Влияние структуры сырца на процесс образования керамического черепка.

Механизм образования керамического черепка у изделий пластического и сухого прессования неодинаков. Рас­смотрим его различие для легкоплавких глин. Структуру свеже­сформованного сырца, т. е. структуру пластичного глиняного теста, в самом схематическом приближении можно пред­ставить следующим образом (рис. 92, а). Отдельные агрегиро­ванные кусочки глины, а главным образом их тощая составляющая часть —

Рис. 92. Схема формирова­ния структуры при обжиге сырца пластического прес­сования

а-— пластическое глиняное тесто;

б — высушенный сырец; в — обож­женный керамический черепок;

1 — коллоидная суспензия; 2 — за­полнитель; 3 — цементирующая связка; 4 — жидкая фаза

кварцевый песок, распределены более или менее рав­номерно в суспензии коллоидной фракции глины. Дисперсионной средой этой суспензии является водный раствор растворимых солей, содержащихся в глине, а дисперс­ной фазой — находящаяся в этом растворе во взвешенном состоянии коллоидная фракция глинистых ми­нералов. Эта суспензия наполнена более крупными частицами кварца и агрегированными, не распустив­шимися в воде, кусочками глины, которые являются как бы «заполнителями» этой суспензии.

Во время сушки по мере испаре­ния из сырца влаги зерна заполни­теля сближаются между собой, контактируясь в отдельных точках и гранях и образуя скелет высушен­ного изделия. Суспензия, высыхая, осаждает на скелете свою кол­лоидную фракцию. Таким образом, зерна заполнителя оказываются по­крытыми сплошной «обмазкой» из коллоидной фракции глины (рис. 92,6). Обмазка является наиболее легкоплавкой частью всей керами­ческой массы, так как в ее составе находятся растворимые соли, име­ющие наиболее низкие эвтектиче­ские температуры. Эти соли вместе с другими компонентами смеси об­разуют относительно легкоплавкие соединения. Важным является и то обстоятельство, что при незначи­тельной общей концентрации этих солей в керамической массе мест­ная концентрация их на контакт­ных поверхностях отдельных зерен.

По мере нагревания сырца при достижении эвтектических температур обмазка плавится, образуя стекловидную фазу, ко­торая цементирует контактные поверхности отдельных зерен.

Кроме того, в образовавшемся жидком расплаве частично растворяются поверхностные слои зерен заполнителя, образуя пе­ресыщенные растворы, из которых выкристаллизовываются но­вые минералообразования, цементирующие скелет в виде кристаллических сростков (рис. 92, в).

Жидкая фаза, образующаяся на контактных поверхностях, затекает в трещины и поры и стекает к несконтактировавшимся поверхностям, увеличивая общую величину контактной поверх­ности.

Очевидно, что количество, состав и состояние жидкой фазы во многом определяют свойства обожженного керамического изделия аналогично тому, как в обычном строительном бетоне его свойства зависят от свойств заполнителя и цементного кам­ня. Так, например, при повышенной вязкости и малой подвиж­ности жидкой фазы затрудняется ее перемещение и цементация еще не склеенных поверхностей, что обусловливает пониженную прочность изделия. Напряженное состояние стекловидной фазы, аналогичное неотожженному стеклу, повышает хрупкость кера­мического изделия.

По-иному развивается процесс формирования черепка в ке­рамическом изделии сухого прессования. Его можно мыслить себе следующим образом. В массе глиняного порошка, посту­пающего на прессование, имеются разнородные по влажности агрегированные глиняные частицы, которые имеют различные плотность и твердость. Сами агрегированные частицы глиняно­го порошка также неоднородны по твердости, так как наряду с пластичной увлажненной массой глинообразующих минера­лов в них содержатся и более крупные зерна тощего материала, главным образом зерна кварца.

В процессе прессования сырца происходит сначала сближе­ние отдельных агрегированных частиц глины, затем наступает их деформация, а в последней стадии прессования более твер­дые частицы глины вдавливаются в более мягкие. Более сухие частицы глины проникают в более мягкие увлажненные части­цы. Точно так же и более твердые зерна кварца вдавливаются в более мягкие агрегированные частицы глины. Возникающие при этом большие силы трения обусловливают прочное сцепле­ние отдельных глиняных частиц в единый агрегированный сро­сток. Однако в нем отдельные частицы глины все же имеют между собой поверхности раздела, что коренным образом отли­чает эту структуру от структуры сырца пластического прессо­вания, имеющего сплошную массу «коллоидального вяжущего».

Итак, сырец сухого прессования не представляет собой «сплошной» коллоидной суспензии с распределенными в ней зернами заполнителя. При сухом прессовании «массив» сырца образуется механическим соединением отдельных зерен кера­мического порошка, каждое зерно имеет структуру, аналогич­ную пластичному тесту, а в сырце между ними остаются поверхности раздела, несмотря на кажущееся сильное взаимо­действие между зернами порошка при его прессовании.

В сырце сухого прессования существенно изменяется роль коллоидной фракции. Она уже не является сплошной паутинообразной обмазкой твердых минералов и агрегированных ча­стиц глины, она действует главным образом не на контактных поверхностях частиц, а внутри самих частиц. Таким образом, коллоидная фракция агрегирует первичные зерна минералов в глинистую частицу, а не цементирует спрессованные частицы друг с другом. При таком размещении коллоидной фракции

Рис. 93. Схема структуры обожженного черепка сухого прессования

1 — глинистые агрегаты;

2—жидкая фаза, цементирую­щая глинистые агрегаты кон­тактным спеканием. Стрелками показано направление усадочных деформаций отдельных гранул порошка

жидкая фаза при обжиге развивается в первую очередь не на контактных поверхностях глиняных агрегатов, а внутри их, не обеспечивая должной цементации агрегатов между собой. При обжиге сырца на контактных поверхностях глинистых агрега­тов возникает относительно небольшое количество жидкой фа­зы, оно не обеспечивает сплошной цементации контакных по­верхностей и цементация носит характер контактного спекания, аналогичного «точечной сварке» (рис. 93). Этим объясняется пониженная сопротивляемость изделий сухого прессования из­гибу.

Ослаблению контактов между спрессованными глинистыми агрегатами способствует и своеобразный характер усадки в сыр­це сухого 'прессования. Это своебразие заключается в том, что каждая частица глины претерпевает усадку локально и вслед­ствие этого сокращается в размерах не весь массив сырца, а в отдельности каждая частица, отодвигаясь от соседней. Таким образом, усадочные явления в сырце сухого прессования обус­ловят появление напряжений и трещин на поверхностях разде­ла спрессованных глиняных частиц. Для заполнения этих тре­щин жидкой фазой необходимо повышенное ее количество, ко­торое возможно получить лишь за счет повышения температуры обжига. Своебразие структуры и механизма формирования ке­рамического черепка сухого прессования обусловливает его пониженное сопротивление изгибу, повышенную водо- и газопро­ницаемость, необходимость более высоких температур обжига и, в связи с этим, применения керамических масс с большим интервалом спекания.

Режим обжига изделий.

Под режимом обжига понимают обычно зависи­мость между температурой и временем обжига (температурный режим) и между химическим характером печной среды и вре­менем обжига (газовый режим). Печная среда является вос­становительной при избытке кислорода до 1°/о, нейтральной— 1,5—2%, окислительной—2—5% и сильно окислительной—до 10%. Изменение давления газов в рабочей камере печи или в отдельных ее зонах не может считаться режимным параметром, так как то или иное соотношение давлений является лишь сред­ством для достижения заданного температурного или газового режима и не оказывает самостоятельного воздействия на про­цесс обжига.

Весь процесс обжига в наиболее общем случае делят на три периода: нагрев до конечной температуры обжига, выдержка при конечной температуре и остывание. Для каждого из этих периодов отдельно устанавливается режим. Режимы обжига сугубо специализированы для отдельных видов керамических изделий.

Большая сложность, а в некоторых случаях и недостаточная ясность процессов, происходящих при обжиге керамических из­делий, сильно затрудняет создание надежной аналитической теории для расчетного определения наиболее коротких, но вме­сте с тем и безопасных для изделия температурных режимов обжига.

Поэтому существующие для этой цели расчетные зависимо­сти носят полуэмпирический характер. Одним из методов опре­деления режима обжига является следующий [76]. Опытным путем для каждого участка температурной кривой определяют­ся кажущийся коэффициент температуропроводности и мак­симально допустимый перепад температур между поверхностью и центром образца, имеющего форму, подобную обжигаемому изделию. Затем рассчитывается допустимая скорость нагрева­ния изделия по формуле

где — коэффициент формы; для бесконечного цилиндра =4; —допустимый перепад температур между поверхностью образца и его центром для рас­считываемого участка температурной кривой обжига;

R—характерный размер изделия в м; для цилиндра и ша­ра — радиус, для пластины — половина толщины. Время, необходимое для нагрева изделия, определяется по формуле

где — соответственно начальная и конечная температуры рассчитываемого участка температурной кри­вой.

Другие авторы предложили иные формулы для расчета тем­пературного режима. Однако все они еще не получили приме­нения в практике проектирования печей, и, как правило, режим обжига определяется путем полузаводских испытаний, т. е. пробных обжигов опытных партий изделий. Указанные расчет­ные зависимости могут быть при этом использованы в качестве ориентиров для назначения опытных режимов, подлежащих проверке, с тем чтобы сузить количество попыток, которые при­ходится делать при опытных обжигах для отыскания его оп­тимального режима.

Общие соображения, которые необходимо учитывать при выборе режима обжига, сводятся к следующему.

На начальном участке температурной кривой обжиг следует замедлять по мере возрастания влажности сырца. Давление водяных паров внутри нагреваемого изделия достигает значи­тельных величин уже при температуре 70 (а не 100—110 , как это обычно полагают) и прогрессирующе возрастает с уве­личением температуры. Поэтому если скорость парообразова­ния внутри материала будет опережать скорость фильтрации паров через его толщу, возникающее при этом давление водя­ных паров внутри материала может привести к появлению в изделии трещин и отслаиваний («лопанец»). Опасным в этом отношении следует считать участок температурной кривой до 250 , так как удаление физически связанной и аллофаноидной воды может вызвать этот брак. При температурах дегидрата­ции глины черепок является пористым и через него беспрепят­ственно фильтруются водяные пары гидратной влаги. Поэтому в этот период допустимая скорость нагрева изделия не лими­тируется свойствами его материала. 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.

Скорость подъема температуры в период интенсивной усад­ки для масс, у которых в этот период возникают разрушающие напряжения, должна подбираться с таким расчетом, чтобы она не приводила к появлению трещин в обжигаемом изделии. В остальных случаях нужно руководствоваться соображением, согласно которому скорость нагрева не должна вызывать боль­шого дебаланса в интенсивностях внешнего и внутреннего теп­лообмена. При значительном превышении интенсивности внеш­него теплообмена над внутренним возможно оплавление поверх­ности изделий.

Конечная температура обжига назначается по результатам испытаний.