Физико-химические процессы, происходящие при обжиге глинистого сырья

Морозостойкие керамические материалы

Свойства керамических материалов определяются характеристиками исходного сырья и технологией их изготовлении. Основным сырьем для производства изделий строительной керамики остаются глинистые породы. Фундаментальными и прикладными исследованиями   этих   вопросов   занимались   А.И. Августиник, И.А. Альперович, А.А. Аппен, Г.Д. Ашмарин, Д.С. Белянкин, А.С. Бережной, А.С. Беркман, П.П. Будников, В.Н. Бурмистров, Б.Н. Виноградов, И.А. Гервидс, К.Э. Горяйнов,   В.В. Еременко, В.Ф. Завадский, У.Д. Кингери, Г.И. Книгина,П.Г. Комохов, Г.В. Куколев,    Э.А. Кучерова,    Г.Н. Масленникова,    Б.И. Мороз, А.В. Нехорошев, А.А. Новопашин, К.А. Никифоров, Ф.Д. Овчаренко, С.П. Онацкий, В.Ф. Павлов, Д.Н. Полубояринов, М.И. Роговой, Г.И. Стороженко,   Л.Н. Тацки,   М.И. Хигерович,   Н.Г. Чумаченко, В. Эйтель и др.

Основные фазовые превращения составляющих глинистого сырья при производстве керамических материалов по традиционной технологии заключаются в следующем. На начальной стадии обжига  происходят  процессы  разрушения  исходных  минералов за счет  дегидратации,  диссоциации,  аморфизации составляющих. После этого при более высоких температурах начинаются процессы упрочнения за счет спекания, сначала твердофазового, а потом жидкостного. При 700…900 оС керамическая масса представляет собой гетерогенную смесь аморфизированных глинистых минералов, зерен кварца и полевого шпата в контакте с модифицирующи- ми катионами оксидов калия, натрия, железа, кальция и магния. Дальнейшее повышение температуры приводит к взаимодействию между этими компонентами, в основном за счет объемной диффузии. Фактором обмена служат модифицирующие катионы.

В глинистых породах наиболее благоприятной диффузионной средой являются аморфизированные глинистые минералы. Диффузия  модифицирующих катионов  приводит  к  образованию легкоплавких эвтектик и формированию расплава.

Первоначальное образование жидкой фазы при обжиге глин происходит  за  счет  наиболее  легкоплавких  эвтектик  в  системах (R1R2)O – Al2O3 – nSiO2. После образования первых, самых легко- плавких, эвтектик количество жидкой фазы с повышением температуры непрерывно увеличивается за счет плавления при более высоких температурах все новых эвтектик. Вследствие взаимодействия между жидкой и кристаллической фазами в расплав вовлекаются более тугоплавкие SiO2 и Al2O3. При отсутствии достаточного количества плавней из аморфизированных продуктов глинистых минералов образуются новые кристаллические фазы: чаще муллит, при избытке MgO – шпинель, при избытке CaO –  волластонит, анортит, геленит. Образование этих фаз – результат  твердофазовых  реакций,  протекающих  параллельно формированию расплава.

При  максимальной  температуре  обжига материал  состоит из расплава, реликтовых остатков исходных минералов (в основном кварца) и кристаллических фаз новообразований. С увеличением количества образующегося расплава у обожженных материалов меняется степень спекания, а при определенном его количестве и присутствии газообразователя – и степень вспучивания. При последующем  охлаждении  основная  часть  расплава  фиксируется в виде  стекломассы,  которая  омоноличивает  более  тугоплавкие зерна и в совокупности с кристаллической фазой формирует ключевые свойства строительной керамики.

Образование структуры тесно связано с процессами, которые предшествуют обжигу. Широкий спектр способов активации глинистого сырья, систематизированный и развитый Г.И.Стороженко, позволяет изменить не только степень дисперсности сырья, но и его минералогический состав.

Прогнозирование свойств материалов из мономинерального сырья не вызывает затруднений. Более сложной задачей является прогнозирование свойств материалов из полиминерального сырья. Анализ  известных  диаграмм  состояния  алюмосиликатных, алюминатных и кальциевых систем показал, что начало жидкост- ного спекания в алюмосиликатных системах происходит с 710 оС, а достаточное для спекания количество расплава может образовываться в интервале температур 900…1 100 оС.

Снижение температуры обжига и разработка энергосберегающих  технологий  на  основе  алюмосиликатного  сырья  возможны, если  ориентироваться на  эвтектику  в  системе  SiO2–Na2O–FeO с температурой плавления менее 500 оС. Для алюминатных и кальциевых систем ориентироваться на жидкостное спекание не стоит ввиду высоких температур их образования. Предпочтение следует отдать твердофазовым процессам.