Физико-механические и физико-химические процессы при производстве кирпича

 

Для получения эффективного керамического кирпича высоких марок со щелевидными пустотами и улучшенными теплоизоляционными свойствами очень важно провести усиленную механическую обработку глины перед формованием. Глину подвергают такому воздействию для выделения из неё каменистых включений либо их измельчения, разрушения текстуры глины, гомогенизации массы и улучшения ее формовочных свойств. Выделение каменистых включений из глины осуществляют винтовыми камневыделительными вальцами. Первой стадией грубого дробления является рыхление кусков глины, которое осуществляют глинорыхлителем, установленным над ящичным подавателем.

Второй стадией грубого дробления является измельчение глины до кусков величиной 10-15 мм. Вязкие пластичные глины дробят на гладких дифференциальных вальцах грубого помола, в которых дробление происходит за счет раздавливания и разрыва глиняной лепешки. После грубого дробления глину подвергают тонкому измельчению. Целью тонкого измельчения является разрушение водопрочных оболочек, цементирующих отдельные зерна глинообразующих минералов, частичное разрушение самих зерен и освобождение, в конечном счете, молекулярных связей.

За счет их глина будет гидратироваться, присоединяя к себе большое количество связанной воды. Последнее обстоятельство обусловит повышенное сцепление глиняной массы при одновременном сохранении ее подвижности. Разрушение этих оболочек оказывает существенное влияние на улучшение сушильных свойств шихты. При полном отделении от глинистого минерала водопрочной оболочки, освободившиеся молекулярные силы его поверхности обусловят создание гидратной пленки. Последняя, уменьшая свою толщину во время сушки и снижая тем самым экранирование молекулярных сил, способствует возникновению при сушке прочных связей между отдельными глинистыми зернами, повышая трещиностойкость изделий в сушке. Наличие не разрушенных водопрочных оболочек мешает развитию этих связей и, следовательно, понижает трещиностойкость изделий в сушке. У глин с водонеустойчивыми и малоустойчивыми агрегатами их связи разрушаются в результате расклинивающего действия воды, а агрегаты глин с водопрочными оболочками необходимо разрушать интенсивным механическим растиранием [2].

Бегуны мокрого помола являются в технологическом отношении наиболее эффективной машиной для тонкого измельчения глин с высокой влажностью. В процессе бегунной обработки одни и те же кусочки глины подвергаются многократному раздавливающему и истирающему воздействию тяжелых катков, что и обеспечивает тонкое измельчение глины. Прочность сырца, изготовленного из глины, обработанной бегунами, возрастает более чем в два раза [5].

После механической обработки глину подвергают вылеживанию. При этом помимо ее набухания происходит также релаксация напряжений в глине, возникших при механической обработке, благодаря чему улучшаются ее формовочные и сушильные свойства.

Вылеживание замоченной глины с одновременным прогревом заметно интенсифицирует процесс набухания. Глину подвергают вылеживанию в механизированных хранилищах, оборудованных специальными устройствами и транспортирующими агрегатами. Это даёт возможность глиноподготовительному отделению работать в одну смену при круглосуточной работе основных отделений.

Кроме того, они дают возможность не нарушать непрерывную ритмичную работу формовочного отделения при каких-либо перебоях в работе глиноподготовительного оборудования. Для суточного запаса обработанной глины строят хранилища башенного типа с механизированным разгрузочным устройством. Вылеживание глины увеличивает прочность изделий на 20-30%.

Шихтозапасник, помимо своих основных функций, обеспечивает независимую и ритмичную работы глиноподготовительного и последующих отделений, создавая небольшой буферный запас глины.

После тонкого измельчения глиняная масса выходит из помольных машин в виде отдельных, не связанных между собой кусочков: лепешек, жгутов и т. п. До подачи в формовочный пресс из них нужно образовать сплошной массив глиняного теста с влажностью, при которой формуется изделие. Двухступенчатое увлажнение, при котором глина увлажняется паром, удлиняет период взаимодействия глины с водой. Кроме того, переработка предварительно увлажненной глины непрерывно обнажает новые поверхности глинистых частиц для взаимодействия с водой и тем самым интенсифицирует этот процесс. Исследования показали, что при двухступенчатом увлажнении повышается влажностная однородность глиняной массы и улучшаются ее пластические и прочностные свойства. Окончательная переработка шихты производится на двухвальном смесителе с фильтрующими решётками. Паровое увлажнение глины существенно улучшает ее технологические свойства по сравнению с водяным увлажнением. Водяной пар не только конденсируется на поверхности куска глины, но, проникая в его мельчайшие поры, конденсируется в них. Тем самым вовлекаются большие поверхности глины в процесс взаимодействия с водой. Экспериментально установлено, что капиллярная конденсация пара частично вытесняет из глины воздух. Повышение температуры глиняной массы при её паровом увлажнении интенсифицирует процессы взаимодействия глины с влагой. В результате перечисленных факторов при паровом увлажнении глины возрастают пластичность, липкость и прочность глиняной массы. Практическими данными установлено, что паровое увлажнение глины увеличивает производительность ленточных прессов и снижает потребляемую ими мощность на 15-20%.

Для увлажнения глины используют пар низкого давления 0,05—0,07 МПа. Теоретически наиболее выгодно подавать для увлажнения сухой, насыщенный пар, но его транспортирование от котельной неминуемо сопровождается частичной конденсацией в паропроводах. Это снижает его греющую способность при увлажнении глины, так как 1 кг пара выделяет при конденсации 2500 кДж тепла, а 1 кг горячей воды при охлаждении выделяет всего лишь 210-250 кДж. Поэтому практически для увлажнения глины необходимо использовать пар, перегретый на 20-30.°С, который и предлагается использовать [2].

Формование изделий стеновой керамики в настоящее время производят на ленточных вакуумных шнековых прессах. Данное решение рационально и модернизация этого этапа не требуется.

Мероприятия по предотвращению брака при формовании по пластической схеме сводятся к увеличению прочности сырца, как основной причины образования дефектов из-за того, что обтекаемые воздухом наружные поверхности изделий сохнут быстрее. Влага по их сечению распределяется неравномерно и сокращение размеров элементов массы внутри образца для различных слоёв будут разные. Внешние участки достигают равновесной влажности к началу сушки и стабилизируются в размерах, а внутренние в последующем подвергаются усадочным деформациям. Возникающие при этом напряжения могут привести к появлению нежелательных трещин различного вида (свилеватых, S-образных и других). Для исключения этих дефектов необходимо обеспечить интенсификацию потока влаги изнутри материала снижение влагоотдачи от его поверхности. /**/.

С этой целью требуется выполнять следующие мероприятия для получения качественного кирпича-сырца при формовании:

- производить грамотный подбор состава шихты по параметру чувствительности;

- увлажнение производить паром;

- в эффективный кирпич вводить лузгу - 3%;

- рационально применять отощающие добавки при изготовлении всех изделий;

- орошать мундштук пресса специальными добавками (ПАВ, керосин);

- сопровождать в дальнейшем мягким режимом сушки.

Сушка сырца. Формовочная влажность изделии стеновой керамики находится в пределах 18-25%. Перед обжигом их необходимо высушить до максимального содержания влаги не более 5%. Процесс сушки необходимо провести по оптимальному режиму, под которым понимают сочетание возможно малой его длительности, минимальных затрат энергии и высокого качества полуфабриката — отсутствие коробления, трещин и скрытых напряжений, могущих обусловить появление трещин в обжиге. Процесс сушки происходит в три этапа: сначала влага в жидкой фазе перемещается внутри изделия к поверхности испарения (внутренняя диффузия), затем она испаряется, и водяные пары поглощаются окружающим воздухом или газами (внешняя диффузия).

Для повышения трещиностойкости в сушке изделий стеновой керамики применяют следующие мероприятия [2]:

1) паровое увлажнение глины. Оно сокращает длительность сушки сформованного изделия. Эффект парового увлажнения заключается в предотвращении конденсации влаги в начальный момент сушки. В проекте предусмотрено увлажнение паром в две стадии: на бегунах мокрого помола и в шихтозапаснике, а также резервное – на формовочном прессе, где интегрирована функция ввода добавок (ПАВ или керосин).

2) добавка лузги является одним из наиболее эффективных средств повышения трещиностойкости кирпича-сырца в сушке. Её благоприятное влияние, по-видимому, объясняется их армирующим действием, поскольку длина частиц больше, чем длина глинистых минералов.

3) вакуумирование глины обусловливает возрастание ее прочности и растяжимости, что дает возможность применять более «жесткие» режимы, ускоряющие процесс сушки, хотя коэффициент диффузии уменьшается;

4) добавка среднезернистых отощающих добавок с модулем крупности М_к=2 (брак из сушки, крупный песок) актуальна для повышения трещиностойкости кирпича-сырца в сушке и при формовании, так как данная мера улучшает влагообменные процессы с окружающей средой.

5) орошение мундштука влагозадерживающими составами с добавками ПАВ понижает коэффициент влагоотдачи, снижая далее тем самым величину перепадов влагосодержания в толще бруса.

В технологии керамических изделий обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией их изготовления. В процессе обжига формируются наиболее важные свойства керамического материала, определяющие его техническую ценность — прочность при сжатии и изгибе, плотность, водостойкость, морозостойкость и т.д. Пороки обжига являются необратимыми дефектами изделий. Они не поддаются последующему устранению и потому в большинстве случаев дефекты обжига определяют качество готовой продукции – его сортность и количество брака. Важнейшим результатом взаимодействия различных компоненте керамической массы при ее обжиге является процесс спекания, формирующий свойства керамического черепка Спекание керамических масс может происходить под воздействием нескольких процессов: цементирующего действия эвтектических реакций в твердой фазе и кристаллизации различных новообразований. Жидкостное спекание является при обжиге керамических масс наиболее важным процессом, обусловливающим придание камнеподобных свойств керамическим изделиям. Образование жидкой фазы, то есть стекловидных расплавов, в обжигаемых изделиях начинается уже с температуры порядка 700^оС и в последующем интенсивно развивается по мере возрастания температуры обжига. Стекловидные расплавы, по образному выражению акад. А.А. Байкова, являются «цементами высоких температур», которые склеивают в единый монолит отдельные зерна керамической массы. С образованием стекловидных расплавов в них начинают действовать, как и во всякой жидкости, силы поверхностного натяжения, в результате чего отдельные зерна массы сближаются, обусловливая огневую усадку изделий. Образовавшийся стекловидный расплав разъедает зерна более тугоплавких компонентов, вовлекая, таким образом, новые порции твердого вещества в расплав. По мере увеличения количества стекловидного расплава керамическая масса начинает размягчаться, не теряя способности сохранять форму, приданную ранее изделию. Это состояние соответствует понятию пиропластического состояния керамической массы, но не следует доводить до пережога. Наиболее важным кристаллическим новообразованием при обжиге керамических масс является муллит, который играет роль микроарматуры.

Восстановительная газовая среда резко интенсифицирует процессы спекания и понижает их начало на 100— 150°. Аналогичным образом действует, и среда водяного пара при обжиге изделий стеновой керамики из легкоплавких глин. Восстановительная среда способствует разложению глинистых минералов и карбонатов, повышает активность освободившихся окислов и создает благоприятные условия для протекания твердофазовых реакций.

Комбинированный обжиг при низких температурах в восстановительной, а при высоких – в окислительной среде повышает механическую прочность и морозостойкость изделий. Для предотвращения возникновения в изделиях напряжений при охлаждении в результате перехода материала из пиропластического состояния в хрупкое, требуется контролируемое снижение температуры по наиболее щадящему режиму особенно в интервале 600-550° С.

Весь процесс обжига можно разделить на три периода:

1) нагрев до конечной температуры;

2) выдержка при максимальной температуре;

3) остывание.

Начальный участок температурной кривой следует растягивать во времени по мере возрастания влажности сырца, поступающего в обжиг. Давление водяных паров внутри нагреваемого изделия достигает значительных величин уже при температуре 70°С и прогрессирующе возрастает с повышением температуры. Если скорость парообразования внутри материала будет опережать скорость фильтрации паров через его толщу, то возникающее при этом давление водяных паров внутри материала может привести к появлению в изделии дефектов.

Опасным в этом отношении следует считать процесс нагрева на участке температурной кривой от ее начала до 250°С, так как удаление физически связанной воды может привести к аналогичным последействиям [2].

При температурах дегидратации глины черепок является пористым, однако его фильтрационная способность при этом ограничена и чрезмерное форсирование нагрева изделия в этот период, как показали исследования НИИСтройкерамики, может привести к его взрыву, что особенно характерно для скоростных режимов обжига. Следовательно, в проекте разумно назначить срок обжига – 36 часов.

Выгорание органических компонентов шихты, а также диссоциация карбонатов и других соединений, выделяющих летучие газы, должны заканчиваться до начала интенсивного спекания черепка во избежание его вспучивания и разрывов. Максимальная скорость выгорания наступает обычно при температуре на 50-100°С меньшей конечной температуры обжига. Скорость повышения температуры в период интенсивной усадки для масс, у которых в этот период возникают разрушающие напряжения, необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы они не приводили к появлению трещин в обжигаемом изделии. В остальных случаях нужно руководствоваться соображением, согласно которому скорость нагрева не должна вызывать большого небаланса в интенсивностях внешнего и внутреннего теплообмена. Длительность выдержки изделий при конечной температуре зависит от размеров изделия, требуемой степени водопоглощения черепка, и её подбирают опытным путем. При охлаждении изделий необходимо замедлять процесс при температурах перехода материала из пиропластического в хрупкое состояние и при температурах модификационных превращений кварца (575°С) [2].

Рекомендуемый режим сушки приведён в таблице 22.

 

Таблица 22 – Режим сушки

Наименование показателя и единица измерения		Показатели
Срок сушки, час		36
Влажность изделия, %	начальная	18
	конечная	5
Температура газов в сушилке, оС	на входе	65
	на выходе	25
Среднечасовой подъём температуры, оС/час	в период усадки	0,3
	в период досушки	0,4
Относительная влажность воздуха в сушилке, %	на входе	10
	на выходе	90
Средняя скорость сушки, %/час	В 1-ой половине	0,1
	Во 2-ой половине	0,3
Средняя скорость воздуха в сушилке, метр/секунду		0,5

Рекомендуемый режим обжига приведён на технологической карте.