времени

На третьей стадии объем удаляющейся воды соответствует объему образующихся пор, т. е. происходит удаление только поровой воды, а объем сырца при этом остается практически постоянным.

В этот период постепенно уменьшается масса до минимального остаточного количества.

Этой стадии соответствует состояние критической влажности массы и окончание воздушной усадки, которая характеризуется также непрерывным снижением скорости сушки

Конец третьего периода характеризуется равновесной влажностью, т. е. влажностью, при которой прекращает уменьшаться масса изделия и скорость сушки равна нулю

В дальнейшем нет опасности появления трещин вследствие неравномерной усадки, и поэтому сушка может идти при более высоких температурах и при пониженной относительной влажности теплоносителя

31. Понятие о процессах и скорости диффузии

Скорость внешней диффузии зависит от температуры, скорости перемещения и влажности теплоносителя: чем больше температура теплоносителя и скорость и меньше влажность теплоносителя, тем больше внешняя диффузия, т. е. чем выше температура, тем быстрее влага перемещается в воздушную среду

По мере удаления влаги с поверхности и прогрева изделия из глубины его к поверхности по капиллярам поступают новые порции влаги - внутренняя диффузия, скорость которой зависит от влагопроводности материала, температуры влаги в материале и перепадов влажности между поверхностью и внутренними слоями изделия

Скорость внешней диффузии регулируют изменением температуры, количества и относительной влажности среды - теплоносителя, а внутренней диффузии - улучшением сушильных свойств массы

Для того, чтобы процесс сушки шел успешно, необходимо, чтобы скорости внешней и внутренней диффузии были одинаковыми

При быстром снятии влаги с поверхности сырца внутри него создается влажное ядро, в результате чего поверхностные слои начинают испытывать растягивающие изделия, и в том случае, когда эти усилия превышают прочность материала, в нем возникают трещины.

Процесс сушки делится на 3 периода: нагрева изделий, постоянной скорости сушки и замедленной скорости сушки

На первой стадии сушки происходит удаление воды в объеме равном величине изменения объема сырца, за счет чего происходит интенсивная усадка.

Такая вода называется усадочной.

Поры на этой стадии пока не образуются, т. е. вода из них не удаляется.

В этот период тепло, подводимое к материалу, расходуется на подогрев изделия от начальной температуры до температуры теплоносителя.

Влажность изделий уменьшается незначительно

На второй стадии влага, поступающая из внутренних слоев, испаряется с поверхности изделий.

Объем удаляющейся воды превышает величину объема, на которую уменьшается сырец.

Это происходит вследствие того, что наряду с усадочной водой начала удаляться и вода из пор - поровая вода.

Скорость сушки в этот период остается постоянной до тех пор, пока влажность на поверхности изделий начнет уменьшаться.

Этот период сушки характеризуется примерно постоянным уменьшением массы изделия в единицу времени

На третьей стадии объем удаляющейся воды соответствует объему образующихся пор, т. е. происходит удаление только поровой воды, а объем сырца при этом остается практически постоянным.

В этот период постепенно уменьшается масса до минимального остаточного количества.

Этой стадии соответствует состояние критической влажности массы и окончание воздушной усадки, которая характеризуется также непрерывным снижением скорости сушки

Конец третьего периода характеризуется равновесной влажностью, т. е. влажностью, при которой прекращает уменьшаться масса изделия и скорость сушки равна нулю

В дальнейшем нет опасности появления трещин вследствие неравномерной усадки, и поэтому сушка может идти при более высоких температурах и при пониженной относительной влажности теплоносителя

32. Механизм возникновения усадочных деформаций в процессе сушки кирпича-сырца. Деформации изделий при сушке: искривления и трещины

Сушка сырца - процесс понижения влажности в отформованном изделии до 6-8%. При такой влажности сырец приобретает необходимую механическую прочность для погрузки на обжиговые вагонетки или для многорядной садки на поду в печи, а также допускает быстрый подъем температуры при обжиге.

Процесс сушки делят на три стадии:

а) на первой стадии сушки происходит удаление воды в объеме, равном величине изменения объема сырца, за счет чего происходит его интенсивная усадка. Такая вода называется усадочной. Поры на этой стадии пока еще не образуются, т. е. вода из них не удаляется;

б) на второй стадии объем удаляющейся воды превышает величину объема, на которую уменьшается сырец. Это происходит вследствие того, что наряду с усадочной водой начала удаляться и вода из пор - поровая вода;

в) на третьей стадии объем удаляющейся воды соответствует объему образующихся пор, т. е. происходит удаление только поровой воды, а объем сырца при этом остается практически постоянным. Завершается только сокращение объемов глинистых частиц после их набухания. Этой стадии соответствует состояние критической влажности массы и окончание воздушной усадки, которая характеризуется также падением скорости влаговыделения.

В дальнейшем уже нет опасности появления трещин вследствие неравномерной усадки, и поэтому сушка может идти при более высоких температурах и при пониженной относительной влажности теплоносителя.

Деформация изделий при сушке возникает вследствие неравномерной напряженности двух противоположных поверхностей изделия за счет различной их влажности. При этом поверхность, имеющая большую влажность и температуру, дает большую усадку, в связи с чем она коробится в сторону поверхности с большей влажностью и температурой. Для устранения деформации керамических изделий необходимо, чтобы интенсивность сушки была одинаковой с двух сторон.

Процесс сушки делится на три периода: нагрева изделий, постоянной скорости сушки и замедленной скорости сушки.

В период нагрева тепло, подводимое к материалу, расходуется на подогрев изделия от начальной температуры до температуры теплоносителя. Влажность изделий в этот период уменьшается незначительно.

В период постоянной скорости сушки влага, поступающая из внутренних слоев изделия, испаряется с поверхности изделий. Скорость сушки в этот период остается постоянной до тех пор, пока влажность на поверхности изделий начнет уменьшаться. Этот период сушки характеризуется примерно постоянным уменьшением массы изделия в единицу времени, т. е. количества влаги, испаряемой поверхности изделия.

В период замедленной скорости сушки постепенно уменьшается влажность изделия до минимального остаточного количества.

Этот период характеризуется непрерывным снижением скорости сушки и сопровождается снижением величины усадки изделий, которая обычно прекращается до окончания этого периода. Влажность, которую имеет изделие в момент прекращения усадки, называется критической. Конец третьего периода характеризуется равновесной влажностью, т. е. влажностью, при которой прекращает уменьшаться масса изделия и скорость сушки равна нулю.

При сушке изделий стремятся создать оптимальный режим, т. е. режим, при котором получают качественные изделия без трещин в минимальные сроки и при возможно меньших затратах тепла и электроэнергии.

Причины возникновения дефектов является неравномерная усадка по толщине изделия, объемное сокращение влажного сырца, объемное расширение и снижение прочности сырца при прогревании его в условиях, исключающих испарение влаги, очень быстрое нагревание и др. В связи с этим в сырце появляется ряд характерных трещин и других дефектов, к числу которых относятся следующие:

Искривление сырца, вмятины и притупленность углов - образуются от неаккуратной укладки сырца на рамки, от искривления и перекоса рамок, от задевания сырцом стенок сушила;

Рамочные вмятины и трещины - образуются от чрезмерного увлажнения массы, вследствие чего сырец не имеет надлежащей жесткости, что ведет к образованию вмятин, препятствующих скольжению сырца во время укладки; от сотрясения при транспортировании к месту сушки, вследствие неисправности путей;

Структурные трещины - образуются из-за конструктивных недостатков пресса, неудовлетворительно подобранного состава массы;

Сушильные трещины - образуется от несоответствия режима сушки свойствам сырья; сначала они появляются на верхних узких гранях, а затем переходят на широкие - постель. Сушильные трещины могут возникать и при нормальном режиме сушки, если колеблется состав массы;

Трещины от включений - образуется вследствие недостаточной переработки массы;

Мелкие трещины - могут образовываться от конденсации влаги на сырце вследствие его более низкой температуры по сравнению с теплоносителем, а также высокой влажности теплоносителя;

Трещины на сырце в верхних рядах садки - образуются от расслоения потока газов по сечению туннеля.

По этой же причине сырец неравномерно сохнет по высоте вагонетки, что может усугубляться также неправильной садкой сырца, наличием значительных зазоров между сырцом и поверхностями сушила.

33. Режим сушки. Регулирование интенсивности испарения влаги в различные периоды сушки керамических изделий

В целях получения высококачественных керамических изделий процесс сушки должен осуществляться в строгих режимах

Режим сушки - технологические изменения в определенном порядке интенсивности испарения влаги сырца во времени.

Он устанавливает периодичность изменения количества (скорости) теплоносителя, его температуры и относительной влажности.

Режим сушки может быть установлен тремя путями: опытным - методом «попыток», методом составления уравнений, с учетом физической сущности процессов образования дефектов и методом составления критериев подобия из дифференциальных уравнений, описывающих процесс образования дефектов при сушке

В большинстве случаев режим сушки сначала подбирается в лабораторных условиях, затем на основе полученных опытных данных уточняется в производственном процессе применительно к конкретному виду и свойствам сырья, конструктивным особенностям сушильного устройства и самого сырца.

Продолжительность (скорость) сушки зависит от способа сушки, конструктивных особенностей сушильных устройств, плотности массы, количества содержащейся в ней воды, которое удаляется с единицы поверхности в единицу времени

Регулируют скорость сушки относительной влажностью и температурой среды, скоростью обмена среды, т. е. скоростью движения теплоносителя

Сушку до критической влажности надо вести осторожно, а после того как усадочные явления закончатся, сушку можно интенсифицировать.

В начальный период сушки следует сочетать высокую относительную влажность воздуха (до 90-95 %) с повышением температуры и скорости теплоносителя. Это позволит быстрее прогреть сырец и создать лучшие условия для сушки.

В производственных условиях режим сушки регулируют изменением количества подаваемого теплоносителя, температуры и влажности теплоносителя.

Следует строго соблюдать соответствие каналов и зазоров между сырцом по длине и ширине вагонетки, внедрять штабельный способ

Регулируют скорость сушки относительной влажностью и температурой среды, скоростью обмена среды, т. е. скоростью движения теплоносителя

Сушку до критической влажности надо вести осторожно, а после того как усадочные явления закончатся, сушку можно интенсифицировать.

В начальный период сушки следует сочетать высокую относительную влажность воздуха (до 90-95 %) с повышением температуры и скорости теплоносителя. Это позволит быстрее прогреть сырец и создать лучшие условия для сушки.

В производственных условиях режим сушки регулируют изменением количества подаваемого теплоносителя, температуры и влажности теплоносителя.

Следует строго соблюдать соответствие каналов и зазоров между сырцом по длине и ширине вагонетки, внедрять штабельный способ

Опыт действующих предприятий показывает, что длительность сушки сырца в искусственных сушилках можно существенно сократить, пользуясь различными способами ускорения внешней диффузии и внутренней миграции влаги в изделиях.

34. Способы сокращения сроков сушки, обеспечение безопасной скорости сушки, улучшение сушильных свойств и повышение качества керамического сырца

Сушка сырца - процесс удаления влаги из материалов

Если же сырец, имеющий высокую влажность, сразу после формования подвергнуть обжигу, то он растрескивается.

Основой сушки является перенос и затрата энергии на перевод влаги материала в парообразное состояние.

Как известно, существует два вида сушки керамического сырца: естественная и искусственная.

Естественная сушка длится от 2-х до 20 суток, искусственная - от 10-30 мин до 48 часов. При естественной сушке сырец высушивается под действием атмосферного воздуха. Этот вид сушки не отвечает современному уровню развития техники и поэтому в керамической промышленности заменяется искусственной сушкой.

Предварительный процесс сушки проходят керамические изделия, отформованные пластическим или литым способом.

Режим сушки - технологические изменения в определенном порядке интенсивности испарения влаги сырца во времени. Он устанавливает периодичность изменения количества (скорости) теплоносителя, его температуры и относительной влажности. Продолжительность (скорость) сушки зависит от способа сушки, конструктивных особенностей сушильных устройств, плотности массы, количества содержащейся в ней воды, которое удаляется с единицы поверхности в единицу времени.

Регулируют скорость сушки относительной влажностью и температурой среды, скоростью обмена среды, т. е. скоростью движения теплоносителя.

Глины с низкой чувствительностью к сушке (Кч<1) допускают жесткие режимы сушки с высокими температурами и малой влажностью теплоносителя, а поэтому и сокращенные сроки сушки - от 12 до 24 ч. ; глины со средней чувствительностью (Кч=1-2) - от 24 до 48 ч; с высокой чувствительностью (Кч>2) требуют мягких режимов сушки со сроком более 48 ч.

Опыт действующих предприятий показывает, что длительность сушки сырца в искусственных сушилках можно существенно сократить, пользуясь различными способами ускорения внешней диффузии и внутренней миграции влаги в изделиях. Основными из них являются:

1) Введение в сушила увеличенных объемов теплоносителя;

2) Увеличение скорости движения теплоносителя в сушилке;

3) создание мощных источников тепла и вентиляционных устройств, способных обеспечить сушила достаточным количеством воздуха и скоростью движения теплоносителя

4) Применение продольной и поперечной рециркуляции газов. Для глин средней чувствительности рециркуляцию целесообразно применять на том участке сушилки, где происходит усадка сырца;

5) Применение паропрогрева и пароувлажнения керамической массы;

6) Введение в состав шихты в качестве отощителя дегидратированной глины;

7) Рациональная садка на вагонетки, конвейеры и другие транспортные средства в сушилках.

8) Введение ССБ

9) Применение «ротамиксов» - передвижных конусообразных устройств, с помощью которых поступающий теплоноситель вееробразно направляется по объему сушила;

8) Применение цикличной подачи теплоносителя - сущность состоит в цикличном нагреве и охлаждении поверхности сырца, вследствие чего осуществляется принудительное ускорение внешней и внутренней диффузии влаги в сырце. При этом методе в начальные 25 минут идет подача теплоносителя в рабочее пространство сушила, потом ее прекращают на 25 мин и вновь возобновляют на такое же время.

В период прекращения поступления теплового потока поверхность сырца охлаждается, а из нагретой центральной его части диффузия влаги ускоряется вследствие наличия температурно-влажностного градиента. Это сокращает общий срок сушки изделий по сравнению с обычным способом подачи теплоносителя.

Осуществляя скоростную сушку сырца с применением больших объемов и скоростей теплоносителя, производя его рециркуляцию, сокращают сроки сушки в 1,5-3 раза.

Сокращение сроков сушки и повышение качества сырца достигается также:

а) введением в глину отощителя до 30-50% различного зернового состава, что увеличивает влагопроводность, уменьшает воздушную усадку и влагосодержание массы. При выборе вида отощителя предпочтение следует отдавать шамоту и дегидратированной глине (добавка ее в количестве 30-50% снижает сроки сушки в 2-3 раза и коэффициент чувствительности глин к сушке в 1,5 раза;

б) подогревом керамической массы паром. При пароувлажнении достигается более равномерное распределение влаги в глиняном порошке и одновременно прогрев его до 40-60о, благодаря чему резко сокращаются сроки сушки сырца на 40-50% и более. Особенно благоприятно влияет пароувлажнение на массы, приготовленные из глин, чувствительных к сушке и требующих мягкого режима. При этом следует иметь в виду, что сырец должен поступать в сушилку до того, как он успеет остыть после паропрогрева;

в) введением в массу электролитов. Эти вещества распадаются при растворении на заряженные атомы и молекулы-ионы, которые затем адсорбируются на поверхностях глинистых частиц, вызывая их коагуляцию и агрегирование. Агрегация глинистых частиц улучшает влагопроводность массы;

г) введением поверхностно-активных добавок. Это существенно понижает коэффициент чувствительности керамических масс к сушке. Введение ССБ, например, в количестве 0,25-5 % по массе (сухое вещество) снижает коэффициент чувствительности суглинков на 36-40 %, облегчает удаление поровой воды, позволяет увеличить влагоотдачу сырцом в 2,4-2,6 раза.

Продолжительность сушки может быть сокращена в первом периоде за счет добавки в массу отощающих материалов и во втором периоде за счет повышения температуры и скорости теплоносителя.

При любом форсировании процесса сушки скорость сушки не должна превышать максимально допустимую, иначе произойдет растрескивание изделия (на рисунке 2 заштрихованная область)

35. Основы обжига керамических стеновых материалов. Назначение обжига

Обжиг изделий. Обжиг завершает изготовление керамических изделий. В процессе обжига формируется их структура, определяющая технические свойства изделия. Суммарные затраты на обжиг составляют 35-40 %, а потери от брака достигают 10% себестоимости товарной продукции. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных печах с автоматическим управлением. Максимальная температура обжига кирпича и других стеновых керамических изделий (950-10000С) необходима для спекания керамической массы.

Обжигом называется высокотемпературная обработка материалов, в результате которого получается твердое камнеподобное тело, стойкое против механических и физических воздействии.

Обжиг является завершающим и одним из наиболее сложных этапов в производстве керамики. В результате обжига изделие приобретает новую структуру, характеризующуюся камневидным состоянием и такими ценными строительными качествами, как высокие плотность, водостойкость, прочность, морозостойкость, кислотостойкостью.

Обжиг изделий стеновой керамики происходит в интервале температур 900-1100°. Изделия полусухого прессования обжигают примерно на 50°С выше, чем изделия пластического прессования.

Главнейшие свойства керамических материалов (прочность, плотность, термостойкость, проницаемость, кислотостойкостью и др. ) в значительной степени обусловлены их фазовым составом.

Постоянным структурным элементом керамического материала являются поры, их количество и размер. При обжиге керамических материалов, изготовляемых из глин различного химико-минералогического состава, образуются поры различных конфигурации и размеров.

При обжиге щелочесодержащих каолинитовых и каолинито-гидрослюдистых глин образуется щелочно-силикатная жидкая фаза, в которой растворяются Аl2О3 и другие оксиды, образуя расплав определенного состава и строения. Из таких глин при обжиге формируется, как правило, кислотостойкий керамический материал.

45. Процессы, связанные с фазовыми и химическими превращениями в глинах при обжиге.

При обжиге в материале кроме фазовых превращений одновременно протекают процессы тепло- и массообмена, а также химические превращения.

В зависимости от свойств глинистого сырья эти процессы протекают без нарушения целостности изделий или приводят к их деформации трещиноватости и короблению, особенно у чувствительных к обжигу глинистых пород. Более чувствительным к обжигу является полуфабрикат из глин монтмориллонитовой группы, содержащих Аl203 более 20 %, менее чувствительным - полуфабрикат из гидрослюдистых глин. Чувствительность полуфабриката к обжигу повышается при увеличении в глинах тонкодисперсных фракций свыше 35-40 %, числа пластичности свыше 20, а также большом набухании при затворении водой. С повышением пористости полуфабриката снижается его чувствительность к обжигу. Дефекты обжига необратимы, в зависимости от них в большинстве случаев определяется сортность изделий.

Физико-химические изменения и фазовые превращения керамическая масса претерпевает на разных стадиях обжига.

Различают в основном три периода обжига: подогрев, обжиг и охлаждение. Подогрев состоит из стадии завершения сушки (полного удаления влаги) и подогрева до температуры обжига, а охлаждение - из стадии вызревания (закалка) и охлаждения.

В начале первого периода обжига сырца в печи происходит испарение влаги. К окончанию стадии сушки выделение влаги ослабевает и совсем прекращается, после чего наступает стадия собственно подогрева, протекающая в интервале температур от 110 до 4000С. При нагревании полуфабриката керамических изделий до 2000С выделяется свободная гигроскопическая влага из глины. Этот процесс характеризуется поглощением тепла (эндотермическим эффектом). При этом образуется водяной пар, который при слишком быстром подъеме температуры может разорвать изделие. К концу первого периода из глины начинает удаляться химически связанная вода.

Второй период обжига - это период, в течение которого осуществляется собственно обжиг изделий. В начале этого периода, при повышении температуры от 400 до 7000С продолжает удаляться химически связанная вода (не ниже 550-5900С), выгорает топливо, а глинистые минералы, разрушаясь переходят в новое соединение - метакаолинит. При 450-600°С глинистые минералы дегидратируются (удаляется кристаллизационная вода). Этот процесс сопровождается небольшой усадкой материала.

При 300-9000С разлагаются и выгорают из глины органические и карбонатные примеси. При 300-4000С разлагаются карбонаты железа. При 600-7000С разлагаются карбонаты магния.

При 800-9000С разлагаются карбонаты кальция. Т. е. в интервале температур 700-900°С в составе обжигаемой массы начинают появляться свободные Мg0 и СаО в результате разложения карбонатных включений и выделения свободной СО2. С их появлением между образовавшимися компонентами начинают протекать реакции в твердом состоянии, в результате которых в конце этого температурного интервала образуется керамический черепок - каменистая прочная масса, не размокающая в воде.

При 800-850°С начинают разрушаться кристаллические решетки глинистых минералов из только что образовавшегося метакаолинита. В глине появляется жидкая фаза, в которой растворяются глинистые минералы, в результате чего возникают усадочные явления, которые протекают до спекания глинистой массы. Эта усадка в отличие от воздушной называется огневой усадкой. Она объясняется поверхностным натяжением расплава, стягивающего частицы, а кроме того усадка обусловлена также рекристаллизацией новообразований, происходящей с уменьшением размеров кристаллов. Величина огневой усадки зависит от степени запесоченности глин, и может колебаться от 1 % (для сильно запесоченных) за счет модификационных превращений кварца до 8% и более. Ее учитывают наряду с воздушной усадкой при определении внутренних размеров выходных отверстий мундштуков. С точки зрения трещиностойкости сырца этот период наиболее опасен, так как он связан с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и структурными изменениями черепка.

При повышении температуры обжига до 1100°С положительные свойства, приобретенные черепком -- прочность, водостойкость, морозостойкость, и др. , усиливаются и стабилизируются. Этому способствует протекание фазовых превращений, начало которых в легкоплавких глинах относится к температурам выше 800°С.

Вслед за усадкой при температуре выше 950-1100°С глина размягчается и в процессе размягчения уплотняется -- легкоплавкие соединения заполняют поры между зернами скелета, представляющие собой более тугоплавкие частицы, вследствие чего обжигаемая масса приобретает большую плотность -- спекается. На спекаемость влияют минералогический и химический составы глины, а также примеси, встречающиеся в глинах и добавляемые в массу.

Температурный интервал от начала спекания (усадки) до температуры начала плавления (начала вспучивания) глины называют интервалом спекания. Интервалу спекшегося состояния соответствует разность между температурами начала пережога и полного спекания. Определение интервалов спекания и спекшегося состояния позволяют установить оптимальную температуру обжига. По интервалу спекшегося состояния оценивают различные глины с точки зрения их пригодности их для производства того или иного вида керамических изделий, подбирают необходимый тип печи обжига.

Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50-1000С, а огнеупорных до 4000С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформации и растрескивания изделии при обжиге.

При быстром подъеме температур часть примесей в изделии может остаться невыгоревшей, что обнаруживается на изломе изделия в виде темной сердцевины.

Третий период обжига -- охлаждение, в течение которого изделие подвергается термическому сжатию. При этом неизбежно возникают напряжения от температурного перепада между наружными и внутренними слоями.

Вследствие того, что в составе массы имеется кварц и происходят его модификационные изменения, в изделии возникают дополнительные напряжения. То же самое имеет место и при затвердевании стекловатой фазы, так как ее объемные изменения проходят неравномерно. По этой причине при быстром охлаждении в периферийных зонах изделия наблюдается разрыхление структуры, отчего прочность его уменьшается, а хрупкость увеличивается. И наоборот, при медленном охлаждении черепок имеет возможность еще лучше «вызреть» благодаря постепенному и более полному завершению реакций в жидкой фазе, равномерному течению полиморфных превращений кварца и объемных изменений жидкой фазы при ее затвердевании. Это улучшает структуру черепка, повышает его прочность и уменьшает хрупкость.

36. Режим обжига. Влияние восстановительной (газовой) среды печи на качество керамических изделий. Весь процесс обжига подразделяется на три периода: нагрев до конечной температуры обжига, выдержка при этой температуре и охлаждение. Для каждого из этих периодов устанавливается режим

Под режимом обжига подразумевается зависимость между температурой и временем обжига, которая выражается температурной кривой обжига. Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов:

- скорости подъема температуры

- конечная температура обжига

- длительность выдержки при конечной температуре

- характеристика газовой среды и скорости охлаждения.

Рациональным режимом обжига называется такой режим, при котором можно в наиболее кратчайший срок при минимальном расходе топлива обжечь изделие без дефектов с высокими техническими характеристиками

В печь сырец поступает с влажностью 8-12%, где в начальный период происходит досушивание сырца.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900 до 11000С для кирпича, камня, керамзита; от 1000 до 13000С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий; от 1300 до 18000С для огнеупорной керамики. Изделия полусухого прессования обжигают примерно на 500С выше, чем изделия пластического прессования.

Важнейший фактор режима обжига -- зависимость между химическим составом печной среды и временем обжига (газовый режим). Печная среда является восстановительной при избытке кислорода до 1%, нейтральной --1,5-2, окислительной -- 2,5, сильноокислительной -- до 10 %.

При установлении газового режима для обжига изделий из тугоплавких и легкоплавких глин в период до полного выгорания углерода и разложения карбонатов поддерживают сильноокислительную среду, в конечный период нейтральную или восстановительную для обеспечения полного спекания.

Температурный режим обжига кирпича и эффективных керамических камней условно разделяется на четыре периода: досушки (до 200°С), подогрева (окура - 700-800°С), собственно обжига (взвар - 900-1050°С), остывания (охлаждения до 40-50°С).

Длительность обжига -- один из важнейших факторов, определяющих качество изделий и производительность печного агрегата.

Известно, что при температуре 200-800°С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав шихты при формовании изделий и, кроме того, окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения. Этот период характерен весьма высокой скоростью подъема температур -- 300-350, а для эффективных изделий -- 400-450°С/ч, что способствует быстрому выгоранию топлива, запрессованного в сырец. Затем изделия выдерживают при этой температуре в окислительной атмосфере до полного выгорания остатков углерода. Дальнейший подъем температуры от 800°С до максимальной связан с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительным структурным изменением черепка, поэтому скорость подъема температуры замедляют до 100-150, а для пустотелых изделий -- 200-220°С/ч.

По достижении максимальной температуры обжига изделие выдерживают для выравнивания температуры по всей толще его, после чего температуру снижают на 100-150°С, в результате изделие претерпевает усадку и пластические деформации. При дальнейшем повышении температуры происходит вспучивание материала, плотность его уменьшается за счет увеличения объема пор. Это явление носит название пережог. Затем интенсивность охлаждения при температуре ниже 800°С увеличивается до 250-300°С/ч и более, ограничением спада температуры могут служить лишь условия внешнего теплообмена.

Так как при нагревании кварц (кремнезем), имеющийся в массе претерпевает модификационные превращения в изделии возникают дополнительные напряжения. Кроме того, модификационные превращения кремнезема сопровождаются изменениями в объеме. Опасен в этом смысле интервал температур 650-500°С в связи с модификационными превращениями б- и в-кварца, сопровождающимися объемными изменениями, что влияет на прочность и целостность изделия при обжиге и, следовательно, на выбор соответствующих режимов обжига.

Быстрый переход через температуру 575°С вызывает общее разрыхление обожженного черепка и появление в изделии тонких трещин (холодный треск). То же самое имеет место и при затвердевании стекловатой фазы, так как ее объемные изменения проходят неравномерно. По этой причине при быстром охлаждении в периферийных зонах изделия наблюдается разрыхление структуры, от чего прочность его уменьшается, а хрупкость увеличивается.

В течение периода охлаждения сырец подвергается термическому сжатию, при котором возникают напряжения от температурного перепада между наружными и внутренними слоями.

При медленном охлаждении черепок имеет возможность еще лучше «вызреть» благодаря постепенному и более полному завершению реакций в жидкой фазе, равномерному течению полиморфных превращений кварца и объемных изменений жидкой фазы при ее затвердевании. Это улучшает структуру черепка, повышает его прочность и уменьшает хрупкость.

Удовлетворительные результаты получены при таких скоростных режимах охлаждения: быстрое охлаждение от максимальной температуры обжига до 600°С и от 500°С до обычной, а в интервале от 600 до 500° -- медленное охлаждение, что частично исключает вредное влияние полиморфных превращений кварца. Однако в обычных туннельных печах скоростные режимы обжига не могут быть реализованы из-за большой неравномерности температурного поля по сечению обжигательного канала.

Механическая прочность кирпича и керамических камней повышается с увеличением содержания стекловидной фазы в массе изделий. Однако при относительно низких температурах обжига в массе изделий содержится мало стекловидной фазы (6-8 %), изделия имеют повышенную пористость (более 8 %), а нередко и низкую механическую прочность (7,5 МПа) и являются не морозостойкими.

Хорошо обожженные изделия имеют низкие адсорбционные свойства, высокую прочность и требуемую морозостойкость.

В процессе обжига, особенно засоленных глинистых пород, а также в процессе эксплуатации на поверхности обожженных керамических изделий могут образовываться высолы в виде белых налетов.

...