Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов: скорости подъема температуры, конечной температуры обжига, длительности выдержки при конечной температуре, характера газовой среды и скорости охлаждения. В процессе нагрева при различных температурах в материале керамических изделий происходит ряд сложных физико-химических явлений, вызывающих изменение его свойств.
В интервале температур 0-150°С происходит досушка - удаление физически связанной воды. Давление водяных паров внутри нагреваемого кирпича достигает значительных величин уже при температуре 70°С и возрастает с повышением температуры.
Удаление химически связанной воды (дегидратация) происходит в зоне обжига в интервале температур 150-8000С. В начале зоны обжига при нагревании сырца до 300-4000С удаляется химически связанная вода из гипса, водных оксидов железа и других соединений.
При нагреве до 500-6000С начинается разрушение каолинита (Аl2О3* Si02*2Н20).В этот же период выгорают органические примеси. В результате разложения каолинита и удаления из сырца химически связанной воды происходит полная потеря пластичности.
Аl2О3* Si02*2Н20 = Аl2SiО5 + 2Н20
При нагреве до 600-7000С из углекислого кальция СаСО3 и магния MgCO3, если они содержатся в глине, удаляется углекислый газ (С02). Реакция происходит спокойно, при этом объем изделия не уменьшается и несколько увеличивается пористость кирпича, которая способствует беспрепятственному удалению воды и летучей части органических веществ. Этот период нагрева, включая период дегидратации и модификационных изменений кварца, является практически безопасным и его можно производить с высокой скоростью (100-2000С/ч).
СаСО3 = CaО + СО2; MgCO3 = MgО + СО2
При нагревании свыше 700ºС начинается уплотнение черепка изделия, его спекание и изменение цвета. Процесс спекания состоит в том, что некоторые минералы, находящиеся в глине, под действием высокой температуры вступают в химические взаимодействия друг с другом, образуя легкоплавкие соединения. К таким минералам в первую очередь относится кремнезем (Si02), вступающий в химические соединения с щелочами (К20, Na20, CaO, MgO) и оксидами железа (FeO, Fe203).
При этом образуется стекловидное вещество, которое частично заполняет пустоты (поры) в кирпиче и цементирует частицы других минералов. Следовательно, механическая прочность кирпича зависит от количества размягченной стекловидной массы, получающейся при обжиге. В зависимости от химического состава сырья температура обжига кирпича колеблется между 950 и 1100ºС. Подъем температуры следует прекращать на этапе, обеспечивающем появление минимально необходимого количества жидкой фазы для образования спаек и связок между частицами глинообразующих минералов.
Этот период нагрева, связанный с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительными структурными изменениями кирпича, опасен в отношении трещинообразования.
После взвара следует выдержка обожженного кирпича при высокой температуре для выравнивания температуры по всей толще кирпича в течение 4-8 часов, обеспечивающая равномерное распределение жидкой фазы, более полного созревания черепка и протекания реакций.
Пройдя зону обжига, печная вагонетка с кирпичом поступает в зону остывания. В этой зоне происходит остывание кирпича по заданной кривой от 1000°С до 50°С.
При 800-750°С керамический кирпич находится в тугопластичном состоянии и переходит в твердое состояние и в начальный период при падении температуры на 100-200°С керамические материалы претерпевают термическое сжатие и деформируются пластически, подвергаясь незначительным нагрузкам, поэтому необходимо замедлять охлаждение во избежание появления напряжений, при быстром охлаждении в кирпиче могут появиться трещины. При этом допускаемая величина температурного перепада по толще кирпича не должна превышать 300С. Опасным периодом также считаются участок температурной кривой 650-500°С в связи с обратным превращением а-β-кварц. Допустимая скорость охлаждения на этом участке составляет для полнотелого кирпича 250-300°С, для кирпича с пустотами 350-400 ºС.
Охлаждение изделий в интервале 650-5000С характеризуется модификационным изменением кварца (5730С) с уменьшением объема на 0,82%. Скорость охлаждения в этом интервале не должна превышать 150°С/час. Дальнейшее охлаждение изделий (от 5000С и ниже) ограничивается лишь условиями внешнего теплообмена.
Окислительное начало обжига рекомендуется с целью сжигания природных органических примесей глины и введенных в массу выгорающих добавок, несгоревшие остатки которых при окончании спекания изделий могут препятствовать их уплотнению или даже вызвать вспучивание. Поэтому при температуре 800-850 ºС выдержаивают изделие в окислительной среде до полного выгорания коксового остатка. После достижения материалом этой температуры и при дальнейшем его нагреве положительное влияние на качество готовой продукции и активизацию процесса обжига оказывает восстановительная среда. Это объясняется присутствием закиси железа (FeO), которая в отличии от окиси железа (Fе2O3) обладает высокой реакционной способностью по отношению к основным компонентам глины. Закисные соединения железа при температуре выше 6000С связываются с другими окислами и способствуют выводу окиси алюминия (глинозема) из кристаллической решетки глинистых минералов. Это приводит к более раннему созреванию материала, повышению прочности и морозостойкости керамических изделий.
2.2 Характеристика сырья и готовой продукции
Исследования на глину были проведены в Центральной лаборатории Средне-Волжской геологической экспедиции (г.Нижний Новгород), полузаводские - в Уфимском филиале «Госоргтехстрома.
Таблица 2.2.1 - Сводка требований к кирпичному сырью по ОСТ 21-78-88 и результаты испытания
| Наименование показателей | Значения | ||
| по ОСТ | фактически | ||
| Число пластичности | Не менее 7 | 14,6-15(умеренная) | |
| Содержание, в % - частиц менее 0,001 мм - частиц менее 0,01 мм - крупнозернистых включений | Более 15 Более 30 Не более 0,05 | 28,36 44,84 0,065 | |
| Водопоглощение обожженного черепка, в % | Не менее 6 | 10,5-12,8 | |
| Химический состав - содержание, в % | |||
| - диоксид кремния | Не более 85 | 65,77 | |
| в т.ч. свободного кварца | Не более 60 | 34,7-42,95 | |
| - сумма оксидов алюминия и титана | Не менее 7 | 12 + 0,7= 12,7 | |
| - сумма оксидов кальция и магния | Не более 20 | 4,36 + 1,81 =6,17 | |
| - соединений серы | Не более 2 | До 0,14 | |
| в т.ч. сульфидной | Не более 0,3 | ||
| - сумма оксидов железа | Не более 14 | 4,78 | |
| - сумма оксидов натрия и калия | Не более 7 | 1,39+ 1,98 = 3,37 | |
По гранулометрическому составу сырье относится к низкодисперсному. Породы полезной толщи согласно инженерно-строительной классификации (СНиР 2-1, 1988) при содержании частиц диаметром менее 0,005 мм в количестве более 30% (в нашем случае 38,1-39,3%)) могут быть отнесены к глине мягкой без примесей. Усредненный объемный вес суглинков составляет 1,95 т/м".
Таблица 2.2.2 - Химический состав глинистых пород, содержание компонентов с допусками ОСТ 21-78-88
| Компонент | Содержание в пробах, % | Среднее со-держание, % | Требования ОСТ,% |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Si02 | 64.42-70.97 | 65.77 | не более 85 |
| Si02 свободн. | 34,7-42,95 | не более 60 |
Продолжение таблицы 2.2.2
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| CaO | 1,15-6,29 | 4,36 | не более 14 |
| MgO | 1,54-2,41 | 1,81 | не более 14 |
| Fe203 | 4,54-5,63 | 4,78 | не более 14 |
| Al203 | 11,42-12,87 | 12 | не более 7 |
| Ti02 | 0.53-0.77 | 0.7 | не более 7 |
| Na20 | 1.28-1.54 | 1.39 | |
| K20 | 1,55-2,25 | 1,98 | не более 2 |
| S03 | 0-0,14 |
Естественная влажность составляет 18-24%. Общая линейная усадка 7-9%. По чувствительности к сушке сырье относится к чувствительным. Для улучшения природных свойств глины широко применяют отощающие добавки. Ими служат опилки. Предпочтение следует отдавать опилкам продольной резки, т.к. они длинноволокнистые, армируют глиняную массу лучше. Содержание гнили в опилках не должна превышать 5 %, содержание металлических примесей недопустимо.
В состав глин может входить только один минерал, что характерно в основном для огнеупорных глин. Такие глины называются мономинеральными. Если в состав глин входят несколько минералов, их называют полиминеральными. К таким глинам относятся легкоплавкие глины, из которых и изготавливается обыкновенный кирпич.
Легкоплавкие глины обычно сложены из нескольких минералов, преимущественно монтмориллонитовой и гидрослюдистой групп, иногда с незначительной примесью минералов каолинитовой группы. В легкоплавких глинах из минералов-примесей наиболее часто встречаются кварц, известняк (СаСОз) и доломит (CaC03*MgC03).
Наиболее характерными свойствами глин являются пластичность, связующая способность, способность давать усадку - воздушную при сушке, огневую при обжиге, спекаемость, огнеупорность.