книги / Технология керамических материалов

зовые ячейки между собой и способствующих эффективному удалению воды при сушке и газообразных продуктов в про- цессе обжига.

Высушенные заготовки обжигают при температурах, принятых для данного вида керамики. Пенометод позволяет получать ячеистую керамику с пористостью вплоть до 90 %, характеризующуюся относительно высокой прочностью бла- годаря наличию плотно спекшихся оболочек вокруг пор. Од- нако по этой же причине для пенокерамики характерна повы- шенная теплопроводность и ограниченная термостойкость.

Химическое порообразование. Метод основан на вспу-

чивании массы газом, выделяющимся при химических реак- циях взаимодействия или разложения присутствующих или специально вводимых добавок. Наиболее часто для химиче- ского порообразования используют реакции между карбонат- ными примесями, вводимыми с гипсом, в сочетании с серной или ортофосфорной кислотой. Химическое порообразование является комплексным процессом, освоение и регулирование которого осложняется непостоянством реологических свойств системы непосредственно в ходе вспучивания. На ход образо- вания пористой массы оказывают влияние многочисленные факторы: температура, вязкость шликера, вид, содержание и дисперсность твердого газообразователя, количество и кон- центрация кислоты, природа и содержание стабилизатора, на- личие ПАВ и др.

Важнейшей проблемой метода химического порооб- разования является стабилизация вспученной массы. Хоро- ший эффект дает введение 5–15 % гипса, обеспечивающего схватывание и упрочнение массы в момент ее максимально- го подъема, однако гипс оказывает нежелательное влияние на конечный химический состав и свойства материала. Метод позволяет изготавливать ячеистую керамику с пористостью вплоть до 90 % со свойствами, близкими к пенокерамике.

191

3.5.3.2. Строение и свойства пористой керамики

Строение керамики оказывает наряду с пористостью решающее влияние на все рабочие характеристики пористых изделий.

Важнейшими характеристиками поровой структуры являются пористость, форма и размер пор. Форма пор сложна и весьма разнообразна. На рис. 89 она схематически пред- ставлена несколькими типичными группами.

На поровую структуру при получении керамики разными мето- дами влияют различные факторы.

Выгорающие добавки сущест- венно влияют на строение пористой керамики. Они разобщают частицы керамической составляющей, повы- шают пористость и способствуют образованию после выгорания отно- сительно крупных пустот, разорван- ных контактов и в целом рыхлого строения.

Равномерность строения может быть несколько улучшена использо- ванием определенного типа добавок монофракционного состава с задан-

ной конфигурацией зерен. В этом отношении благоприятные результаты получены при введении в массу полых шариков пенополистирола.

Некоторое представление о структуре пористой кера- мики различного типа дает рис. 90.

Характерной особенностью керамики, полученной с ис- пользованием пенометода, является наличие сферических пор, размер которых в значительной степени зависит от величины ячеек пены, характерной для каждого пенообразователя.

192

пензии и содержания пены, то есть при оптимальном соотно- шении твердой, жидкой и газообразной фазы, которое уста- навливают экспериментально для каждого конкретного кера- мического материала.

Свойства пористой керамики зависят от минерального состава, пористости и строения.

Важнейшим показателем пористой керамики является

общая (истинная) пористость, которая может изменяться в пределах 30–97 %.

Важной физической характеристикой пористых мате- риалов является их проницаемость, то есть способность про- пускать газы и жидкости при наличии перепада давления.

193

Прочность пористой керамики с ростом пористости, увеличением размера пор, разрыхлением структуры при вве- дении выгорающих добавок, образованием разрывов в ячеи- стом каркасе при повышенном содержании пены снижается, притом интенсивнее по мере увеличения пористости.

Следует также отметить, что для пористых изделий, по крайней мере для пенокерамики, характерны близкие величины сопротивления сжатию и изгибу. Первая превы- шает вторую примерно в 2 раза, в то время как у плотных изделий это различие 5–8- кратное.

Из теплофизических свойств пористой керамики наи- больший интерес представляет теплопроводность, так как теплоемкость и термическое расширение не зависят от по- ристости.

Теплопроводность пористой керамики характеризует эффективность ее использования в качестве теплоизоляции и теплозащиты. Теплопроводность для данной твердой фазы целиком определяется пористостью и строением тела.

На теплопроводность пористой керамики оказывают влияние следующие факторы: вид твердой фазы, пористость, строение, температура, вид заполняющего поры газа.

Заметное влияние на теплопроводность оказывает строение изделий. При равной пористости она выше у кера- мики со спекшимся ячеистым каркасом и непрерывной твер- дой фазой. У керамики с выгорающими добавками вследст- вие рыхлого строения, наличия микротрещин и разрывов те- плопроводность ниже в 2–3 раза.

Из термических свойств, зависящих от пористости, наиболее важными являются термическая стойкость и по-

стоянство в службе при высоких температурах.

Высокопористая керамика весьма чувствительна к тер- мическим ударам, что связано с ее низкой теплопроводно- стью и малой прочностью по сравнению с плотными изде- лиями. Радикальным средством повышения термостойкости

194

является изменение строения пористого изделия с введением зернистого наполнителя. Например, бадделеитовая пеноке- рамика разрушается при первой же теплосмене, а зернистая керамика с выгорающими добавками при такой же пористо- сти выдерживает до 15 циклов нагревания и охлаждения. Для теплоизоляционных материалов важнейшее значение имеет постоянство в службе при высокой температуре. Обычно оценивают постоянство объема изделий при повторном на- гревании, определяя дополнительную усадку или рост разме- ров. Дополнительную усадку пористых изделий выше, чем плотных. Непостоянство объема может быть обусловлено и комплексом изменений, который называют старением. Старение вызывается потерей массы вследствие испарения или разложения, изменения фазового состава за счет окисле- ния, рекристаллизации и тому подобных явлений.

3.5.3.3. Технология шамотных теплоизоляционных изделий

Для производства шамотных теплоизоляционных изде- лий пользуются как методом выгорающих добавок, так и пе- нометодом. При введении углистых выгорающих добавок за- готовки получают прессованием, при введении древесных до- бавок (опилок, лигнина) – пластическим методом или литьем. Масса для пластического формования содержит 10–15 % ша- мота, 20–25 % глины, 60-65% опилок. Конечная средняя плот- ность изделий обычно составляет 1–1,3 г/см3.

Технологическая схема при производстве изделий пла- стическим способом выглядит следующим образом. Молотую глину, шамот заданного зернового состава и выгорающие до- бавки смешивают на бегунах, дополнительно гомогенизируют на ленточном прессе. После выхода бруса из пресса его разре- зают на заготовки, допрессовывают на механических прессах, сушат и обжигают в окислительной среде в туннельных, коль- цевых или периодических печах.

195

Широко производят шамотные огнеупоры также пе- нометодом. Ультралегковес (марка ШЛБ 0,4) изготовляют из 80 % глины и 20 % тонкоизмельченного шамота. Для ста- билизации массы добавляют опилки и алюминиевые квасцы. Дозированные по рецепту глину, шамот и опилки смешивают последовательно в барабанном смесителе (всухую) и пропел- лерной мешалке, в последнюю добавляют воду и раствор квасцов. Отдельно в пеновзбивателе готовят пену, используя клееканифольный пенообразователь. Затем пену смешивают с основным шликером в пеносмесителе и полученную пено- массу разливают с помощью разливочной машины в дере- вянные формы, которые устанавливают на вагонетки с пол- ками. Заготовки сушат в камерных сушилах сначала в фор- мах, затем формы удаляют и сушат, переворачивая заготовки на ребро. Высушенные заготовки обжигают в туннельных или кольцевых печах, затем обрезают до заданных размеров, сортируют и упаковывают.

Для снижения влажности массы, усадки в сушке и об- жиге, ускорения сушки, улучшения строения в исходную массу можно вводить вспученный перлит.

Итак, пористые керамические изделия играют важную роль в современной технике. Основные области использова- ния связаны с их низкой теплопроводностью и теплоемко- стью, высокой газо- и жидкостной проницаемостью, значи- тельной адсорбционной способностью.

Преобладающую часть пористых керамических изде- лий используют в качестве теплоизоляции, при этом снижа- ется масса и толщина ограждающих поверхностей тепловых агрегатов, уменьшаются потери теплоты на аккумуляцию и излучение, сокращается время разогрева и охлаждения, достигается равномерное распределение температур в рабо- чем пространстве, повышается производительность печей,

196

улучшаются условия труда, обеспечивается эффективное ре- гулирование теплового режима. Все это ведет к значительной экономии топлива, энергии, времени, капитальных затрат.

Теплоизоляционные изделия использует металлургия, машиностроение, электротермия, коксохимия, нефтехимия, промышленность строительных материалов и другие отрас- ли, где применяются тепловые агрегаты. Практически все современные печи – туннельные, камерные, шахтные, ба- шенные, колпаковые, щелевые, муфельные, вращающиеся, стекловаренные, мартеновские и многие другие – широко используют керамическую теплоизоляцию. Кроме того, ее ис- пользуют в воздухонагревателях, миксерах, нагревательных колодцах, туннельных вагонетках, паровых котлах, атомных реакторах и т.п.

Керамические заполнители широко используют в граж- данском и промышленном строительстве для изготовления тепло- и звукоизоляционных изделий на основе легких бетонов.

Важной областью применения пористых керамических материалов является теплозащита аппаратов от теплоты, по- ступающей извне. Она возникла в связи с развитием косми- ческой техники и необходимостью возвращения на Землю объектов, входящих в земную атмосферу с огромными ско- ростями и разогреваемых до очень высоких температур. Для теплозащиты применяют материалы, обладающие высокой огнеупорностью, термостойкостью, выдерживающие аэроди- намические нагрузки и вибрации, имеющие малую массу. Наиболее пригодными оказались ячеистые и волокнистые изделия на основе чистых оксидов и других высокоогне- упорных материалов.

Широкое применение пористые изделия нашли в раз- личных областях в связи с их высокой проницаемостью, в пер- вую очередь в качестве фильтров для очистки газов, жидко-

197

стей (грунтовых, минеральных и питьевых вод, масел, жиров, спиртов, вин, кислот, пульп и т.п.), расплавленных солей

иметаллов, а также в качестве бактериальных фильтров для отделения микробов от жидкостей. Весьма перспективны по- ристые проницаемые изделия для изготовления керамических мембран, которые во все больших масштабах применяются в различных областях техники.

Пористые изделия применяют для диспергации газов в жидкостях в процессах абсорбции, эмульгирования, экс- тракции, флотации, смешивания, пенообразования и др.; для продувки газами расплавленных цветных и черных металлов с целью их рафинирования; для охлаждения горячих поверх- ностей, например камер сгорания, методом подачи через по- ристую керамику охладителя в виде газа или жидкости. На принципе равномерного подвода газа основано также осуществление таких процессов, как реакции в кипящем слое, пневмотранспорт различных порошков (цемента, гип- са), рыхление керамических материалов в бункерах.

Можно также отметить применение пористых керами- ческих изделий как носителей электролита в тепловых эле- ментах, используемых в качестве бортовых энергетических установках в летательных аппаратах; в качестве носителей катализаторов в различных областях химии, а также для очи- стки выхлопных газов автомобилей от соединений свинца

идля дожигания оксида углерода.

Впоследнее время начали широко использовать волок- нистые материалы и изделия на их основе.

198

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Августиник А.И. Керамика / А.И. Августиник. – Л.: Строй-

издат, 1975. – 57 с.

2.Зорохович В.С. Производство кирпича / В.С. Зорохович, Э.Д. Шукуров // Комплексная механизация и автоматиза- ция – СПб.: Стройиздат, 1988. – 232 с.

3.Канаев В.К. Новая технология строительной керамики / В.К. Канаев. – М.: Стройиздат, 1990. – 264 с.

4.Кашкаев И.С. Производство керамического кирпича / И.С. Кашкаев, Е.Ш. Шейнман. - М.: Высшая школа, 1983. – 223 с.

5.Кошляк Л.Л. Производство изделий строительной кера- мики / Л.Л. Кошляк, В.В. Калиновский. – М.: Высшая школа, 1985.– 200 с.

6.Книгина Г.И. Лабораторные работы по технологии ке- рамики и искусственных пористых заполнителей: учеб. пособие / Г.И. Книгина, Э.Н. Вершинина, Л.Н. Тацки – М.: Высшая школа, 1985.– 223 с.

7.Лукин Е.С. Технический анализ и контроль производства керамики: учеб. пособие / Е.С. Лукин, Н.Т. Андрианов. –

М.: Стройиздат, 1986.– 272 с.

8.Лукутцева Н.П. Строительные материалы в экологиче- ском аспекте / Н.П. Лукутцева. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2001.– 215 с.

9.Мороз И.И. Технология строительной керамики / И.И. Мо- роз.– М.: Строийиздат, 1980.– 250 с.

10.Повитков Г.Ф. Технология производства керамики (Строительная и декоративная керамика): учеб. пособие / Г.Ф. Повитков; Сарат. гос. техн. ун-т. – Саратов: 2004.– 62 с.

11.Роговой М. И. Технология искусственных пористых за- полнителей и керамики: учебник для вузов / М.И. Рого- вой. – М.: Стройиздат, 1974. – 315 с.

199

12.Рабухин А.И. Основы технологии керамики и огнеупо- ров: учеб. пособие / А.И. Рабухин; Рос. хим. технол. ун-т

им. Д.И. Менделеева. – М., 2001. – 112 с.

13.Рабухин А.И. Физическая химия тугоплавких и силикат- ных соединений: учебник / А.И. Рабухин, В.Г. Савельев. –

М.: ИНФРА-М, 2004.– 304 с.

14.Семериков И.С. Основы технологии художественной ке- рамики: учеб. пособие / И.С. Семериков, Н.А. Михайло-

ва; Урал. гос. техн. ун-т – Урал. политехн. ун-т – Екатеринбург:, 2005. – 264 с.

15.Сулименко Л.М. Общая технология силикатов: учебник / Л.М. Сулименко. – М.: ИНФРА-М, 2004.– 336 с.

16.Тарасевич Б.П. Оптимальные варианты производства кирпича. Линия полусухого прессования с пластической переработкой сырья // Б.П. Тарасевич: Строительные ма-

териалы. – 1993. – № 9–10. С. 2–5.

17.Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / под ред проф. И.Я. Гузмана. – М.: ООО РИФ «Строймате-

риалы», 2003. – 496 с.

18.Химическая технология керамики и огнеупоров: учеб- ник для вузов / под ред. П.П. Будникова и Д.Н. Полубо- яринова. – М.: Изд-во литературы по строительству, 1972.– 552 с.

19.Хуснуллин М.Ш. Перспективы развития производства строительной керамики в Республике Татарстан // М.Ш. Хуснуллин, Б.Т. Тарасевич – Строительные ма-

териалы. – 2005. – № 12. – С. 60–63.

20.Хуснуллин М.Ш. Производство лицевого керамического кирпича из высокочувствительного к сушке глинистого сырья // М.Ш. Хуснуллин, Б.Т. Тарасевич . – Строитель-

ные материалы. – 2006. – № 2. С. 10–13.

21.Швайка Д.И. Справочник мастера по производству сте- новой керамики / Д.И. Швайка. – Киев: Будивельник, 1990. – 184 с.

200