ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

ОБЖИГ

Обжиг — завершающая стадия производства обож­женных огнеупорных изделий. При обжиге некоторых изделий уменьшается пористость и увеличивается проч­ность, при обжиге других повышается только прочность, а пористость даже увеличивается.

При обжиге происходят сложные физико-химические процессы.

Полнота протекания процессов зависит от темпера­туры обжига, продолжительности, скорости подъема
температур и охлаждения, газовой среды, состояния и свойств обжигаемого материала, условий обжига и т. п.

Физико-химические процессы в обжиге не заканчива­ются и продолжаются в период службы огнеупоров в промышленных печах.

Общие изменения размеров и показателей плотност' алюмосиликатных изделий при обжиге изображены н рис. IV. 20.

На первом температурном участке А существенны изменений не происходит, если не считать некоторог

Рис. IV.20. Изменение размеров и ха­рактеристик плотности керамики в про­цессе обжига:

1 — изменение линейных размеров; 2 — . плотности; 3 — истинной пористости; 4 — открытой пористости; S — закрытой пористости.

А — участок до начала спекания; Б — участок процесса спекания; В — интер­вал спекшегося состояния; Г — область пережога

Термического расширения. На участке Б протекает про­цесс спекания, усиливающийся с повышением температу­ры, при этом происходят усадка, соответствующее ей увеличение плотности и снижение общей пористости. На определенном этапе появляются закрытые поры, в свя^ зи с чем открытая пористость становится меньше, чем общая.

Участок В соответствует максимальным значения" усадки и плотности при наименьшей открытой пористое ти. Участок Г соответствует вспучиванию материала т. е. уменьшению плотности при пережоге за счет рост объема закрытых пор. На этом участке наблюдается деформация изделий. При нормальном обжиге материал до состояния вспучивания или пережога не доводят.

Режим обжига включает в себя скорость повышени температуры в печи в различные периоды, конечную температуру обжига, время выдержки при конечной тем­пературе, скорость падения температуры при охлажде­нии и характер газовой среды при обжиге.

Режим обжига огнеупоров обусловливается типом и размером изделий, и поэтому для разных их типов он различен.

Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на ре­жим обжига. В начальный период удаление остатков свободной воды не сопровождается усадкой, но если га­зопроницаемость массы низкая, то бурное выделение пара может принять взрывной характер. Удаление хи­мически связанной воды происходит в более широком температурном интервале и протекает спокойно. В пери­од подогрева значительные напряжения возникают вследствие термического расширения. Температура по­верхности изделий при нагреве всегда выше, чем в цент­ре. Поэтому поверхностный слой испытывает напряжение сжатия, а центральная часть — растяжения. Допустимые перепады температур находят опытом, а допустимую ско­рость нагревания в этот период можно рассчитать по формуле

Удов = А гД0Па/(Лб*), (IV. 45)

Где Удоп — допустимая скорость нагрева, °С/ч; Д/д0п—. допустимый перепад температуры между поверх­ностным слоем и центром, °С/м; а — температуропро­водность, м2/ч; б — приведенная толщина изделия, рав­ная отношению объема к активной поверхности, т. е. по­верхности, участвующей во внешнем теплообмене (зави­сит от карты садки); А — коэффициент формы, для куба равный 0,2; для шара 0,167, максимальное значение 0,5.

В формуле (IV.45) существенную роль играет толщи­на изделий: продолжительность выравнивания темпера­туры в теле изделия пропорциональна квадрату его тол­щины (а скорость подъема температуры обратно про­порциональна).

В период собственно обжига механические напряже­ния для материалов, у которых усадка больше, чем тер­мическое расширение, становятся противоположными по действию. Поскольку усадка (положительная или от­рицательная) обычно больше, чем термический рост, то скорость подъема температуры А/ДОп в этом интервале должна быть минимальной, несмотря на то, что в этот период многие материалы уже характеризуются сущест­венной пластичностью. С целью снижения напряжений, вызываемых торможением усадки, применяют подсыпку между отдельными изделиями из неспекающегося по­рошка. Снижение скорости подъема температуры в пе­риод усадки необходимо и для выравнивания темпера­туры в объеме всей садки.

При охлаждении допустимые перепады температур также устанавливают опытом, а скорости снижения тем пературы —по формуле (IV. 45). Наиболее опасна об ласть сравнительно низких температур после перехода материала из пластичного состояния в хрупкое. Для алюмосиликатных огнеупоров общая продолжитель ность охлаждения меньше, чем продолжительность по догрева и обжига, а для динасовых наоборот.

Фактическая продолжительность обжига значитель­но больше минимального времени, необходимого для получения нормально спеченных изделий без дефектов.

Это объясняется главным образом необходимостью выравнивания температур в объеме садки. Современные направления совершенствования обжига заключаются в разработке таких типов печей, в которых каждое изде­лие нагревалось бы независимо от других и в наиболее благоприятных условиях (конвейерный тип печей с од­норядной садкой или садкой низкими столбиками по принципу «пресс — печь»).

При обжиге происходит не только спекание, но и хи­мические реакции, для протекания которых необходимы соответствующие температуры и время. Если для спе­кания главное значение имеет конечная температура обжига, а не время выдержки, то для хими­ческих реакций требуются и соответствующая тем - ратура, и время. Например, при обжиге глины во вращающейся печи при конечной температуре обжига 1350—1400°С происходит образование муллита, реак­ция идет с увеличением объема, но так как время пребы­вания материала недостаточно, то реакция не заканчива­ется, и затем эта реакция снова проходит уже при об­жиге изделий, вызывая нежелательное увеличение объема.

Обжиг с целью перевода расплава полностью ил частично в твердое состояние в результате химически реакций также требует определенного времени. Необхо димое время и температуру химических реакций при об­жиге устанавливают опытным путем.

Значения фактической длительности обжига в тун­нельных печах приведены в табл. IV.8.

Обжиг огнеупорных изделий происходит при сравни­тельно высоких температурах (1300—1850°С). Получе­ние таких высоких температур, равномерно распределен­ных в больших объемах печей, является сложной технк-

Ческой задачей. Для обжига применяют периодические печи (горны), непрерывно действующие туннельные пе­чи и др.

Периодические печи. Эти печи неэкономичны в теп­ловом отношении. Необходимость ручной загрузки и вы­грузки обжигаемых изделий требует большой затраты рабочей силы на обслуживание.

Наряду с этими недостатками периодические печи имеют и некоторые преимущества: они наиболее просты по конструкции и в них можно сравнительно легко осу­ществлять самые различные режимы обжига. Поэтому применение их целесообразно в тех случаях, когда при­ходится обжигать разнообразный ассортимент изделий при ограниченном количестве.

Недостатки, связанные с загрузкой и выгрузкой уст­раняются в конструкциях периодических печей с выд­вижным подом.

Туннельные печи. Туннельные печи в наибольшей степени отвечают требованиям повышения производи­тельности, облегчению труда и допускают полную авто­матизацию управления процессом. Разработанные кон­струкции туннельных печей позволяют обжигать огне­упорные изделия различных видов при температурах до 1750° С и выше.

В табл. IV.9 приведены размеры и производитель­ность некоторых туннельных печей.

Таблица И

Параметры наиболее распространенных туннельных печей СССР (топливо-природный газ)

Расход услов­ного топлива, т/т

Магнезиальные. Шамотные. .

Высокоглиноземи­стые

Каолиновые и вы - сокоглиноземистые

Легковесные мотные. . ,

Карбидкремниевые Динасовые . . .

1750 1450—1500

1450—1500 1450—1500

1750

1600

1400—1500 1450—1500 1400—1500 3,2X1, 1X156 3X2, 1X120

2,24X1, 8X100 3X1, 9X63, 3X2, 1X66

3,2X1,

1X156

3,2X1, 6X135

3,2X1, 6X135 2,4X1, 8X100 3X2, 05X180

50—70

120 (нормаль­ный ассор тимент) 70

60—70

60—82

25

22 20 50—60

0,14—0,18 0,07-0,08

0,085 0,07—0,С

0,13

0,22

0,8—0,1 0,34 0,14

Изделия для обжига в периодических печах «садят» на под печи, в туннельных — на под печных вагонеток. Расположение изделий в печи называют садкой (карта садки).

На карту садки оказывают влияние температура об­жига изделий, их прочность и объемные изменения в процессе обжига. Например, магнезитовые и хромомаг­незитовые изделия, обжигаемые при 1600—1700° С, вследствие низкой температуры деформации под нагруз­кой обжигают сложенными в небольшие, высотой около 1 м, столбики; большемерный мартеновский динас об­жигают в положении на торец и т. д.

Рациональная садка должна быть механически ус­тойчивой, равномерно омываться газами и в то же вре-

Мя не оказывать чрезмерно большого сопротивления движению их в печи.

Основные показатели садки: 1) плотность садки, т/м® (коэффициент использования объема печи); 2) пло­щадь живого сечения, м2; 3) отношение площадей жи­вого сечения к общему поперечному сечению, %; 4) ак­тивная поверхность нагрева, м2/м3.

От величины активной поверхности нагрева зависит скорость нагрева изделий, а от соотношения площадей живого сечения низа и верха садки —равномерность ее нагрева по высоте.

Раньше садку осуществляли исключительно ручным способом. В настоящее время на передовых заводах из­делия снимают с пресса и «садят» их на печные ваго­нетки механически.

Для обжига разных кусковых и сыпучих материалов применяют шахтные и вращающиеся печи; во вращаю­щихся печах, кроме того, обжигают и жидкотекучие су­спензии—шлам. В этих печах также обжигают глину на шамот, магнезит и доломит — на металлургический порошок и т. п.