Общий характер фазовых превращений и структурообразования при обжиге керамзита

Морозостойкие керамические материалы

В  целом  технологические  приемы,  регулирующие  парогазовыделение,  особенно  заметно  влияют  на  фазовые  превращения и структурообразование при изготовлении керамзита (в силу скоротечности  процесса  термообработки  сырьевых  масс  и  высокой чувствительности к изменению технологических параметров).

Систематические исследования по изготовлению строительных  материалов  из  глинистых  пород,  вспученных  при  обжиге, в нашей стране начаты в 1928 г. Е.В. Костырко и П.П. Пшенициным. Проблемой получения керамзита занимались многие исследователи:  В.С. Вдовьева,  П.И. Галкин,  Н.И. Галюнов, А.И. Гервидс, А.Я. Граусман, М.И. Гутман, Б.Н. Кауфман, Г.Л. Лагунов, С.П. Логинов, Н.Д. Расторгуев, Н.А. Сафронов, П.П. Шемелев и др. Важное значение для широкого внедрения керамзита в Сибири имели исследования, выполненные коллективом кафедры и про-блемной лаборатории строительных материалов НИСИ им. В.В. Куйбышева под руководством Г.И. Книгиной.

Наиболее полно вопросы теории и практики производства керамзита рассматриваются в работах С.П. Онацкого.

Общий характер фазовых превращений и структурообразования при обжиге керамзита можно представить в следующем виде:

В процессе нагревания глинистого сырья из него выделяются парообразные  и  газообразные  продукты:  водяные  пары,  летучая часть органических примесей, углекислый и сернистый газ, оксид углерода. При 100…180 оС удаляется свободная и адсорбированная вода. В интервале 180…990 оС удаляется основная часть химически связанной воды различных минералов: монтмориллонита, гидрослюд, хлорита, каолинита, гипса и др. В этих же температурных пределах в основном заканчивается диссоциация различных карбо- натов с выделением углекислого газа. При 200…600 оС выделяется летучая часть органических примесей, а при 700 оС – сернистый газ гипса и продукты окисления сульфидов.

Начиная с температуры воспламенения органических примесей происходит их окисление и сгорание с выделением СО и СО2, часть которых, как и пары воды, расходуется на окислительно- восстановительные процессы.

Существенно важными в этот период являются процессы науглероживания материала в восстановительных условиях внутри гранул по реакции

С + СО2 = 2СО. (1.3)

При этом под влиянием восстановительных условий значительно ускоряются реакции взаимодействия минералов как между собой, так и с органическими примесями с выделением газообразной фазы.

Дегидратация при обжиге глинистых минералов сопровождается   постепенным   разрушением   их   кристаллических   решеток, в том числе каолинита – при 400…650 оС. Полное же разрушение кристаллических решеток глинистых минералов и их аморфизация с выделением остатков конституционной воды происходит при температуре около 900…1 050 оС.

Существенное влияние на фазовые превращения оказывают окислительно-востановительные процессы  при  300…1 050 оС. Наличие в глинистом сырье органических примесей, оксидов железа и конституционной  воды создает благоприятные условия для развития обратимых реакций с попеременным окислением и восстановлением оксидов железа, окисления углерода и восстановления продуктов его сгорания. При этом по мере повышения темпе- ратуры начинают преобладать восстановительные реакции, сопровождающиеся накоплением магнетита и FeO. Однако оксид железа и органический углерод не исчезают до конца обжига.

При 950…1 050 оС отмечается образование муллита, появление стеклофазы с участием FeO и других плавней и локальных участков слабопоризованной массы.

В  пределах  1 050…1 200  оС  почти  все  керамзитовое  сырье размягчается за счет образования все больших количеств легкоплавких эвтектик с участием плавней, особенно FeO и щелочей, и усвоения  расплавом  других  мелкодисперсных  составляющих. Масса переходит в пиропластическое состояние, характеризующееся известной однородностью расплава и оптимальной для вспучивания вязкостью 107…105 Па· с.

В керамзитовом производстве существуют два способа регулирования характера восстановительной газовой среды: путем корректирования состава шихт органическими добавками (создание внутренней среды); подачей в зону вспучивания обволакивающих добавок – газообразующих порошков (карбонатов, доломитов, гипса и др.) (создание внешней нейтральной или восстановительной среды). Вариантом последнего решения, предлагаемого сотрудниками Уфимского нефтяного института, является одновременная подача во вращающуюся печь глинистых гранул и органосодержащей добавки, например нефтезаводского шлама.

Исследователи  С.П. Онацкий,  Г.И. Книгина,  Л.Н. Горбачёва выявили, что в физико-химическом процессе образования керамзита участвуют не только высокотемпературные газы, выделяющиеся в интервале 1 000…1 250 оС, но и низкотемпературные в виде паров воды, оксида углерода, кислорода, углекислого газа, которые активизируют или тормозят окислительно-восстановительные про- цессы, обуславливают их направление на подготовительной стадии (200…1 000 оС)  и  предопределяют  будущий  характер  реологических параметров пиропластической массы на стадии вспучивания.