Технологический процесс производства керамического кирпича

При производстве керамического кирпича основным материалом является глина - пластичный материал. Глина представляет собой горную породу, состоящую преимущественно из глинообразующих минералов - слоистых алюмосиликатов. Они отличаются большим сродством к воде и могут давать в ней тончайшие взвеси вплоть до коллоидных, не меняя своей основы. В техническом аспекте глина - землистая горная порода, способная при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое после сушки обладает некоторой прочностью, а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

Вещественный состав глины представлен глинистым веществом и примесями. Истинно глинистое вещество - наиболее дисперсная часть породы, оно состоит из комплекса глинообразующих минералов, придающих глине пластичность. Таких минералов сравнительно немного, и они довольно хорошо изучены. Все глинистые минералы обладают типичной слоистой структурой, похожей на структуру слюды. При смешивании глины с водой последняя входит в межслоевые пространства глинистого минерала, и его слои получают возможность сдвигаться один относительно другого по водяной пленке и закрепляться в новом положении. Такая способность минералов объясняет важнейшее свойство глины - ее пластичность.

Формование

Пластичность глин предопределяет наличие специфических деформационных свойств -- малой вязкости и достаточно высокого предела текучести. На кривой зависимости вязкости и скорости деформации пластичной массы от напряжения сдвига выделяют условный статический предел текучести Р_К1, ниже которого деформации не происходит.

Между P_К1 и условной границей практически неразрушенной структуры Рr масса течет с весьма малой скоростью. Ее течение характеризуется максимальной пластической вязкостью з₀*

dе/dф=(l/ з₀*)(у- P_К1),

где dе/dф -- скорость деформации;

у-- касательное напряжение.

Выше значения Рr вязкость определяется динамическим равновесием между числом разрушенных и восстановленных коагуляционных контактов в системе. При напряжениях выше условного динамического предела текучести Р_К2 течение происходит с наименьшей пластической вязкостью з_m*

dе/dф=(l/ з_m*)(у- P_К2).

При напряжениях, превышающих условную предельную границу разрушенной структуры Рпр, вязкость становится постоянной и имеет наименьшее значение з_m.

Кроме показателей пластической вязкости, остающихся постоянными в достаточно широком интервале действующих напряжений, течение массы описывают структурной (истинной, эффективной) вязкостью з*, значения которой изменяются от вязкости предельно разрушенной структуры з₀ до вязкости предельно разрушенной структуры з_m.

Для описания течения систем, подобных пластичной массе, иногда используют зависимость

у- РК, = з (dе/dф)ⁿ,

где P_К -- предел текучести;

n -- показатель или индекс течения.

Показатель n характеризует форму кривой течения. Для тиксотропных систем n<1. При n>1 системы относятся к дилатантным, скорость течения которых падает с ростом действующего напряжения.

При малых скоростях деформирования в области, близкой к условному статическому пределу текучести P_К1, заметную роль в деформации пластичной массы играют обратимые (упругие и замедленные) деформации. Зависимость общей деформации от напряжения и времени имеет вид

е=е₁+е₂+е₃=у/Е₁+(у/Е₂)*[1-ехр(-Е₂ф/з₀*)]+(1/з₀*)*(у-Р_К)*ф, (3.36)

где е₁ и е₂ - быстрая и замедленная обратимые деформации;

е₃ - пластическая деформация; з_m - пластическая вязкость;

у - напряжение;

ф - время;

е₁ и E₂ -- модули быстрой и замедленной обратимой деформации.

Пригодность массы для формования оценивают соотношением отдельных видов деформаций. Для этого используют предложенную С.П.Нечипоренко диаграмму, разделенную на шесть областей, соответствующих шести структурно-механическим типам. Лучшими формовочными свойствами обладают массы с преимущественным развитием замедленных обратимых деформаций (I и II структурно-механические типы).

С той же целью используют критерии, характеризующие соотношения между различными видами деформации: суммарный модуль деформации

Em=E₁Е₂/(Е₁+Е₂);

эластичность

л=E₁/(E₁+E₂);

период релаксации

и=з₀*/(E₁+E₂);

пластичность по Воларовичу

Пл=Р_К1/з₀*.

Другим показателем формовочных свойств масс является соотношение между внешним и внутренним трением. Считают, что формование возможно, если внутреннее трение массы (когезия) больше, чем трение о формующий орган машины (аутогезия). Для оценки формовочных свойств используют коэффициенты внутреннего трения и сцепления массы. Из уравнения Кулона-Мора следует, что сопротивлением массы у_ПР сдвигу а определяется коэффициентом внутреннего трения f, сцеплением С и действующим сжимающим напряжением у:

уПР= уf + С.

Основные свойства пластичной формовочной массы зависят от минерального состава, формы и размеров частиц твердой фазы, вида и количества временной технологической связки, интенсивности образования гидратных слоев на поверхностях частиц. С увеличением содержания жидкой фазы коэффициент внутреннего трения растет, проходя через максимум. Другие показатели уменьшаются монотонно, но с разной интенсивностью. Это позволяет для каждой массы выбрать оптимальное значение формовочной влажности. Лучшие формовочные свойства имеет масса с максимально развитыми слоями физически связанной воды при минимальном содержании свободной воды в системе.

Возрастание дисперсности твердой фазы увеличивает количество контактов между частицами в единице объема и прочность. Одновременно растут оптимальная формовочная влажность, предел текучести, вязкость, модули деформации, коэффициент внутреннего трения и связность массы, повышается пластичность.

Чрезмерное повышение дисперсности увеличивает усадки в сушке и обжиге, поэтому оптимальный зерновой состав должен обеспечивать создание каркаса из сравнительно крупных зерен для повышения предела текучести и уменьшения усадок. Введение электролитов снижает формовочную влажность.

Пластическое формование осуществляют тремя способами:

выдавливанием, допрессовкой и раскаткой. Во всех случаях механические напряжения не превышают 1-30 МПа, масса содержит 30-60% жидкости по объему. Заготовка сохраняет форму благодаря наличию предела текучести.

Важнейшей задачей при пластическом формовании является подбор оптимальной формовочной влажности. Для оценки формовочной влажности W_Ф по П.А. Ребиндеру используют зависимость пластической прочности структуры Р_m, от влажности Wабc.

Пластической прочностью называют механическое напряжение, которое способна выдерживать масса без нарушения сплошности. Считают, что формовочной влажности соответствует точка перехода зависимости Р_m - влажность от прямолинейного участка. В заводской практике формования на вакуумных прессах ведут обычно при влажности на 1--3% меньше.

Чем сложнее форма изделия, тем при более высокой влажности проводят формование. Для его облегчения иногда в массы добавляют высокопластичные монтмориллонитовые глины.

Выдавливание является окончательной операцией формования изделий грубой строительной керамики (кирпич, канализационные трубы) и промежуточным этапом переработки пластичной тонкокерамической массы перед раскаткой и допрессовкой. Выдавливание может быть горизонтальным и вертикальным. Его осуществляют на шнековых вакуумных прессах, реже используют поршневые прессы. В шнековом прессе при движении массы возникает сложное объемно-напряженное состояние. Лопасти шнека сообщают массе поступательное и вращательное движение, а стенки корпуса пресса замедляют перемещение массы в прилегающим к ним слоям. По мере продвижения массы к головке пресса ее вращение замедляется, но периферийные слои движутся с большей скоростью. Окончательно уплотняет массу последний виток шнека. Он выжимает массу из цилиндра в головку пресса с различными по сечению скоростями, сообщая ей частичное вращение.

Рис. 1 Распределение скоростей течения пластической (а) и тощей (б) масс в головке шнекового пресса.

Шнековые (ленточные) вакуумные прессы имеют высокую производительность и являются агрегатами непрерывного действия, однако требуют «мягких» масс. В заготовке могут возникать дефекты, связанные с неравномерным движением массы.

Под действием бокового давления линейная скорость массы у стенки меньше, а окружная выше, чем в центре. В массе образуются два параболоидальных потока, скорости которых в мундштуке постепенно выравниваются. Более пластичные массы характеризуются большим градиентом скоростей по сравнению с жесткими (рис. 1). Для снижения неравномерности течения используют шнеки с переменным шагом винта и двухзаходной выпорной лопастью. Крупнозернистые включения снижают склонность массы к расслаиванию.

Выдавливание сопровождается образованием анизотропной структуры масс, так как пластинчатые частицы глины ориентируются своей тонкой гранью в направлении максимальной скорости течения. Анизотропия проявляется в неравномерной усадке и различной прочности образцов в разных направлениях.

При неблагоприятных условиях возможно появление дефектов. S-образные трещины образуются при нарушении сплошности массы из-за разной продольной и окружной скорости ее течения. Уменьшение скорости течения в углах или на поверхности кернов для слабосвязанных масс приводит к образованию «драконова зуба» и «малых надрезов».

Дефекты устраняют подбором размеров головки пресса и мундштука (отношение длины к диаметру должно быть не менее 4, увеличиваясь для сильно пластичных и жестких масс), конусности мундштука, смазкой головки и мундштука. Эффективно применение вибрирующих головок или вставок и ультразвуковое разжижение масс.

Сушка

Процесс сушки керамических изделий представляет собой превращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в парообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внешнего источника тепла, нагревающего изделия. Наиболее ответственной является сушка высоковлажного полуфабриката изделий хозяйственной и строительной керамики, изготовленного пластическим формованием.

Находящаяся в керамических массах и изделиях вода делится на физическую и химически связанную.

Физической называется та часть воды материала, которая не входит ни в какие соединения с ним. Физическая вода находится в изделии в жидком или парообразном состоянии и может быть удалена полностью при нагреве материала до 100--110°С. При этом керамическая масса становится непластичной, но с добавлением воды пластические свойства массы восстанавливаются.

Химически связанной водой называется вода, находящаяся в химическом соединении с отдельными элементами керамической массы, так например: Аl₂Оз•2SiO₂•nH₂0; Са(ОН)₂ и др. Удаление химически связанной воды происходит при более высоких температурах - от 500° и выше. При этом керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

При сушке изменяется от коагуляционных к конденсационным природа контактов между частицами твердой фазы за счет удаления механически и физико-химически связанной воды. Химически связанная вода в сушке не удаляется.

Простейшим видом сушки является сушка изделий на воздухе, когда испарение влаги из материала происходит за счет тепловой энергии солнца. В настоящее время сушка изделий осуществляется за счет тепла, получаемого от специальных установок.

Анализируя процессы, происходящие при сушке материалов, необходимо отметить следующее:

1) содержащаяся в материале вода при температуре 80--90^оС испаряется. В этом случае имеет место поверхностное испарение или так называемая внешняя диффузия влаги;

2) при испарении влаги с поверхности материала в окружающую среду влага из внутренних слоев изделия перемещается к его поверхности. Происходит так называемая внутренняя диффузия влаги.

Если в процессе сушки замерять температуры материала и окружающей среды, то обнаруживается, что температура изделия ниже температуры воздуха. Следовательно, во время сушки поверхность твердого тела, имеющего относительно низкую температуру, соприкасается с газом, нагретым до более высокой температуры. Между ними происходит теплообмен. Поэтому процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно протекающих явлений:

а) испарения влаги с поверхности материала;

б) внутренних перемещений (диффузии) влаги в материале;

в) теплообмена между материалом и окружающей газообразной I средой.

При испарении влаги с поверхности изделий влажность поверхностных слоев по сравнению с внутренними слоями уменьшается и возникает так называемый перепад (градиент) влажности.

Внешним показателем процесса сушки является изменение веса материала во времени. Графическое изображение зависимости влажности материала от длительности сушки носит название кривой сушки. Характер кривой определяется влажностью и размерами изделия, способом его формования, а также температурой, влажностью и скоростью теплоносителя. Совокупность указанных факторов определяет режим сушки. Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

Изменение режима сушки вызывает изменение интенсивности влагоотдачи изделия, которая определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого изделия в единицу времени.

Интенсивность влагоотдачи измеряется в граммах на 1 м² в час.

Режим сушки регулируют, изменяя температуру или количество теплоносителя, подаваемого в сушилку.

Сушка зависит от параметров окружающей среды (температуры, влажности и скорости движения теплоносителя), формы связи влаги с материалом, состава, структуры, влажности и температуры полуфабриката.

Различают кинетику сушки (изменение средних значений влажности и температуры заготовки во времени) и ее динамику (изменение влажности и температуры в каждой точке заготовки). Распределение меняющихся во времени полей влажности и температуры в объеме изделия определяет возможность появления опасных напряжений и брака.

Если сушку проводят при малых перепадах температуры между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьшается от исходной w₀, а температура повышается до температуры мокрого термометра t_М. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность. Это период прогрева полуфабриката.

На втором этапе (период постоянной скорости сушки) влажность заготовки меняется по линейному закону при постоянной температуре.

После достижения критической влажности Wкp температура поверхности заготовки увеличивается, приближаясь к температуре сухого термометра t_СУХ, скорость сушки уменьшается, а влажность асимптоматически приближается к равновесной Wp. Температура в объеме полуфабриката растет медленнее, чем на поверхности. Этот период называется периодом падающей скорости сушки. Величина критической влажности Wкp зависит от скорости сушки, размеров и строения полуфабриката. Равновесная влажность Wp зависит от температуры и влажности в помещении. Сушить полуфабрикат до влажности меньше Wp нецелесообразно. Обычно отформованные заготовки сушат до влажности 2-3%, а кусковую глину - до 8-12%.

При сушке испарение воды происходит диффузионным путем. Движущей силой является разность парциальных давлений пара у поверхности и в объеме теплоносителя. Уменьшение влажности во внешних слоях заготовки сопровождается появлением градиента влажности в ее объеме, что вызывает диффузию капельножидкой воды из объема заготовки к поверхности.

Рис. 2. Диаграмма сушки полуфабриката: I - период подогрева; II - период постоянной скорости сушки; III - период падающей скорости сушки; IV - гигроскопическое состояние; 1 - влажность; 2,2`- температура поверхности и центра; 3 - скорость сушки; 4 - градиент температуры; 5 - усадка.

При наличии градиента температуры на процесс влагопроводности накладывается процесс термовлагопроводностни: вода стремится переместиться в области с меньшей температурой. Термовлагопроводность связана с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости воды при повышении температуры и движением пузырьков воздуха в капиллярах. При интенсивном подводе теплоты возможно испарение влаги в глубинных слоях заготовки и удалении воды по механизму паропроводности. Движущей силой процесса является перепад давления водяного пара.

Общий поток влаги в объеме материала или заготовки можно описать дифференциальным уравнением:

j= -Кс (?W/?х) ± Ксд (?t/?х) - Dс(?Р/?х), (3.5.3)

где j- плотность потока влаги, равная количеству воды, проходящей через единичную площадь в единицу времени, кг/м²*с;

К - коэффициент влагопроводности, м²/с;

д - термоградиентный коэффициент, 1/К;

D - коэффициент молекулярной диффузии пара, м²/Па*с;

с- кажущаяся плотность твердой фазы, кг/м³;

?W/?x, ?t/?х, ?Р/?х - градиенты влажности, температуры и давления в объеме материала.

Коэффициент влагопроводности К зависит от структуры, влажности и температуры материала и увеличивается с ростом размера капилляров и частиц твердой фазы. Термоградиентный коэффициент д зависит от влажности и имеет максимальное значение при критической влажности. Коэффициент молекулярной диффузии пара D увеличивается при повышении влажности и температуры.

Интенсивность сушки может быть повышена несколькими способами или их комбинацией:

- совмещением направления процессов влагопроводности и термовлагопроводностни при увеличении температуры заготовки по сравнению с температурой окружающей среды (теплоносителя); этот способ используют при сушке полых изделий (электроизоляторов, тиглей), помещая нагреватели во внутреннюю полость заготовки.

- увеличением коэффициента влагопроводности путем повышения пористости заготовки и размеров частиц твердой фазы.

- снижением общего давления в сушиле.

При удалении воды в порах заготовки образуются вогнутые мениски жидкости. Капиллярное давление увеличивается, уменьшается толщина прослоек жидкости, частицы сближаются, образуя каркас. При влажности, близкой к критической, капиллярные силы уравновешиваются силами трения, сближение частиц и усадка заготовки прекращается. Дальнейшее снижение влажности происходит за счет освобождения объема пор без изменения размеров.

Изменение размеров полуфабриката в сушке характеризуют линейной или объемной усадкой, выраженной в процентах.

Усадка зависит от влажности заготовки и размера частиц твердой фазы. Линейная усадка в сушке заготовок пластического формования составляет 6-8%.

Величины критической влажности и усадки зависят от режима сушки. Наибольшую усадку имеют заготовки, высушенные в равновесных условиях. Чем выше температура и ниже влажность теплоносителя, тем меньше усадка. Рост градиента влажности в объеме заготовки увеличивает разницу между фактической и максимально возможной усадками. Эта разница (недопущенная усадка) вызывает появление механического напряжения. Если последнее превысит предел прочности материала, то в теле заготовки образуется трещина.

Причиной появления трещин в период постоянной скорости сушки полуфабриката является перепад влажности между наружными и внутренними частями заготовки. Критерием трещинообразования могут служить максимально допустимая разность между средней (интегральной) влажностью заготовки W_t и влажностью ее поверхности W_пов:

ДW = Wt - Wпов (3.5.4)

Максимальная интенсивность (скорость) сушки, не приводящая к образованию трещин, определяется соотношением:

jmax = KДWmaxс A/l, (3.5.5)

где А -- коэффициент формы, равный 6 для пластины;

l -- характеристический размер (толщина пластины, диаметр цилиндра).

Продолжительность сушки зависит от толщины высушиваемого изделия и не зависит от его плотности и площади поверхности.

В период падающей скорости сушки усадки отсутствуют, поэтому сушку можно интенсифицировать, повысив температуру и скорость движения теплоносителя.

В процессе сушки могут возникать различные дефекты.

Тотальные трещины, проходящие через тело заготовки, возникают из-за больших скоростей прогрева заготовки, имеющей малый коэффициент влагопроводности, на первой стадии сушки.

Срединные трещины возникают после образования жесткого каркаса частиц на краях заготовки, препятствующего усадке влажных центральных частей. Предотвратить образование краевых и срединных трещин можно, покрыв края влагоизолирующим веществом (маслами, растворами сульфитно-спиртовой барды или поливинилового спирта и т. п.).

Рамочные трещины могут возникнуть при трении заготовки о подставку в процессе усадки. Этот вид брака характерен для кирпича пластического формования. Его можно предотвратить, периодически перекладывая изделия с грани на грань и используя подсыпки (песок, опилки, шамот).

Микротрещины и волосяные трещины возникают при адсорбции воды из воздуха или дымовых газов высушенным полуфабрикатом. Этот вид брака можно предотвратить, прекратив сушку при влажности несколько выше, чем максимальная влагоемкость материала при данной температуре.

Коробление изделий может возникнуть при односторонней сушке плоских изделий, например облицовочных плиток, при анизотропной структуре полуфабриката, неравномерном распределении влаги в заготовке.

Для оценки сушильных свойств глин и полуфабриката на их основе используют показатели чувствительности глин к сушке, характеризующие склонность материала к растрескиванию в период усадки. Коэффициент чувствительности, предложенный З.А. Носовой, определяют как отношение объема усадки V_УС, к объему пор в высушенном материале V_ПОР:

КЧ ⁼ VУС/VПОР = V/V0[(m0 - m)/(Vo - V) - 1], (3.5.6)

где Vo и V - объемы свежеотформованного и высушенного при 20°С образцов, см³;

m₀ и m - массы влажного и высушенного образцов, г.

По методу А.Ф. Чижского коэффициент чувствительности к сушке определяют по формуле:

К_С = (W_Н - W_КР)/W_КР, (3.5.7)

где W_Н и W_КР - начальная (формовочная) и критическая влажность образца, %.

Чем выше коэффициенты К_Ч и К_С, тем сильнее склонность полуфабриката к растрескиванию в сушке. Для малочувствительных глин К_Ч< 1 и К_С< 1,2, а для высокочувствительных глин K_Ч>2 и К_С> 1,8.

Обжиг

Процесс обжига изделий строительной керамики может быть условно разделен на четыре периода:

1) подогрев до 200°С и досушка - удаление физической воды из глины;

2) дальнейший нагрев до 700°С «на дыму» и удаление химически связанной воды из глины;

3) «взвар» - до температуры обжига 980-1000°С - созревание черепа;

4) охлаждение, «закал» - медленное до 500°С и быстрое от 500 до 50°С обожженных изделий.

К этим реакциям добавляется выгорание топлива из изделия, если это топливо было введено в глину при подготовке массы; количество вводимого топлива может достигать 70-80% от того количества, которое необходимо для обжига.

Такое производственное деление на периоды не вскрывает сущности реакций в глине при обжиге. При производственном обжиге глин никогда не достигается термодинамическое равновесие. Тем не менее, можно прибегнуть к расчету изобарно-изотермического потенциала ?Z некоторых реакций с целью сопоставления возможности появления тех или иных фаз в глине при ее обжиге.

Можно отметить шесть главных видов реакций, протекающих в рядовых глинах при обжиге:

1) выделение гигроскопической воды из глинистых минералов и воды из аллофаноидов, если таковые присутствуют в глине;

2) окисление органических примесей;

3) выделение конституционной воды, т. е. дегидратация глинистых минералов и реакции в так называемых твердых фазах;

4) жидкофазные реакции и образование стекловидного расплава;

5) образование новых кристаллических фаз;

6) реакции декарбонизации и десульфуризации.

Первая группа реакций характеризуется небольшим эндоэффектом на термограмме суглинка и гидрослюдисто-каолинитовой глины.

При этом образуется водяной пар, давлением которого может разорвать изделие («лопанец») при слишком быстром подъеме температуры. Эта реакция сопровождается падением температуропроводности глины.

Вторая группа реакций - окисление органических примесей - характеризуется экзоэффектом (II) при 300--400°С. Часть этих примесей может остаться (при быстром подъеме температуры и недостаточном притоке и диффузии в толщу изделия кислорода воздуха) невыгоревшей, что обнаруживается по темной сердцевине в изломе изделия. При замедленном выгорании может произойти графитизация части углерода. Так как причиной ограничения действия кислорода воздуха на процесс выгорания углерода в глине выступает противоток СО и СО₃, то при более быстром подъеме температуры влияние окислительной среды должно сокращаться, а влияние внутренней восстановительной среды -- увеличиваться, что зависит от пористости и размеров изделия и от концентрации углерода.

Глинистые минералы в процессе своей дегидратации действуют каталитически, содействуя горению углерода в глине, а выделяющаяся вода способствует выгоранию углерода по реакции:

С+Н₂О=СО+Н₂.

Наряду с этим может протекать отложение углерода в глине из газовой среды, содержащей 1-3% СО при 400 и выше 1000°С.

Скорость выгорания топлива по мере повышения температуры увеличивается, но только до стадии появления жидкой фазы в обжигаемой глине, после чего скорость выгорания резко снижается из-за ухудшения диффузии кислорода воздуха. Максимальное значение скорости выгорания топлива имеет место примерно при 780-800°С. Поэтому рекомендуется осуществлять выдержку в этом этапе обжига.

Третья группа реакций - дегидратация глинистых минералов - характеризуется эндоэффектом (III), который растягивается с 500 (450) до 600°С (700°С), а у некоторых каолиновых глин - до 900°С и также сопровождается падением температуропроводности.

Эндотермическая реакция, начинающаяся около 500°С и оканчивающаяся около 700°С, заключается в удалении из каолинита химически связанной (гидратной) воды:

Аl₂O3 * 2SiO₂ * 2H₂O > Al₂O₃*2SiO₂ + 2H₂O.

Продукты разложения составляющих глины и керамические массы минералов (Аl₂О₃•2SiO₂, SiO₂, Аl₂О₃, CaO, MgO, Fe₂О₃ и .др. окислы) в процессе обжига взаимодействуют между собой при высоких температурах (1000°C и выше) и образуют легкоплавкие силикаты, плавление которых вызывает спекание и размягчение глин. Степень спекания глинистых материалов зависит от температуры и длительности обжига, от состава глинистого сырья, газовой среды, рода и количества плавней, а также от способа формования изделий.

Газовая среда обжига влияет на интенсивность дегидратации; увеличение концентрации H₂O в газовой среде задерживает реакцию дегидратации по закону действующих масс; восстановительная среда, вызывая реакцию отщепления кислорода в активных условиях «оборванных связей», понижает температуру дегидратации, что показано на термограммах I, II, III сдвигом эндо- и экзоэффектов в восстановительной среде одной стрелкой влево, в парогазовой фазе - двумя стрелками вправо.

Не менее важную роль играет и газовая среда в печи, которая влияет на процессы, протекающие при формировании черепка, и поэтому она также должна регламентироваться режимом обжига. Эта среда может быть окислительной, нейтральной и восстановительной.

Окислительная среда характеризуется избытком воздуха против того количества, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива.

Присутствие 4-5% кислорода в продуктах горения при обжиге изделий тонкой керамики типично для окислительной среды. Содержание кислорода в пределах 8-10% свидетельствует о сильно окислительной среде и полезно при интенсивном выгорании органических веществ массы.

Образование жидкой (стекловидной) фазы в гидрослюдистых глинах начинается по крайней мере с 700°С, но заметное развитие эти фазы получают лишь при температурах на 150-200°С выше. Появление стеклофазы содействует дальнейшему растворению в ней некоторой части минеральных составляющих глины и новому минералообразованию. Стеклофаза обеспечивает спекание и образование черепа. С физической стороны действие стеклофазы характеризуется усадкой изделия. В зависимости от степени развития стеклофазы, что регулируется выдержкой и созреванием черепа, можно сообщить ему ту или иную плотность (пористость). Именно в этом процессе и состоят операции выдержек - «взвар» и начала охлаждения - «закал», которые необходимо осуществлять: «взвар» - в пределах температур 980-1000°С и «закал» - до 800°С, а также длительностей для получения кирпича должного качества - ярко-красного (не алого) по цвету и звонкого при ударе. Кроме того, выдержка необходима для выравнивания температурного поля в печи.

Охлаждение обожженных изделий -- не менее ответственная операция. При 800-780°С череп изделия строительной керамики находится в пиропластическом состоянии и переходит в твердое состояние, поэтому необходимо замедлять охлаждение во избежание появления напряжений, которые могут разрядиться местными разрывами (трещинами). Считают опасным также участок 650- 500°С в связи с обратимым превращением б-в-кварц.

Спекание материала - существенный момент процесса обжига, так как к этому времени заканчивается формирование керамического изделия. Окончание спекания изделия характеризуется прекращением его усадки. Условными показателями спекшегося материала являются его водопоглощение.

Спекаемость глины зависит от содержания в ней плавней и степени их дисперсности.

На процесс формирования керамического черепка влияют: химический и гранулометрический состав сырья, соотношение компонентов в массе, а также температурно-газовый режим обжига.

Образующиеся в процессе обжига глин и керамических масс легкоплавкие соединения проявляют себя двояким образом. Во-первых, они действуют химически, растворяя частицы минералов, образуя жидкую фазу и выделяя из раствора новые, более устойчивые мниералообразования, именуемые эвтектическими смесями. Во-вторых, они действуют физически, благодаря своей энергии поверхностного натяжения, сближая и уплотняя твердые частицы глины.

Обжиг изделий грубой строительной керамики ведется до появления минимального количества легкоплавких соединений, которые связывают дегидратированные частицы глинообразующих минералов и зерна кварца, что и обеспечивает достаточную механическую прочность изделий.

Большое значение имеет подбор температурного режима обжига. Он должен быть таким, чтобы реакции дегидратации, декарбонизации, окисления и восстановления отдельных компонентов, составляющих глину, не налагались бы на реакции образования легкоплавких эвтектик. Эти реакции должны следовать одна за другой, но практически, вследствие сложного состава керамических масс, образование жидких соединений начиняется обычно ранее, чем закончатся декарбонизация, окисление и т. д.

Температурный режим при выдержке и охлаждении определяется главным образом видом, формой и размерами изделий, а также температурным интервалом модификационных превращений в материале.

Подбор оборудования производится согласно выбранной ранее технологической схеме и производственной программе цеха.

Количество единиц оборудования:

,

где R-количество материала, которое необходимо переработать;

P- производительность оборудования.

Коэффициент использования определяет эффективность использования оборудования:

Таблица 1 - Туннельная печь

№	Элементы характеристики	Ед. изм.	Показатели
1	Производительность	млн.шт. усл. кирп./год	26
2	Время обжига	ч	36
3	Длина канала:	м	124,35
	Ширина:
	внутреннего канала		2,9
	средняя по наружным размерам		4,1/5
	Высота:
	от пода вагонетки до замка свода		1,8
	по наружным размерам (зона подогрева и охлаждения/зона обжига)		3,075/3,875
4	Длина технологических зон:	м
	подогрева		39
	обжига		36
	охлаждения		45
5	Количество вагонеток в печи	шт.	40
6	Количество кирпича на вагонетке	шт. усл. кирп.	2784 (4 пакета по 696)
7	Размеры вагонетки:	мм
	длина		3000
	ширина		3000
	высота		875

Краткая характеристика туннельной печи

Туннельные печи относятся к печам с подвижным составом. Они представляют собой прямой канал (туннель) различных размеров. Внутри туннеля проложен рельсовый путь, ширина которого зависит от ширины печи. Вагонетки по внутрицеховому рельсовому пути подаются к печи и одна за другой, через определенные промежутки времени, проталкиваются в печь толкателем. Каждая вагонетка, пройдя всю длину туннеля, выдается из печи с другого конца при каждом проталкивании. Таким образом, создается непрерывное перемещение вагонеток в печи, постепенный подогрев, обжиг и охлаждение изделий, находящихся на поду вагонетки.

Зоны туннельных печей

Всю длину печи можно разделить на отдельные зоны, в которых протекают различные процессы. Печь имеет следующие три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. Каждая зона печи имеет определенную длину, свои конструктивные особенности и свой режим.

Зона подогрева начинается от форкамеры и кончается на границе с зоной обжига. Длина этой зоны условно определяется графиком обжига и считается примерно до первых горелок по ходу движения вагонеток. Эта зона достаточно большой длины, необходимой для более полного использования тепла продуктов горения, поступающих из зоны обжига (от горелочных устройств). Основное назначение зоны подогрева - равномерный прогрев садки обжигаемых изделий до температур, соответствующих графику обжига.

Топливо сжигается в зоне обжига, расположенной в средней части печи, с помощью специальных горелочных устройств. В этой части печи поддерживаются максимальные температуры, необходимые для обжига. Продукты горения, проходя вдоль туннеля, попадают в зону подогрева, а затем выбрасываются в атмосферу через дымоходы. Таким образом, в туннеле происходит непрерывное движение воздуха (зона охлаждения) и дымовых газов (зоны обжига, подогрева) навстречу перемещающемуся составу вагонеток с изделиями (противоточное движение).

Зона охлаждения служит для охлаждения обожженных изделий до 60--80° перед выдачей вагонеток из печи и для утилизации тепла, отбираемого от разогретых изделий. В этой зоне охлаждается также и футеровка вагонеток, нагретая до высоких температур. Изделия и футеровка вагонеток охлаждаются холодным воздухом, подаваемым вентилятором в торцовую часть печи сверху и сбоку через несколько каналов, расположенных по длине зоны охлаждения ближе к выходному концу печи.

Воздуха для охлаждения изделий и пода вагонеток требуется в несколько раз больше, чем для горения топлива. Избыточный горячий воздух отбирается из зоны охлаждения печи и используется для сушки изделий в отдельно стоящих сушилах. Его также можно использовать для рециркуляции в зоне подогрева. Обычно эта часть воздуха считается отбираемой из печи на сторону.

Размеры отдельных зон по длине печи зависят от конструктивных особенностей печи, от вида обжигаемых изделий и устанавливаются в зависимости от заданного режима обжига и охлаждения изделий.

При расчетах и конструировании печей не всегда можно точно установить границы между зонами, поэтому в большинстве случаев допускается некоторое увеличение зоны обжига, занятой горелочными устройствами. При работе печи размеры отдельных зон устанавливаются в соответствии с графиком температур по длине печи. При этом часть горелок зоны обжига могут быть не использованы в работе.

Обычно относительно большая по длине печи зона обжига требуется при обжиге динасовых изделий и высокоогнеупорных изделий. Поэтому данные печи имеют большое количество горелок.

Размеры туннельных печей

Длина печи определяется многими факторами, главные из которых -- форма и размеры обжигаемых изделий, режим обжига и охлаждения и производительность печи.

Малые туннельные печи имеют длину 5-6 м и меньше, но поперечное сечение рабочего канала этих печей составляет 0,01-0,02 м². Эти печи имеют небольшую производительность и используются для обжига специальных изделий небольших размеров, например автосвечей. В настоящее время в огнеупорной промышленности работают печи длиной до 180 м.

Печи большой тепловой мощности для лучшего использования тепла и улучшения процесса обжига и охлаждения изделий, как правило, должны иметь большую длину. Печи шириной 3,0 м для обжига шамотных изделий можно строить длиной 80-120 м. При очень большой длине печи увеличиваются тепловые потери в окружающую среду и подсосы воздуха через неплотности, ухудшающие теплообменные процессы.

Ширина туннельных печей выбирается в зависимости от производительности, равномерности обжига и конструкции вагонеток. Практикой установлено, что в печах шириной 3,0-3,2 м можно достичь вполне равномерного обжига изделий. Для более широких печей утяжеляется конструкция вагонеток и возможны их перекосы при проталкивании в длинных печах.

Высота печи выбирается в зависимости от вида обжигаемых изделий.

При малой высоте и большой ширине свод печи делают плоским (подвесным), позволяющим лучше использовать площадь пода вагонетки и иметь больший вес садки на вагонетку. При этом садка получается одинаковой высоты по всей вагонетке. Печи для обжига огнеупорных изделий, имеющие высокое рабочее пространство, строят с арочным сводом, более простым по конструкции.

Таким образом, по конструкции рабочего пространства (высоте печи и конструкции свода) туннельные печи разделяются на печи с арочным сводом и печи с подвесным сводом.

Футеровка печей

Толщину стен и свода печей и виды огнеупорных и строительных материалов выбирают с учетом большого срока службы печи без ремонта (2,5-3 года) и небольших тепловых потерь в окружающую среду, которые будут в допустимых пределах, если температура наружной поверхности стен в зоне высоких температур не будет превышать 70-80°С.

Печи сооружают на фундаменте, который выполняют каменным (бутовым), бутобетонным, бетонным и железобетонным. Глубина залегания фундамента зависит от свойств грунта и веса печи. На грунт из слабой песчаной глины нагрузка допускается не более 1 кг/см², из плотной глины - 4,5-5,5 кг/см² и из сплошной горной породы - до 15 кг/см². Для нормальной работы печи необходимо, чтобы наивысший уровень грунтовых вод проходил не ближе чем в 0,25 м от фундамента печи. При высоком уровне грунтовых вод устраивают дренажные каналы.

Для большей прочности снаружи стен и свода печи устанавливают металлический или железобетонный каркас, состоящий из вертикальных балок (стоек). Внизу стойки заделывают в бетонный фундамент, а сверху попарно стягивают связями. Конструкция крепления свода определяется конструкцией самого свода.

Наиболее распространен в промышленных печах арочный свод. Нормальный арочный свод выполняется с центральным углом б= 60°.

В стенах при постройке печи оставляют температурные швы, необходимые для расширения кирпича. Так как кладка ведется вперевязку, то каждый шов в вертикальной и горизонтальной проекции имеет форму ломаной зигзагообразной линии.

Температурные швы в своде оставляют по длине печи через 3-7,5 м и таким образом свод выкладывают отдельными секциями.

Садка изделий на вагонетки

Состав вагонеток с обжигаемыми изделиями передвигается по туннелю периодически, через определенные промежутки времени, с помощью механического (винтовой или тросовый) или гидравлического толкателя. Скорость перемещения вагонеток в печи в период проталкивания составляет 1,0-1,5 м/мин. Количество вагонеток, загружаемых в печь в течение часа или суток, зависит от общей продолжительности обжига и длины туннеля.

Каждая вагонетка при проталкивании перемещается в печи на расстояние, равное длине одной вагонетки.

Для уплотнения входной и выходной части туннеля, в которую при загрузке очередной вагонетки в печь может засасываться холодный воздух, строят форкамеры с плотно закрывающимися дверями. При этом толкатель подает в печь вагонетку из форкамеры. Форкамера отделена от печи подъемной металлической шторкой (шибером). Противоположный конец печи на выдаче вагонеток также оборудуется подъемной дверью. Подъемные механизмы дверей синхронно связаны с работой толкателя.

Обжигаемые изделия укладывают на под вагонетки таким образом, чтобы садка строго соответствовала по высоте и ширине установленным размерам. Габариты садки контролируют металлическим шаблоном, установленным перед форкамерой и соответствующим сечению туннеля, через который проходит вагонетка.

Высота садки изделий зависит от вида обжигаемого материала и обычно не превышает 2 м. Изделия, подвергаемые высокотемпературному обжигу, для предупреждения деформации укладывают на вагонетки высотой не более 1,0--1,1 м.

Количество изделий, вмещающихся на вагонетку, и тоннаж садки определяются размерами вагонеток и типом садки. Изделия для равномерной обтекаемости газами укладывают более плотно в верхней части садки и менее плотно (оставляют каналы) в нижней. Для улучшения горения топлива в садке делают разрывы до 0,3-0,9 м против горелочных устройств. Эти разрывы особенно необходимы в широких печах для прогрева средины садки. Для различных огнеупоров и разной формы изделий применяются в промышленности различные способы садки.

С боковых сторон вагонетки имеются металлические листы - ножи, теплоизолированные огнеупорным бетоном, которые входят в желоба, наполненные песком или молотым шамотом. Это устройство, идущее по всей длине туннеля, называется песочным затвором, которое служит для герметизации рабочего пространства печи от контрольного коридора. Для пополнения песка в желоб песочного затвора во время работы в стенах устраивают специальные наклонные каналы-песочницы с воронкой, закрываемые крышкой. Для того, чтобы песок, выгребаемый ножом вагонетки из желоба песочного затвора, не попадал на рельсовый путь, внизу между стенкой печи и рельсами через каждые 1,5--2,0 м устраивают наклонные отверстия, проходящие ниже рельсового пути. По этим скосам песок просыпается вниз в контрольный коридор печи.

Исходные данные для расчета

Туннельная печь для обжига керамического кирпича размером 250*120*65 производительностью 55 млн. шт. в год, режим работы непрерывный, трехсменный;

Годовой фонд времени - 7484,4 часа;

Остаточная влажность кирпича после сушки - 6%;

Брак при обжиге - 3%;

П.П.П. - 8,72%;

Топливо - природный газ Березовского месторождения;

Температура обжига - 1000^оС;

Продолжительность обжига - 26 часов;

Температура атмосферного воздуха - 20^оС;

Коэффициент избытка воздуха б=1,15

Температура выгружаемых изделий - 50^оС;

Температура отходящих газов из печи - 300^оС;

Температура воздуха на сушку - 400^оС;

Масса кирпича - 3,5 кг.

Расчет процесса горения топлива

1. Состав сухого газа

Таблица 2 - Состав сухого газа, %.

СО2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2
0,4	95,1	1,1	0,3	0,03	0,02	3,05

2. Состав влажного рабочего газа

Принимаем содержание влаги в природном газе 1%

Пересчитываем состав сухого газа на влажный рабочий газ:

Таблица 3 - Состав влажного рабочего газа, %.

СО2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	N2	Н2О
0,39	94,15	1,09	0,3	0,03	0,02	3,02	1

3. Теплота сгорания топлива

4. Теоретически необходимое количество сухого воздуха для горения топлива:

5. Теоретически необходимое количество атмосферного воздуха для горения топлива с учетом его влажности:

Принимаем влагосодержание атмосферного воздуха d=10г/кг сух. воз.

6. Количество и состав продуктов горения при б=1:

7. Общее количество продуктов горения:

V_б=0,978+2,088+7,322=10,39 (нм³/нм³)

8. Процентный состав продуктов горения:

Всего:100%.

9. Определение коэффициента избытка воздуха - б при действительной температуре горения топлива t_ДЕЙСТ=1000^оС:

Из уравнения теплового баланса горения 1м³ топлива определяем коэффициент избытка воздуха -б.

C_П.Г.=1,35+0,000075•1220=1,44(кДж/м³•^оС)

34757,98+9,23•1,2978•20•б=[10,39+(б-1)•9,23]•1220•1,44

б=2,05

11. Действительное количество воздуха при коэффициенте расхода воздуха б=2,05:

Сухого воздуха: L_б= б•L₀=2,05•9,23=18,92(нм³/нм³)

Атмосферного воздуха: L_б= б•L₀=2,05•9,38=19,23(нм³/нм³)

12. Количество и состав продуктов горения при б=2,05:

V_б=0,978+2,243+14,976+2,0351=20,23 (нм³/нм³)

12. Процентный состав продуктов горения:

Всего:100%.

Таблица 4 - Материальный баланс процесса горения

Приход	кг	Расход	кг
Природный газ (Vгаз•с)		Продукты горения (Vпрод•100 • с)
CН4	94,15•0,717	67,51	СО2	0,978•100•1,977	184,35
С2Н6	1,09•1,356	1,48	Н2О	2,243•100•0,804	180,34
С3Н8	0,3•2,02	0,61	N2	14,976•100•1,251	1854,56
С4Н10	0,03•2,84	0,09	О2	2,035•100•1,429	247,81
С5Н12	0,02•3,218	0,06		невязка	-4,91
СО2	0,39•1,977	0,77
Н2О	1•0,804	0,804
N2	3,02•1,251	3,78
Воздух (Vвоз•б•с)
О2	100•9,23•2,05•0,21•1,429	567,82
N2	100•9,23•2,05•0,79•1,251	1869,99
Н2О	100•0,0016•10•9,23•2,05•0,804	24,34
Итого:	2462,15	Итого:	2462,15

% невязки 4,91•100/2462,15=0,2%

Технологический расчёт установки

1. Производительность печи.

П=55000000•3,5=192500000=192500 (т/год)

2. Единовременная емкость печной вагонетки.

Длина печи - 120 м, количество вагонеток - 40;

Дина вагонетки:

(м)

Ширина вагонетки 2,9 м.

Единовременная емкость печной вагонетки:

G_В=2784•3,5=9744=9,744 (т)

3. Единовременная емкость печи по массе.

G_П=40•2784•3,5=384,21 (т)

4. Количество обжигаемого сырца в час.

Время обжига 26 часов.

G_C=G_П/Z=384210/26=14777,13 (кг/ч)

5. Количество вагонеток в час.

n=14777,13/9744=1,54 (ваг/час)

6. Длина отдельных зон печи.

L_ПОД1=18 м (20-200^оС)

L_ПОД2=21 м (200-600^оС)

L_ПОД3=12 м (600-1000^оС)

L_ОБЖ=18 м (1000^оС)

L_ОХЛ1=18 м (1000-650^оС)

L _ОХЛ2=9 м (650-600^оС)

L _ОХЛ3=24 м (600-50^оС)

7. Расчет потерь в окружающую среду через футеровку печи.

Q=3,6• б_СУМ •F•(t_Н.- t_ВОЗ.),

где F - наружная поверхность кладки;

б_СУМ - суммарный коэффициент теплоотдачи определяется в зависимости от t_Н.;

t_Н. - температура внешней поверхности печи на данном участке;

t_ВОЗ. - температура окружающего воздуха.

а) Участок №1.

Температуры наружных поверхностей принимаем по практическим данным.

Температура наружных стен t_Н.СТ.=20^оС; температура свода t_Н.СВ.=25^оС, температура пода t_Н.ПОД.=20^оС.

Наружная поверхность кладки:

F_СТ=2•l•h_НАР =2•18•3,075=110,7 м², б_СУМ =9,55

F_ПОД=l•b_НАР =18•2,9=52,2 м², б_СУМ =9,55

F_СВ=l•b_НАР =18•4,1=73,8 м², б_СУМ =9,75

Потери тепла через стенку:

Q_СТ.1=3,6•110,7•9,55•(22-20)=7611,73 кДж/ч

Q_СТ.1=3,6•52,2•9,55•(22-20)=3589,27 кДж/ч

Q_СТ.1=3,6•73,8•9,75•(25-20)=12951,9 кДж/ч

Потери тепла в окружающую среду на остальных участках рассчитываются аналогичным образом.

Таблица 5 - Потери тепла в окружающую среду через кладку

№ уч	Стена	Под	Свод
	F, м2	tН, оС	бСУМ, Вт/м2•оС	QКЛ, кДж/ч	F,м2	tН, оС	бСУМ, Вт/м2•оС	QКЛ, кДж/ч	F,м2	tН, оС	бСУМ, Вт/м2•оС	QКЛ, кДж/ч
1	110,7	22	9,55	7611,73	52,2	22	9,55	3589,27	73,8	25	9,75	12951,9
2	162,75	40	10,55	123624,9	60,9	40	10,55	46259,64	106,05	45	11	104989,5
3	93	50	11,25	112995	34,8	50	11,25	42282	60,6	60	12	104716,8
4	139,5	50	11,25	169492,5	52,2	50	11,25	63423	90,9	60	12	157075,2
5	139,5	50	11,25	169492,5	52,2	50	11,25	63423	90,9	60	12	157075,2
6	69,75	45	11	69052,5	26,1	45	11	25839	45,45	55	11,75	67288,73
7	166,8	40	10,55	126701,28	69,6	40	10,55	52868,16	109,8	45	11	108702

Тепловой баланс зон подогрева и обжига

Приход тепла.

1. Химическое тепло топлива

(кДж/ч).

Физическое тепло топлива

(кДж/ч)

2. Физическое тепло воздуха

(кДж/ч)

3. Физическое тепло сырца

(кДж/ч)

(кДж/кг•^оС)

С_С=0,837+0,000264•t=0,837+0,000264•20=0,842 (кДж/кг•^оС)

4. Физическое тепло с вагонеткой

Q₅=1,54•m_ВАÕѕt_ВАГ=1,54•14175• 0,845•30=553377,83 (кДж/ч)

m_ВАГ=а•b•h=3•3•0,875•1800=14175 (кг)

С=0,837+0,000264•t_ВАГ=0,837+0,000264•30=0,845 (кДж/кг•^оС)

Общий приход тепла

?Q_ПРИХ=34757,98В+31,33В+499,11В+308250,93+553377,83 =

=35288,42В+861628,76 (кДж/ч)

Расход тепла

1. Тепло, затраченное на испарение влаги

2.

Q₁=G_ВЛ•(2500+1,97t_П.Г.-4,2•t_C)=943,22•(2500+1,97•300-4,2•20)=