Главная | СНиПы | Контакты
 Справочник строительных материалов

Навигация: Главная Керамика Обжиг керамики

Главное меню
Последние материалы
жилое помещение на чердаке
Обжиг керамики

Обжиг керамических изделий ведется по специальному режиму: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение готового изделия.

Процессы в обжиге: сложные физико-химические изменения приводят к образованию камневидного состояния, увеличению прочности, химической и морозостойкости, в том числе взаимодействию глин и добавок с образованием новых соединений. Изменения массы в каолине обнаруживаются на кривых ДТА, характеризующих изменения влагосодержания при нагревании. Горизонтальные участки свидетельствуют об отсутствии изменений. Положительные пики – экзотермический эффект, отрицательные – эндотермический с поглощением тепла. Эндотермический эффект при 130°C способствует удалению диффузионной влаги, а при 590°С – химически связанной, о чем свидетельствует резкое увеличение потери массы. После потери воды образуется метакаолинит Al2O3·2SiO2. При более высокой температуре происходит распад его на Al2O3 и 2SiO2 , а экзотермия при 920...980°C свидетельствует о кристаллизации муллита 3Al2O3·2SiO2 , содержание которого увеличивается с повышением температуры и придает изделию прочность, термостойкость, ударную вязкость. При 1206°С увеличивается усадка и резкий ее рост – перекристаллизация кварца на кристобалит.

Дегидратация монтмориллонитовых глин происходит при более высоких температурах, чем каолинитовых, а у гидрослюдистых при 850...1200°C идет образование шпинелей, которые при 1300°C растворяются в стекле. При повышении скорости нагрева все превращения сдвигаются в сторону более высоких температур. Кварц, как было указано выше, при нагревании тоже претерпевает изменения. Al2O3 расширяет интервал спекания, особенно с увеличением Al2O3· SiO2. Карбонаты кальция и магния интенсивно разлагаются при 900°С. Если керамика пористая – не страшно, а если спекшаяся – образуются пузыри, вспучивания. Соединения железа дают оксид FeO, активно реагирующий с образованием эвтектик, которые снижают температуру плавления. Выделяются газы, вспучивающие керамику. В фарфоровых и фаянсовых массах – выплавки FeS.

Полевые шпаты дают при 1150...1170°C расплав, способствующий уплотнению и упрочнению, снижению температуры спекания масс. Органические добавки (уголь, кокс, опилки) выгорают при температуре 350...400°C. Кокс при 700...800°C должен выгореть до начала спекания во избежание деформаций. Если не выгорает – происходит науглероживание, растет поверхностная пористость.

Спекание – уплотнение керамики за счет образования расплава (жидкостное с кристаллизацией новообразований). Жидкость появляется при 700°C (эвтектика) и увеличивается с повышением температуры. Силы поверхностного натяжения расплава сближают зерна, идет усадка и уплотнение. Одновременно растворяются новые компоненты, увеличивая объем расплава, керамика начинает размягчаться (пиропластично – с сохранением формы). Если расплава много – начинается деформация изделий за счет размягчения и снижения прочности. Образуется пережог (оплавление, остеклование). Уплотнение и упрочнение керамики в обжиге происходит и за счет твердофазовых реакций с образованием муллита 3Al2O3·2SiO2 (наибольшая интенсивность при 1000...1200°C).

Но при высоком содержании Al2O3 образуется много игольчатых кристаллов, которые при повторном нагревании растут, разрыхляя керамику и снижая прочность. На интенсивность обжига влияет газовая среда. В восстановительной среде можно снизить температуру обжига (на 100...120°C). Охлаждение изделий после обжига вызывает напряжения при переходе из пиропластического состояния в хрупкое, при модификационных превращениях кварца, при перепадах температур (опасные – 600...550°C и 240...180°C, а также 1200…1000°C).

Влияние структуры сырца на формирование керамики в обжиге. Зависит от способа формования изделий из легкоплавких глин. При пластическом формовании зерна кварца обволакиваются коллоидной пленкой глин, содержащих растворы солей. При сушке коллоидные частицы сближают зерна и остаются на них в виде оболочки из аморфного кварца, глинистых частиц и солей (обмазка из коллоидной глины). Она является наиболее легкоплавкой частью, так как включает эвтектические смеси солей соединений железа, кремния, которые первыми плавятся. При незначительном общем содержании солей, здесь их концентрация может возрастать. Расплав, образующийся на поверхности зерен кварца, сближает их силами поверхностного натяжения, частично растворяя их поверхность. При охлаждении образуется стекло, из него кристаллизуются новообразования, скрепляющие зерна кварца, которые приобретают шероховатую поверхность за счет взаимодействия с расплавом коллоидной пленки.

У изделий полусухого прессования, неоднородных по составу, твердости и влажности (глинистые частицы более влажные, чем отощители), при сдавливании мягкие частицы сближаются и в них вдавливаются более твердые – кварц, поверхности раздела сохраняются, но нет сплошной коллоидной массы. Она действует не на контакте, а внутри частиц агрегатов, соединенных давлением и выдавливанием влаги из глинистых частиц. Коллоидная фаза не соединяет отдельные частицы, а агрегирует первичные зерна минералов. Жидкая фаза образуется не на контакте, а внутри частиц, которые, давая усадку, разъединяются. Так как жидкой фазы мало, она не обеспечивает сплошной цементации контактов (подобно точечной сварке). Изделия имеют невысокую прочность при изгибе. Общая усадка их меньше, так как в отдельных зернах происходит образование микротрещин. Для их заполнения надо повышать температуру обжига, увеличивать его длительность. Изделия имеют повышенную влажность, газо- и паропроницаемость, требуется сырье с повышенным интервалом спекания.

Режимы обжига представляют собой зависимость между температурой и временем обжига (температурный режим); временем и характером газовой среды (газовый режим). При избытке кислорода до 1% среда восстановительная; до 2% – нейтральная; до 5% – окислительная, до 10% – сильно окислительная.

Давление не является режимом, так как это лишь средство для обеспечения требуемого температурного или газового режима. Обжиг делят на три периода: нагрев до максимальной температуры, выдержка и охлаждение. Для каждого периода установлен свой режим, найденный экспериментально, так как расчетом определить трудно из-за сложности процессов. Есть полуэмпирические зависимости: коэффициент температуропроводности, допустимый перепад температур по сечению изделия.

Эти параметры определяют на пробных обжигах изделий, а расчетные ориентировочны. При определении режимов обжига рекомендуется:
  1. Замедлять обжиг для влажного сырца, так как давление водяных паров максимально при 70°C, а не при 100°C, и возрастает с увеличением температуры. Если скорость парообразования превысит скорость фильтрации, это приведет к возникновению давления паров внутри изделия, возникновению трещин и даже взрыву изделия. Опасно до 250°C.
  2. В период дегидратации глины черепок пористый и не препятствует удалению паров и газов. Выгорание органических примесей и разложение карбонатов должно закончиться до начала спекания керамики во избежание вспучивания. В период интенсивной усадки скорость подъема температуры должна быть оптимальной, не вызывать появления трещин.
  3. Конечную температуру обжига определяют по результатам испытания изделий на прочность, пористость, водопоглощение, морозостойкость.
  4. Длительность выдержки зависит от размеров изделия, объема садки, требуемого водопоглощения. Однорядная садка быстрее обжигается.
  5. При охлаждении рекомендуется замедлять скорость при температурах перехода из пиропластичного состояния в хрупкое и при модификационных превращенях кварца (575°C) во избежание образования холодного треска.
  6. Газовый режим должен обеспечивать полное выгорание органических добавок, диссоциацию карбонатов – среда должна быть окислительной, а в конце – восстановительной для обеспечения полного спекания и упрочнения изделия (можно также создавать пароводяную среду в зоне обжига).

При обжиге фарфора выше 1000°C необходима восстановительная среда для полного спекания и перевода красящего Fe2O3 в FeO (отбеливание).

Эффективные технологии в производстве керамики: радиационно-химические, ультразвуковые и акустические, плазмохимические, биохимические, методы высокотемпературного синтеза. При радиационно-химическом способе, используя линейные ускорители электронов, можно ускорить обжиг в 10 тысяч раз. Обжиг в ускорителе электронов длится 5 с вместо 2 часов и при температуре +250°C вместо 1400°C. Прочность изделий на 20...40% выше.

 
     
© 2010 - 2016 stroy-tip.ru