CC BY
26
ИЗВЕСТИЯ
"ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 83 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956 г.
.ДЕФОРМАЦИЯ. ИЗДЕЛИЙ ИЗ КРАСНЫХ ГЛИН ПРИ 01Ж1ГЕ
П. Г« УСОВ И А, В. ПЕТРОВ
Изделия из красных глин при обжиге в области высоких температур обладают пластической деформацией. Деформация при высокой температуре изделий из огнеупорных глин изучена подробно, и эта характеристика является одной из главных в оценке качества изделий. Красные глины с этой точки зрения не исследуются совсем, несмотря на то что данные о текучести могли быть весьма полезными при переработке их в изделия.
Пластическая деформация изделий из красных глин при обжиге, так же как и других изделий керамических составов, происходит вследствие постепенного плавления материала, протекающего в некотором температурном интервале. В отличие от огнеупорных глин, имеющих в большинстве случаев длинный интервал плавления, красные глины, вследствие более сложного их химического и минералогического составов, плавятся интенсивней, и изделия из них при обжиге деформируются до полного разрушения в узком температурном интервале.
Своей работой мы ставили задачу—практически определить текучесть изделий из красных кирпичных глин и проследить за влиянием примесей карбоната кальция и соды на текучесть при обжиге.
Для исследования были взяты красные глины с обычным химическим составом для районов Западной Сибири.
Таблица 1
Химический состав глин
№ ГШ Название глины п. п. п. 5Ю, А120З Ье203 СаО м2о Сумма
1 Анжерская . . 6,07 65,50 16,45 7,05 2,32 1,0 98.39
2 Малиниыская 7,35 62,70 15,60 5,80 5,56 1,76 98,77
3 Каменская . . 7,35 68,50 13,08 3,92 5,25 0,80 98,90
Таблица 2
Название глины Количество фракций в % с величиной зерна в мм
Лэ пп 1,0—0,25 0,25—0,05 0,05—0,01 0,01—0,005 0,005—0,001 мельче 0,001
1 Анжерская . . 0,32 1,80 38,76 51,85 8,55 8,60
Малининская 0,45 6,36 30,75 51,61 5,35 4,90
3 Каменская . . 0,95 36,54 34,24 19,85 1,09 7,04
Грубодисперсная часть, с величиной зерна крупнее 0,01 мм, у всех •трех глин сложена преимущественно полевыми шпатами.
У анжерекой глины зерна полевых шпатов в преобладающем большинстве бурые, в значительной степени превращенные в глинистое вещество. Реже наблюдаются более свежие зерна с отчетливыми микроклиновыми двойниками. Как примесь в этих фракциях присутствуют кварц, хлорит, зеленая роговая обманка и др.
В каменской глине плагиоклаз преобладает свежий, прозрачный и мало--измененный буроватый или сероватый. Часто наблюдается сложная двойниковая структура и включения мелких призмочек и зерен бесцветных минералов и магнетита. Ортоклаз чаще бурый, но наблюдаются также и мало-измененные зерна. Микроклин всегда свежий, прозрачный или слегка розоватый.
Малининская глина содержит высокий процент ортоклаза, сильно каоли-низированного, и в меньшей части наблюдается его хлоритизация. В небольшом количестве в глине встречается плагиоклаз. В отличие от других, в этой глине содержится высокий процент лимонита, красновато-бурого до черного цвета. Кварц встречается в виде редких угловатых зерен.
По показателю преломления, двупреломления и углу угасания плагиоклазы всех трех глин относятся к ряду олигоклаз-андезин.
Содержание главнейших минералов грубозернистых фракций глин приведено в табл. 3.
Таблица" 3
№ пп Название глины Плагиоклаз Ортоклаз и микро-клин Хлорит Лимонит Кварн
1 А пж ер екая 1 . . . 70,0 12,0 6,5 мало 6,7
2 Каменская .... 70,2 16,7 8,5 мало 2,6
3 Малининская . . . 9,0 70,0 0,5 17,5 мало
Подобранные глины различны по керамическим свойствам. Аижерская глина содержит более высокий процент частиц коллоидных размеров. Водная суспензия этой глины остается мутной через 60 часов стояния, тогда как малининская и каменская глины в одинаковых условиях просветляются совсем. Пластичность глин уменьшается от анжерекой к каменской. Особенно различна у глин пирохимическая активность (способность слагать прочную структуру при обжиге), у анжерекой глины ока выражена в большей степени, у каменской—проявляется слабо. Малининская занимает среднее положение.
Химические составы тонких фракций (мельче 0,001 мм) исследуемых глин приведены в табл. 4.
Таблица 4
№ пп Название глины Химический состав фракций мельче 0,()01 мм
п.п.п. 5Ю2 А1203 Ре203 СаО М80 Сумма
1 Анжерская . . 18,40 43,48 21,04 8,86 4,40 2,35 98,53
2 Малининская . 16,20 41,25 23,55 6,95 6,25 2.04 96,24
3 Каменская . . 16,12 44,76 21,33 8,62 2,80 2,79 96,47
Глины содержат небольшие количества растворимых в воде солей; ан-жерская—0,08%, малининская—0,06% и каменская—0,1% и имеют обменную
емкость соответственно: анжерекая—31,45; малининская—8,5 и каменская—15,0 миллиэквивалеитов на 100 г сухой глины.
Исследование деформации изделий при обжиге проведено на образцах, имеющих форму кольца, с размерами: высота 16 мм, наружный диаметр 16 мм, внутренний диаметр 12 мм.
Образцы формуются пластическим способом из глин с формовочной влажностью, при одинаковой нагрузке. Избыток массы из формы удаляется через боковое отверстие, что позволяет готовить образцы всегда одинаковой высоты и сравнительно одинаковой плотности. Образец в форме кольца с толщиной стенки в 2 Мм принят с расчетом меньшего перепада температур внутри самого материала, что позволяет более точно исследовать температурную зависимость деформации. Обжиг производится в трубчатой печи. Образец (1) устанавливается на силитовую подставку, в центре которой находится выход горячего спая термопары (3). Давление на образец псре-
Фиг. 1. Установка для исследования деформации изделий из красных глин при обжиге.
дается через второй силитовый стержень (2). Схема установки показана на фиг. 1. Управление нагревом производится при помощи потенциалрегуля-тора. Период нагрева с сравнительно одинаковой скоростью, составляет 65 — 70 минут. Деформация образца при нагревании замеряется мессурой с точностью до 0.01 мм Исследование деформации проведено с нагрузкой на образец в 1,0 кг/см2, Крлвые деформации образцов из глин природного состава в зависимости от температуры приведены на фиг. 2.
Образцы из всех трех глин в области их разрушения деформируются различно. Все три глины текут активно с температуры 1100СС. Деформация происходит вследствие того, что при этой температуре плавится скелетная часть структуры, сложенная зернами грубых фракций. Грубодисперсная часть всех трех глин, как указывалось выше, сложена полевыми шпатами; у анжерской и каменской преимущественно плагиоклазами кислой группы
с небольшим содержанием ортоклаза, а малининская, наоборот, имеет высокое содержание ортоклаза и небольшую примесь кислых плагиоклазов. Плагиоклазы кислого состава начинают плавиться с температуры около 1100°С. По этой причине образцы из всех трех глин и начинают активно течь при 1100°С. Высокое содержание ортоклаза в малининской глине в значительной степени повышает величину внутреннего трения структуры изделий вследствие более высокой огнеупорности и меньшей химической активности этого полевого шпата.
Относительно температуры начала деформации глины также ведут себя я о-разному. _ ________
Фиг. 2. Кривые деформации образцов при обжиге из глин: 1 — анжерскон, 2 —• каменской, 3 — калининской.
При более низких температурах, с 860°С начинает течь анжерская глина, с температуры 930°С деформируется образец из каменской глины и, наконец. с температуры 1040° деформируется образец из малининской глины.
• О этих температур у всех глин наблюдается равномерная деформация, идущая с постоянной скоростью в некотором температурном интервале. Величина температурного интервала такой деформации составляет:
у анжерской глины .... с 860 до 1100°С
у каменской.......с 930 до 1080°С
у малининской......с 1040 до 1100°С.
Выше этих температур скорость деф^рмацчи образцов увеличивается. Первая деформация, идущая с постоянной скоростью, происходит под действием первичного расплава, появление которого и обусловливает ослабление структуры. Первичный расплав, при температуре его появления, имеет вязкость, очевидно, достаточно высокую, и растворяющая способность такого расплава невелика.
Но с повышением температуры уменьшение структурной прочности изделия связано с понижением вязкости расплава или кажущейся вязкости состава, в результате чего под действием внешнего давления изделия деформируется, а по мере сближения частиц, при деформации изделия величина внутреннего трения структуры возрастает. Поэтому в этом интервале каждой определенной температуре при постоянной внешней нагрузке соответствует определенная степень деформации образца. Выше этих температур, в результате плавления состава, увеличивается количество расплава, уменьшается его вязкость и 'понижается структурная прочность изделия. В этом интервале образец деформируется и в том случае, если нагрузка и температура будут поддерживаться постоянными. Данные этих опытов показывают, что спекание структуры изделий, сопровождающееся усадкой, без внешних нагрузок, происходит при более высоких температурах, чем температура появления первичного расплава, и с участием более высоких количеств расплава. А появление первичного расплава иногда фиксируется незначительным увеличением пористости структуры изделия.
%в00 900 1000 U00 1200
Температура в "С
Фиг. 3. Деформация образцов из малининской глины при обжиге:
1 — с добавкой 2 0/0 Na2C03, 2 — с добавкой 10°/о СаСОо, 3 — в природном состоянии, 4 — обработанная раствором NH4C!.
Из анализа кривых фиг. 2 также цытекает, что температурный интервал деформации и абсолютная величина деформации образцов находятся в прямой связи с количеством тонких фракций в глинах при одинаковом их химическом и минералогическом составах. Образцы из анжерекой глины с большим содержанием тонких и коллоидных частиц и высокой обменной емкостью деформируются с более низких температур и в большей степени вследствие образования большего количества первичного расплава по сравнению с образцами из каменской и тем более из малининской глины, количество тонких фракций в которой и обменная емкость наименьшие. Первичный расплав в составах красных глин образуется в результате взаимодействия обменных щелочных катионов с сорбирующей основой, так как за-
мена природных сорбированных катионов на №1,4+—■ резко изменяет их текучесть при обжиге и главным образом в области температур появления первичного расплава.
^ /2
/6
а~~2о
¡5.24 <ъ
?&
32
»
\
\ л \
\ \ \
1
4 2 А
1 1 \
{
! « * *
то
шоо
Температура в
1100
Фиг. 4. Деформация образцов из анжерской глины при обжиге:
1-е добавкой 2<> 0 Ка2С03, 2-е добавкой 10«|0 СаС03, 3 — в природном состоянии, 4 — обработанная раствором МН4С1.
Текучесть изделий из глин значительно увеличивается при введении в их состав щелочного катиона—натрия вследствие образования больших количеств первичного расплава. Но в глинах с малым содержанием тонких
I
5
5Г
3$
к. \ к \
X г\ Г\л(
\ 1 \ \
1 \ \
1
Фиг. 5. Деформация образцов из каменской глины при обжиге:
I — с добавкой ¿"¡ц Ка._,СОз, 2 — с добавкой Ю^'щ СаСОз, 3 — в природном состоянии, — обработанная растворов! МН4С1,
ГПН, т. 83
фракций и малой обменной емкостью замена природных обменных катионов или введение избытка натрия и кальция на изменение деформации изделий при обжиге сказывается менее резко (фиг. 3 малининская глина), в сравнении с глинами, содержащими более высокий процент тонких фракций (фиг. 4 и 5).
Низкотемпературная деформация образцов, обусловленная появлением первичного расплава, в присутствии карбоната кальция в глинах исчезает. Образцы в этом случае деформируются при более высоких температурах и значительно резче вследствие разрушения формы. В присутствии карбоната кальция повышается температура спекания и резко уменьшается интервал спекания красных глин с понижением их температуры плавления, что впервые было подмечено Д. Н. Полубояриновым.
Выводы
Изделия из красных глин, содержащих карбонат кальция, имеют более высокую прочность структуры при обжиге и не деформируются вплоть до температуры спекания. Деформация таких изделий протекает резко и в коротком температурном интервале.
С участием щелочей изделия из глин деформируются плавно, в длинном температурном интервале. Такие составы являются более благоприятными для технологической переработки.
