Определение черной сердцевины при обжиге кирпича из бейделлитовой глины и продукта сгорания базальтовой шихты

Е. В. Вдовина, Е. С. Абдрахимова, В. З. Абдрахимов

Определение черной сердцевины при обжиге кирпича

/*' о о /*' о

из бейделлитовой глины и продукта сгорания базальтовой шихты

Самарский государственный архитектурно-строительный университет 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 184

Показано, что для предотвращения появления черноты в керамическом материале необходимо соблюдать условия выдержки при 800—950 оС в течение определенного (в зависимости от размера кирпича или керамических камней и наличия технологических пустот) времени.

Ключевые слова: бейделлитовая глина, продукт сгорания базальтовой шихты, керамический кирпич, черная сердцевина, оптимальный состав, гумус, углистый остаток.

Исследованию подвергался кирпич из оптимального состава 1, % мас.: бейделлитовая глина — 60, продукт сгорания от базальтовой шихты — 40. Химический состав исследуемых компонентов приведен в табл. 1.

Для исследования процесса образования черной сердцевины в керамическом материале, в зависимости от температуры обжига, из оптимального состава изготовливался кирпич размером 250 х 120 х 65 мм, который обжигали в печи при температурах, приведенных в табл. 2.

Кирпичи из исследуемого состава после обжига в муфельной печи при температуре 1100 оС имели различную окраску середины поверхности.

В процессе нагрева органические примеси обугливаются (главным образом, во внутренних

слоях керамики, изолированных от доступа кислорода воздуха), распадаясь на летучие и углистые остатки, которые сгорают с трудом. Процесс этот аналогичен сухой перегонке топлива. Обугливание с образованием углистого остатка происходит в интервале температур 500—800 оС.

В условиях обжига этот процесс сдвигается в область более высоких температур.

Скорость выгорания углистого остатка определяется самым медленным процессом — диффузией кислорода через слой кирпича. Кислород вступает в соединение с углеродом по следующим реакциям:

С + О2 = СО2 + 97650 кДж;

2С + О2 = 2СО + 58860 кДж.

Наличие внутри кирпича кокса при недостатке кислорода приводит к восстановлению СО2 до оксида углерода по реакции:

С + СО2 = 2СО - 38750 кДж.

В области низких температур последняя реакция протекает в обратном направлении

Таблица 1

Химические составы компонентов

Компонент Соде ржание оксидов, % мас.

Бі02 А1203 СаО Mg0 Рв20з и2о Б03 П.п.п.*

Бейделлитовая глина 57.13 19.25 2.0 1.32 5.72 1.5 1.01 8.8

Продукт сгорания базальтовой шихты 10.3 6.72 4.2 19.6 18.6 6.79 - -

*Потери при прокаливании

Таблица 2

Изменение цвета плиток в процессе обжига

Обычный цвет плиток Время выдержки при данной температуре, мин Температура, °С Ширина полос в середине образца в мм с цветом:

серым к°рнчневым черным

розовый 15 600

вишневый 20 800 3

бордовый 30 1000 2 3

темно-бордовый 50 1100 1 2 5

Дата поступления 29.11.06 102 Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №2

с образованием углекислоты и свободного углерода. При температурах выше 1000 оС образуется только СО.

При обжиге керамических изделий выгорание углерода усложняется процессом дегидратации, которая при обжиге происходит при температурах выше 500 оС. В связи с этим затрудняется диффузия кислорода и, соответственно, выгорание углистого остатка. Количество органических примесей в образцах, обожженных в парогазовой среде и в среде водяного пара в пределах температур 750-850 оС, в 6-7 раз больше, чем в образцах, обожженных в окислительной среде 2-3.

Если в процессе спекания с участием жидкой фазы углеродистый материал будет изолирован от воздуха до того, как он полностью окислится, то при более высоких температурах он будет действовать как восстановитель. При этом в железосодержащих массах оксид железа может восстанавливаться по реакциям 1-3:

3Ре203 + СО = 2Ре304 + СО2;

Ре304 + СО = 3Бе0 + С02;

Бе0 + СО = Бе + С02.

В окончательно обожженном кирпиче органические соединения практически отсутствуют (табл. 3).

Середина и поверхность кирпича сильно различаются содержанием Бе203 и Бе0. На поверхности кирпича Бе203 преобладает над Бе0, а в середине — наоборот (табл. 3).

В процессе образования черной сердцевины изменение основных показателей кирпича можно разделить на три этапа: 1) при температуре до 600 оС, когда цвет кирпича по всей толщине, содержание органики и оксидов железа не изменяются по сравнению с исходной массой; 2) 600-800 оС, когда внутри кирпича начинает образовываться черная сердцевина при неизменном по сравнению с исходной массой содержании органики и оксидов железа;

3) выше 1000 оС, когда при наличии черной сердцевины содержание органики уменьшается, а содержание Бе0 (за счет Бе203) резко возрастает.

При температуре 800-1000 оС черная сердцевина обусловлена наличием углистого остатка, образовавшегося в результате обугливания органических примесей, в окончательно обожженном кирпиче — наличием Бе0, восстановленным из Бе203.

При выборе режима нагрева необходимо предусматривать выжигание углерода и завершение дегидратации до начала усадки. Необходимо отметить, что после выдержки при температуре 600 оС в течение 3 ч черная сердцевина в окончательно обожженном кирпиче из исследуемого состава не образовалась. Это указывает на то, что основным источником восстановления оксида железа в закись и, соответственно, наличия черной сердцевины в окончательно обожженном кирпиче является невыгоревший углерод.

Роль восстановительной среды подтверждают также данные по образованию поверхностной черноты при скоростном обжиге кирпича в муфельной печи. При поддержании окислительной среды в зоне обжига чернота возникает только в середине обожженного кирпича. При наличии в зоне обжига СО кирпичи имеют две зоны черноты — в середине и на поверхности, а между ними располагается зона, имеющая нормальный для данной массы цвет. В рассмотренном случае источником восстановления Бе203 в Бе0 и образования черноты в середине кирпича является невыгоревший углерод, а на поверхности — СО газовой среды в зоне обжига. Кроме того, эта зона защищена от воздействия СО газовой среды поверхностным слоем кирпича, и чернота в ней не образуется.

Черная сердцевина может быть полностью исключена при условии выдержки при 800—950 оС в течение определенного времени (в зависимости от размера кирпича или керамических камней и наличия технологических пустот).

Таблица 3

Содержание органических соединений и оксидов железа в кирпиче с черной сердцевиной и на поверхности

Содержание, %

В исходной массе В черн°й сердцевнне кнрпнча п°сле °бжнга На поверхности кирпича

Органика Рв20з БеО Органика Бе20з БеО Органика Бе20з БеО

2.5 5.04 0.68 следы 0.98 2.23 следы 2.04 0.18

При температурах выше 950 оС начинается интенсивная усадка кирпича, что затрудняет диффузию кислорода и, соответственно, выгорание углистого остатка. Кроме того при этих температурах значительно ускоряется процесс восстановления железа. В связи с этим выдержка при температурах 950 оС с целью выжигания углерода нецелесообразна.

Наличие в кирпиче при спекании невыгоревшего углерода может явиться причиной не только образования черной сердцевины, но и появления таких дефектов, как вспучивание и трещины. Эти дефекты особенно характерны для масс с повышенным содержанием органики.

Кирпичи из отощенных масс отличаются повышенной газопроницаемостью, что обеспечивает диффузию кислорода, которая, в свою очередь, способствует ускорению процесса выгорания углистого остатка и, следовательно,

создает условия, исключающие появление черной сердцевины.

Таким образом, чтобы предотвратить появление черноты в керамическом материале, необходимо соблюдать условия выдержки при 800—950 оС в течение определенного времени (в зависимости от размера кирпича или керамических камней и наличия технологических пустот).

Литература

1. Абдрахимов В. З., Абдрахимова Е. С. Физикохимические процессы структурообразования в керамических материалах на основе отходов цветной металлургии и энергетики.— Усть-Каменогорск: Восточно-Казахстанский технический университет.— 2000.— 374 с.

2. Абдрахимова Е. С., Абдрахимов В. З., Абдра-

химов А. В. // Материаловедение.— 2002.— №12.— С. 43.

3. Абдрахимова Е. С., Долгий В. П., Абдрахи-

мов В. З. // Материаловедение. 2005.— № 2.—

С. 39.