Керамические материалы. Тажибаева. Учебное пособие керамические материалы
 Скачать 3.55 Mb.
|
|
– скорость сушки численно равна скорости испарения влаги с поверхности полуфабриката. Температура поверхности полуфабриката остается постоянной, так как основная масса тепла расходуется на испарение влаги. Поверхность изделия остается смоченной влагой, поступающей из внутренних слоев. Период постоянной скорости сушки сохраняется до тех пор, пока количество испаряющейся с поверхности изделия воды меньше или равно количеству воды, поступающей по капиллярам из внутренних слоев под действием диффузионно-осмотических и капиллярных сил. Этот процесс называется влагопроводностью материала [17]. Третий периодхарактеризуется падающей скоростью сушки и повышением температуры полуфабриката. На поверхности изделия устанавливается равновесная влажность, соответствующая параметрам теплоносителя. Температура полуфабриката становится равной температуре сухого термометра. Скорость сушки постепенно снижается до нуля. В третьем периоде сушки допускается значительное повышение температуры и скорости теплоносителя. У пластичных высокодисперсных глин равновесная влажность выше, чем у тощих. При испарении влаги в процессе сушки ниже равновесной влажности полуфабрикат должен немедленно поступать на обжиг. Несвоевременное поступление высушенного полуфабриката в обжиг и пребывание его в условиях, когда он может увеличить количество влаги за счет поглощения ее из воздуха, сопровождается частичным разбуханием частиц глины и возможным снижением прочности полуфабриката. 58 Совмещение процессов сушки и обжига в одном тепловом агрегате исключает подобное явление [17]. Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в течение 2 – 3 недель в зависимости от климатических условий. В настоящее время сушка производится преимущественно искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилках в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя – отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха – 120 – 150°С [23]. В сушилках периодического действия температура и влажность теплоносителя непрерывно изменяются во времени. В сушилках непрерывного действия эти параметры теплоносителя изменяются по длине рабочего туннеля, оставаясь постоянными во времени в некоторых ее зонах. Сушилки периодического действия менее экономичны и более трудоемки в эксплуатации, чем сушилки непрерывного действия. Преимущество их – возможность сушки по индивидуальным режимам. В одних сушилках полуфабрикат во время сушки перемещается, в других находится на одном месте. По конструктивным признакам сушилки бывают камерные, туннельные, конвейерные одно- и двухъярусные, а также щелевые сушилки однорядной установки изделий на транспортные средства. Камерные сушилки представляют собой камеры длиной до 18 м, шириной 1,2 – 1,45 м и высотой 2,1 – 2,5 м. Обычно камеры группируются в блоки по 20 – 48 шт. Камерные сушилки работают периодически – циклами (загрузка, сушка, выгрузка). Подача и отбор теплоносителя осуществляется вентиляторами. Недостатки: значительные потери времени (до 10%) на загрузку и выгрузку изделий; большие потери тепла в период их загрузки и выгрузки; периодичность работы; неравномерность сушки. Туннельные сушилки относятся к сушильным устройствам непрерывного действия. Замена камерных сушилок туннельными обеспечивает повышение мощности завода на 15 – 25%, снижение трудовых затрат на 1000 шт. кирпича на 20%, себестоимости на 2 – 3%. Использование туннельных сушилок, когда длительность сушки сырца не превышает 24 ч, наиболее эффективно. Длина туннеля – от 24 до 36 м, ширина однопутных туннелей 1 – 1,2 м, двухпутных – 2 – 2,4, трехпутных 3 – 3,6 м, высота 1,4 – 1,8 м. Туннели объединяются в блоки по 4 – 20 шт., имеющие общие каналы для подачи и отбора теплоносителя. Сырец поступает в туннельную сушилку на вагонетках. На встречу высушиваемому полуфабрикату движется теплоноситель – топочные газы, поступающие в туннель у его выгрузочного конца. Теплоноситель попадает в туннель сосредоточенно через канал длиной 1,5 – 2,0 м при помощи вентилятора. Температура теплоносителя в центральном подводящем канале сушилки 100 – 200 °С [17]. 59 9 Обжиг керамических изделий Правильный выбор теплового режима обжига – главная задача всего процесса тепловой обработки керамических изделий. При расчете теплового режима необходимо учитывать возможные скорости протекания процесса спекания, технологические особенности отдельных компонентов исходной шихты керамической массы, а также конструктивные особенности печи, в которой будет проходить обжиг изделий. Обжиг – важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Обжиг керамических изделий производят в печах периодического и непрерывного действия. Процесс обжига можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаж- дение. При нагреве сырца до 120°С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В температурном интервале от 450°С до 600°С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. При 800°С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твердой фазе на границах поверхностей частиц компонентов [23]. Назначение обжига.Важнейшие физико-химические свойства керамических изделий (прочность, плотность, морозостойкость) приобретаются в результате обжига. При обжиге одновременно протекают процессы тепло- и массообмена, а также фазовые и химические превращения в материале. 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 А1 2 0з более 20 %, менее чувствительным - полуфабрикат из гидрослюдных 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. 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). Досушкапроизводится для полного удаления воды затворения и гигроскопической, а также для равномерного прогрева массы полуфабриката до 100 – 200 °С. 60 Подогревдо 800 °С, т.е. до начала упругих деформаций, первоначально производится дымовыми газами и далее при сжигании топлива. В начальной стадии этого периода (300°С) начинается выгорание органических примесей, заканчивающееся при медленном повышении температуры до 450 °С, при быстром -около 700 – 800°С. Коксовый остаток выгорает к концу второго периода (700 – 800°С). Скорость выгорания веществ обратно пропорциональна квадрату толщины изделия и во многом зависит от избытка воздуха в печных газах. В середине периода при 500 – 650°С интенсивно выделяется конституционная вода, минералы, содержащие железо, например сидерит FeCО 3 диссоциируют с выделением СО 2 . В восстановительной среде, создаваемой сжиганием топлива внутри черепка изделий при вводе топлива в массу или при водяном орошении, часть оксида железа (III) восстанавливается до оксида железа (II) с образованием легкоплавких эвтектик (железистых стекол), особенно при повышении температуры до 850 – 900°С, способствующих уплотнению черепка. При 550°С и наличии восстановительной среды начинается диссоциация сульфидов и сульфатов с выделением SО 2 , а при 700 – 800°С - диссоциация карбонатов СаСО 3 и MgCО 3 , заканчивающаяся при 950 – 1000°С с выделением СО 2 и повышением пористости изделий. Начиная с 700°С и выше, щелочи, находящиеся в глине, вступают во взаимодействие с другими компонентами глины, образуя расплав, количество которого также возрастает с повышением температуры. Скорость подъема температуры определяется в основном не свойствами сырья обжигаемых изделий, а конструктивными особенностями печей, и в некоторые периоды может колебаться от 150 до 800 °С/ч, а в среднем - около 300 °С/ч. Взвар характеризуется достижением максимально допустимой температуры обжига изделий, созреванием черепка и выдержкой обычно при 900 – 1050 °С. Повышают температуру осторожно, так как при 800 – 900 °С возникают упругие деформации, что связано с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительными структурными изменениями черепка. Период взвара характеризуется изменением огневой усадки, начинающейся при 750 – 850 °С, в зависимости от свойств сырья, и заканчивающейся к моменту достижения конечной температуры обжига. Железосодержащие минералы наряду со щелочами являются наиболее легкоплавкими составляющими, особенно FeO, так как плавится этот оксид при температуре на 150 – 200 °С ниже, чем Ре 2 Оз. Поскольку в глинах железо чаще всего встречается в виде Fe 2 0 3 переход его в FeO возможен только в восстановительной среде, получаемой при сгорании топлива, запрессованного в изделия, или при вводе воды в печь на конечной стадии обжига. Поэтому обжиг изделий в восстановительной среде при 900 – 1000°С равноценен обжигу в окислительной среде при 1050 – 1100 °С, без деформации изделий. Для выравнивания температуры в печи и более полного протекания физико-химических процессов в изделии в конце взвара 61 производится выдержка в течение 3 – 5 ч. При обжиге в структуре керамических изделий образуются минералы муллита ЗА1 2 О 3 2SiО 2 , шпинели 2А1 2 О 3 3SiО 2 , MgO A1 2 О 3 Si 3 Al 4 O 12 , силлиманит А1 2 О 3 SiO 2 и др., придающие прочность керамическому кирпичу. Охлаждение начинается небольшой зоной «закала» и характеризуется медленным понижением температуры (около 30 °С в час) до 550 – 500 °С без отбора тепла во избежание внутренних напряжений и растрескивания изделий. Трещины скорее всего могут появиться в интервале 600 – 400 °С в результате полиморфных превращений кварца (при 573 °С) и перехода расплава из вязкого в твердое состояние. Дальнейшее охлаждение до конечной температуры 40 – 50 °С происходит быстро, и допускаемая величина температурного перепада возрастает до 120 – 125 °С/ч. 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. В процессе нагрева до 1000°С возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al 2 O 3 ·SiO 2 , а при нагреве до 1200°С и муллита 3Аl 2 O 3 ·2SiO 2 . Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. Эта усадка называется огневой усадкой. В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостъю глин. В зависимости от назначения обжиг изделий ведется до различной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водопоглощением менее 5%. Большинство строительных изделий обжигается до получения черепка с неполным спеканием в определенном температурном интервале от температуры огнеупорности. Начала спекания, называемым интервалом спекания. Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50 – 100°С, а огнеупорных до 400°С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания приобжиге. Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900ºС до 1100°С для кирпича, камня, керамзита; от 1100°С до 1300°С для клинкерного кирпича, 62 плиток для полов, гончарных изделий фаянса; от 1300°С до 1450°С для фарфоровых изделий; от 1300°С до 1800°С для огнеупорной керамики [17, 23]. На кирпичных заводах применяют тепловые агрегаты разных конструкций: туннельные и кольцевые печи, печи-сушилки, печи с выдвижным подом, роликоконвейерные, роторно-конвейерные и пр. Каждому типу печей присущи свои достоинства и недостатки. Туннельные печи – это наиболее современный и совершенный тип теплового агрегата. Они позволяют механизировать и автоматизировать процесс обжига и в наибольшей степени соответствуют поточности производства. Недостатками их являются высокие стоимость, материало- и металлоемкость, необходимость большого вагонеточного парка, сложность и невысокая надежность работы оборудования обжигового отделения (транспортное оборудование, садчики и др.), потребность в высококвалифицированных кадрах для их обслуживания и ремонта. Печи-сушилки – это единый тепловой агрегат для сушки и обжига изделий, который позволят устранить одну из самых трудоемкий операций: перекладку высушенных изделий с сушильных вагонеток на печные. Недостаткам печей-сушилок относится сложность создания в зоне сушилки рационального влажностного режима. Из кольцевых печей современным требованиям удовлетворяют модернизированные каркасно-блочные со съемным перекрытием и механизированной садкой-выставкой кирпича. Отличительными особенностями их являются малая материалоемкость, простота механизации работ, надежность работы автоматов-перекладчиков, отсутствие вагонеточного парка, хорошие теплотехнические свойства, недостатки – циклические и динамические нагрузки на стены печи и панели перекрытий, приводящие к их повышенному износу и разрушению, менее высокая степень механизации и автоматизации, высокая стоимость теплоизоляционных материалов съемного перекрытия. Камерные печи с выдвижным подом, а также разные типы колпаковых печей и печей со съемным корпусом в настоящее время применяются в основном за рубежом при обжиге кирпича с повышенными требованиями к качеству. Достоинствами этих печей являются компактность и возможность легкого установления окислительного или восстановительного режима атмосферы, недостатком – повышенный расход топлива, что ограничивает область их применения. Щелевые печи, позволяющие производить высококачественный скоростной обжиг керамического кирпича и камней, не нашли пока широкого распространения из-за сложности содержания подового хозяйства (герметичность уплотнения, точность изготовления подовых вагонеток, сложность изготовления роликоконвейерного и вращающегося пода), необходимости работ на ограниченном количестве виде большого расхода тепловой энергии [17]. 63 10 Технология производства керамической плитки для внутренней облицовки стен Для бесперебойной работы производства на предприятии должен быть определенный запас сырья. С этой целью на предприятиях создают склады для промежуточного запаса сырья. На складах сырье усредняют, доводят до постоянного состава, что способствует повышению эффективности производства. Глину хранят в закрытых складах. В складах применяют оборудование для разгрузки и транспортирования глины. Склады оборудуют мостовыми кранами с грейферным захватом, которые подают сырье в производство из любой точки склада. Карьер с песком находится вблизи производства. Доставляется конвейерами. Мел привозят автотранспортом. Песок и мел также хранят на закрытом складе. Сырьевые материалы со склада поступают на обработку. Огнеупорная глина и каолин поступают на грубое измельчение в дезинтеграторные вальцы. Дезинтеграторные вальцы представляют собой два валика разного диаметра - дробящий и подающий. Валки установлены с зазором. Валок меньшего диаметра – ребристый, вращается с большей скоростью, чем гладкий валок большего диаметра. Глина, попадая между валками, проминается, дробится и проходит вниз. Каменистые включения удаляются в отверстие корпуса вальцов. Кварцевый песок просеивают, а плиточный бой и мел подвергаются грубому измельчению в щековой (молотковой дробилке). После измельчения поступают на просев – вибрационные грохоты. Далее все сырьевые материалы поступают на электромагнитную очистку и на хранение в бункер. Из бункера сырье поступает на дозирование (автоматические весы). Оттуда на тонкий помол в шаровую мельницу. Сюда же добавляют воду и электролиты (кальцинированная сода, жидкое стекло). Тщательно перемешиваемая смесь поступает на процеживание (вибросито). Процеженный шликер подвергается электромагнитной сепарации и далее отправляют на хранение в сборник, оборудованный пропеллерной мешалкой. После шликер транспортируют на обезвоживание в распылительную сушилку [5]. Башенная распылительная сушилка представляет собой сварную металлическую башню. Она состоит из цилиндрической части и конического днища, которое заканчивается цилиндрической горловиной с секторным затвором. Для получения теплоносителя по периметру цилиндрической части башни установлены восемь инжекционных газовых горелок. В центре крышки сушилки находится взрывной клапан диаметром 800 мм. Он представляет собой тонкую алюминиевую мембрану, зажатую между двумя стальными фланцами. Мембрана разрывается при повышении давления внутри сушильной камеры и этим предохраняет от разрушения башню распылительной сушилки. Технология наглядно показана на рисунке 29. |