Материалы Искусственные пористые заполнители Физико-химическая сущность процесса вспучивания керамзита
Сущность процесса получения керамзита заключается в ускоренном нагревании глинистых пород до пиропластического состояния (до размягчения) с одновременным образованием и выделением в обжигаемом материале газообразных продуктов, способных произвести вспучивание.
При нагреве глинистых пород происходят следующие процессы: удаление свободной и физически связанной воды (100-150°), химически связанной воды (300-800°); диссоциация карбонатов с выделением свободной CO2 (600-950°); диссоциация сульфатов и сульфидов с выделением SO2 (550-1000°); выгорание углерода (900-1000°); восстановление окислов железа с высвобождением газообразных продуктов (выше 1000°); разложение глинистых минералов (700-900°); разложение минералов магматических пород с выделением конституционной воды (400-800°); одновременно происходит размягчение материала и появление жидкой фазы (эвтектических расплавов) и др.
При медленном нагревании глинистой породы, даже с хорошей вспучиваемостью, не происходит ни вспучивания ее, ни образования мелкопористой структуры, характерной для керамзита. В этом случае образуется пористый черепок. Масса не вспучивалась в результате преждевременного удаления газообразных продуктов - до приобретения ею оптимальной вязкости.
При ускоренной термической обработке глинистых пород температурные интервалы, в которых протекают вышеперечисленные процессы, смещаются в сторону более высоких температур, сближаются и частично накладываются друг на друга, а поэтому и возможно совмещение процесса газообразования с процессом перехода массы в пиропластическое состояние с оптимальной вязкостью, в результате чего происходит ее вспучивание.
Как было показано ранее, возникновение одного процесса газообразования в определенном интервале температур обжига сырья еще недостаточно для вспучивания массы, необходимо также, чтобы она имела оптимальную вязкость в этом интервале (1050-1250°) и достаточный интервал размягчения (не менее 50°).
В связи с этим следует рассмотреть условия размягчения глин, роль отдельных окислов (окислов железа, натрия, калия, кальция и др.). влияние этих окислов и соединении на вязкость расплава, температурные интервалы вспучивания и др.
Сложная смесь минералов и соединении, подвергаясь нагреванию, претерпевает происходящие в пен физико-химические процессы. В начале нагревания состояние глинистой системы характеризуется более многочисленными и менее подвижными атомами. При дальнейшем нагревании в системе появляются более подвижные атомы, обусловливающие влияние диффузных процессов, контактирование с поверхностями других атомов, входящих в полиминеральную массу глин. Вследствие этого между ними начинают протекать химические реакции еще в твердом состоянии. Эти реакции подготовляют систему к переходу в новое агрегатное состояние.
В период нагрева массы до 800-900° в ней появляется жидкая фаза вследствие образования низкотемпературных эвтектических расплавов от взаимодействия щелочных окислов (Na2O, K2O) с другими компонентами (CaO, SiO2). Так, например, трехкомпонентная система Na2О-CaO-SiO2 образует эвтектический расплав уже при 725°, двухкомпонентная система К2О-SiO2 - при 770 и 1045° и др. Количество жидкой фазы непрерывно увеличивается при повышении температуры нагрева как за счет новых звтектик, так и за счет взаимодействия их с кристаллическими составляющими. Появляются эвтектики системы Na2О- SiО2 при 874 и 1089°, FeO-CaO-SiО2 при 1070 и 1117°, FeO-A12О3-SiО2 при 1100 и 1177° и др.
Появление жидкой фазы в массе снижает ее вязкость настолько, что материал лз этой массы под влиянием даже собственного веса может деформироваться. При этом масса располагает еще значительным количеством твердых тугоплавких частиц, не перешедших в расплав.
Такими тугоплавкими компонентами массы, наиболее стойкими к температурным воздействиям, являются Al2O3 и SiO2. Они также повышают вязкость массы, находящейся в пиропластическом состоянии, a Na2O и K2O расширяют температурный интервал пребывания массы в таком состоянии. При наличии последних двух компонентов в количестве 3-5% в расплав переходит более 50% массы.
FeO в процессе размягчения глины играет существенную роль, образуя ряд важных для этого процесса и процесса вспучивания звтектик. Такие эвтектики обусловливают в то же время оптимальную вязкость для порообразования. К ним относятся системы FeO-CaO-SiO, FeO-Al2O3-SiO2 и др.
Органические примеси способствуют восстановлению окислов железа, более раннему накоплению жидкой фазы с участием FeO, снижению нижней границы интервала вспучивания и его расширению.
CaO образует с другими компонентами сравнительно высокотемпературные эвтектики, например системы CaO-АlО3-SiO2 при 1170°. Высокотемпературный обжиг сырья на керамзит, с одной стороны, мало экономичен, а с другой - создается опасность сильно флюсующего действия CaO в коротком интервале температур, в результате чего возникают быстротечная деформация материала, его оплавление и возможность агрегации зерен керамзита в большие куски - «свары». Поэтому содержание CaO, как установлено опытом, не должно превышать 3-5%.
По С. П. Онацкому скорость деформации неоднородного вспучивающегося расплава в общем виде может быть выражена равенством
v = KFn,
где v - скорость деформации; F - сила, преодолевающая вязкое течение; К - постоянный коэффициент; n - показатель, приближающийся к единице но мере перехода в расплав кристаллических частиц.
В некоторых глинистых породах при их термической обработке образуется 'Недостаточное количество жидкой фазы, вследствие чего они способны претерпевать деформации лишь в слабой степени. Такие породы переходят в весьма вязкие, трудно текучие расплавы и при возникновении внутри них газообразных продуктов почти не вспучиваются.
Наряду с этими имеются глинистые породы, которые при обжиге приобретают малую вязкость и тоже плохо вспучиваются в результате свободного выхода пузырьков газа из легкоподвижной растекающейся жидкости.
За оптимальную вязкость легкоплавких вспучивающихся глин, определенную па вискозиметре «Оргресс», принимается вязкость от 108 до 106 пз. Она зависит в основном от химического и минералогического состава сырья и температуры.
Так как глинистые образования не имеют определенной температуры плавления, то для их характеристики особо важное значение имеет интервал температур, в котором происходит уменьшение кристаллической и нарастание
жидкой фазы и связанный с этим переход материала из твердого в пластическое состояние. Такой интервал называют интервалом размягчения. Он определяет границы области температур оптимального вспучивания.
По мере расширения интервала вспучивания улучшаются условия для порообразования. На пего значительное влияние оказывают следующие компоненты: CaO, SiО2, органические составляющие, Fe2О3 + FeO, AI2O3. Окись кальция сокращает интервал размягчения, окислы натрия и калия, наоборот, расширяют его, делая расплав длинноплавким. На вязкость расплава существенное влияние оказывают Al2O3, SiО2 (повышают), Na2O, K2O, Fe2О3 + FeO, СаО, MgO (понижают). К особенностям действия СаО следует отнести то, что при температуре ниже линии ликвидуса окись кальция повышает вязкость расплава, а при более высоких - понижает ее. С понижением вязкости понижается и поверхностное натяжение расплава. Поверхностное натяжение зависит от вида и соотношения основных фаз, температуры; может быть регулируемо введением в расплав небольших добавок поверхностно-активных веществ, к числу которых относятся Cr2O3, MoO3 и др.
Интенсивность вспучивания зависит от условий, при которых происходит вспучивание. Оптимальные условия для вспучивания создаются при наличии и благоприятном сочетании нескольких факторов: температурных параметров, давления газа в порах, вязкости, поверхностного натяжения и смачиваемости расплава. Для порообразования необходимо наличие газовых пузырьков, которые могут быть эффективными только в том случае, если они. имея еще на стадии образования начальное давление, в состоянии будут увеличиваться в размерах настолько, чтобы превзойти критический радиус.
Возникающие в расплаве пузырьки газа радиусом меньше критического не могут расширяться и произвести эффект вспучивания. В расплавах газы накапливаются и задерживаются только в закрытых порах, а также на поверхности частиц твердых оаз и тем в большей степени, чем меньше смачиваемость твердых частиц.
Точкой А показан нижний предел интервала, характеризующий переход из твердого состояния в состояние минимальной подвижности. Точкой В показан верхний температурный предел интервала, при котором масса переходит в жидкоподвижное состояние. Точки В и Г ограничивают на графиках области оптималыюй вязкости и в то же время температур оптимального вспучивания.
Многие исследователи процессов получения керамзита как в СССР (E. В. Костырко, И.Ф. Пономарев, Б.H. Кауфман. B.C. Вдовьева, Г.Л.Лагунов, С. П.Онацкий, И. А. Гервидс, С. В. Потапенко, А. В. Жуков. К. П. Азаров и др.), так и за рубежом (T. Джексон, E. Ордон, X. Степлеи, Г. Вильсон и О. Каллаунер и др.) высказывали различные точки зрения по поводу того, какие именно газообразные продукты производят эффект порообразования и вспучивания размягченной до оптимальной вязкости керамической массы.
Таким образом к числу наиболее вероятных и важнейших газообразующих веществ н выделяемых лмн газообразных продуктов можно отнести: газообразные продукты восстановления окислов желееа CO2; СО и H2O; газы SO2 и SO3, образующиеся в результате диссоциации сульфатов и сульфидов; углекислый газ CO2, образующийся вследствие диссоциации карбонатных пород; углерод, участвующий в восстановлении окислов железа и в образовании СО, CO2 или H2O: химически связанную воду, высвобождающуюся в результате разложения первичных и вторичных минералов - мусковита, биотита, роговой обманки, акти-нолита, каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др. - и принимающую участие во вспучивании массы оптимальной вязкости.
Вспучиваемость глин зависит также от характера среды, в которой производится обжиг глины на керамзит.
При ускоренной термической обработке глинистого сырья в нем возникают преимущественно восстановительные реакции, которые являются основным источником газообразной фазы при вспучивании глин. Но и сама восстановительная среда печи также выполняет роль интенсивного восстановителя. Вследствие этого вспучиваемость большинства глин в восстановительной среде значительно выше, чем в окислительной или нейтральной.
