Назначение оптимальных режимов термической обработки

Температура и состав атмосферы, омывающей предмет термической об­работки, должны способствовать ходу полезной реакции или процесса, кото­рые происходят в это время в обрабатываемой массе. Если реакции или про­цесс нежелательны, то необходимо их подавить или замедлить путем измене­ния состава атмосферы или температуры обжига.

В полуфабрикатах, изготовленных из глинистых материалов с добавле­нием существенного количества (более 8%) воды, после сушки остается оп­ределенное количество воды, адсорбированной на поверхности частиц или связанной капиллярными силами. Количество воды в полуфабрикате зависит от условий сушки, а также от температуры и влажности среды, в которой вы­сушенные полуфабрикаты хранились перед подачей в печь. В первых фазах термической обработки эта вода должна быть удалена со всего объема полу­фабриката. Температуру следует повышать с такой скоростью, чтобы не воз­никали значительные перепады температур между поверхностью и внутрен­ней частью полуфабрикатов. Разницы температур нежелательны, с одной стороны, из-за появления напряжений, вызываемых усадкой материала, с другой стороны, из-за того, что слишком большой поток теплоты в материал вызывает выделение большого количества паров внутри изделия, которые не могут свободно выйти из него в окружающее пространство. Все это ведет к разрушению полуфабриката, подвергнутого термической обработке. Поэтому в этой фазе температуру теплоносителя (атмосферы печи) необходимо регу­лировать так, чтобы она не слишком отличалась от температуры поверхности отдельных полуфабрикатов. При этом содержание водяных паров в атмосфе­ре должно быть таково, чтобы переход воды с предмета термической обра­ботки в пространство печи протекал с требуемой скоростью, значение кото­рой определяют на основе технологических испытаний.

В полуфабрикатах, отформованных с небольшим количеством воды (6-8%), или предварительно высушенных, большая часть пор уже не имеет воды в жидком состоянии и они способны пропускать газы. Масса этих полуфаб­рикатов не пластична и при дальнейшем снижении содержания воды имеет малую усадку. В данном случае температуру можно повышать быстрее, так как через непрерывные поры водяной пар отводится лучше, и напряжения, вызванные разной усадкой поверхности и внутренней части отдельных изде­лий, значительно меньшие. Главным ограничением повышения скорости на­грева является обеспечение проницаемости материала для водяных паров,

поступающих из внутренних слоев тела к поверхности, и требование не слишком большого перепада температур между этими слоями. Слишком большие колебания температур вызвали бы отличия фаз термической обра­ботки разных частей одного и того же тела. Так как снижение содержания воды в массе изделия не приводит к существенной его усадке, содержание пара в атмосфере можно произвольно снижать.

В случае снижения влажности изделия со значительным количеством воды (более 8%) необходимо регулировать содержание водяных паров в ат­мосфере так, чтобы температура точки росы атмосферы не превышала темпе­ратуру поверхности полуфабриката, так как в противном случае происходит конденсация воды на поверхности изделия, вызывающая его повреждение.

Определение температуры появления расплава в двухкомпонентных сис­темах рекомендуется производить по методу Хауленда, включающему два варианта расчета - по числу атомов в молекуле и с использованием энталь­пии материала. Более предпочтительным представляется вариант расчета по числу атомов в молекуле. В этом случае определение температуры эвтектики в двухкомпонентной системе сводится к построению кривой ликвидуса для каждого из компонентов. Применительно к режимам обжига керамических материалов, характеризующихся неравномерным состоянием спекаемых ма­териалов, метод Хауленда позволяет получить вполне приемлемые для тех­нологических расчетов данные (таблица 2.13) [9].

Как правило, для большинства керамических глин характерно более или менее заметное поглощение тепла при 550-580 °С и затем - около 960 "С, четкий положительный эффект; при этом поглощение тепла, предшествую­щее этому эффекту, будет продолжаться и далее.

Модификационное превращение р-кварца в а-кварц и наоборот проис­ходит при температуре 573 °С и сопровождается изменением объема и окра­ски свечения. При нагревании, когда Р-кварц превращается в а-кварц, проис­ходит скачкообразное увеличение объема и потребление теплоты; при охла­ждении процесс имеет обратное направление. Поэтому в интервале темпера­тур 620-530 °С при охлаждении необходимо снижать перепад температур между средой в печи и поверхностью садки до минимальных значений с тем, чтобы выделение теплоты в результате перехода кварца от одной модифика­ции к другой происходило как можно медленнее и чтобы объемные измене­ния не повредили изделие.

Для нагревания глины до 1000 °С необходимо приблизительно вдвое больше тепла, чем для обжига той же глины после предварительного прока­ливания. Химическое разложение при обжиге главным образом проявляется в сильном возрастании растворимости глинозема в разбавленной соляной ки­слоте. Небольшое количество окиси железа, содержащейся в каолинах и гли­нах, также становится легко растворимым в кислотах после эндотермической дегидратации. При эндотермическом эффекте при 550 °С глина превращается в смесь свободного кремнезема и свободного глинозема, растворимость гли­нозема в кислотах становится значительной. Однако если нагревать каолин до 850 °С и выше, растворимость сильно понижается вследствие начала рек­ристаллизации окиси.

Таблица 2.13 Данные для расчета температуры эвтектики соединений

Для большинства практических целей достаточно иметь кривые тепло-емкостей керамических масс, таких как глинозем, кварц, окись магния и т. д. и продуктов, обожженных при различных температурах.

Расчетные значения эвтектических температур в бинарных, трех, четы­рех и пятикомпонентных системах представлены в таблицах 2.14 и 2.15 [9].

Таблица 2.14

Расчётные эвтектические температуры бинарных смесей минералов

и оксидов

Данные, приведенные в скобках (табл.2.14), соответствуют значениям, полученным с использованием энтальпии.

Таблица 2.15

Расчетные минимальные эвтектические температуры в трех, четырех и

пятикомпонентных системах

Кодзу и Массуда путем термического анализа изучали процесс дегидра­тации глин, применяя в качестве эталонов диаспор, кремнезем или обожжен­ный полевой шпат. Было установлено, что образование кристаллических алюмосиликатов и особенно муллита тесно связано с рекристаллизацией у-глинозема при 900 °С. В чистых глинах образование муллита происходит при 1600 °С, в менее чистых около 1500 °С кристаллы муллита появляются при 1400 °С и ранее.

Расчет минимальной эвтектической температуры производится по фор­муле

где Т_n-минимальная эвтектическая температура в n-компонентной системе, К; n-число компонентов в исследуемой системе; Т_м, Т_м-1 - минимальные эвтек­тические температуры в системах с меньшим, чем в исследуемой системе, числом компонентов; 2<m< (n-1).

Совокупность условий и процессов, при которых проводится термиче­ская обработка, называется режимом термической обработки. Это прежде всего изменение температуры во времени и изменение состава газовой среды

в печи. Составляющими режима являются также теплоемкость среды, ско­рость и характер ее движения и давление. Чтобы термическая обработка ке­рамики была качественной и экономной, необходимо проводить ее в опти­мальном режиме. Оптимальный режим термической обработки - это наибо­лее короткий режим сушки и обжига, позволяющий при наименьших темпе­ратурах получать наилучшие свойства. Короткий режим оптимален потому, что печь, обеспечивающая требуемую производительность, имеет при этом наименьшие размеры. Туннельная печь, например, с постоянным циклом об­жига продолжительностью 48 ч, наполовину короче, чем туннельная печь та­кой же производительности, но работающая с циклом обжига 96 ч. Наиболее низкая температура оптимальна потому, что при повышенной температуре термической обработки возрастает удельное потребление теплоты. Например, при обжиге фарфора в туннельной печи с температурой 1400 °С удельное по­требление теплоты равно 29,6 МДж/кг. При использовании материала, даю­щего возможность изготовить при температуре обжига 1300 °С изделия того же ассортимента, та же туннельная печь без какой-либо реконструкции по­требует теплоты приблизительно 24,6 МДж/кг.

Оптимальный режим термической обработки определяется не только со­ставом обрабатываемой массы, он зависит и от размеров и формы изделия, способности подготовки и формовки полуфабриката, вида и типа печи, спо­собов размещения в печи, примененного вида топлива и системы нагрева. Изделия больших размеров, изделия с толстой стенкой черепка, изделия сложного вида, изделия плотно уложенные в печи, необходимо обрабатывать медленнее, чем изделия мелкие, тонкостенные и изделия простой формы. Из­делия, изготовленные при формовке на прессах, в частности из массы, подго-товленые из молотого просушенного сырья, можно обжигать с большей ско­ростью, чем те же изделия, но изготовленные протяжкой из мундштука или методом литья. В печах с редкой садкой можно нагревать изделия с большей скоростью, чем в печах с более плотной садкой, в печах, работающих на газе, допустимо более быстрое изменение температуры, чем в печах, работающих на жидком топливе. Туннельные печи малого сечения позволяют производить более быстрый обжиг, чем периодические печи большого объема даже тогда, когда система отопления большой печи рассчитана на быстрый обжиг.

Поиск по сайту: