Режим обжига. Влияние восстановительной (газовой) среды печи на качество керамических изделий.

Весь процесс обжига подразделяется на три периода: нагрев до конечной температуры обжига, выдержка при этой температуре и охлаждение. Для каждого из этих периодов устанавливается режим.

Под режимом обжига подразумевается зависимость между температурой и временем обжига, которая выражается температурной кривой обжига (рис. 2). Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов:

- скорости подъема температуры

- конечная температура обжига

- длительность выдержки при конечной температуре

- характеристика газовой среды и скорости охлаждения.

Рациональным режимом обжига называется такой режим, при котором можно в наиболее кратчайший срок при минимальном расходе топлива обжечь изделие без дефектов с высокими техническими характеристиками

В печь сырец поступает с влажностью 8-12%, где в начальный период происходит досушивание сырца.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900 до 1100⁰С для кирпича, камня, керамзита; от 1000 до 1300⁰С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий; от 1300 до 1800⁰С для огнеупорной керамики. Изделия полусухого прессования обжигают примерно на 50⁰С выше, чем изделия пластического прессования.

Важнейший фактор режима обжига — зависимость между химическим составом печной среды и временем обжига (газовый режим). Печная среда является восстановительной при избытке кислорода до 1%, нейтральной —1,5-2, окислительной — 2,5, сильноокислительной — до 10 %.

При установлении газового режима для обжига изделий из тугоплавких и легкоплавких глин в период до полного выгорания углерода и разложения карбонатов поддерживают сильноокислительную среду, в конечный период нейтральную или восстановительную для обеспечения полного спекания.

Температурный режим обжига кирпича и эффективных керамических камней условно разделяется на четыре периода: досушки (до 200°С), подогрева (окура - 700-800°С), собственно обжига (взвар - 900-1050°С), остывания (охлаждения до 40-50°С).

Длительность обжига — один из важнейших факторов, определяющих качество изделий и производительность печного агрегата.

Известно, что при температуре 200-800°С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав шихты при формовании изделий и, кроме того, окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения. Этот период характерен весьма высокой скоростью подъема температур — 300-350, а для эффективных изделий — 400-450°С/ч, что способствует быстрому выгоранию топлива, запрессованного в сырец. Затем изделия выдерживают при этой температуре в окислительной атмосфере до полного выгорания остатков углерода. Дальнейший подъем температуры от 800°С до максимальной связан с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительным структурным изменением черепка, поэтому скорость подъема температуры замедляют до 100-150, а для пустотелых изделий — 200-220°С/ч.

По достижении максимальной температуры обжига изделие выдерживают для выравнивания температуры по всей толще его, после чего температуру снижают на 100-150°С, в результате изделие претерпевает усадку и пластические деформации. При дальнейшем повышении температуры происходит вспучивание материала, плотность его уменьшается за счет увеличения объема пор. Это явление носит название пережог. Затем интенсивность охлаждения при температуре ниже 800°С увеличивается до 250-300°С/ч и более, ограничением спада температуры могут служить лишь условия внешнего теплообмена.

Так как при нагревании кварц (кремнезем), имеющийся в массе претерпевает модификационные превращения в изделии возникают дополнительные напряжения. Кроме того, модификационные превращения кремнезема сопровождаются изменениями в объеме. Опасен в этом смысле интервал температур 650-500°С в связи с модификационными превращениями α- и β-кварца, сопровождающимися объемными изменениями, что влияет на прочность и целостность изделия при обжиге и, следовательно, на выбор соответствующих режимов обжига.

Быстрый переход через температуру 575°С вызывает общее разрыхление обожженного черепка и появление в изделии тонких трещин (холодный треск). То же самое имеет место и при затвердевании стекловатой фазы, так как ее объемные изменения проходят неравномерно. По этой причине при быстром охлаждении в периферийных зонах изделия наблюдается разрыхление структуры, от чего прочность его уменьшается, а хрупкость увеличивается.

В течение периода охлаждения сырец подвергается термическому сжатию, при котором возникают напряжения от температурного перепада между наружными и внутренними слоями.

При медленном охлаждении черепок имеет возможность еще лучше «вызреть» благодаря постепенному и более полному завершению реакций в жидкой фазе, равномерному течению полиморфных превращений кварца и объемных изменений жидкой фазы при ее затвердевании. Это улучшает структуру черепка, повышает его прочность и уменьшает хрупкость.

Удовлетворительные результаты получены при таких скоростных режимах охлаждения: быстрое охлаждение от максимальной температуры обжига до 600°С и от 500°С до обычной, а в интервале от 600 до 500° — медленное охлаждение, что частично исключает вредное влияние полиморфных превращений кварца. Однако в обычных туннельных печах скоростные режимы обжига не могут быть реализованы из-за большой неравномерности температурного поля по сечению обжигательного канала.

Механическая прочность кирпича и керамических камней повышается с увеличением содержания стекловидной фазы в массе изделий. Однако при относительно низких температурах обжига в массе изделий содержится мало стекловидной фазы (6-8 %), изделия имеют повышенную пористость (более 8 %), а нередко и низкую механическую прочность (7,5 МПа) и являются не морозостойкими.

Хорошо обожженные изделия имеют низкие адсорбционные свойства, высокую прочность и требуемую морозостойкость.

В процессе обжига, особенно засоленных глинистых пород, а также в процессе эксплуатации на поверхности обожженных керамических изделий могут образовываться высолы в виде белых налетов.