Процессы спекания и вспучивания




Спекание - важнейший процесс при обжиге, при котором формируются свойства керамического черепка. Оно происходит за счет цементирующего действия эвтектоидных расплавов (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.

Керамические изделия обжигают в кольцевых, туннельных и др. печах.

Вспучивание - это увеличение материала в объеме за счет образования и давления газов внутри замкнутых пор. Так получают керамзит из глинистых пород, вермикулит - из слюды, ячеистое стекло - из искусственных стекол и др.

Глинистое сырьё при наличии в нем вязкого силикатного расплава и газообразных продуктов при быстром нагреве вспучивается. При нагреве сырья температура должна достигнуть таких значений, при которых оболочка поры размягчается и спекается, что сопровождается её уплотнением, в результате чего пора становится газонепроницаемой. Если в этот момент внутри поры начнут выделяться газы, то они не пройдут сквозь уплотненную оболочку. Накапливаясь в поре, газы создают избыточное давление, под действием которого размягченная от высокой температуры оболочка расширяется. Этот процесс и является вспучиванием элементарной ячейки (поры) глиняной гранулы.

Для осуществления процесса вспучивания необходимо, чтобы глина обладала достаточной интенсивностью газовыделения и была приведена в пиропластическое состояние, а так же факторы должны совпадать во времени.

Пиропластическое состояние глины определяется количеством жидкой фазы (силикатного расплава). Интенсивность накопления её зависит от химического состава глины.

Процесс формирования структуры при обжиге керамических материалов развивается в три этапа.

Этап I (t oC = 100...800 оС) – удаление физически и химически связанной воды, частичное выгорание органических добавок и примесей. За счет этого образуются поры различных размеров от 0,1 до 10 мкм.

Этап II (t оС 800...1050 °С) характеризуется началом процесса вспучивания. Развиваются твердофазовые реакции и повышается количество жидкой фазы, за счет этого продолжается процесс образования пор, их размеры становятся более однородными.

Этап III (t °С 1050...1200 °С) - интенсивно развиваются и завершаются процессы вспучивания, растет количество пор радиусом до 50 мкм. Общая пористость вспученного материала достигает 70...90 %. Процесс вспучивания носит взрывной характер. Разность между температурами начала оплавления гранул и той, при которой насыпная плотность снижается до 0,95 г/см3 - это температурный интервал вспучивания. Вспучиваемость глин зависит от многих факторов, основными из которых являются режим нагрева и характер газовой среды. Режим нагрева создает определенную интенсивность теплообмена, т. е. определенный температурный перепад между поверхностью и центром обжигаемого материала. Характер газовой среды печ­ного пространства и внутри пор материала определяет качество вспучивания. Восстановительная среда понижает температуру вспучивания и повышает вспучиваемость глин, так, введение железосодержащих добавок в количестве 5... 10 % от массы глины повышает вспучиваемость в 1,5...2 раза.

Спекание - это соединение мелкозернистых и порошковообразных материалов в куски при повышенных температурах. В качестве исходного сырья используют глины, глинистые породы или смеси на их основе. Из пористого конгломерата получают искусственный пористый заполнитель, который готовят методом агломерации. На агломерационной решетке слой материала (20...30 см) чередуется со слоем топливосодержащего материала, масса которого составляет 6... 10 % от массы сухой шихты. Сквозь эти слои и решетку интенсивно просасываются продукты горения топлива и воздуха. Так идет обжиг, последовательность этапов которого следующая:

I этап - подсушка. Раскаленные дымовые газы поступают в слой материала, из которого испаряется вода затворения. В зоне сушки температура материала не превышает 100 °С, а газов -750 °С.

II этап - подогрев шихты. Когда верхний слой шихты высушивается, а горячие газы продолжают поступать, то он подогревается. Здесь температура газов 1000... 1300°С, а температура материала повышается от 100 до 800 °С. Верхний слой шихты подогревается до температуры воспламенения следующего за ним слоя топлива. Топливо начинает гореть.

III этап - спекание. Просасываемый сквозь верхний подогретый слой шихты горячий воздух способствует ускоренному протеканию процессов горения топлива. В этой зоне температура газов поднимается до 1600 °С. Каждое зерно претерпевает огневую усадку и, следовательно, усаживается весь слой. Происходит контактное спекание гранул между собой и общее омоноличивание всего слоя, из сыпучего слоя получается спекшийся. При этом выгорают все органические вещества, глинистые минералы частично вспучиваются и образуют в материале часть закрытых пор.

IV этап - охлаждение. Спекшийся конгломерат охлаждается на агломерационной машине вначале до 900 °С, а затем до температуры окружающей среды. В этот период завершается процесс кристаллизации.

Процессы плавления

Плавление - процесс перехода твердого вещества в жидкотекучее состояние (расплав), сопровождающийся поглощением теплоты. При постоянном внешнем давлении материал плавится при определенной температуре - температуре плавления, зависящей от природы вещества и давления.

Температура плавления зависит также от минералогического состава исходного сырья и характера газовой среды. В восстановительной среде температура плавления существенно понижается. Теплота, затрачиваемая на переход единицы массы вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления, называется удельной теплотой плавления.

Химический состав исходных веществ может быть естественным и искусственным, он включает кристаллические и аморфные фазы. Такой материал последовательно переходит стадии пиропластического, вязко-текучего и жидкостного состояний. Если в составе смеси имеются туго- и легкоплавкие компоненты, то соотношение их должно быть таким, чтобы тугоплавкие компоненты успели расплавиться за время пребывания смеси в плавильной установке. При плавлении порошковых сырьевых смесей первые капли расплава появляются при эвтектических температурах на контактах отдельных зерен. Поэтому порошки сначала спекаются (омоноличиваются), приобретая пиропластическое состояние, а затем при дальнейшем нагреве спек переходит в расплав.

Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.

2. Предоставить температурные кривые различных режимов обжига разных изделий и материалов.

Срок выполнения 20.10.2020.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-11-19 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: