Исследование процессов обжига самарских легкоплавких глин

УДК 666.691

В. В. Климов, В. З. Абдрахимов, И. В. Ковков

Исследование процессов обжига самарских легкоплавких глин

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

Представлены результаты исследований, показывающие, что плотные глинистые минералы-монтмориллонитового происхождения, в том числе бейделлит, обладают наиболее низким коэффициентом температуропроводности.

Ключевые слова: коэффициент эффективной температуропроводности, легкоплавкие глины, минералогический состав, процессы обжига, экспериментальные дифференциальные кривые, эффективные термические характеристики.

Обжиг — один из важнейших этапов технологического процесса производства керамических изделий. Целью обжига является закрепление приданной изделию (сырцу) формы и превращение его из рыхлого, легко разрушающегося, в камневидное состояние. Только в процессе обжига керамические изделия приобретают необходимую прочность, твердость и стойкость к различным агрессивным воздействиям.

Для получения необходимых экспериментальных данных, связанных с решением краевых задач дифференциального уравнения переноса тепла, осложненного массообменом:

[дг/дт)=а

в работе была использована методика автоматической записи дифференциальных кривых нагрева модельных образцов.

Автоматическая запись дифференциальных кривых нагрева проводилась на специальной установке, предложенной в Алма-Атинском НИИстромпроекте С. Ж. Сайбулатовым, М. К. Кулбековым и К. А. Нурбатуровым 1—2. Схема экспериментальной установки приведена в работе 3 и на рис. 1. В нее входят две однотипные электрические тигельные печи с открытой электрической спиралью. Для выравнивания температуры как по высоте, так и по сечению рабочей камеры, в печь вставляются огнеупорные стаканы. Печи снабжены автоматическими программными регуляторами скорости подъема температуры, термопарой командного электрического прибора, сблокированного с автотрансформатором.

При нагреве тела в заданном режиме, начиная с определенного значения времени, температура любой точки тела становится линейной функцией времени, а распределение температуры в одномерных задачах описывается законом параболы при отсутствии какого-либо физико-химического процесса (тепловые эффекты) в материале 1—2. Поэтому, при таком

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования тепло- и массообмена в процессе обжига: 1, 2 — дифференциальная термопара, 3 — термопара; 4 — электронный потенциометр; 5 — КЭП-12У; 6 — потенциометр ПП-63; 7 — автотрансформатор; 8 — трансформатор; 9 — технические весы; 10 — пластина; 11, 12 — тигельные печи; 13 — металлическая коробка с водяным охлаждением; 14 — образец.

Дата поступления 03.07.08

режиме нагрева все происходящие в керамических материалах изменения, отличные от линейного, могут быть обоснованно отнесены к действиям физико-химических превращений (тепловых эффектов). Кроме того, в этом случае решение дифференциального уравнения переноса тепла, имеет достаточно простой вид, позволяющий получить удобные расчетные формулы для определения термических характеристик материала. Широкий диапазон скоростей вращения вала командного электрического прибора позволяет задаваться нужной скоростью подъема температуры в пределах технической возможности электрической печи.

Техника эксперимента состояла в следующем: для получения дифференциальных кривых нагрева исследуемых веществ в образец цилиндрической формы помещались горячие спаи двух дифференциальных термопар. Одной дифференциальной термопарой измерялась разность температуры среды печи и поверхность образца, другой — разность температуры среды печи и центра образца, а третьей — измерение температуры среды в печи.

Нагрев подготовленного таким образом цилиндрика с вмонтированным в него термопарами производился в электрической печи экспериментальной установки по строгому тепловому режиму. Концы термопар подключались к потенциометрам, и их показания после начала нагрева образца записывались через каждые пять минут.

Изучение кинетики потери массы производилось в тех же тепловых режимах, в каких снимались дифференциальные кривые нагрева образца.

Полученные таким образом дифференциальные кривые нагрева модельных образцов и кривые массосодержания явились объективным материалом при определении термических характеристик (коэффициентов) и критериев тепло- массопереноса, а также определения возникших эффектов при обжиге в исследуемых материалах.

Экспериментальные дифференциальные кривые (температурное поле) образцов, полученные по такой методике, использованы при решении уравнения (1).

В наших аналитических исследованиях принят метод применения известных решений системы дифференциальных уравнений переноса тепла и массы вещества в сочетании с данными, полученными непосредственно при записи полей температур в модельных образцах керамики, по методике А. В. Ралко, С. Ж. Сайбулатова, М. К. Кулбекова,

К. А. Нурбатурова 1-2. Метод аналитических решений с использованием экспериментальных кривых дал нам возможность получить эффективные термические характеристики любой стадии процесса обжига, рассчитать критерии теплового подобия для переноса тепла и переноса массы, что явилось важным моментом при разработке промышленных режимов обжига.

При заданном режиме нагрева, что соответствует постановке наших задач, решение уравнения (1) имеет достаточно простой вид, позволяющий определить термические характеристики материалов 1-2:

а, = eR2 / Г

сэ =Х/а jo

где аэ — эффективный коэффициент температуропроводности;

сэ — эффективная теплоемкость; в — скорость нагрева среды в печи; R — радиус образца;

Г — постоянная (для неограниченного цилиндра — 4, для неограниченной пластины — 3, для шара — 6); tn — температура поверхности тела; tц — температура центра тела; Я — коэффициент теплопроводности материала; уо — плотность обожженного образца.

В эксперименте использованы образцы из 7 исследуемых легкоплавких Самарских глин (табл. 1—2) в виде цилиндров диаметром 50 • 10-3 и высотой 100 • 10-3 м, приготовленных методом пластического формования при оптимальной влажности 22—25 % (влажность соответственно для монтмоллонитосо-держащих — 25, а для гидрослюдистосодержа-щих глин — 22%).

Анализ полученных кривых нагрева и потери массы (Am/m) показал, что наибольшие значения Am/m образцы из монтмориллонит-содержащих глин имеют при температуре 250 оС, а образцы из глин, не содержащих монтмориллонит, при 125 оС (рис. 2), т. к. каолинит легче отдает воду, чем монтмориллонит и относящийся к той же группе бейделлит.

Эффекты, связанные с выгоранием органики, отмечаются незначительно. Сравнение дифференциальных кривых нагрева и потери массы модельных образцов из смышляевской и образцовской глин показывает, что в процессе обжига происходит наложение тепловых эффектов. На кривых нагрева образцов наблюдаются два характерных максимума:

Химический состав исследуемых глинистых материалов

Таблица 1

Глинистые материалы месторождений Содержание оксидов, % мас.

SiO2 AI2O3 CaO MgO Fe2O3 R2O SO3 П.п.п.

Преображенского 56.6 18.81 6.18 2.21 7.01 4.34 0.1 4.26

Кротовского 57.2 13.2 9.17 1.25 9.92 2.3 0.3 7.4

Образцовского 57.13 19.25 2.0 1.32 5.72 1.5 1.01 8.8

Даниловского 64.2 10.3 5.68 2.2 4.02 2.5 0.5 8.4

Воздвиженского 58.38 13.63 4.35 1.92 7.52 3.23 2.01 7.64

Смышляевского 58.89 14.43 4.8 2.7 7.2 3.4 0.05 7.8

Челно-Вершинского 65.46 12.9 3.8 0.86 5.6 1.36 0.13 9.7

Таблица 2

Минералогический состав исследуемых глинистых материалов

Глинистые материалы месторождений Соде ржание минералов, % мас.

Гидрослюда Кварц Гипс Полевой шпат Каолинит Монтмориллонит Бейделлит Оксиды железа

Преображенского 25-30 25-30 3-5 10-15 5-10 8-10 - 5-7

Кротовского 22-28 25-30 5-5 10-15 10-15 8-11 - 5-7

Воздвиженского 25-30 25-30 2-3 10-15 - 5-7 - 4-6

Даниловского 25-30 25-30 5-7 10-15 10-15 - - 4-5

Образцовского 5-10 20-25 2-3 10-15 3-5 — 3545 5-7

Смышляевского 5-10 25-30 3-5 8-20 - 45-50 - 5-7

Челно-Вершинского 25-30 25-30 2-4 10-15 15-20 - - 4-5

для смышляевской — при 250 и 900 оС; для об-разцовской — при 250 и 750 оС. Вторые максимумы для обеих глин 750 и 900 оС менее интенсивны и, очевидно, связаны с выгоранием остаточной органики (рис. 2).

Наименьшее значение коэффициента эффективной температуропроводности исследуемых образцов лежит в интервалах температур, где интенсивность физико-химических процессов более значительна. Эти зоны соответствуют наиболее сложным условиям обжига, так как, чем ниже коэффициент температуропроводности, тем медленнее прогревается изделие. Наиболее низкий коэффициент температуропроводности, как правило, в плотных глинистых минералах, т. е. в глинистых частицах монтмориллонитового происхождения. К этой группе относится и бейделлит.

На рис. 3 представлены дифференциальные кривые нагрева образцов из исследуемых глинистых материалов в интервале температур 300-1200 оС.

Как видно из рис. 3, с повышением температуры обжига образцов увеличивается отклонение температуры центра от температуры образцов. Это связано как с понижением коэффициента температуропроводности образцов, так и с повышением их температуры обжига. Сравнивая эффективные термические характе-

Дт/т

• -1  "2

а щ г А-3 4-4

250 500 750 1000 1250

Рис. 2. Зависимость потери массы (Am/m) от температуры обжига образцов из глинистых материалов различного минералогического состава:

1 — смышляевская монтмориллонитовая глина;

2 — образцовская бейделлитовая глина; 3 — гидрослюдистые глины с содержанием монтмориллонита 5—11 % (Преображенская, кротовская, воздвиженская); 4 — гидрослюдистые глины, содержащие каолинит 10—20 % и не содержащие монтмориллонит (даниловская, челно-вершинская).

ристики образцов в интервале температур 300—1200 оС можно отметить, что наибольшее отклонение температуры центра от температуры глинистого материала происходит в глинах монтмориллонитового и бейделлитового составов (рис. 3, А и Б), что приводит к разрыву образцов (рис. 4, А и Б).

Таким образом, наименьшее значение коэффициента эффективной температуропроводности исследуемых образцов лежит и интерва-

лах температур, где интенсивность физико-химических процессов более значительна. Эти зоны соответствуют наиболее сложным условиям обжига, так как, чем ниже коэффициент температуропроводности, тем медленнее прогревается изделие. Наиболее низкий коэффициент температуропроводности, как правило, в плотных глинистых минералах, т. е. в глинистых частицах монтмориллонитового происхождения. К этой группе относится и бейделлит.

Рис. 3. Дифференциальные кривые нагрева образцов из глинистых материалов различного минералогического состава: А — смышляевская монтмориллонитовая глина; Б — образцовская бейделлитовая глина; В — кротовская гидрослюдистая глина с содержанием 8—11 % монтмориллонита; Г — Преображенская гидрослюдистая глина с содержанием 8—10 % монтмориллонита; Д — воздвиженская ги-дрослюдистая глина с содержанием 5—7 % монтмориллонита; Е — гидрослюдистые глины, содержащие каолинит 10—20 % и не содержащие монтмориллонит (даниловская, челно-вершинская). 1 — разность температуры поверхности образцов и среды; 2 — разность температуры центра образца и среды; 3 — температура среды печи

Рис. 4. Кирпичи из 6 Самарских ¿лин, обожженные на Тольяттинском кирпичном заводе в туннельной

сушилке при температуре 1000 "С: А — Образцовская; Б - Смышляевская; В - Даниловская; Г - Ире

ображемская; Д — Кротовская; Е — Воздвиженская

Литерагура

лейменов, С. Ж. Сайбулатав, М. К. Кулбеков,

К. Д. Нурбатуров,—Алма-Ата: «Наука», 1990.—

Сайбулатов С, Ж. Зола керамические стеновые

176 с.

материалы / С. Ж, Сайбулатов, С. Т. Сулейме

Дбдрахимов В. 3. Исследование процессов

И1>в, Д. В. Ралко.— Алма-Ата: «Наука», 1982,—

292 с.

обжига / В. 3. Абдрахимов, Е. С. Абдрахимова

Огнеупоры

Сулейменов С. Т. Экономия сырья и

гехнич ее кая

керамика,—

гиилпва

2005,— №1.— С. 40,

С. Т. Су

и производстве стеновой керамике.