CC BY
20
УДК 666.3
doi 10.24411/2221-0458-2020-10053
ВЛИЯНИЕ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА ОБЖИГОВЫЕ СВОЙСТВА
КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Ондар Э.Э.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
EFFECT OF CORRECTIVE ADDITIVES ON THE FIRING PROPERTIES OF
CERAMIC PRODUCTS
E.E. Ondar Tuvan State University, Kyzyl
В данной статье рассматриваются вопросы повышения качества обжига керамических изделий. Установлено, что температура обжига зависит от кажущейся вязкости и водопоглощения исходных керамических масс. Рассмотрены химический состав и технологические свойства глин «Красный Яр» и «Пий-Хемский суглинок». Для изучения влияния температуры деформации на керамические образцы были проведены эксперименты по методике Н.В. Соломина, при которой используются призматические балки с последующим их изгибом. Согласно данной методике, керамические изделия деформируются под действием нагрузки при достижении определенной кажущейся вязкости. Применяемые методики для определения термических свойств сырья характеризуют пригодность и качество сырья для производства керамических изделий. Поэтому представляется необходимым рассмотреть деформацию изделий под нагрузкой при высоких температурах, как термическое свойство изделия, определяющее максимально допустимую температуру обжига.
Ключевые слова: стеновые керамические материалы; легкоплавкая глина; интервал обжига; степень спекания; термические свойства
The article deals with the issues of improving the quality of firing ceramic products. It is established that the firing temperature depends on the apparent viscosity and water absorption of the initial ceramic masses. The chemical composition and technological properties of clays "Krasny Yar" and "Piy-Khem loam" are considered. The method of N.V. Solomin was used to study the effect of the deformation temperature on ceramic samples. This technique implies the use of prismatic beams with their subsequent bending. According to the given method, ceramic products
are deformed under load when a certain apparent viscosity is reached. The methods used to determine the thermal properties of raw materials characterize the suitability and quality of raw materials for the production of ceramic products. Therefore, it seems necessary to consider the deformation of products under load at high temperatures, as a thermal property of the product, which determines the maximum permissible firing temperature.
Keywords: ceramic wall materials; fusible clay; firing interval; degree of sintering; thermal properties
В настоящее время использование керамических изделий в строительстве зданий и домов резко увеличилось из-за их функциональности, надежности. Керамические изделия проходят целый ряд технологических операций, прежде чем получить на выходе конечный продукт высокого качества. Основным трудоза-тратным процессом при получении керамики является процесс обжига. При обжиге происходит ряд физико-химических превращений, обуславливающих получение из глин искусственного камня. Обжиг изделий строительной керамики
осуществляется в окислительной или нейтральной среде при температурах 900 -1000 °С для легкоплавких глин и 1000 -1250 °С для тугоплавких и огнеупорных глин. В интервале температур от 1000 до 1100 °С наблюдается распад продуктов дегидратации на отдельные окислы с образованием жидкой фазы. Во время данного процесса кристаллическая решетка глинобразующих минералов частично разрушается, поэтому, такие физико-механические показатели, как усадка,
прочность, пластические деформации, модуль упругости, изменяются значительно. Поэтому, при обжиге керамических материалов очень важно знать о протекающих внутренних процессах, чтобы в дальнейшем получить обожженные изделия с определенными свойствами.
Обжиг исходных керамических материалов всегда проходит при некоторой разнице температур, называемой температурным интервалом обжига. Для керамического кирпича минимальная температура обжига будет ограничена достижением прочности, соответствующей марке 100 (минимальная марка кирпича, допускаемая стандартом), а максимальная температура обжига - достижением кирпича водопоглощения, равным 7 %. Интервал спекания некоторых глин значительно уступает температурному интервалу обжига изделий из этих глин, но с введением корректирующих добавок в состав шихты возможно регулировать процесс спекания и получить из легкоплавких глин керамический кирпич высокого качества.
При производстве керамических изделий процесс спекания и качество обожженных изделий в значительной степени зависит от плотности спрессованного полуфабриката - сырца. Плотность сырца зависит от способа получения пресспорошка, его
гранулометрического состава, влажности и режима прессования.
В полидисперсных системах значительного эффекта в повышении насыпной плотности, а, следовательно, и плотности спрессованного полуфабриката можно достичь подбором оптимального гранулометрического состава порошков, отличающихся наилучшей укладкой зерен различных фракций. В процессе прессования изменяется первоначальный зерновой состав прессуемой массы. Чем качественнее получаются дообжиговые свойства керамических изделий, тем выше их качество после обжига.
Процесс обжига керамических изделий зависит от их вида, назначения, способов применения. Режим и оптимальную температуру обжига изделий устанавливают в зависимости от требуемых свойств. Так, по данным Лундиной М.Г. [1] на графике деформации изделий под нагрузкой имеется некоторая точка перегиба, при достижении значения которой случается значительная потеря прочности образца из-за начала процесса плавления. В работе Зверева В.Б. и Биче-
оол Н.М. [2], авторами показано, что керамические образцы из легкоплавкого сырья подвержены к пиропластическим деформациям, значения которых превышали более 3 мм, в процессе обжига в температурах, которые обеспечили бы высокую степень спекания с водопоглощением до 7% (рис.1 и 2). Значение температуры, соответствующей этой точке, будет являться верхним пределом интервала обжига, и при превышении этой температуры
обжигаемые изделия начинают
деформироваться.
Для исследования деформационных свойств керамического сырья и получения результатов изготовлены образцы из глины месторождения «Красный Яр» и Пий-Хемского суглинка. Основным минералом в глинах является монтмориллонит. В составе глины месторождения «Красный Яр» присутствуют также основные минералы: кварцит, кальцит, ортоклаз и гетит.
В таблице 1 представлен химический состав исследуемых глин. Из данных таблицы можно отметить высокое содержание оксида железа и щелочноземельных элементов (СаО + М§О), по содержанию БЮг и А12О3 выбранные глины относятся к легкоплавким глинам, с интервалом
о
спекания 40-50 С .
Таблица 1
Химический состав глин
Глины Содержание оксидов (масс.%)
Si O2 А2 O3 Ti O2 Fe2 O3 Ca O Mg O K2 O Na2 O S O3
Красный Яр 56,63 15,13 0,97 6,31 5,78 2,85 1,08 1,25 0,87
Пий-Хемский суглинок 62,72 14,05 0,24 4,73 2,92 1,73 1,03 0,74 0,28
В зависимости от содержания 18-24 %. Технологические свойства глинистых частиц формовочная влажность исследуемых глин сведены в таблицу 2. глинистых частиц колеблется в пределах
Таблица 2
Технологические свойства глин
Глинистая порода Содержание глинистых частиц, % Формовочная влажность,% Число пластичности Воздушная усадка, % Прочность сырца, МПа
Красный Яр 11,32 20 12 3,7 4,1
Пий-Хемский суглинок 4,54 18 6 2,6 2,6
Для изучения влияния температуры деформации на керамические образцы были проведены эксперименты по методике Н.В. Соломина [3], которая подразумевает использование
призматических балок с последующим их изгибом. Согласно предложенной методике, керамические изделия деформируются под действием нагрузки при достижении определенной кажущейся
ГНт
вязкости:
• Ah =
где: ЛИ - деформация образца, см; Г - нагрузка на образец, кг; И - высота образца, см; т - время выдержки при максимальной температуре, сек;
q - площадь образца, воспринимаемая нагрузку, см2;
г]о - кажущаяся вязкость образца, Пахсек.
Перед обжигом керамические изделия устанавливают в штабели, при этом на нижние ряды кирпичей действуют нагрузки от вышележащих, линейные деформации при обжиге достигают более 3 мм. При проведении обжига определяют кажущуюся вязкость исходного сырья, определяют температуру, когда образцы начинают деформироваться, изменяя первоначальные размеры и формы. Эту температуру можно принять за максимально допустимую температуру обжига.
Рис. 1. Деформация нижних рядов кирпичей после обжига
Рис. 2. Деформированные обожженные изделия
По полученным результатам исследований построены графики зависимости кажущейся вязкости керамических образцов от температуры обжига (рис.3). Для сопоставления результатов на рис.4. показана зависимость водопоглощения изделий от температуры обжига для трех
составов пресспорошков. Из графиков видно, что кривые изменения кажущейся вязкости и водопоглощения образцов не соответствуют друг другу. При температуре 1000 °С вязкость активированной глины месторождения
«Красный Яр» составляет ^ = 109 Па с, пий-хемского суглинка д. = 1011 Пах.
Изделия из механоактивированной глины месторождения «Красный Яр» начинают деформироваться при температуре 1000 °С, при этом керамические образцы не деформируясь, приобретают высокую степень спекания (7% водопогло-щения достигается при температуре 990 °С). Максимальная температура обжига для изделий из глины месторождения «Красный Яр» по стандартной методике составляет 1080 °С, а в изделиях из активированной глины деформации наблюдаются уже при температуре 1035 °С при одних и тех же нагрузках. Температура обжига по разработанной методике для изделия из пий-хемского суглинка составляет 1070 °С, по ГОСТ 21216.9-93 он является сырьем неспекающимся.
По результатам исследований (рис. 3, 4) можно отметить, что водопоглощения керамических образцов при достижении температуры деформирования сильно отличаются. При этом изделия приобретают пиропластическое состояние, когда водопоглощения образцов достигают минимальных значений.
Однако, в процессе эксперимента выяснилось, что даже при 1070°С водопоглощение образца из пий-хемского суглинка уменьшилось только до 20 %. Достаточная степень спекания с
водопоглощением 5,4 % при температуре деформации 1000 X наблюдается у образца из механоактивированной глины месторождения «Красный Яр».
У образцов из красноярской глины водопоглощение при температуре обжига 1035 X составляет 16,5 %. Из графиков можно сделать вывод что, при одинаковой нагрузке керамические изделия из глины месторождения «Красный Яр» и пий-хемского суглинка подвержены деформации прежде, чем они достигнут состояния спекания.
Необходимо отметить, что наличие экспериментальных данных по изменению кажущейся вязкости и водопоглощения керамических образцов от температуры дает возможность достаточно точно оценить термические свойства сырья.
Определение максимально допустимой температуры обжига керамических изделий по внешнему виду, по допустимой величине водопоглощения и плотности изделия, отмеченных в действующем стандарте [5], является недостаточным, и не отражают истинную модель обжига. В практических условиях керамический кирпич подвергается большим нагрузкам садки, что не учитывается в лабораторных условиях для определения термических свойств. Деформация нижних рядов приводит к завалам садки, что может нарушить аэродинамику газовых потоков и даже остановить на время всю технологическую линию.
10
12
cu £
rC
о о
en
Cs
«5
ÍE
Я!
ЯНЕ
1Ю|
п Р Ло
ЯП
1Ш
ш
_____i -Ф- кр -И-кра -А-пий ----_ асноярская глин сноярская актив1 -хемский суглинс а рованная к
850
900
950
I 000
050
Температура С
Рис. 3. Допустимая температура обжига по разработанной методике
00
25
20 0
^ 1 5
а к
си
S3
о к
о ^
£ W
1 0
доп
5 0
850
900 950 1 000 1 050
Температура 0С
Рис. 4. Зависимость вязкости керамических масс от температуры
1 1 00
Последнее является наиболее важным обстоятельством, которое определяет качество выпускаемых изделий и непрерывность работы целой
технологической линии.
Применяемые методики для определения термических свойств сырья характеризуют, прежде всего, пригодность
Библиографический список
1. Лундина, М. Г. Добавки в шихту при производстве керамических материалов : обзор информационный / Всесоюзный научно-исследовательский институт экономики строительных материалов. - Москва, 1974. - 96 с. - Текст : непосредственный.
2. Зверев, В. Б. Реология стеновой керамики при высоких температурах / В. Б. Зверев, Н. М. Биче-оол. - Текст : непосредственный // Достижения строительного материаловедения : сборник научных статей, посвященных 100-летию со дня рождения П. И. Боженова. - Санкт-Петербург, 2004. - С.48 - 53. - Текст : непосредственный.
3. Соломин, Н. В. О вязкости керамических материалов при высоких температурах / Н. В. Соломин. - Текст : непосредственный // Журнал технической физики. - 1945. - Т.15, Вып.11. -С.862 - 872.
4. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия. - Москва : Издательство стандартов, 1995. - 13 с. - Текст : непосредственный.
5. ГОСТ 21216.9-93. Сырье глинистое. Метод определения спекаемости глин. - Минск : Издательство стандартов, 1995. - 3с. - Текст : непосредственный.
References
и качество сырья для производства керамических изделий. Поэтому представляется необходимым рассмотреть деформацию изделий под нагрузкой при высоких температурах, как термическое свойство изделия, определяющее максимально допустимую температуру обжига.
1. Lundina M.G. Dobavki v shihtu pri proizvodstve keramicheskih materialov: Obzor. inform. [Additives to the batch in the production of ceramic materials]. Vsesojuz. nauch.-issled. in-t jekonomiki stroit. materialov. Moscow, 1974, 96 p. (In Russian)
2. Zverev V.B., Biche-ool N.M. Reologija stenovoj keramiki pri vysokih temperaturah [Rheology of wall ceramics at high temperatures]. Dostizhenija stroitel'nogo materialovedenija: Sb. nauch. st., posvjashh. 100-letiju so dnja rozhdenija P.I. Bozhenova [Advances in construction materials science: collection of scientific papers, dedicated to the 10th anniversary of P.I. Bozhenov's birth]. Saint-Petersburg, 2004, pp. 48 - 53. (In Russian)
3. Solomin N.V. O vjazkosti keramicheskih materialov pri vysokih temperaturah [On the viscosity of ceramic materials at high temperatures]. Zhurn. tehn. Fiziki [Journal of Technical physics]. 1945, vol. 15, iss.11, pp. 862 - 872. (In Russian)
4. GOST 530-95. Kirpich i kamni keramicheskie. Tehnicheskie uslovija [Ceramic bricks and stones. Technical conditions]. Moscow, Standards Publ., 1995, 13 p. (In Russian)
5. GOST 21216.9-93. Syr'e glinistoe. Metod opredelenija spekaemosti glin [Clay raw material. Method for determining the sinterability of clays]. Minsk, Standards Publ., 1995, p. 3. (In Russian)
Ондар Эмир Эрес-оолович - старший преподаватель Тувинского государственного университета, г.Кызыл , е-mail : ondar.emir@mail.ru
Emir E. Ondar - Senior Lecturer, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail.ru: ondar.emir@mail.ru
Статья поступила в редакцию 21.11.2020.
