CC BY
14
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 174
1971
ГАЗОВАЯ ФАЗА ПРИ КЕРАМЗИТООБРАЗОВАНИИ
А. В. ПЕТРОВ
(Представлена научным семинаром кафедры технологии силикатов)
При ускоренной термической обработке легкоплавких глинистых пород преимущественно монтмориллонитового и гидрослюдистого составов образующееся гетерогенное пиропластическое тесто вспучивается выделяющимися газообразными продуктами с образованием стекловидного материала ячеистой структуры, называемого керамзитом.
В основе образования газовой фазы лежат процессы пиролиза и возгонки присутствующих в глинах органических веществ и процессы химического превращения составляющих компонентов глины и их взаимодействие между собой и газовой средой.
Анализ опубликованных работ как отечественных, так и зарубежных исследователей (1, 2, 3) показывает, что вопрос о составе газов, выделяющихся при керамзитообразовании с достаточной полнотой еще не изучен и существуют разноречивые взгляды.
Совершенно ясно, что только исследованием различных веществ в чистом виде, синтезирующих глинистое вещество, установить состав вспучивающих газов представляет большую трудность. Проще, на наш взгляд, произвести анализ газов, участвующих в процессе керамздто-образования. Состав газов в порах готового керамзита изучался на белорусских легкоплавких глинах (4). Целью настоящей работы явилось комплексное изучение газовой фазы, участвующей при керамзитообразовании, — установление количества выделяющихся газов, их состава и величины давления, развиваемого при образовании ячеистой структуры. Исследование проведено нами на покровных глинистых породах четвертичного возраста, которые по общности составов и технологическим свойствам являются широко распространенным сырьем Томской области и относятся к одной литологической группе. Глинистая составляющая суглинков является полиминеральной и сложена железистым монтмориллонитом — бейделлитом и гидрослюдами состава илли-та. По технологическим свойствам суглинки относятся к средне-и уме-реннопластичному глинистому сырью и являются легкоплавкими с огнеупорностью не выше 1280°С. Из указанных глинистых пород получается керамзитовый гравий с физико-механическими свойствами, удовлетворяющими существующим требованиям.
Для определения состава, количества и давления выделяющейся газовой фазы нами использован метод скоростного количественного фазового анализа, разработанный Бергом [5]. Сущность метода закЛю-
чается в измерении объемов газов, выделяющихся при нагревании веществ.
Образующаяся в реакционном сосуде (рис. 1) газовая фаза вначале обрабатывается растворами, позволяющими качественно судить о ее составляющих. Затем для установления количественного соотношения газов в смеси из реакционного сосуда отбираются пробы при разных температурах и исследуются по методике, разработанной для анализа газовых включений в стекле [6]. Сущность метода заключается в замере диаметра газового пузырька окуляр-микрометрической шкалой микроскопа до и после обработки его в различных поглотителях. Для сравнения полученных данных исследовались газы, заключенные в порах керамзита. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Рис. 1. Реакционный сосуд: 1 —гнездо для термопары; 2 — блок, 3 — пробирка с навеской; 4 — стальной цилиндр; 5 — воздушное охлаждение
Количество газа в объемных %
№ п.п. Температура вспучивания Время вспучивания в мин. углекислый газ кислород окись углерода азот (по-разности)
1 В реакционном сосуде — 1150" 5 5,63 20,10 13,22 61,05
2 » 11503 7 5,92 19,86 13,03 61,19
3 „ 1170° 5 6,02 19,62 11,18 63,18
4 1170° 7 6,13 19,23 10,00 64,64
5 Керамзит 1150э 5 6,03 19,96 13,19 60,82
6 „ 1150° 7 6,22 19,06 11,04 63,68
7 » 1170'5 5 6,03 19,65 11,16 63,16
8 ■ \\703 7 6,16 19,27 10,03 64,54
Данные таблицы показывают, что с повышением температуры и увеличением времени вспучивания содержание окиси углерода и кислорода уменьшается, причем количественное содержание газовых компонентов, выделяющихся в реакционном сосуде при температуре вспучивания и в замкнутых порах керамзита, полученного при этих же температурах, относительно одинаково. Во всех случаях наблюдается избыточное количество кислорода, которое следует отнести на счег восстановления окиси железа в закись (табл. 2) и возможного разложения паров воды при высоких температурах.
Расчетные данные избыточного кислорода, присутствующего в порах керамзита в момент вспучивания и выделяющегося из реакционного сосуда при тех же температурах, приводятся в табл. 3. Уменьшение избытка кислорода с повышением температуры и увеличением времени вспучивания можно объяснить интенсификацией процесса окисления присутствующих органических примесей.
Таким образом, в керамзитообразовании суглинков принимает участие, как показали качественный и количественный анализы, газовая фаза сложного состава, состоящая (из паров воды глинистых минералов,
Таблица 2
Содержание в %
№ п.п. Наименование проб Ре203 РеО Расчетное количество о2
1 Суглинок „Учхоз" необожженный 5,12 ' 0,76 —
2 Керамзит —1150° 5мин. 1,28 4,60 3,84
3 7 . 1,19 4,67 4,10
4 1170э 5 . 1,23 4,63 4,07
5 7 ■ 0,98 4,90 4,14
6 . „ 1200э 3 . 0,58 5,29 4,00
кислорода, выделяющегося при восстановлении окисного железа в за-кисное и в результате разложения па£ов воды при высоких температурах, окиси углерода и углекислого газа, являющихся продуктами окисления органических примесей и азота (из воздуха).
Таблица 3
№ п.п. Температура вспучивания Время вспучивания в мин. Расчетное содержание избыточного кислорода в объемных 96
1 В реакционном сосуде 1150° 5 3,80
2 я 1150° 7 3,49
3 п 11703 5 2,72
4 щ 11703 7 1,93
5 В порах керамзита 1150- 5 3,76
6 в 1150° 7 2,02
7 п 1170" 5 2,75
8 » 1170° 7 2,07
Объем выделяющихся газообразных продуктов измерялся в газовой бюретке (рис. 2), нагрев проводился до 1200°С.
Р-х ' ц
Рис. 2. Газовая бюретка: 1 — ртутный затвор; 2 — четырехходовой кран
Нами установлено, что количество газовой фазы, выделяющейся как при быстром (8—10 мин.), так и при медленном (50—60 мин.) на-
гревании высушенных до постоянного веса гранул соответствует 3—5% по весу; у предварительно обожженных гранул до температуры 850—900°С количество газовой фазы меньше и равно 1—2% весовых. Выделение газовой фазы заканчивается при температуре 1150—1170°С, развиваемое давление при этом соответствует 17—22 мм рт. ст. сверх атмосферного.
Из имеющихся работ известно, что для получения керамзита с объемным весом в куске 0,6 г/см3 требуется газа в количество 0,022% по весу [7]. Наши исследования показывают, что оптимальным количеством газовой фазы, принимающей непосредственное участие в процессе керамзитообразования при оптимальных температурах, следует считать 0,06—0,07 весовых процента — величина, много раз повторяемая при исследовании пород в реакционном сосуде.
Кроме того, нами подтвердились высказывания С. П. Онацкого [3] о том, что основное значение при керамзитообразовании имеет восстановительная среда, создаваемая внутри обжигаемого глинистого материала. Предельным содержанием органических примесей для исследуемых пород, при котором нормально протекают восстановительные реакции и образование необходимого количества жидкой фазы, следует считать 0,6i% по весу. При этом образуется керамзит с равномерной структурой стального цвета. Глинистые породы, содержащие меньшее количество органических примесей в реакционном сосуде, не вспучиваются, большее количество — ведет к образованию неравномерных по размеру пор с тонкими, менее прочными, легко разрывающимися стенками.
Выводы
1. Образование пористой структуры пиропластической массы происходит за счет выделяющейся газовой фазы, в состав которой входят: пары воды, углекислый га'з, окись углерода и кислород, причем оптимальным количеством газовой фазы для нормального керамзитообразования следует считать 0,06—0,07 весовых процента.
2. Давление газовой фазы устанавливается максимальным при температурах 1150—1170°С и равно 17—22 мм рт. ст. сверх атмосферного.
3. Основное значение при керамзитообразовании имеет восстановительная среда, создаваемая внутри обжигаемого материала, а не внешняя, по этому исслодованные породы вспучиваются в любой среде одинаково, при этом минимальным количеством органических примесей следует считать 0,6 весовых процента.
ЛИТЕРАТУРА
1. С. Редей. Jouzn Amer Cer Soc, № 4, 121 — 128, 1951.
2. E. Элерс. Bull, Amer, Ceram, Soc, 95—99, 1958.
3. С. П. Онацкий. О физико-химической сущности процессов вспучивания глин при обжиге. Сб. «Искусственные пористые заполнители для легких бетонов». Гос-стройиздат, 1954.
4. М. А. Безбород ов, Л. К. Петров, Н. П. Гришина. Состав газов в порах керамзита. Минск, 1958.
5. Л. Г. Берг. Скоростной количественный фазовый анализ. Москва, 1952.
6. Л. А. Афанасьев, Т. Е. Го лба и др. Практикум по контролю производства стекла. Гизлегпром, 1939.
7. И. А. Гер виде. Керамзит, исследование по технологии, Москва. 1957.
