книги / Производство керамзита

Оксид магния и железа понижают вязкость распла­ вов. Согласно Кеппелеру и Дралле, вязкость метасили­

силиката натрия Na20 3-Si02 последовательно возрастает при добавке силикатов закиси железа FeO-Si02, марганца MnO-Si02, кальция CaO-Si02. Вязкость

чем последующие). Оксиды натрия и калия удлиняют интервал размягчения. Оксид кальция, наоборот, дела­ ет расплав быстрозатвердевающим при понижении тем­ пературы, а при повышении — разжижает его.

Вязкость значительно снижается при распаде ассоци­

ность компонентов. И. Е. Дудавский показал, что закись железа обладает особенно высокой смачивающей способ­ ностью.

На вязкость расплава значительное влияние оказы­ вает газовая атмосфера. Отмечено, что вязкость расплав­ ленного стекла, равная на воздухе при 1050°С 950Па-с, в атмосфере углекислоты снижается до 650, а в атмо­ сфере S02 — до 500 Па-с. Вязкость понижается также и в атмосфере паров воды.

Вязкость легкоплавких вспучивающихся и невспучивающихся глин на вискозиметре «Оргресс» определяли И. Я- Залкинд с сотрудниками, С. П. Онацкий и Г. В. Краснова, М. Г Лундина, В. Ф. Павлов и др., одно­ значно установив пределы ее колебания при вспучива­ нии примерно от 107—105 Па-с.

Следует отметить, что из-за экспериментальных труд­ ностей абсолютная вязкость пиропластической массы в пределах всего интервала вспучивания еще не определе­ на, а интерпретация абсолютных показателей вязкости начала вспучивания затруднена сложным характером фазовых превращений и структурообразования при об­ жиге полиминеральных легкоплавких глин.

Важную роль при образовании ячеистой структуры вспученных материалов играют также развивающиеся на границах твердой, жидкой и газообразной фаз по­ верхностные явления, характеристикой которых может служить поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение, как известно, выражает работу, необходимую для создания 1 см2 новой поверх­

ности расплава.

Поверхностное натяжение зависит от вида и соотно­ шения основных фаз, а также от примеси поверхностно­ активных веществ, например СГ2О3, М 03, W 03 и др. Наличие в глинах поверхностно-активных веществ или специальная их добавка снижает поверхностное натяже­ ние на десятки процентов.

Важное его значение в технологии обжига керам­ зита обусловливается прежде всего тем обстоятельством, что появление и расширение пузырьков газа при вспучи­ вании глин связано с образованием огромного количест­ ва новых поверхностей. Возникшие в расплаве зароды­ ши пузырьков газа способны увеличиваться в размерах только после достижения определенного критического радиуса. При этом их существование в расплаве опреде­ ляется выражением

Как следует из формулы, критический радиус эле­ ментарных пузырьков газа, образующихся в процессе вспучивания, весьма чувствителен к поверхностному на­ тяжению.

При неизменном поверхностном натяжении возника­ ющие в расплаве пузырьки газа с радиусом меньше критического не могут расширяться и производить эф­ фект вспучивания. Если же поверхностное натяжение будет уменьшено, то эти пузырьки начнут быстро уве­ личиваться в размерах, которые превысят критический радиус, и окажутся эффективными для вспучивания. На образование пузырьков газа во вспучивающихся массах существенное влияние оказывают фазовый состав среды и смачиваемость. Известно, что внутри гомогенных жид­ костей пузырьки газа вовсе не образуются. Содержащие­ ся в них газы растворяются или полностью удаляются в процессе нагревания. Объясняется это тем, что для об­ разования новых поверхностей внутри гомогенных маес требуется преодолеть колоссальную прочность структур­ ной решетки, достигающую десятков и сотен тысяч кило­ граммов на 1 мм2. Для образования пузырьков газа я таких веществах потребовалась бы упругость диссоци­ ации величиной в сотни и тысячи атмосфер.

Чтобы при бесконечно малом радиусе в момент за­ рождения мог образоваться пузырек газа, начальное его давление должно быть бесконечно большим. Поэтому в расплавах газы скапливаются и задерживаются только в закрытых порах или на поверхности частиц твердых фаз, каковыми могут быть нерастворившиеся минералы. Чем слабее эти частицы смачиваются, тем лучше будут усло­ вия для образования и накопления пузырьков. При со­ вершенной смачиваемости твердых частиц расплавом размер пор сокращается и активными окажутся лишь те из них, радиус которых выше критического. В этой связи важное значение имеет также характер поверхно­ сти зерен. Шероховатая поверхность, изменяя краевой угол смачивания в сторону его уменьшения, способст­

центров образования пузырьков газа в единицу времени, тем выше может быть эффект вспучивания. Рост газо­ вых пузырьков в следующие моменты после их возник­ новения зависит от продолжающегося выделения и на­ копления газов, развиваемого ими давления, темпера­ туры и свойств расплава. При большом давлении газа в закрытых порах и малых значениях вязкости и поверх­ ностного натяжения может произойти разрыв стенок между порами и газы выйдут наружу. Вспучивание бу­ дет оптимальным лишь при благоприятном сочетании в первую очередь параметров температуры, давления га­ зов в порах, вязкости, поверхностного натяжения и сма­ чиваемости расплава.

Изложенные положения затрагивают только качест­ венную оценку физико-химических процессов вспучива­ ния глинистых материалов. Вместе с тем очевидно, что лишь количественная характеристика этого процесса может явиться базой для расчетов, связанных с выбором газообразователя, температуры и длительности обжи­ га на различных этапах термообработки, а также опре­ деления количественных зависимостей между коэффици­ ентом вспучивания, вязкостью, поверхностным натяже­ нием расплава и газообразователем.

Существенно важные аналитические исследования в этой области выполнены Я. Н. Черняком [198, 199].

Опираясь на фундаментальные разработки Я. И. Френкеля [119] и сделав ряд допустимых упрощений, он показал, что коэффициент вспучивания куска материала

тесно связан с коэффициентом расширения объема еди­ ничных пор. При этом процесс расширения таких пор следует рассматривать как элементарный акт вспучива­ ния в конкретном объеме данного обжигаемого материа­ ла. Так, если количество пор N в единице объема мате­ риала и радиус каждой поры г, то общий объем пор

По аналогии с коэффициентом вспучивания /Св про­ цесс расширения одной поры во время обжига можно охарактеризовать некоторым коэффициентом |

Выразив V2 и Vi через истинные пористости, можно получить зависимость | и Кв (при условии постоянства числа пор и закрытого их характера)

Схематически процесс образования и расширения эле­ ментарных пузырьков внутри материала, по Я. Н. Чер­ няку, показан на рис. 17. На рис. 17, а дан разрез от­ крытой поры в первой стадии процесса. Во второй стадии по мере повышения температуры материала и появле­ ния расплава, заполняющего более мелкие поры, круп­ ные поры изолируются друг от друга, превращаясь в закрытые поры произвольной формы (рис. 17, б). Обра­ зование элементарных пузырьков газа (ЭП) происходит на третьей стадии: бесформенная закрытая пора под влиянием капиллярных сил, действующих на границе раздела жидкой и газовой фазы, приобретает сфериче­ скую форму (рис. 17, в). Четвертая стадия характеризу­ ется уменьшением объема пузырька до тех пор, пока давление газа внутри ЭП не станет равным капилляр­ ному (рис. 17, г). Собственно процесс вспучивания про­ исходит по пятой стадии процесса, когда внутри пузырь­ ка будут созданы соответствующие условия для роста

элементарных пузырьков, и тогда материал вспучивает­

однако весьма важно знать основные факторы, опреде­ ляющие ход процесса каждой из них.

Первая стадия процесса — типичный пример жидкост­ ного спекания, в котором основную роль играет количе­ ство, вязкость и поверхностное натяжение образующего расплава. На этой стадии материал дает усадку и его

Анализ приведенных формул показывает, что изме­ нение г] и а в зависимости от температуры происходит по различным законам. Важно при этом то, что при повышении температуры ц уменьшается, а следователь­ но, уменьшается и время, необходимое для образования

Сокращение объема ЭП на четвертой стадии процес­ са, согласно теории Я. И. Френкеля [190], также объяс­ няется действием капиллярных сил. Скорость этого со­

скольку air в этих условиях зависит только от вида жид­

ЭП будет иметь нулевой объем, т. е. он полностью «за­ хлопнется». Предполагается, однако, что внутри керами­ ческого материала всегда находится некоторое количест­ во газа или воздуха, давление которого препятствует окончательному захлопыванию ЭП.

Если при переходе от первой стадии (см. рис. 17, а) ко второй (см. рис. 17, 6) в ЭП окажется некоторое ко­ личество газа, которое в дальнейшем остается постоян­

При р о = 105 Па; Г! == 10—4 м и а = 0 ,5 Н/м по форму­ ле (11) гт1п= 3 - 1 0 - 4 м.

Внутри открытых форм давление газа всегда равно давлению в пространстве, где помещается обжигаемый материал (около 1 атм). Поэтому степень сокращения

После расширения ЭП от V2 до V3 уравнение состо­ яния газа внутри него будет

го условия процесса расширения ЭП при наличии внут­ ри его газовыделения, сопровождающегося изменением состава газовой фазы.

Я. И. Френкелем математически выведено уравне­ ние из условия равенства работы в единицу времени, совершаемой силами поверхностного натяжения,

где г — радиус элементарного пузырька; t — время; о — поверхност­ ное натяжение; rj — вязкость.

При этом давление газов внутри пузырька в случае неизменного их количества будет возрастать согласно зависимости

При выделении газов внутри пузырька их давление будет возрастать и станет равным:

будет равна работе, затрачиваемой на образование сво­ бодной поверхности и на преодоление сопротивления сил внутреннего трения, т. е.:

dW=dWo+dWr\. (38)

Подставляя в уравнение (38) значения dWa и dWл из уравнения (23) после преобразования имеем

Очевидно, что уравнение (39) при рг>2сг является уравнением расширения ЭП, а при рг<2сг уравнением его сжатия.

При изотермическом процессе о = const и т)= const давление газов р можно приближенно принять равным:

Риэб=const. Тогда после интегрирования (30) получаем уравнение

Приняв коэффициент вспучивания /Свсп=Г|/г2, получим