Випал виробів кераміки
Випал керамічних виробів - завершальна стадія їх виготовлення, при якій формуються основні властивості виробів: щільність, міцність, водостійкість, морозостійкість та ін. При випалюванні відбуваються складні фізико-хімічні процеси в глінообразую- щих мінералах, домішках, що містяться в глинах, і добавках.
При нагріванні до 200 ° С відбувається досушка вироби і видалення фізично зв'язаної води. При подальшому підвищенні температури до 300-400 ° С відбувається окислення органічних домішок або добавок, виділення летких і їх згоряння. Вигорання коксового залишку відбувається при 700-800 ° С. Воно повинно завершитися в період, коли керамічний черепок ще залишається пористим і газопроницаемой, інакше можуть статися деформації і розтріскування виробів.
При нагріванні глинистих мінералів до 500-600 ° С (для каолініту) і до 700 ° С і вище (для інших мінералів) відбувається їх дегідратація з руйнуванням кристалічної решітки і втратою глиною пластичності. При більш високих температурах (до 830-850 ° С) відбувається розпад глинистих мінералів на первинні оксиди з утворенням -у-глинозему і кремнезему. В інтервалі 920-980 ° С v-глинозем переходить в а-глинозем п починає утворюватися новий мінерал - муллит
ЗА120З-2Si02. Інтенсивність цього процесу збільшується в інтервалі 1000-1200 ° С.
Мулла є найбільш цінним кристалічним новоутворенням в керамічних матеріалах, що робить вирішальний вплив на міцність, термостійкість і інші властивості виробів. У гідрослюдистої і монт- моріллонітових глинах поряд з МУЛЛИТО в інтервалі 850-1200 ° С утворюються шпінелі, які при 1300 ° С розплавляються в склі. При 1200-1240 ° С відбувається кристалізація кристобалита з аморфного кремнезему. Кристобалит перешкоджає спікання глини, знижує термостійкість виробів, розпушує утворюється при випалюванні черепок і збільшує його водопоглинання. Шкідлива дія кристобалита може бути ослаблене введенням тонкомолотого нефелінового сиенита і полі- вошпатних добавок, що інтенсифікують процес освіти стеклофази, розчинюючої кристобалит.
У домішках, що містяться в глинах, і добавках при випалюванні виробів теж відбуваються фізико-хімічні процеси. Піщані домішки, представлені в основному p-кварцом, зазнають модифікаційні перетворення з об'ємними змінами, найбільш значними при 573 ° С (перехід в а-кварц) і 1050 ° С (перехід в а-кристобалит). Утворилися при випалюванні модифікації кварцу в процесі охолодження вироби переходять в p-форму теж з об'ємними змінами, які можуть привести до розтріскування черепка. Крім того, при охолодженні виробів в них можуть виникнути напруги в результаті переходу матеріалу з піро пластичного стану в крихке і наявності перепаду температур за об'ємом вироби. У зв'язку з цим при випалюванні керамічних виробів, особливо в період охолодження в певних температурних інтервалах (800-780 ° С, 650-500 ° С, 300-200 ° С), необхідно зменшити швидкість зміни температури для локалізації напружень від модифікаційних перетворень кварцу, від перепаду температур і переходу матеріалу в каменеподібний стан.
Карбонатні домішки при нагріванні розкладаються з виділенням С02, а залишився СаО, вступаючи в реакцію з компонентами глини, утворює легкоплавкі стекла, що знижують температурний інтервал її спікання, що погіршує умови випалу і може привести до деформацій виробів. Залізисті домішки при випалюванні в окислювальному середовищі не роблять істотного впливу на якість виробів, а при випалюванні в відновної середовищі при температурі нижче 1000 ° С відновлюються в закісние форми, утворюючи легкоплавкі залізисті скла і сприяючи ущільнення керамічного черепка.
Всі розглянуті процеси, що відбуваються в глинистих мінералах, добавках і домішках, значною мірою взаємопов'язані. В результаті взаємодії різних компонентів шихти відбувається спікання керамічних мас. Спікання відбувається за рахунок сил поверхневого натягу утворюється рідкої фази (рідинне спікання), реакцій у твердій фазі і кристалізації новоутворень. Спікання супроводжується вогневої усадкою виробів. Чим вище температура, тим більше утворюється рідкої фази і тим більшою мірою хімічно активний розплав розчиняє тверді компоненти маси з утворенням нових з'єднань, а отже, інтенсивніше відбувається спікання. Однак надлишок розплаву може привести до деформації виробів.
Спікання сприяє дисперсність вихідних компонентів маси: чим вище дисперсність, тим більше поверхня контакту частинок і вище їх реакційна здатність. Відновлювальна газове середовище розширює інтервал спікання, інтенсифікує процес спікання і знижує його температуру на 100-150 ° С. Однак при цьому спостерігається недожог палива і дуже інтенсивно відбуваються усадочні процеси, які можуть призвести до деформацій виробів. Для підвищення міцності і морозостійкості виробів рекомендується проводити комбінований випал: при низьких температурах (до 500-600 ° С) в окислювальному середовищі, при високих температурах (600-900 ° С) -в відновлювальної і в зоні витримки при максимальній температурі - знову в окислювальному .
Процес випалу умовно може бути розділений иа три етапи: нагрів до максимальної температури, ізотермічна витримка, охолодження. Для кожного температурного інтервалу і виду виробів розрахунково-експе- риментально шляхом визначають режим випалу.
Для випалу виробів будівельної кераміки найчастіше застосовують тунельні печі. У таких печах обпалюють будівельну цеглу, саіітарно-технічну кераміку, каналізаційні та дренажні труби, шамотні і вогнетривкі вироби, плитки.
В даний час будівництво кільцевих печей для випалу цегли через важкі умови праці при садінні сирцю і вивантаження готової продукції припинено *. Однак ще більша частка цегли в нашій країні випускається в кільцевих печах, тому питання їх реконструкції приділяється велика увага. Освоєння пакетної садки сирцю і запресовування основної частини палива в сирець сприяють поліпшенню умов праці.
За кордоном для випалу плиток, санітарно-техничес- ких виробів поряд з печами відкритого полум'я застосовують муфельні та електричні тунельні печі. Недолік багаторядного випалу виробів в тунельних печах - нерівномірність випалу через великі перепади температур, особливо в зонах підігріву (до 420 ° С). Для підвищення рівномірності випалу і вирівнювання температури по висоті каналу застосовують пересувні вентилятори з жаротривкої стали.
У нашій країні і за кордоном створені тунельні печі щілинного типу з однорядним випалюванням виробів. Для однорядного випалювання керамічних плиток зі швидкісного режиму в нашій країні НІІстройкерамікой розроблені тунельні щілинні печі з роликовими і сітчастими конвеєрами, в яких терміни випалу скорочені до 17-50 хв у порівнянні з 40-80 год при випалюванні плиток в стопках або Капсель в звичайних тунельних печах . При цьому розроблені конструкції печей відкритого полум'я з газовим опаленням, муфельних печей на газоподібному і рідкому паливі та електричних печей з нагрівачами типу «зигзаг».
На ряді заводів для политого випалу облицювальних плиток використовують роликові печі італійської фірми «Сіті». Випал в цих печах здійснюється на лещад- ках, що переміщуються роликовим конвеєром. Укладання і знімання плиток з лещадок, завантаження в піч і їх повернення виконуються за допомогою спеціальних механізмів.
Застосування однорядного випалу цегли в щілинних печах дозволяє скорочувати тривалість процесу до 10 год, впроваджувати автоматизацію садки і вивантаження виробів з печі і підвищує якість продукції.