Гранулометрический (зерновой) состав глин

РЕФЕРАТ

ПО ПРОИЗВОДСТВУ

НА ТЕМУ: Гранулометрический (зерновой) состав глин

Гранулометрический (зерновой) состав глин

Гранулометрическим составом глины называется процентное содержание зерен (частиц) различной величины в глинистой породе.

Ниже показан зерновой состав легкоплавких глин по фракциям (группам частиц одного размера).

Фракции, мм Содержание, %

1,0--0,25 0,2--12

0,25--0,05 2--26

0,05--0,01 . 12--46

0,01--0,005 10-55

0,005--0,001 . 6--30

Менее 0,001 9--50

Наиболее ценные для производства керамических материалов -- тонкие глинистые фракции с зернами размером менее 5 мкм (<0,005 мм).

Кроме тончайших частиц, в глинах содержатся пылевидные фракции с зернами размером от 5 до 50 мкм (0,005 до 0,05 мм) и песчаные -- от 50 мкм до 1 мм и более. Фракции размером более 2 мм считаются включениями.

Сырье по зерновому составу разделяется на высокодисперсное, если оно содержит фракции размером менее 0,01 мм более 85% и фракций менее 0,001 больше 60%, дисперсное, если оно содержит фракций менее 0,01 мм от 40 до 85%' и фракций менее 0,001 от 20 до 60 %, г с у б о д и с р е с с н о е, если соответственно тех же фракций менее 40% и менее 20%· Чем более дисперсное глиняное сырье, тем оно пластичнее.

В зависимости от размера преобладающих включений различают сырье с мелкими включениями -- менее 2 мм, средними -- от 2 до 5 мм и крупными -- более 5 мм.

По виду преобладающих включений различают глинистое сырье с кварцевыми, карбонатными, железистыми, гипсовыми и другими включениями.

Технологические свойства глин

Наиболее характерными свойствами глин являются пластичность, связующая способность, способность давать усадку -- воздушную при сушке, огневую при обжиге, спекаемость, огнеупорность.

Пластичность заключается в способности глины образовывать при затворении водой тесто, которое под воздействием внешних нагрузок может принимать форму, сохраняющуюся после устранения нагрузок. При добавлении к глине более 28--30% воды глина теряет пластичность и превращается в жидкую текучую массу -- шликер.

Степень пластичности глин характеризует число пластичности. Число пластичности является количественной мерой пластичности глин и отражает разность влажностей между нижней границей текучести W\ и границей раскатывания глины в жгут W₂ (ГОСТ 9169--59). Нижнюю границу текучести определяют на пробе глины в 100 г, которую высушивают, разбивают в фарфоровой ступке резиновым пестиком до получения порошка и затем просеивают сквозь сито с размером отверстий 0,5 мм. 50 г просеянной глины помещают в фарфоровую чашку диаметром 100 мм, заливают, перемешивают до получения пластичного однородного теста и распределяют на дне чашки ровным слоем толщиной 2 см. Затем массу разрезают на две равные части так, чтобы между ними образовался зазор -- вверху шириной 3 мм, а внизу 1 мм. Дальнейшее испытание проводят на приборе Васильева (рис. 7).

Прибор состоит из опорной плиты 6, станины 1, стержня 2 и деревянного диска 3, к которому прикрепляют фарфоровую чашку 4 с разрезанной на две части массой. Стержень прибора вместе с чашкой поднимают на высоту 75 мм и крепят винтом 5 к станине. Затем винт опускают и стержень свободно падает на опорную плиту. В результате удара масса, которая находится в чашке, встряхивается и зазор между двумя половинками сокращается.

Эту операцию повторяют три раза. Если разрезанные половинки соединяются после первого или второго падения стержня, в массу добавляют 1 г сухой глины и испытание повторяют. Если после третьего удара стержня масса не соединяется, к ней добавляют 1 см³ воды. Таким образом подбирают влажность массы, необходимую для соединения двух частей массы после третьего удара стержня. От полученной массы отбирают 25 г и высушивают до воздушно-сухого состояния. Высушенный образец взвешивают.

Разница между (Первоначальной массой образца (25 г) и его массой после высушивания, деленная на первоначальную массу, характеризует нижнюю границу текучести W₁ выраженную в процентах.

Предел раскатывания определяют на оставшейся в фарфоровой чашке глине после отбора 25 г. Оставшуюся часть глины переносят на стекло и раскатывают в жгуты диаметром 3 мм. Если масса не раскатывается, к ней добавляют небольшое количество сухой глины. Так продолжают до тех пор, пока жгуты не станут распадаться во время раскатывания. Затем массу взвешивают и после высушивания до воздушно-сухого состояния определяют процентное содержание влаги, которое соответствует верхней границе раскатывания W₂.

Число пластичности Р вычисляют по формуле

где W1 -- влажность глиняной массы при нижней границе текучести, %'; W₂ -- влажность глиняной массы при верхней границе раскатывания, %.

Например, если абсолютная влажность глины при нижнем пределе текучести а на границе раскатывания, то степень пластичности составит а число пластичности будет равно 20.

По степени пластичности глины разделяют на пять классов:

Чем пластичнее глина, тем больше воды необходимо в нее добавить для получения нормального рабочего теста. Влажность рабочего теста из высокопластичных глин составляет 25--30% и более, из среднепластичных -- 20--25% и малопластичных (тощих) -- 15--20%'.

Встречаются глины, различные по пластичности, но требующие почти одинакового количества нормальной формовочной влаги. Это объясняется характером связи влаги с глиной, зависящей от степени дисперсности глины при данном минералогическом составе. Чем больше в глине связанной (адсорбированной) влаги, тем больше требуется нормальной формовочной влаги при одном и том же числе пластичности. Высокопластичные и среднепластичные глины часто отличаются повышенной чувствительностью к сушке.

Всякое пластичное тесто представляет собой неоднородную (гетерогенную) систему, состоящую из твердой дисперсной фазы -- собственно глины, жидкой фазы -- влаги и газообразной фазы -- воздуха. Поэтому пластичность глины зависит от свойств как твердой, так и жидкой фаз. На пластичность глины влияют ее химический состав, степень дисперсности, связанная с последней удельная поверхность, а также форма частиц.

Необходимым условием получения пластичного теста является смачивание частиц твердой фазы водой.

Для увеличения пластичности глин могут быть использованы следующие способы: длительное вылеживание и промораживание, отмучивание, механическая обработка с многократным истиранием на глинообрабатывающих машинах, вылеживание (относительно кратковременное) предварительно обработанной глины, паропрогрев, вакуумирование, добавка более пластичных глин и разных пластифицирующих материалов, например сульфитно-спиртовой барды.

Для уменьшения пластичности и повышения влагопроводности при сушке обычно в глину добавляют различные непластичные материалы -- органические или минеральные, например кварцевый песок, шамот, шлак, опилки.

Связующая способность глин определяет возможность сохранять пластичность при смешивании с непластичными материалами. Связующая способность глины выражается в том, что она может связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и пр.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие.

Критерием связующей способности служит число пластичности массы. При этом связующая способность измеряется количеством нормального¹ песка (ГОСТ 6139--70), при добавлении которого образуется масса с числом пластичности 7. Более пластичные глины обладают большей связующей способностью.

Глины разделяют на четыре группы в зависимости от их способности связывать то или иное количество в процентном отношении нормального песка, принимаемого за эталон:

Воздушной усадкой глинистого сырья называют изменение линейных размеров и объема отформованных из этого сырья образцов под влиянием сушки.

Воздушную усадку определяют в процентах по изменениям линейных размеров изделий и находят по следующей формуле:

где d_l -- расстояние между метками, см, которые наносят по диагонали изделия до его сушки; -- расстояние между метками после сушки изделий, см.

При температуре 100--110° С глина отдает всю примешанную к ней механически связанную (гигроскопическую) воду и изделие из глины делается сухим и твердым. Если такую глину снова замочить водой, она будет обладать пластичностью в той же степени, что и до потери влаги.

В процессе сушки глина и изделия из нее могут растрескиваться. Чем она чувствительнее к сушке, тем сильнее происходит растрескивание.

Чувствительность глины к сушке характеризуется коэффициентом чувствительности Кч, определяемым по формуле 3. А. Носовой

где--усадка единицы объема образца, высушенного до воз-

душно-сухого состояния; --объем пор, отнесенный к единице объема образца, высушенного до воздушно-сухого состояния.

По степени чувствительности к сушке глины разделяют на следующие классы:

Установлено, что глины си менее также относятся к высокочувствительным, так как они отличаются очень низкой трещиностойкостыо.

Огневой усадкой называют изменение линейных размеров высушенных изделий после их обжига. Огневую усадку определяют по формуле

где d₂ -- расстояние между метками после сушки изделия, см; d₃ -- расстояние между метками после обжига изделия, см.

Четкой зависимости между чувствительностью глин к обжигу и величиной их огневой усадки не отмечается.

При повышении пористости глиняного сырца уменьшается его чувствительность к обжигу, что объясняется локальной разрядкой возникающих напряжений за счет свободного объема пор. Ввод отощителей в состав шихты является поэтому эффективным средством для устранения трещиноватости в процессе обжига, так как отощители снижают напряжения, возникающие при сушке, повышают пористость. Благодаря этому ускоряется подъем температуры при обжиге без появления внешних дефектов.

Большое влияние на чувствительность глин к обжигу оказывают минералогический состав и количество глинистой фракции. Чем больше в глинистой фракции минералов монтмориллонитовой группы и чем выше содержание глинистой фракции глины, тем большей чувствительностью к обжигу они обладают.

В интервале температур от 800 до 900°С начинается процесс спекания, выражающийся в уплотнении черепка при частичном плавлении легкоплавких смесей и обусловливающий огневую усадку.

Определение воздушной и огневой усадок необходимо для оценки поведения отформованных изделий в процессе сушки и обжига, . разработки технологических режимов, установления размеров формуемых изделий и проверки свойств массы, из которой изготовляют изделия. Для етого определяют усадку, представляющую собой величину изменения линейных размеров и объема образца в результате сушки и обжига.

Полную усадку вычисляют по формуле

Полная усадка может достигать 8--12% при использовании пластичных глин и 2--5% при низкопластичных или сильно отощенных добавками пластичных глинах.

Спекаемостью называется способность глин превращаться под действием высоких температур в камнеподобный черепок, обладающий водопоглощением не выше 5%.

Температура, при которой черепок перестает быть пористым (водопоглощение не выше 5%), сохраняя в то же время приданную ему форму (без деформации), называют температурой спекания. Разность между температурой спекания и началом деформации называют температурным интервалом спекания Т:

где Т1 температура, при которой образец имеет водопоглощение 5/о; Т2-температура, при которой образец начинает деформироваться.

Интервал спекания глин имеет большое значение для правильного построения режима конечной стадии обжига керамических изделий.

Температурный интервал определяют путем установления объемной массы и водопоглощения плиток, изготовленных из испытываемых глин и обжигаемых при различных температурах в интервале от 900--1000 до 1100--1250° С с градацией 50° С.

Для изготовления образцов берут 5 кг глины из средней пробы, высушивают ее до воздушно-сухого состояния, измельчают, просеивают через сито с размерами ячеек 1 мм и замачивают водой до получения массы влажностью 17--19%. Пробу проминают и оставляют на вылеживание в течение суток. Затем с помощью специальной формочки нарезают плиточки размером 60X30X10 мм из раскатанной в лист массы. Плиточки высушивают до остаточной влажности 3--5% и обжигают в печи стопками по 9--12 шт. При каждой контрольной температуре плитки выдерживают по 30 мин и затем отбирают по 3 образца.

У отобранных образцов определяют водопоглощение и объемную массу. Та температура обжига образцов, при которой водопоглощение доходит до 5%, принимается за начало спекшегося состояния черепка.

Начало деформации определяют по увеличению объема образцов и уменьшению объемной массы или по появлению вспучивания. В зависимости от того, до какой степени глины могут спекаться, они делятся на следующие виды:

сильноспекающиеся, способные при обжиге давать черепок с водопоглощением до 2%, причем такое состояние черепка должно сохраняться в температурном интервале не менее 50° С;

среднеспекающиеся, способные образовывать черепок с водопоглощением не более 5%;

не спекающиеся, неспособные давать спекающийся черепок с водопоглощением менее 5% в интервале температур 50° С.

В соответствии с температурой, при которой данная глина спекается, различают глины:

низкотемпературного спекания, спекающиеся при температуре ниже 1100° С;

сред нетемпературного спекания, спекающиеся в интервале температур пт 1100 до 1300° С;

высокотемпературного спекания, спекающиеся при температуре выше 1300° С.

Интервал спекания глины, применяемой в кирпичном производстве, обычно равен 50--100° С и иногда выше. Тугоплавкие и огнеупорные глины отличаются более широким интервалом спекания.

Керамические стеновые материалы обжигают при температуре ниже полного спекания (900--980°С), так как пористость их должна быть достаточно высокой.

Для кирпича полусухого прессования вследствие недостаточного контакта между отдельными зернами глины начало спекания наступает при более высокой температуре, чем в изделиях пластического прессования. В связи с этим конечная температура обжига такого кирпича должна быть на 50-»-100^оС выше.

Период нагрева от 100--150 до 800--850° С -- наименее опасный для обжига в отношении трещинообразования, и подъем температуры в этом интервале можно осуществлять с максимальной скоростью, допускаемой конструктивными особенностями печи. Допускаемая скорость нагрева кирпича нормального размера в период, его упругих деформаций начала размягчения черепка весьма высокая и составляет примерно 300° С со значительными колебаниями в ту и другую сторону для разного сырья и состава масс.

Огнеупорность -- свойство глин противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур.

Значительно улучшается качество обжига и устраняются трещины во время сушки при добавке шлаков высокой калорийности в сочетании с небольшим количеством опилок (до 8%).

Золы ТЭЦ. Золы ТЭЦ представляют собой отходы от сжигания в пылевидном состоянии каменных углей. Образующиеся зола и шлаки направляются от котельных теплоэлектростанций гидравлической системой в золоотвалы в виде пульпы. В кирпичном производстве в качестве добавки используют золы ТЭЦ с удельной поверхностью 2000--3000 см²/г. Теплотворная способность золы в зависимости от содержания несгоревших частиц топлива составляет от 1000 до 3200 ккал/кг.

Добавка 10--15% золы ТЭЦ в смеси с опилками или шамотом делает кирпич менее чувствительным к сушке и повышает его прочность по сравнению с добавкой, например, одного дробленого многозольного угля или одних опилок. Это происходит вследствие того, что предварительное смешивание с другими добавками обеспечивает более равномерное распределение золы и мелкодисперсной горючей ее части в шихте. В состав шихты вводят от 15 до 45% золы ТЭЦ.

Отходы углеобогатительных фабрик. Эти отходы получают после обогащения различных углей. Они представляют собой глинистые и другие породы с содержанием горючей части 10--30% и более, отличающиеся высокой теплотворной способностью.

Влажность углесодержащих пород 10--12% и более, крупность кусков неслипшейся породы -- от 6 до 100 мм и зольность -- в среднем 70%. Встречаются породы с большим содержанием глинозема и засоренные углем, которые используют в качестве отощающих, а также обогащающих добавок в кирпичные суглинки с небольшим содержанием глинозема.

Добавка углесодержащих отходов увеличивает интервал спекания легкоплавких глин и прочность изделий.

Выгорающие добавки

К этой группе относятся различные виды твердого топлива, в. частности антрацит, коксовая мелочь и др. Их вводят в состав шихты до 3% по объему, т. е. до 60--80% от общей потребности топлива на обжиг изделий. Назначение их -- интенсифицировать процесс обжига, улучшать спекаемость массы и тем самым повышать прочность изделий. Выгорающие добавки целесообразно вводить в пылевидном состоянии.

Обогащающие и пластифицирующие добавки

В качестве обогащающих и пластифицирующих добавок используют пластичные глины, отходы углеобогатительных фабрик, бентонитовые глины, различные поверхностно-активные вещества, например вытяжки из соломы и торфа, сульфитно-спиртовая барда (ССБ) и др.

Высокопластичная глина. Для обогащения малоглиноземистого сырья (с содержанием глинозема б--8%) и увеличения его пластичности в качестве добавки применяют более пластичную и с большим содержанием глинозема глину в количестве 10--20% и более от общего состава шихты.

С целью лучшего смешивания сырья двух видов и уменьшения количества добавляемой высокопластичной глины ее рекомендуется вводить в виде шликера с влажностью примерно 40%.

Отходы углеобогатительных фабрик. В ряде случаев в качестве обогащающей добавки служат отходы углеобогатительных фабрик, содержащие наряду с горючей частью высокопластичную огнеупорную или тугоплавкую глину.

Высокопластичные отходы углеобогатительных фабрик целесообразно вводить в виде шликера. В этом случае расход их уменьшается и смешивание с основной массой глины облегчается. Твердые, не пластичные отходы углеобогатительных фабрик, содержащие глинозем, следует вводить в состав шихты в тонкоизмельченном состоянии.

Бентонитовые глины. Эти глины используют в качестве пластификатора и вводят их в количестве до 3%, в набухшем состоянии в виде шликера.

Увеличение содержания бентонитовой глины в массе резко повышает ее чувствительность к сушке.

Поверхностно-активные вещества. Поверхностно-активные вещества повышают пластичность глиняной массы вследствие образования адсорбционной пленки на поверхности глинистых частиц. Пленка играет роль смазки, что позволяет снижать формовочную влажность на 2--3%. Эти вещества также улучшают сушильные свойства глиняной массы, ускоряя влагоотдачу, снижают градиент влажности по толщине изделия, увеличивают влагопроводность глиняной массы изделия. В результате в процессе сушки изделия уменьшаются внутренние напряжения и образование микротрещин, что повышает прочность как сырца, так и обожженного кирпича.

Вытяжки из соломы и торфа вводят в глиняную массу при ее затворении вместе с обычной водой.

Если глину затворять отваром соломы или вытяжкой из торфа, то пластичность глины, особенно если она после этого некоторое время вылеживается, увеличивается более чем в два раза, повышается также пластичность сформованных изделий.

Добавку можно широко использовать на многочисленных мелких кирпично-черепичных предприятиях в сельскохозяйственных районах с малопластичным сырьем.

Для приготовления соломенной вытяжки солому предварительно машиной превращают в сечку, загружают в емкость с водой и кипятят в течение 15 мин. Соломенной сечки берут из расчета 1,0--1,5 кг ла 10 л воды. Глиняную массу затворяют полученным отваром, разбавленным пополам с водой.

Вытяжку из соломы можно готовить и на холодной воде с добавлением в нее NaOH до получения 1 %-ного раствора.

Сульфитно-спиртовая барда (ССБ) является отходом производства целлюлозы. Раствор ССБ обладает клеющим свойством, так как содержит сахаристые и смолистые вещества. 1%-ный раствор ССБ, вводимый в глиняную массу, уменьшает ее формовочную влажность и снижает количество трещин в сырце при его сушке, повышает прочность кирпича на 25--40 кгс/см².

Расход ССБ на 1000 шт. кирпича составляет 2 кг. Для получения требуемого эффекта следует вводить раствор ССБ в начале технологической линии обработки сырья вместе с пароувлажнением.

Обогащающие и пластифицирующие добавки следует вводить по возможности в начале технологической линии.

Если карьерная влажность глины не позволяет вводить глину в виде шликера, то наряду с ней в составе шихты следует предусматривать разувлажняющие добавки, т. е. обычно применяемые отощители -- шамот, шлак, дегидратированную глину или молотые отходы изделий после сушки.

Использованная литература:

1. Кашкаев И. Я Шейнман Е. Ш. Производство глиняного кирпича. Изд. 2-е, испр. и доп. М., «Высш. школа», 1974. 288 с, с ил.