Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор, цель и задачи исследований 10
1.1 Особенности технологии лицевого декоративного керамического кирпича 10
1.2 Способы объемного окрашивания керамического кирпича 12
1.3 Способы поверхностного окрашивания и декорирования керамического кирпича 15
1.4 Влияние восстановительной среды на процесс обжига и цвет керамического кирпича 20
1.5 Выводы 25
ГЛАВА 2 Методология исследований и общая характеристика материалов 26
2.1 Выбор объектов для исследований 26
2.2 Характеристика сырьевых материалов 27
2.3 Методика проведения исследований 32
2.3.1 Методология технологических исследований дообжиговых свойств полуфабриката 32
2.3.2 Стандартные физико-химические методы испытаний и исследование свойств, фазового состава и структуры керамики 33
ГЛАВА 3. Разработка составов керамических масс и исследование спекания и дообжиговых свойств кирпича. окислительного обжига 37
3.1 Зависимость дообжиговых свойств керамических масс от химико-минералогического состава глин 37
3.2 Окислительный обжиг лицевого керамического кирпича и его обжиговые свойства 44
3.2. 1. Фазовые превращения керамических масс при обжиге шихт 44
3.2.2 Зависимость физико-технических и декоративных свойств лицевого кирпича окислительного обжига от состава глин 47
3.2.2.1 Спекаемостъ глинистого сырья 47
3.2.2.2 Зависимость физико-технических и декоративных свойств лицевого кирпича окислительного обжига 49
3.3. Зависимость фазового состава и структуры кирпича от химико-минералогического состава глин 51
3.3.1 Рентгенофазовый анализ кирпича окислительного обжига 51
3.4 Выводы 54
ГЛАВА 4 Редукционный обжиг лицевого керамического кирпича 55
4.1 Особенности редукционного обжига 55
4.2 Влияние восстановительной среды при редукционном обжиге лицевого керамического кирпича на его свойства 58
4.3 Влияние редукционного обжига на декоративные свойства (цвет) кирпича 61
4.4 Фазовый состав кирпича и его железосодержащих фаз в зависимости от окислительно-восстановительных условий обжига 63
4.4.1 Зависимость фазового состава кирпича от среды обжига и химического состава керамической массы 63
4.4.2 Состав и структура железосодержащих фаз кирпича в зависимости от окислительно-восстановительных условий обжига.. 67
4.5 Выводы 73
ГЛАВА 5 Технология лицевого керамического кирпича на основе редукционного обжига и результаты опытно-промышленных испытаний 75
5.1 Технологическая схема производства керамического кирпича с применением способа редукции 76
5.1.1 Особенности редукционного обжига 79
5.2 Результаты опытно-промышленных испытаний 82
5.3 Экономическая эффективность внедрения разработанной технологии 86
5.4 Выводы 93
Общие выводы 94
Список литературы 97
Список нормативной литературы 109
- Способы поверхностного окрашивания и декорирования керамического кирпича
- Стандартные физико-химические методы испытаний и исследование свойств, фазового состава и структуры керамики
- Фазовые превращения керамических масс при обжиге шихт
- Влияние восстановительной среды при редукционном обжиге лицевого керамического кирпича на его свойства
Введение к работе
Актуальность работы. Реализация концепции современного архитектурного дизайна обуславливает острую необходимость применения эффективных конструкционных отделочных и декоративных материалов. К числу таких строительных материалов относятся, в частности, стеновые и облицовочные керамические материалы, белый и цветной цемент, декоративные бетоны на их основе, гипсовые вяжущие и другие декоративные материалы. Эти материалы хорошо вписываются в технологию строительства, в ее поточные механизированные способы, имеют высокие технико-эксплуатационные характеристики и органично сочетаются в архитектурно-строительном проектировании, отвечают требованиям дизайна.
В настоящее время керамический кирпич является наиболее применяемым и экологичным строительным» материалом как в жилищном, так и в промышленном строительстве, несмотря на большое количество современных искусственных материалов [1]. Так, 67% потребления кирпича приходится-на жилищное строительство, еще 20% на возведение зданий промышленного назначения.
Следует отметить, что темпы развития строительства достаточно высоки, что связано с выполнением национального проекта «Доступное жилье» и других перспективных планов благодаря государственной поддержке крупных строительных компаний.
Наблюдается увеличение тенденции сочетания массового и индивидуального строительства, что обуславливает повышенный спрос на лицевой керамический кирпич различного цвета от светло-желтого до черного.
Несмотря на то, что современный рынок насыщен разнообразием керамической стеновой керамики различных форм и цветовой гаммы, особое место занимает продукция более темных тонов. Кирпич темных тонов в основном применяется при строительстве домов в Европе, что придает зданиям богатый и солидный вид. В последние годы в России наблюдается заимствова- ниє европейских тенденций в строительстве и в выборе строительных материалов. Поэтому повышается интерес к продукции темных тонов. Однако высокая стоимость этой продукции за счет использования дорогостоящих красителей не позволяет применение и использование ее при массовом строительстве, т. к. сказывается на повышении себестоимости готовой продукции.
Кирпич темных тонов до черного цвета можно получить не только при добавлении дорогостоящих красителей, но и при использовании других технологий, в частности, редукционного обжига, т. е. обжига в восстановительной среде. Данную технологию можно отнести к поверхностному способу окрашивания, которая позволяет из красножгущихся легкоплавких глин с высоким содержанием железа получать кирпич тёмных тонов. Высокое качество данного вида продукции обеспечивается применением современных энер-го и ресурсосберегающих технологии, повышающих их конкурентную способность. Одной из таких эффективных и перспективных является технология производства лицевого кирпича редукционным обжигом, которая позволяет получать кирпич заданного проектируемого цвета в зависимости от качества и химико-минералогического состава* глинистого'сырья.
На основе вышеизложенного очевидно, что одним из важных направлений исследований по расширению ассортимента керамического кирпича от темно- красного до черного цвета, которого в РФ производится в недостаточном количестве и только при добавлении дорогостоящих красящих добавок, является применение технологии редукционного (восстановительного) обжига на строящихся и действующих заводах. Это позволит повысить конкурентоспособность продукции, снизить ее себестоимость и улучшить качество.
Таким образом, исследования в диссертационной работе являются весьма важными и позволят расширить производство керамического кирпича от темно-красного до черного цвета на основе высокожелезистых глин с применением технологии редукционного (восстановительного) обжига, что обуславливает актуальность темы диссертационной работы.
Рабочая гипотеза: получение лицевого керамического кирпича от темно- красного до черного цвета с улучшенными эксплуатационными и декоративными свойствами за счет применения технологии редукционного обжига, которая обеспечивает создание сильновосстановительной газовой среды и дает возможность направленно управлять формированием фазового состава и структурой кирпича и особенно его железосодержащими фазами, обуславливающими цвет на основе глин с повышенным содержанием железа.
Целью данной работы является: разработка технологии лицевого керамического кирпича от темно-красного до черного цвета с повышенными эксплуатационными свойствами при использовании редукционного обжига на основе высокожелезистого глинистого сырья.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: исследованы химико-минералогический состав и технологические свойства глинистого сырья; разработаны и оптимизированы составы шихт с учетом дообжиговых и послеобжиговых свойств для получения лицевого керамического кирпича, свойства которого удовлетворяют требованиям ГОСТа 530-2007; изучено влияние редукционного (восстановительного) обжига на эксплуатационные и эстетико-потребительские свойства кирпича; установлены зависимости цвета лицевого кирпича, обожженного в условиях окислительного и восстановительного обжига от химико-минералогического состава глин, содержания железа и его фазовых превращений в структуре; изучена структура и фазовый состав керамического кирпича, полученного при окислительном и восстановительном обжиге, с помощью физико-химических методов исследования; разработана технологическая схемы производства лицевого кирпича с применением редукционного обжига на основе высокожелезистых глин; проведена опытно-промышленная апробация и внедрена разработанная технология редукционного обжига на заводах по производству лицевого ке рамического кирпича на основе высокожелезистых глин.
Научная новизна работы заключается в следующем: на основе выявленных зависимостей дообжиговых свойств: формовочной влажности, воздушной усадки, коэффициента чувствительности к сушке и предела прочности при изгибе от химико-минералогического состава высокожелезистых глин (Fe203 > 5%) разработаны оптимальные составы керамических масс для редукционного обжига лицевого керамического кирпича; установлены особенности фазовых превращений при окислительном и восстановительном (редукционном) обжиге и их влияние на структуру и свойства кирпича с применением комплекса физико-химических методов исследований. Показано, что при окислительном обжиге в структуре кирпича присутствуют Р" кварц, гематит а- Ре2Оз, полевошпатовые минералы альбит Na2OAl2CV6Si02 и анортит CaOAl203-2Si02, а в восстановительном- кроме гематита, фаялит и магнетит, обеспечивающие высокие показатели свойств кирпича редукционного обжига: водопоглощение 9*1 до-11,8%, предел прочности на сжатие малых образцов 63,2 до 82.3 МПа и морозостойкость от 58 до 100 циклов и более; впервые в технологии керамики методом ядерной'гамма-резонансной спектроскопии (ЯГРС), высокочувствительной* и избирательной к железу, установлены качественное и количественное содержание Fe в виде самостоятельных соединений и в составе стеклофазы и твердых растворов других фаз, что предопределяет цвет кирпича. Выявлено: при окислительном обжиге в керамическом кирпиче содержится гематит a-Fe2C>3 в количестве от 38,65 до 70,98% по массе от общего количества Ре2Оз, остальное количество Fe в виде анионов [Fe3+Oj]4" и [Fe3+C>6]9~ - в составе стеклофазы и метакаолинита А120з 2Si02, что и обусловливает красно-коричневый цвет кирпича. При восстановительном (редукционном) обжиге в связи с неполным восстановлением Fe23 до FeO в, кирпиче содержатся магнетит Fe~+Fe23+04 (Fe304) и фаялит Fe2Si04 в количествах соответственно 11,74- 25,99% и 8,62- 52,77%, а также гематит а-Ре2Оз и анионы [Ре3+04]4"и [Fe3+06]9" в составе стеклофазе и мета-каолините. Этообусловливает темно-коричневый цвет кирпича до черного. Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны четыре оптимальных состава керамических масс: 1.5, 2.5, 3.5 и 4.1 на основе глин месторождений: Каркинского, Белкинского, Верх — Тулинского и Обидимского с различным химико-минералогическим составом для получения^ лицевого керамического кирпича от темно-коричневого до черного цвета, с повышенными физико-механическими свойствами и морозостойкостью.
Предложен способ редукции, газовоздушной; смеет для создания силь-новосстановительной газовой среды в конце зоны спекания туннельной' печи с низким коэффициентом* избытка воздуха а* > 0,2, обеспечивающим наибольшее восстановление а-Ее2Оз до ЕеО с образованием феррошпинели- магнетита4FeFe204 (Fe304) черного цвета и других железосодержащих фаз- фаялита, анортита, обуславливающих вместе* с гематитом а-Ре2Оз темно-коричневый до-черного цвет, лицевого ^керамического кирпича.
Предложена технологическая схема производства лицевого керамического- кирпича темно-коричневого-до: черного; цвета на основе высокожелезистых глин при применении редукционного (восстановительного) обжига.
Разработанная технология редукционного обжига: лицевого керамического кирпича на^ основе высокожелезистых глин успешно прошла апробацию на заводах ОАО- «Кйрово-Чепецкий кирпичный завод» (г. Кирово-Чепецк), ООО «Пятый элемент», (г. Калининград), ООО «БРАЕР», (г. Тула). Акты производственной1 апробации приведены вдиссертации.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в виде лекционного материала в: специальный курс для; студентов специальности 270106 «Производство строительных материалов изделий и конструкций»
9 и 240304 «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов».
Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Научные исследования, нано-системы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород, 2007г.), научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы» (г. Пенза, 2011г.); на межрегиональных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна 2007-2009гг.» (г. Новочеркасск, 2007-2009гг.); в материалах 60-й научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НИИ) (г. Новочеркасск, 2011г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах с внешним рецензированием по списку ВАК РФ: «Строительные материалы» ^ 2008,2009,2011гг. и «Стекло и керамика»-20 Юг, а также получен патент РФ на изобретение по заявке №2009107818 с приоритетом от 17.06.2009 года.
Объем работы: Работа состоит из-введения, 5-ти глав, общих выводов, списка литературы включающего 127 источников, содержит 20 рисунков и 20 таблиц и приложений: 3 акта о промышленной апробации и внедрении разработанной технологии редукционного обжига лицевого керамического кирпича на основе высокожелезистых глин на следующих предприятиях: ОАО «Кирово-Чепецкий кирпичный завод» (г. Кирово-Чепецк), ООО «Пятый-элемент», (г. Калининград), ООО «БРАЕР», (г. Тула).
Способы поверхностного окрашивания и декорирования керамического кирпича
Другим направлением исследований возможности получения лицевого декоративного кирпича является декорирование его лицевой поверхности. Поверхностные способы производства декорированного кирпича можно разделить на две группы: способы обработки поверхности глиняного бруса и способы обработки поверхности обожженного кирпича [38, 39].
Наиболее технологичны и эффективны способы обработки глиняного бруса, так как производство кирпича может быть организовано без кардинальной перестройки технологической линии производства. Они не требуют двойной сортировки кирпича, дорогих и дефицитных материалов, процесс производства максимально механизирован [40].
К способам обработки поверхности бруса относятся: производство торкретированного кирпича; нанесение пленок битумной эмульсии, механическая обработка лицевой поверхности глиняного бруса, обработка поверхности под "старый" и "античный" кирпич, производство двухслойного и анго-бированного кирпича.
Наиболее простым является способ механической обработки лицевой поверхности глиняного бруса, в процессе которого обеспечивается.получение декоративной рельефной поверхности лицевого кирпича [41-43]. Недостатком является то, что-при этом изменяется только характер поверхности без изменения цвета, то есть однотонности продукции, что- делает ее малопривлекательной-. Этот же недостаток- присущ и способу обработки лицевой поверхности под "старый" и "античный" кирпич. Лицевые стороны при этом способе окрашивают беспорядочно нанесенными пятнами краски или искривляют поверхность ребер. Однако лицевая поверхность в результате имеет все ту же красно-коричневую "кирпичную" окраску с небольшими оттенками, что исключает возможность создания различных дизайнерских решений, позволяя разнообразить архитектуру зданий и сооружений лишь за счет самой формы здания.
При производстве торкретированного кирпича на его лицевую поверхность наносят стеклянную или кварцевую крошку. В производстве этот способ широкого применения не нашел, так как существенным недостатком является осыпание и недолговечность фактурного слоя как в процессе производства, так и при дальнейшей эксплуатации [44,45]. Для уменьшения количества высолов на лицевой поверхности кирпича на нее наносят пленки битумной эмульсии, однако этот способ никак не декорирует поверхность кирпича, а просто улучшает вид кладки в процессе ее эксплуатации, не позволяя проступать белым высолам наружу [46-48].
Некоторые заводы предпринимали попытки производства двухслойного кирпича [49]: При этом желаемый цвет лицевой поверхности достигается при использовании небольшого количества беложгущейся глины. Для получения цветного покрытия в состав лицевой керамической массы вводят различные красители: оксиды марганца, хрома, кобальта, железа, а также пигменты, вырабатываемые на заводах керамических красок. Толщина лицевого слоя составляет 2...5 мм. При таком производстве главная проблема состоит в совместимости массы лицевого и основного слоеві и обеспечении их прочного сцепления при- формовании. После сушки и обжига слои не должны, отслаиваться! друг от,друга и не.давать.трещин; [50-53]..Эта технология-предусматривает. наличие большого количества дополнительного рборудования, а также повышенную трудоемкость, процесса: изготовления: днако;двухслойный, кирпич, как и торкретированный;, характеризуется небольшой до л говеч-ностыовпроцессе эксплуатации..
Матовую цветную поверхность керамического черепка можношолучить также с помощью нанесения» ангобногошокрытия; [54,55]. Ангоб - это тонкий слой (не более 0;25 мм): глиняной суспензии требуемого цвета совместно- с добавками, наносимый на поверхность кирпича, после обжига приобретающий прочность. Если лицевой кирпич,,изготавливаемый из местных глин, не удовлетворяет по цвету архитекторов; то требуемый цвет можно получить с помощью ангоба. Ангоб позволяет усилить естественный: цвет глины.. Дешевле обходятся ангобы из местных глин. Использование одной? и той же глины для лицевого и основного слоев сырца исключает возникновение напряжений и отслоений ангоба, так как у них общая усадка и одинаковые коэффициенты температурного линейного расширения. Состав ангоба должен обеспечивать высокое сцепление его с черепком, низкое водопоглощение лицевого слоя; достаточную твердость покрытия. Сложность технологии состоит в необходимости правильного подбора состава ангоба и дополнительных затрат при его приготовлении и нанесении.
К способам обработки поверхности относится также производство кирпича с применением органосиликатных материалов, фосфатных красок и кремнииорганических эмалей, отделка- кирпича полимерными порошковыми красками, плазмохимическая технология и;т.д. [56-57].
Органосиликатные материалы представляют собой суспензии силикатных и оксидных компонентов в толуольных растворах, модифицированных кремнийорганическими полимерами. В1 результате образуется атмосфе-ростойкое покрытие, которое имеет красивый вид, исключающее прохождение высолов-на-лицевую поверхность кладки [58]. Основным и главным недостатком всех этих способов является тоj что они взрывопожароопасны, поэтому требуют соблюдения повышенных правил безопасности. Их применение лишь подчеркивает естественный цвет черепка, улучшая при этом только технико-эксплуатационные свойства лицевой поверхности.
Все рассмотренные методы окрашивания и декорирования поверхности лицевого керамического кирпича усложняют его технологию и недостаточно эффективно повышают качество. ,
На основании критического анализа опубликованных источников, по применению различных способов окрашивания и декорирования керамического кирпича (Рисунок 1.1), можно заключить следующее, рассмотренные многочисленные способы окрашивания и декорирования лицевого керамического кирпича окислительного обжига имеют существенные недостатки как с точки зрения технологичности их эффективности, так и экономических затрат.
Стандартные физико-химические методы испытаний и исследование свойств, фазового состава и структуры керамики
Технология производства лицевого кирпича темного цвета до черного с помощью редукционного обжига обусловливает жесткие требования к качеству отформованного полуфабриката. В связи с этим необходимо соблюдение требований к составам керамических масс и способов приготовления и формования полуфабриката. С этой целью нами были проведены исследования дообжиговых свойств керамических масс, обеспечивающих разработку шихт оптимального состава, для получения высококачественного кирпича.
Подготовку опытных масс выполняли по пластическому способу. Глинистое сырье подвергали грубому измельчению; смешивали в глиносмесите-ле, обрабатывали на вальцах грубого помола с зазором 3 мм и вальцах тонкого помола с зазором 1,5 мм и 0,7 мм. После этого массы смешивали с отощи-телем - песком, увлажняли до формовочной влажности в глиносмесителе, обрабатывали на вальцах тонкого помола с зазором 1 мм и пропускали через пресс с гранулирующей решеткой без вакуума.
Из опытных масс формовали полнотелые кирпичики размером 80x40x35 мм. Разрежение в вакуум-камере составляло 0,09- 0,095 МПа. Разогрев головки пресса и бруса в зависимости от формовочной влажности и состава масс составлял 35-45С, прочность бруса при формовании - 1,4- 1,7 МПа.
Сушка образцов осуществляли в сушильной климатической камере с регулируемой температурой, скоростью подачи теплоносителя и его относительной влажностью. При исследовании сушильных свойств определяли критическую влажность по стандартному методу Чижского, чувствительность к сушке, усадку, предел прочности при изгибе и среднюю плотность высушенных образцов. Чувствительность к сушке определяли по ускоренному методу Чижского [93-96]. Анализ характера трещинообразования и других сушиль 33 ных свойств учитывали при выборе состава шихты и определении параметров сушки.
Обжиг кирпича производили в газовой лабораторной печи «Keller» (Германия), которая обеспечивает его проведение в условиях окислительного и восстановительного обжигов. Температуры режима обжига варьировали от 950 до 1050 Є. Фазовые превращения, происходящие в керамических массах при обжиге, изучали дериватографическим методом с помощью деривато-графа Q-1500D («MOM», Венгрия). Исследование обжиговых свойств включало: определение водопоглощения, огневой и общей усадок, средней плотности, предела прочности при сжатии и изгибе, морозостойкости. Кроме того проводили испытание образцов на пропаривание, капиллярный подсос и оценку внешнего вида.
Исследования формовочных, сушильных и обжиговых свойств керамических масс и образцов проводили в соответствии с существующими стандартными методиками [97-100].
Для исследований физико-механических свойств глин, использовали стандартные методы. Физико-химические исследования сырья и определения его технологических свойств выполнены по методикам ГОСТ 21216.0-93 — ГОСТ 21216.1-93, ГОСТ 21216.3-93 - ГОСТ 21216.4-93, ГОСТ 21216.6-93 -ГОСТ 21216.11-93 «Сырье глинистое. Методы анализов», ГОСТ 2642.1.-86 -ГОСТ 2642.8-81, ГОСТ 2642.11-81 «Материалы и изделия огнеупорные. Методы анализов», ГОСТ 26594-85 «Сырье глинистое (горные породы) для производства керамических кирпича и камней. Технические требования. Методы испытаний». Классификация выполнена по ГОСТ 9169-75 «Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация». Для макроскопической характеристики глинистого сырья применяли оптический микроскоп GX-71 («Olympus», Япония).
Гранулометрический состав сырья определяли на лазерном дифракционном анализаторе размера частиц Analysette 22 NanoTec («Fritsch», Германия). Кроме того, проводили определения количества крупнозернистых включений, активности карбонатных включений и пластичности.
Для химического анализа сырья использовали приборы: спектрометр атомно-эмиссионный с индуктивно-связанной плазмой Optima-4300 DV («Perkin-Elmer», США) и масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой Elan-6100 («Perkin-Elmer», США). Содержание водорастворимых солей определяли методом экстракции их водой.
Для исследования термических свойств исходного сырья проводили определения спекаемости и огнеупорности в электрических печах «Keller» (Германия).
Определение физико-технических свойств сырца и лицевого керамического кирпича проводили по стандартным методикам, согласно утвержденным ГОСТам и методикам ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камень керамический. Общие технические условия», ГОСТ 8462-85 «Материалы стеновые. Метод определения пределов прочности при сжатии и изгибе», ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглоще-ния, плотности и контроля морозостойкости», ГОСТ 7076-87 «Материалы и изделия строительные.
Эстетико-потребительские свойства керамического кирпича определяли с применением фотометрического метода с определением коэффициента отражения (КО) на фотометре ФМ - 56 со встроенными светофильтрами: синим, зеленым и красным СС5, ЗС10 и КС 14 [101]. В качестве эталона использовали белое матовое стекло МС - 20, коэффициент отражения которого составляет 96%. При исследовании состава и структуры обожженных изделий использовали методы электронно-микроскопического анализа, химического, рентге-нофазового [96,100,103], а также прецизионного и избирательного к соединениям железа метода гамма - резонансной спектроскопии (ЯГРС)- мессбауе-ровской спектроскопии [104, 105].
Фазовые превращения керамических масс при обжиге шихт
Одним из важнейших свойств лицевого керамического кирпича является его цвет [119]. Исследования зависимости изменения КО при окислительном обжиге для изучаемых керамических масс позволили установить, что при обжиге глин с повышенным содержанием Fe203 более 5%, кирпич имеет в основном красно коричневый цвет с повышением интенсивности темного оттенка, что обусловливается наибольшим показателем КО через красный светофильтр (таблица 3.6). При этом суммарное значение КОср, определенный как средний показатель, через синий, зеленый и красный светофильтр имеет низкое значение, что характерно для цветов темных оттенков.
Разработаны оптимальные составы керамических масс на основе высокожелезистых глин (Fe203 5%) с различным химико-минералогическим составом: 1.5, 2.5, 3.5 и 4.1 . 2. Выявлены зависимости дообжиговых свойств полуфабриката пластического формования с показателями: формовочной влажностью 16.8- 20,0 %, воздушной усадкой 5,1 - 6,5 % и пределом прочности при изгибе лабораторных образцов 6,5- 10,2 МПа, для получения лицевого кирпича оптимального состава редукционного обжига. 3. Обжиг керамических масс в окислительной среде при температуре 1000С обеспечивает получение лицевого керамического кирпича с водопо-глощением 9,6 - 13,1%, пределом прочности при сжатии 57,5 - 81,5 МПа и морозостойкостью 55-100 циклов. 4. Дериватографическим методом выявлены особенности фазовых превращений при обжиге керамических масс оптимальных составов в интервале температур 20 - 1000С. Так, в образце 2.5 наблюдаются экзотермические эффекты при 917 С относящиеся, по-нашему мнению, к образованию анортита, а в 4.1 при 938С - муллиту. 5. Рентгенофазовым анализом установлен фазовый состав керамического кирпича, который включает [3- кварц (SiCb), гематит а-Ре2Оз, полевошпатовые минералы - альбит Na2OA1203-6Si02 и анортит CaOAl203-2Si02. Кроме того в структуре кирпича содержатся рентгеноаморфные фазы - метакао-линит и стеклофаза. 6. Декоративные свойства керамического кирпича окислительного обжига характеризуются красно-коричневым цветом, обусловленным наличием в кирпиче гематита a- Fe203. Производство керамического, кирпича обычно осуществляется в окислительной среде, которая обеспечивает нормальное формирование его фазового состава и структуры и полное сжигание топлива при минимальном коэффициенте избытка;воздуха [120]. В тоже время в ряде стран Европы при производстве кирпича применяется федукционный обжиг. При применении! редукционного обжига создавали сильновосстанови тельную среду при; максимальной температуре в зоне спекания что обеспе чивает получение лицевого кирпича темных тонов до черного цвета и; полно го сгорания топлива. При этом в наибольшей степени можно регулировать цвет кирпича в-поверхностном слое толщиной до 0,3 мм, то есть осуществ лять поверхностное окрашивание кирпича. . Наибольшая эффективность - получениям кирпича темных тонов до черного цвета; достигается:при использовании: высокожелезистых, так называемых красножгущихся глин с содержанием Ре2Оз 5%, на которых и проведены данные исследования..
Создание восстановительной среды осуществляли при применении, редукционного обжига осуществляется в туннельной печи, принципиальная схема движения:газов в которой приведена на рисунке 4.1,. за счет регулирог вания соотношения газ : воздух.
Как видно из рисунка 4.1, в конце зоны спекания организована специальная зона редукции, в которую через две группы потолочных горелок циклично подается газ, исходя из условия его недожога и создание тем самым сильновосстановительной газовой среды.
Редукция газовоздушной смеси в зоне спекания заключается в следующем: природный газ, как известно, состоит главным образом из метана СН4 с небольшим количеством этана С2Нб, пропана СзН8 и других углеводородов. При низком коэффициенте избытка воздуха а 0,2 не происходит полного сжигания газа и за счет этого образуются восстановители СО и Н2.
Газовый, поток из зоны спекания поступает в зону подогрева, в которой через дополнительные боковые горелки подается газ и воздух с коэффициентом а = 1,5 из расчета полного сжигания газа. Отходящие дымовые газы выбрасываются ватмосферу с температурой 80- 120 С.
Для необходимого охлаждения керамического кирпича до температуры 70С, поступающего из зоны спекания (редукции) в зону охлаждения, подается воздух, который из нее поступает частично в зону печи и в отделение сушки сырца.
Сущность изменения фазового состава и кристаллохимического состояния железа под- действием восстановительной среды заключается в следующем. Независимо от минералогического и фазового состава железосодержащих примесей в сырье (Fe2(S04)3; FeS2; а-Ре2Оз и других) при температуре обжига свыше 800 С они переходят, главным, образом, в a - Fe203, который обусловливает красный, розово-красный и красно-коричневые цвета. Кроме того, a - Fe203 может образовывать твердые растворы, как будет показано далее, с различными силикатными и алюмосиликатными соединениями, а также частично растворяться в расплаве, входя в состав структуры затвердевшей стеклофазы.
При редукционном обжиге кирпича в восстановительной среде протекают следующие фазовые и кристаллохимические превращения Fe- содержащих соединений, которые обуславливают его цвет.
Влияние восстановительной среды при редукционном обжиге лицевого керамического кирпича на его свойства
Дальнейшее измельчение шихты до размеров 0,6 - 0,8 мм осуществляли на трех последовательно установленных вальцах: грубого (зазор 2 - Змм), среднего (зазор 1-1,5 мм) и тонкого помола (0,6- 0,8 мм.), что позволяет измельчить карбонатные включения и предотвратить тем самым, нежелательные отколы на лицевой поверхности при их взаимодействии с влагой. Вылеживание в течение недели и гомогенизацию шихты производили в шихтоза-паснике, что обуславливает улучшение ее свойств для дальнейшего формования. Перед подачей шихты в вакуумный пресс ее дополнительно увлажняли и истирали в глинорастирателе с автоматической системой увлажнения, что обуславливает равномерное движение бруса и его жесткость по пенетрометру 1,8 г.см . Интервал формовочной влажности находится пределах от 17 до 22%, что предопределяется оптимальными, формовочными, свойствами массы и соответственно сушильными свойствами.,полуфабриката. Формование бруса происходит на вакуумном прессе «Rieter». Далее брус разрезали универсальным отрезным устройством фирмы «Keller-HCW» на полуфабрикаты заданного размера.
Сушку кирпича-сырца осуществляли- в камерных сушилах в интервале температур от 20 до 100С, что предопределяется ассортиментом и годовой мощностью кирпичных заводов:
Обжиг керамического кирпича осуществляли в туннельной печи в интервале температур от 80 до 1050С, которая позволяет производить редукцию газовоздушной смеси. Редукционный обжиг происходит в зоне редукции печи, которая находится в конце зоне спекания. Она дополнительно оборудована одной или двумя группами, скоростных горелок нестехиометрического действия. Процесс редукционного обжига может длиться в пределах от 3і до 10-ми минут в зависимости от необходимых цветовых и эстетических требований к готовой продукции. Длительная выдержка кирпича в зоне редукции предопределяет получение кирпича более темных тонов до черного. Готовая упакованная продукция поступает на склад, откуда отправляется автомобильным или железнодорожным транспортом к заказчику.
Редукционный обжиг можно описать как классический обжиг керамического кирпича в туннельной печи, который осуществляется при специальном способе сжигания природного газа за счет редуцирования состава газовоздушной смеси. Редуцирование создается в зоне спекания- туннельной печи путем значительного увеличения газовой составляющей, обеспечивающей сильновосстановительную среду с коэффициентом избытка воздуха от а = 1,0 до 0,2 с дожиганием газа на последующих стадиях обжига.
Для достижения большей глубины восстановления поверхностного слоя редуцирование должно произойти раньше, чем жидкая фаза на поверхности кирпича закроет его поры, что часто происходит при температуре ниже максимальной примерно на 100С. При этом происходят, как описано выше, различные превращения железосодержащих фаз, обусловленных восстановлением a-Fe203 до FeO с образованием феррошпинели- магнетита FeFe204 (Fe34) черного цвета.
Данная зона представлена в виде одной или двух групп скоростных горелок, которые могут работать как стехиометрически, так и нестехиометри-чески. Пригперемещении обжиговой вагонетки в зону редукционного обжига группы горелок работают стехиометрически. Перед толканием и смещением вагонетки в зону охлаждения горелки начинают работать нестехиометриче-ски подавая повышенное количество природного газа при минимальном количестве воздуха в течении 3 — 10 минут, обеспечивая его недостаток при a 0,2. При окончании процесса редукции происходит перемещение вагонетки в зону остывания, где происходит резкое охлаждение пакетов с кирпичом.
Детальное рассмотрение принципа редукционного обжига, следует начать с рассмотрения существующих конструктивных особенностей туннельных печей. Все туннельные печи состоят из трех зон: подогрева, обжига- спекания и охлаждения. В зоне подогрева происходит равномерное по сечению печи, постепенное поднятие температуры до 600С, за счет вентиляторов рециркуляции и боковых стехиометрических горелок непрерывного действия. Зона обжига - спекания характеризуется температурным интервалом от 600 до 1150С и состоит из нескольких групп потолочных горелок периодического действия. Отличительной же особенностью туннельной печи редукционного обжига является наличие групп горелок, которые могут работать как стехиометрически, так и нестехиометрически при коэффициенте избытка воздуха а= 0,2 до 1,5.
Подача редуцированных газов посредством высокоскоростных горелок вызывает сильное смешивание и усреднение атмосферы редуцирования над поперечным срезом печи, т. к. в канал обжига поступают газы с высокой скоростью, что создает условия для равномерного окрашивания продукции, при восстановлении.
На рисунке 5.2 показаны отличия работы горелок стехиометрического обжига (а) и редукционного (нестехиометрического, б), где наглядно видна разница горения, в частности, процесс неполного сгорания природного газа при редукционном обжиге.
Как видно из рисунка 5.3, состав и содержание газовоздушной смеси на протяжении всего процесса обжига, время которого составляет 34 часа, является непостоянным.
На временном отрезке 21 час наблюдается резкое уменьшение концентрации-кислорода и увеличение температурной кривой обжига, что и характеризует процесс протекания редукционного обжига. Детальный график изменения концентрации газовоздушной смеси непосредственно во время процесса редукционного обжига, который длится в течение 8 минут показан на рисунке 5.4.
Как видно из рисунка 5.4, в процессе редукционного обжига при уменьшении подачи кислорода О2 до а = 0,2 в этой зоне происходит увеличение концентрации газа С02 с 5 до 11,3% по объему всей газовоздушной смеси. Так, СО (угарный газ) концентрация, которого увеличивается с 0 до 5% по объему всей газовоздушной смеси способствует процессу восстановления а -Fe203 на поверхности керамического кирпича до FeFe204 (Fe304), что детально описано в главе 4.
