Термическая обработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совокупность условий и процессов, при которых проводится термическая обработка, называется режимом термической обработки. Это прежде всего изменение температуры во времени и изменение состава газовой среды в печи в зависимости от времени или от температуры. Составляющими режима являются также теплоемкость среды, скорость и характер ее движения и давление. Чтобы термическая обработка керамики была качественной и экономичной, необходимо проводить ее в оптимальном режиме или в режиме, близком к нему. Оптимальный режим термической обработки - это наиболее короткий режим, проводимый при наименьшей температуре, при которой изделие получает наилучшие свойства. Наиболее низкая температура оптимальна потому, что при повышенной температуре термической обработки возрастает удельное потребление топлива. Оптимальный режим для каждого вида изделий термической обработки материала устанавливается экспериментальным путем, его нельзя устанавливать произвольно. Путем многократных исследований установлено, что метод дифференциального термического анализа наиболее точно отражает закономерность процессов, происходящих при обжиге глинистого материала.

Эндотермический минимум при температуре около 160С указывает на потерю физически связанной воды, максимум при температуре 380С - окисление соответствующих органических материалов. Приблизительно при температуре 600С происходит дегидратация каолинита, которая характеризуется соответствующим минимумом на кривой ДТА. Экстремумы кривой ДТА показывают на фазовые превращения при тепловой обработке, которые необходимо учитывать при выборе обжига.

Одним из условий полного сжигания топлива является присутствие достаточного количества кислорода. В действительности для полного сгорания топлива необходимо избыточное количество кислорода (воздуха) по сравнению с теоретическим. Коэффициент избытка (n) кислорода (воздуха) - это отношение действительного количества кислорода (воздуха), которое участвует в процессе горения, к теоретически необходимому количеству кислорода или воздуха. При (n)>1 происходит горение с избытком кислорода и возникает так называемая окислительная среда обжига; при n =1 горение называют теоретическим (стехиометрическим) и получаемые продукты горения называют стехиометрическими (нейтральными); при n<1 возникает неполное сгорание топлива или восстановительная среда. При термической обработке керамических изделий процессы сжигания топлива проводятся при от 0,7 до 5,0, т.е. для различных керамических материалов и на различных стадиях обжига значение коэффициента избытка воздуха принимается разным. Состав продуктов сгорания при этом должен быть выбран в соответствии с требованиями процессов, которые происходят в керамическом материале.

Уравнения горения:

Н2 + 0,5 О2 = Н2О

СО + 0,5 О2 = СО2

Н2 S + 1,5О2 = Н2О+ SО2

СН4 + 2О2 = СО2 +2Н2О

С2 Н6 +3,5О2 = 2СО2 + 3Н2О

печь керамический сжигание обжиг

В практике производства керамических изделий, в частности производства строительной керамики, применяется восстановительно-окислительный режим обжига в туннельных печах, который позволяет получить богатую цветовую гамму. Применение восстановительной атмосферы при обжиге вызывает изменение цвета от кирпично-красного до фиолетового и голубовато-фиолетового. Кроме того, этот режим предоставляет производителю выбор - получать продукцию повышенного качества за счет более глубокого спекания изделия без дополнительных энергозатрат, снизить температуру обжига по сравнению с традиционным окислительным обжигом. Восстановительная среда при максимальной температуре обжига способствует значительному уплотнению черепка.

Закономерность отдельных изменений керамического материала в зависимости от температуры обжига позволяет определить внешние условия, которые необходимо обеспечить в печи с целью исключения негативного воздействия газов на ход обжига. Температура и состав атмосферы в печи должны способствовать ходу полезной реакции процесса.

Качество керамических материалов во многом зависит от режима обжига. Среди факторов, характеризующих режим обжига, особое значение имеет состав газовой среды в печи, которая может иметь окислительный, восстановительный и нейтральный характер. При этом наибольшие трудности возникают при оптимизации состава восстановительной газовой среды.

Влияние восстановительной газовой среды на обжигаемые керамические материалы связано главным образом с протеканием при термообработке гетерогенных реакций с участием оксидов металлов переменной валентности. Установлено, что в традиционных керамических массах (фарфор, строительная керамика и др.) интенсификация процесса спекания и повышение качественных показателей связаны с образованием в восстановительной газовой среде соединений с FeO. Выбор состава газовой среды осуществляли обычно исходя из требований обеспечения условий для протекания реакции Fe2O3 FeO.

Однако в керамическом материале оксиды железа не являются изолированными от других оксидов фазами, а активно взаимодействуют с ними в процессе структурообразования. Вследствие этого анализа должны быть подвергнуты все возможные гетерогенные реакции между оксидами керамической массы, в которых могут участвовать оксиды железа. По данным исследований установлены следующие основные превращения:

3 Fe2O3 +ГВ = 2 Fe3O4 +ГО;

Fe3O4 + ГВ = 3FeO + ГО

Fe3O4 + 3Al 2O3 +ГВ= 3 (FeO * Al 2O3) +ГО

2 Fe3O4 +3 Si O2 +2ГВ = 3 (2 FeO* Si O2) +2ГО

Fe3O4 +TiO2 +ГВ = 3 (FeO*TiO2)+ ГО

2 Fe3O4 +3Ti O2 +2ГВ = 3 (FeO*TiO2) +2ГО

3 (Мg O+Fe2O3) + ГВ= 2 Fe3O4+3 MgO +ГО

3 (Сa O* Fe2O3) + ГВ = 3 CaO+2 Fe3O4 + ГО

3 (2 CaO* Fe2O3) +ГВ = 6 CaO + 2 Fe3O4 +ГО

где ГВ - содержание газообразного восстановителя (Н2 или СО);

ГО - содержание газообразного окислителя (Н2О или СО2)

Восстановительно - окислительные реакции с участием оксидов железа при обжиге керамических материалов, способствующие улучшению их качественных показателей, могут протекать в газовых средах, представленных продуктами сжигания топлива с n< или = 1 даже при незначительной концентрации газов - восстановителей. При этом выбор состава восстановительной газовой среды должен осуществляться исходя не из обеспечения условий для протекания какой-либо отдельной гетерогенной реакции, а из обеспечения возможности протекания процесса обжига всего керамического материала в восстановительной газовой среде. Определяется подобный состав газовой среды при помощи исследования кинетики ее взаимодействия с обжигаемым керамическим материалом с учетом химико - минералогического состава исходных масс и температурно - временного режима обжига. Установлено, что высокоморозостойкие материалы можно получить при поддержании (в интервале температур 800-1100С) восстановительной газовой среды, представленной продуктами сжигания топлива с n=0,92-0,97.

Сравнение результатов обжига керамических изделий в окислительной и восстановительной среде

Восстановительно-окислительный обжиг изделий из железосодержащих глин отличается от традиционно окислительного тем, что в температурном интервале от 600С до максимальной температуры изделия обжигают в восстановительной среде с последующим их окислением в зонах закала и охлаждения. Интенсифицирующее влияние восстановительно - окислительного обжига предопределяется переходом оксидов трехвалентного железа в оксиды 2-х валентного. В отличие от оксида Fe³⁺ оксиду Fe²⁺ в восстановительной среде характерна более высокая реакционная способность по отношению к основным составляющим компонентам решетки обезвоженных глинистых материалов, в особенности к Al³⁺. Близкое сродство FeО с оксидом Al способствует выводу последнего из решетки глинистого минерала, и тем самым к более ранней аморфизации глины. Это ускоряет процесс образования при пониженных температурах более значительного количества стабильных фаз как муллит, полевые шпаты.

При восстановительно - окислительном обжиге процесс образования керамического тела в зависимости от минералогического состава глин протекает при температурах на 40-200С ниже, чем в окислительной среде. Полученные при восстановительно-окислительном обжиге изделия отличаются более высоким качеством - большей морозостойкостью (до 400%). Повышенной прочностью на сжатие и изгиб (до 40%) и более низким водопоглощением. Кроме того, в окислительной атмосфере может происходить вспучивание изделий. За счет разложения соединений железа: (0,5А+В) Fe2O3 АFeOВFeO3 +0,5 АО2. Давление кислорода при температуре обжига около 1350С достигает барометрического давления и при дальнейшем повышении температуры кислород выделяется как элементарный элемент и вспенивает керамический материал. Избежать этого позволяет регулировка состава атмосферы таким образом, чтобы присутствующие в ней восстановители например, Н2, СО или их смесь позволили провести восстановление Fe³⁺ в Fe²⁺.

Размещено на Allbest.ru