Производство полукислых огнеупоров

Для рассева шамота обычно применяют вибрационные сита. Рас-фракционированный порошок шамота в случае применения прерывного зернового состава хранят раздельно в бункерах. Рассев шамота на ситах с размером ячейки менее 1 мм вызывает интенсивное пылеобразование и малоэффективно (т. е. необходимая фракция выделяется не полностью). Увлажнение материала с целью снижения пылеобразования еще более снижает эффективность рассева и поэтому неприемлемо. Установлено, что сухие минеральные частицы размером крупнее 50 мкм при транспортировке и фракционировании практически не пылят, что используется при комбинированной схеме классификации. Весь продукт измельчения сначала поступает на пневматическую сепарацию, в которой отделяется фракция мельче 0,5 мм (эта фракция может быть направлена на совместный помол), а остальной материал рассеивают на механических ситах (без пылевыделения) или разделяют по фракциям в воздушных сепараторах.

Производство глины для связки

Глину, как связку в шамотной массе, вводят в тонкоизмельченном виде. Для приготовления глины применяют схему с сушильным барабаном, включающую грубый помол глины, ее сушку, тонкий помол и транспортирование в бункеры. Грубое измельчение глины осуществляют на зубчатых вальцах и глинорезках. Для равномерной сушки обязательно получение кусков глины примерно одинакового размера.

Максимальный размер кусков глины, загружаемой в сушильные барабаны, примерно 50 мм. Влажность глин при поступлении в сушильный барабан в зависимости от времени года составляет 15-25 %, а конечная после сушки 8-13 %. При длине барабана от 8 до 14 м длительность сушки составляет 20-30 мин при заполнении глиной 10-15 % площади его сечения. Молотая глина при влажности до 7 % имеет большую текучесть и пылит. Обычно глину сушат до влажности 12%. При рассеве такой глины применяют сита с электрообогревом.

Температура глины на выходе из барабана выше, чем окружающей среды, поэтому парциальное давление водяных паров вокруг ее кусков также несколько избыточное по сравнению с парциальным давлением в окружающей среде. Это обусловливает перемещение части влаги из глины в окружающую среду и конденсацию влаги на более холодных предметах. Для устранения нежелательных последствий конденсации влаги глину после сушильного барабана быстро размалывают. При помоле в дезинтеграторе различных огнеупорных глин влажностью 10-12 % получают более 70 % частиц размером менее 0,54 мм. После дезинтегратора глину просеивают через вибрационное сито, крупные частицы (отказ) направляют обратно в помол в дезинтегратор.

Другим, более эффективным методом подготовки связывающей глины является одновременно сушка и помол во взвешенном состоянии в комбинированном агрегате. Новым методом подготовки глины-связки является сушка глиняного шликера (40 % воды) в вертикальных газовых распылительных сушилках конструкции НИИстройкерамика.

Прессование изделий из полусухих масс

В полусухих массах соотношение шамота и глины может достигать широких пределов. При увеличении содержания шамота в массах улучшается передача давления и в меньшей степени проявляются упругие свойства после снятия нагрузки, что имеет особенно важное значение при прессовании при высоких давлениях. При производстве огнеупоров из полусухих масс лучшие результаты достигаются при изготовлении изделий из многошамотных шихт, когда содержание глины и шамота находится соответственно в пределах 30-10 и 70-90 %. Оптимальное количество глины составляет 8-12 %.

Приготовление массы заключается в тщательном смешении всех компонентов шихты с целью равномерного распределения отдельных фракций, отощающих и связывающих материалов, в равномерном их увлажнении и некотором уплотнении смеси в целом для придания ей известной связности, препятствующей расфракционированию при транспортировке. При полусухом прессовании масса увлажняется до 5-8 %. Установлено, что влажность массы существенно влияет при одних и тех же условиях прессования на свойства сырца и обожженных изделий. Повышение влажности до известного предела при данном давлении способствует получению более плотных, прочных и менее газопроницаемых изделий.

Применяют следующие способы приготовления масс:

1) шамот предварительно увлажняют водой или шликером и затем смешивают с сухой глиной при одновременном доувлажнении массы;

2) мелкую фракцию шамота смешивают с глиной при совместном помоле в шаровой (трубной) мельнице, затем смесь мелких фракций глины и шамота смешивают с крупной фракцией шамота, предварительно увлажненного водой или шликером.

В обоих случаях стремятся со шликером ввести максимальное количество глины-связки. С этой целью шликер подогревают до 40-60 °С. В шликер вводят 0,5 % ЛСТ, 0,1-0,2 % ПАВ (жирные кислоты С₇-С₉), соду и т. п. При влажности массы около 5 % удается ввести со шликером до 4 % глины.

Смешение шамота с глиной при их совместном помоле обычно служит лучшим способом приготовления массы. Однако совместный помол в трубных мельницах вызывает некоторые осложнения в технологическом процессе, так как резко снижается производительность трубной мельницы. Влажность глины не должна превышать 5 %, иначе в массе образуются пластинки и «коржи», а получение глины такой влажности затруднительно. Преимущество смешения при совместном помоле глины и шамота заключается в том, что при этом достигается хороший контакт с частицами шамота, поэтому исключается расфрак-ционирование (сегрегация) массы. Глина совместного помола с шамотом дает меньшую усадку в обжиге. В широко применяемых смесительных бегунах производятся одновременно смешение компонентов и уплотнение массы; при этом создается хороший контакт между частицами глины и шамота. Недостаток смесительных бегунов заключается в том, что в них происходит измельчение шамота и в некоторых случаях образуются коржи; поэтому после смешения в бегунах массу приходится пропускать через протирочное сито. Производительность смесительных бегунов с массой катка 3100 кг при 6-8 замесах в час составляет 8 т/ч.

Для прессования полусухих шамотных масс характерны те же закономерности, что и для прессования других порошкообразных материалов. Увеличение длительности прессования шамотных масс сверх некоторой величины лишь незначительно повышает кажущуюся плотность сырца и, следовательно, малоэффективно. Исходя из этого, период собственно прессования принимают равным примерно 3-4 с, скорость прессования 20-40 мм/с. Массы для полусухого прессования, содержащие 50 % глины-связки, прессуют под давлением 25 МПа, многошамотные массы - при значительно большем давлении (80-100 МПа). С увеличением давления прессования улучшаются все свойства многошамотных изделий, в частности снижается пористость и увеличивается шлакоустойчивость. При h/R_Г > 3, где h - высота сырца; R_Г - гидравлический радиус, применяют двустороннее сжатие.

Прессование фасонных изделий происходит с перераспределением массы между различными их частями; оно зависит от конфигурации изделия, а способность к перераспределению - от условий прессования и свойств массы. В первый период прессования под влиянием перемещения пуансонов крупные частицы раздвигают более мелкие, приходят в соприкосновение друг с другом и образуют каркас. При дальнейшем сжатии возникает пластическая, упругая и хрупкая деформация. Контактные поверхности частично разрушаются; вода выжимается в промежутки между частицами; воздух сжимается в свободных от воды порах и частично растворяется в воде.

Вакуум-прессование масс при полусухом способе более эффективно при соотношении глины к шамоту 50:50. Вакуумирование грубозернистых высокоотощенных масс малоэффективно и поэтому не применяется. Механическая прочность сырца до сушки составляет 1,0-3,5 МПа, что позволяет укладывать сырец непосредственно на печные вагонетки и направлять его в сушку и обжиг в туннельные печи без перекладки.

Полусухое прессование осуществляют на прессах типов СМ-1085, СМ-1085А, СМ-1085Б и др., в которых давление прессования регулируется глубиной заполнения формы массой. Чтобы масса не прилипала к стенкам пресс-формы, производят электрический нагрев верхних и нижних пуансонов. Шамотные сложнофасонные изделия изготовляют полусухим прессованием на специальных прессах, из которых наиболее распространены фрикционные. При полусухом прессовании наиболее часто возникает брак в виде трещин и нарушений размеров и формы сырца. Причина этого - несоблюдение технологии как в подготовке массы, так и в процессе ее прессования, а также неисправность пресса и износ пресс-форм.

Следует иметь в виду, что не все нарушения технологии до прессования и во время его проявляются сразу. Одни нарушения технологического процесса выявляются после сушки, другие - после обжига, а некоторые - в процессе службы огнеупоров. Чтобы избежать трещин перепрессовки, необходимо особенно тщательно следить за глубиной засыпки массы в пресс-форму, зерновым составом массы и ее влажностью. Трещины могут возникать также при неравномерном износе пластин пресс-форм. При полусухом прессовании получается осыпь. Осыпь от прессов падает вниз, собирается транспортерной лентой или виброконвейером под прессом и направляется в смесительные бегуны.

Формование изделий из пластичных масс

Способ пластического формования шамотных изделий применяют издавна. По этому способу массу приготовляют на двух последовательно расположенных двухвальных смесителях, в первом из которых смешивают глину и шамот, а во втором - увлажняют смесь. Начальное уплотнение и придание массе грубой формы изделия осуществляются в ленточных прессах, на которых получают заготовку. Окончательную форму и размеры изделиям придают допрессовкой заготовок на допрессовочных прессах.

Соотношение между глиной и шамотом в массах для пластического прессования определяется формовочными свойствами глины и характером изделий. В зависимости от природы глин и вида изделий содержание шамота в массе составляет 45-65 %, общая усадка изготовленного сырца при этом достигает 6-8 %. Измельчение глины-связки должно обусловливать распускание ее в воде при смешении в течение 1,5-3,0 мин. Увлажнение массы водой, подогретой до 80 °С, или паром улучшает условия распускания глины и обеспечивает более равномерное ее распределение в шамотной массе, тем самым улучшая ее формовочные свойства и облегчая сушку сырца.

Большое положительное влияние на качество массы оказывает ее дезаэрация (вакуумирование). При удалении воздуха из массы ее пластичность и связность сильно увеличиваются. Для получения эффекта вакуумирования необходимо создавать остаточное давление менее 2,66 кПа. Кроме вакуумирования, с целью повышения однородности и формовочных свойств масс применяют их вылеживание и вторичную переработку в ленточном прессе. При допрессовке изделий из пластичных масс возникают следующие виды брака: 1) заусенцы, образующиеся при большом износе форм (поэтому зазор между пуансоном и пластинами пресс-формы не должен превышать 1,0 мм); 2) налипания вследствие прилипания обрезков массы; 3) недопрессовка при недостаточной толщине заготовки или низкой влажности сырца; 4) поверхностные трещины, образующиеся при чрезмерно обильной и густой смазке в изделиях, в зоне отверстий для выхода избыточной массы из пресс-форм и др. Изделия пластического прессования сушат в специальных сушилах на полочных вагонетках.

Способ пластического прессования применяют в настоящее время при изготовлении сифонных изделий, а также изделий особосложной формы, производство которых из полусухих масс экономически нецелесообразно.

Обжиг шамотных изделий

При обжиге шамотных изделий происходят спекание, а также изменение фазового состава, обратимое термическое расширение и необратимое изменение объема изделия. Основные физико-химические процессы при обжиге изделий происходят в связующей глине, однако и в шамоте некоторые процессы также продолжаются. В интервале 150-200°С из сырца выделяется остаточная влага (вода затворения, гигроскопическая). В этот период обжига при недостаточной тяге и большом выделении паров воды может возникнуть их конденсация на изделиях, приводящая к образованию посечек и трещин. Чем выше остаточная влажность сырца и больше трещин в изделиях, тем медленнее следует подогревать сырец. Скорость обжига в этот период зависит от конструкции печи, массы и влажности не только сырца, но и глины-связки и шамота. Наблюдаются случаи, когда при использовании шамота с низким водопоглощением глина-связка оказывается переувлажненной и при сушке в туннельных печах на изделиях образуются трещины. При дальнейшем нагревании шамотных изделий при 400-600°С в глине-связке происходит разложение каолинита с выделением химически связанной воды; при этом возникает лишь незначительная линейная усадка (до 0,5 %). В интервале 600-900°С происходят равномерное и небольшое объемное изменение, в общем соответствующее линейной усадке 2,0-2,5 %, и дальнейшее повышение прочности изделий. При этих же температурах окисляются углеродные примеси и сульфиды, разлагаются карбонаты кальция и магния. При повышении температуры обжига до 1000-1100°С начинается спекание изделий. В этом температурном интервале возможно образование трещин. Объемные изменения при обжиге рассчитываются по уравнению

β = [ρ₀ (1 – ε₀)]/ [ρ₁ (1 – ε₁)],

где β - объемная усадка; ρ₀ и ρ₁ - плотность до и после обжига; ε₀ и ε₁ - истинная пористость до и после обжига.

Допустимая скорость повышения температуры при обжиге в интервале 1000-1300°С зависит в основном от соотношения количества глины и шамота в массе и температуры обжига последнего. Чем больше шамота в массе и чем при более высокой температуре он обожжен, тем выше может быть скорость подъема температуры в печи для изделий одинакового типоразмера. Обжиг шамотных изделий завершают обычно при температуре, на 100-150°С превышающей температуру полного спекания связующей глины. При коротком температурном интервале спекания связующей глины температуру обжига принимают на 50-100°С выше температуры спекания связки. Конечная температура обжига изделий, изготовленных из каолинитовых глин, богатых глиноземом, составляет 1350-1400°С. Дальнейшее повышение ее до 1430-1450°С способствует более полному спеканию и снижению дополнительной усадки. Однако наступающее при этом размягчение материала вызывает деформацию изделий, особенно в нижних нагруженных рядах садки, а чрезмерное уплотнение изделий при потере зернистой структуры материала - снижение термостойкости. Каолиновые изделия обжигают при 1450-1500°С. При использовании низкоспекающихся огнеупорных глин может возникать пережог изделий, выражающийся в уменьшении их кажущейся плотности, сильном увеличении закрытой пористости и появлении вспучивания на поверхности изделий. В интервале 1300-1400°С для выравнивания температуры в печи скорость подъема температуры доводят до 10-16°С/ч в зависимости от типа садки. Выдержка при конечной температуре обжига шамотных изделий составляет 5-6 ч. Процесс охлаждения шамотных изделий сопровождается уменьшением объема материала, поэтому до 800-1000°С охлаждение проводят со скоростью 25-45°С/ч. Ниже этих температур скорость охлаждения несколько замедляют из-за присутствия в печах большого количества тепла, аккумулированного кладкой.

При обжиге шамотных изделий в них возникают напряжения двух видов: первые связаны с линейным расширением и разностью температур по толщине изделий, вторые - с превращениями, протекающими в связующей глине и отощителе. На величину первых напряжений влияют в основном размеры и форма изделий, от которых зависит температурный градиент. На величину вторых напряжений влияют объемные изменения сырца в процессе обжига, которые зависят от природы глины и шамота, их количества в шихте и от температуры обжига изделий. Оба вида напряжений зависят также от скорости подъема температуры в печи.

В настоящее время изделия обжигают главным образом в туннельных печах. В периодических и кольцевых печах допустимо обжигать разнообразные фасонные и крупногабаритные изделия, требующие дифференцированного режима обжига. Садка таких изделий получается довольно сложной. Иногда необходима защита фасонных изделий от непосредственного воздействия пламени. Устойчивость садки из фасонных изделий значительно ниже, чем из нормальных изделий, поэтому первые погружают на подсад (нижняя треть садки) из нормальных изделий, которых требуется 30-40 %, а иногда и больше. Современные туннельные печи позволяют полностью автоматизировать процесс обжига. Масса изделий на одной вагонетке размерами в плане 3,0x3,1 м и высотой садки 2,1 м составляет 13 т.