книги / Технология керамических материалов

Для керамических блоков предложено много вариантов способов укладки на сушильные рамки (рис. 74).

Рис. 74. Способы укладки блоков на сушильную рамку

На рис. 74 показаны трещины, сопровождающие каж- дый тип садки. Садка блоков плашмя (тип II) и вдоль пустот (тип IV) применяются редко из-за появления брака при сушке (трещин, «половняка»).

Двери туннелей со стороны загрузки должны быть бо- лее герметичны, чем со стороны выгрузки, так как подсосы воздуха вызывают местное переохлаждение воздушной сре- ды в туннеле, обильную конденсацию водяных паров на по- верхности изделий, что ведет к появлению «посечек» (сети мелких трещин).

Крупным недостатком туннельных сушилок является расслоение потока теплоносителя по высоте туннеля. Дру- гой недостаток – наличие зазоров между вагонеткой, стена- ми и потолком туннеля, по которым газы движутся с мень- шим сопротивлением и в большем количестве. Эти недос- татки вызывают неравномерную сушку изделий по сечению туннеля, на верхних полках и с краев вагонетки. Изделия на верхних полках высыхают быстрее, чем на нижних пол- ках и в середине вагонетки.

В настоящее время на заводах, построенных с приме- нением комплектного импортного оборудования, использу- ется реверсивная сушка, при которой через короткие проме- жутки времени происходит изменение направления движения теплоносителя.

151

Дадим характеристику некоторым типам сушилок, при- меняемых в импортном комплектном оборудовании.

Линия FUCHS (Австрия) оснащена однорядной скоро- стной сушилкой ИТО. Ее проектная мощность достигается при сроке сушки сырца 24 ч, что возможно только при про- изводстве высокопустотных изделий из малочувствительного к сушке сырья.

Линия CERIC (Франция) оснащена проходной сушил- кой с баладерами – реверсивными осевыми вентиляторами, совершающими челночное передвижение на транспортных тележках между рядами сушильных вагонеток. Выпускают на данной линии только пустотелый кирпич.

Линия PSP (Чехия) имеет сушилку более совершенной конструкции. В высокотемпературной зоне сушилки допол- нительно к имеющимся в низкотемпературной зоне баладе- рам установлены ротальсеры.

Ротальсеры (рис. 75) представляют собой тубусы 5.1 с щелевидными соплами, каждый из которых оснащен при- водом поворота и собственным нагнетающим вентилято- ром 5, вынесенными на крышу сушилки.

Рис. 75. Туннельная сушилка с ротальсерами

Тубусы ротальсеров размещены между рядами су- шильных вагонеток большой емкости 6 и совершают поворо- ты вокруг оси на 270 ºС с частотой 1–3 об/мин. Для осущест- вления процесса рциркуляции теплоносителя каждая камера наряду с патрубками 1 и 2, снабженными клапанами 1.1 и 2.1

152

для подачи свежего и отвода отработанного теплоносителя из сборника 2.2, дополнительно оснащается коллектором 4.3 для отбора из-под перекрытия камеры части отработанного теплоносителя.

Есть проходные многозонные сушилки, работающие на одних ротальсерах. Это объясняется тем, что баладеры сами по себе не способны создать автономные зоны сушки, они служат лишь для турбулизации теплоносителя в сушилке. Ротальсеры способны создать автономную зону сушки при подаче в его тубус теплоносителя с разным соотношением влажного рециркулята и горячего сухого воздуха от печи. В результате сырец на вагонетках подвергается периодиче- скому обдуву, чем достигается импульсный (ритмично- постоянный) режим сушки с чередованием активного и пас- сивного периодов.

Линия IPIAT (Испания) оснащена небольшой камерной сушилкой.

Линия LINGL оснащена камерной сушилкой с роталь- серами, но при работе линии полнотелого кирпича пластиче- ского формования на высокочувствительных глинах предла- гается увеличить срок сушки до 84 ч, чтобы снизить произ- водительность сушилки почти в 2 раза.

3.3.3. Дефекты сушки керамических изделий

Рассмотрим характерные виды сушильного брака и его причины:

1. Разрушение изделий (кирпича) без видимых призна- ков деформации, без появления трещин и коробления, то есть часть кирпича, выступающая за пределы рамки, отваливает- ся. Влажность кирпича при этом равна или превышает фор- мовочную влажности Wф, то есть разрушение происходит до наступления сушки изделий. Подобное разрушение встре- чается также при транспортировке кирпича в сушилки.

153

Такое разрушение наблюдается также при досушке сырца в зоне подготовки у обжигательных печей. Происхо- дит оседание садки с расплющиванием кирпичей, находя- щихся в разных местах поперечного сечения обжигательного канала (чаще в середине).

Внешним признаком этого типа возможного разрушения изделий служит появление липкости глины, то есть глина лег- ко размазывается на поверхности изделия, пристает к пальцам рук, хотя и находится в состоянии формовочной влажности.

Такое состояние глины на поверхности изделий свиде- тельствует об интенсивном нагреве материала без испарения влаги. Влажная масса прогревается до критической темпера- туры, когда количество свободной воды (не связанной с гли- нистым веществом) в зоне подготовки доходит до предела, что резко снижает прочность изделий. В то же время проис- ходит конденсация паров воды из дымовых газов на холод- ной поверхности кирпича.

Разрушение при транспортировании в сушилку вызы- вает та же причина – высокая температура паропрогрева гли- ны перед формованием.

Во всех случаях необходимо отрегулировать темпера- туру и влажность глины:

–в сушилке или зоне подготовки к обжигу следует уве- личить ? количество теплоносителя, поступающего в сушилку;

–можно снизить температуру изделия в первый период сушки, то есть изменить характер движения газов в сушилке или их характеристики на входе и выходе. Достаточно, мо- жет быть, увеличить щели в подводящем канале, то есть уси- лить поступление газа;

–уменьшить влажность изделий при загрузке, возни- кающую от сквозняков в сушильной камере.

–повысить температуру изделий перед подачей в тун- нель сушилки;

154

2.Появление трещин на изделиях до поступления в су- шилку или в начальный период сушки (первый час).

На заглаженной поверхности изделий появляются по- сечки при транспортировании в сушилку, которые затем раз- виваются в глубокие трещины. Трещины вызывают интен- сивное охлаждение всей массы изделия, расход тепла изде- лия на испарение влаги с поверхности сопровождается усадкой поверхностного слоя и появлением посечек.

Сквозняки в сушилке в момент загрузки или низкая температура помещения в загрузочной камере перед тунне- лем так же являются причиной появления трещин. При по- ступлении изделий в туннель, где высокая температура среды

инизкая относительная влажность Wотн, наступает резкое вы- сыхание поверхностного слоя и его усадка, что вызывает раз- витие посечек в трещины.

Такой брак легко устранить – необходимо сократить время выдержки перед загрузкой, предотвратить интенсивное испарение влаги с поверхности, то есть повысить относи- тельную влажность среды.

3.Появление глубоких трещин на поверхности изделий (углы, боковые грани) с образованием «корки». «Корка» – по- верхностный слой с пониженной влажностью, частый и труд- ноустранимый брак, который образуется за счет разных усло- вий испарения влаги с одного и того же изделия. Есть участки изделий, закрытые для доступа теплоносителя рамками, под- донами и так далее. Этот брак может возникнуть при любых режимах сушки и в сушилках любых конструкций.

Требуется создать равномерные условия сушки за счет:

– изменения конструкции подставок (отказа от них) – штабельная садка.

– повышения относительной влажности теплоносителя, чтобы снизить испарительную способность в сушилке.

– увеличить механическую прочность изделий перед сушкой.

155

4.Трещины, возникающие на поверхности изделий (без «посечек» и без «корки») обусловлены неоднородной струк- туры массы изделия (смещение мундштука относительно оси пресса, двухмундштучная головка пресса). Встречаются тре- щины, которые образуются при интенсивном нагреве изде- лий при сушке.

Образуется перепад температур между отдельными участками поверхности , при этом происходит перемещение влаги: набухает масса на одном (холодном) участке, а усадка происходит там, где идет нагрев изделия, отсюда трещины. Если влажность изделий ниже формовочной, то при поступ- лении дополнительной влаги из окружающей среды или при нагревании изделий происходит набухание глинистых частиц и, соответственно, растрескивание.

5.Низкая механическая прочность изделий, выходящих из сушилки без видимых дефектов: нет трещин, коробления, больших перепадов влажности, но изделия имеют повышен- ную хрупкость.

Причиной этого брака является то, что сушка происхо- дит в среде с высокой испарительной способностью для всей поверхности изделий, когда скорость внешней диффузии больше скорости внутренней диффузии. Происходит быстрое нарастание сухого поверхностного слоя, начинается равно- мерная усадка. К поверхностному слою поступает вода из ни- жележащего слоя, происходит усадка нижнего слоя и так да- лее. Трещины нижележащего слоя не совпадают с трещинами первого слоя, поэтому в глубине изделия происходит сушка

срастрескиванием, а в обжиге изделия окончательно растрес- киваются, издавая глухой звук.

6.Трещины на постели 120×250 мм, чаще концентри- ческие (свиль), проявляются в сушке – результат нарушения режима формования: влага движется по плоскостям напла- стований, образующихся при формовании. Вода совершает

156

расклинивающее действие, трещины появляются и на проти- воположной стороне изделий, и на ребровой стороне.

7.Появление недосушенного кирпича (каналы для по- дачи газа засорены, поступает мало газа).

8.Наличие трещин, большое количество свилей без поперечных трещин на ребровой стороне указывают, что об- разование сухого поверхностного слоя низкой влажности происходит в начале процесса сушки.

Дефекты сушки возникают в первом периоде сушки, поэтому в этот период необходим наиболее строгий контроль скорости сушки и соответствующее регулирование всех па- раметров сушки (температуры, влажности и скорости движе- ния теплоносителя).

3.4.Обжиг керамических изделий

3.4.1.Физико-химические процессы спекания при обжиге

Обжиг – высокотемпературная обработка керамиче- ского полуфабриката, в результате которой он превращается

вготовое изделие.

Впроцессе обжига изделий происходит усадка, повы- шается плотность, снижается водопоглощение и повышается прочность. Изделия приобретают водостойкость и морозо- стойкость. Под температурой обжига понимают тот интер- вал максимальных температур нагрева, в котором формиру- ются требуемые стандартами основные эксплуатационные свойства керамики. За температуру спекания принимают ту температуру, при которой водопоглощение образца не пре- вышает 5 %.

При обжиге протекают процессы, которые определяют весь комплекс свойств керамики, а также обеспечивают по- лучение изделий заданных размеров и формы.

157

К числу таких процессов относится:

–разложение при нагревании исходных сырьевых ма- териалов;

–химические реакции взаимодействия между компо- нентами масс;

–окислительно-восстановительные процессы при взаи- модействии с газовой средой обжига;

–процессы растворения в расплаве твердых фаз и их кристаллизация. Совокупность указанных процессов, приво- дящих в итоге к уплотнению и упрочнению обжигаемого ма- териала, объединяются термином «спекание».

Количественными характеристиками степени (полно- ты) спекания могут служить пористость или относительная плотность материала, полученного при спекании, а также во- допоглощение черепка.

Изменения, происходящие в керамике при обжиге, по-

плотности ρ и водопоглощения Вм изделия от температуры обжига – периоды I–IV ( рис. 76).

Рис.76. Зависимость линейной усадки ∆ l 100 % (1), l0

кажущейся плотности ρ (2) и водопоглощения Вм (3) керамического полуфабриката от температуры обжига

158

Период I характеризует процесс до начала собственно спекания. Изменений в состоянии изделий не наблюдается, не считая небольшого термического расширения, которое мо- жет быть связано с полиморфными превращениями кварца.

Период II – протекает процесс спекания, особенно с по- вышением температуры. При этом происходит усадка и соот- ветствующее ей увеличение плотности и снижение пористости изделия. Кроме того, происходит изоляция отдельных пор, то есть появляется закрытая пористость.

Период III – период спекшегося состояния, когда дос- тигается максимальное значение усадки и плотности керами- ки при стремлении открытой пористости к нулю, а общей – к закрытой.

Интервал температур на участке III – « интервал спек- шегося состояния», хотя часто говорят «интервал спекания», выделяется для спекающихся глин. Для неспекающихся глин отмечают этот период по достижении наименьшего водопо- глощения и пористости.

Период IV соответствует «вспучиванию» материала, т.е. снижению плотности при «пережоге», часто при этом наблюдается деформация изделий. Наличие этого периода указывает на нарушение режима обжига.

Факторы, влияющие на процесс спекания, еще недоста- точно изучены (например, влияние примесей).

Хорошо известным фактором, влияющим на улучше- ние спекания, является тонкое измельчение компонентов (повышение их удельной поверхности Sуд). Другим фактором, повышающим спекание, является применение исходных ма- териалов в активном состоянии, например в аморфном или скрытокристаллическом. На процесс спекания керамических масс также существенно влияют факторы, определяющие режим обжига.

159

3.4.2.Режим обжига керамических изделий

Сточки зрения организации технологического процес- са режим обжига складывается из трех периодов: нагрева- ния, выдержки при максимальной температуре и охлаждения.

Период нагревания – сложная стадия обжига, целью которой является нагревание изделия до конечной темпера- туры обжига без его повреждения.

Опасность разрушения в период нагревания вызывает- ся объемными изменениями изделий при нагревании, проте- кающими, в ряде случаев – в результате интенсивных про- цессов массообмена. Скорость нагрева на отдельных участ- ках этого периода ограничена следующими процессами:

– испарением воды, сохранившейся в сырце после суш- ки (при пластическом формовании остаточная влажность сыр- ца равна 5–7 %), что не вызывает усадки изделий. Но если скорость нагрева будет значительна, то испарение воды при- водит к увеличению давления пара внутри обжигаемого изде- лия; если изделие имеет малую газопроницаемость (тонкодис- персное строение), то повышенное давление пара приведет

краспаду изделия на отдельные части («взрыву»). Такое явле- ние может происходить при температуре до 200–300 º С , и ес-

ли остаточная влажность (Wост) сырца повышена, то следует растягивать начальный участок температурной кривой;

– удалением химически связанной воды, выделяющей- ся при дегидратации сырьевых компонентов (глины, талька)

винтервале температур 650–750 º С, что может вызвать такие же последствия, что и недосушенный сырец, то есть может привести к «взрыву», хотя процесс разложения минералов с выделением кристаллизационной воды растянут во времени

«взрыва» материала в период дегидратации при скоростных режимах обжига;

160