Термические свойства

Термические свойства проявляются в процессе нагрева глины при высоких температурах. Важнейшими из них являются огнеупорность, огневая усадка, спекаемость и интервал обжига.

Огнеупорностью называют свойство керамических материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Показателем (количественной мерой) огнеупорности является температура, при которой образец из данного материала, имеющий форму трехгранной усеченной пирамиды (условно именуется «конусом»), деформируется под влиянием собственной тяжести, касаясь при этом своей вершиной керамической подставки.

Под огнеупорностью глины понимают условную температуру ее плавления. Условной эта температура является потому, что глинистая порода не представляет собой мономинеральное вещество, а является полидисперсной системой. Поэтому она не имеет строго определенной температуры плавления, а плавится в некотором интервале температур. В связи с этим за температуру плавления глины условно принимают показатель ее огнеупорности. Глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные - огнеупорность выше 1580° С, тугоплавкие - от 1350 до 1580° С и легкоплавкие - ниже 1350° С.

Огнеупорность глины зависит от ее химического состава глинозем повышает огнеупорность глины, кремнезем тонкодисперсный понижает, а крупнозернистый повышает огнеупорность. Примеси щелочных металлов являются наиболее сильными плавнями (флюсами) - веществами, понижающими температуру плавления глины. Окислы щелочноземельных металлов также являются плавнями, но их флюсующее действие проявляется при более высокой температуре.

Огнеупорность керамических материалов, содержащих в своем составе железистые окислы, зависит еще от химического характера газовой среды при обжиге: восстановительная среда существенно понижает огнеупорность вследствие того, что окись железа восстанавливается в закись, а последняя, обладая большой реакционной способностью, образует с кремнеземом файялит, имеющий температуру плавления 1205° С.

Спекаемость является вторым очень важным термическим свойством глин. Под спекаемостью глин понимают их способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камнеподобного черепка.

Спекание глин может происходить вследствие стягивания и склеивания твердых частиц жидкой фазой - силикатными расплавами, образующимися при обжиге глины (жидкостное спекание), вследствие рекристаллизации минералов, составляющих керамическую массу, и благодаря реакциям в твердой фазе между отдельными компонентами глины или продуктами их распада (твердофазовое спекание). Результатом процесса спекания является уплотнение обжигаемого материала и, как следствие, уменьшение его открытой пористости. Поэтому степень спекания контролируется водопоглощением керамического черепка и спекшимся считается черепок, имеющий водопоглощение не ниже 5%. В связи с этим спекаемость иногда определяют как способность глины давать без признаков пережога керамический черепок с водопоглощением менее 5%. Признаками пережога считаются деформация образца, видимое вспучивание или снижение объемного веса более чем на 0, 1 г/см3.

Спекаемость является важнейшим признаком, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий - канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий.

Степень спекаемости глин характеризуют также температурным интервалом спекания.

Глинозем увеличивает интервал спекания глин, окись кальция резко его понижает, щелочные окислы расширяют интервал спекания. У каолинитовых глин интервал спекания, как правило, выше, чем у монтмориллонитовых. Запесоченность глин резко снижает их интервал спекания. Наименьшим интервалом спекания (примерно 50 - 100°) обладают легкоплавкие глины, лёссовые глины почти совсем его не имеют, наибольшее его значение (до 400°) у огнеупорных глин.

Интервал спекания определяет возможность обжига изделий в печах, характеризующихся определенным перепадом температур между верхом и низом печи.

Для некоторых видов керамических изделий низкое водо-поглощение черепка является необязательным или даже недопустимым. В этих случаях температурные границы, в пределах которых можно вести обжиг изделий, определяет не интервал спекания, а интервал обжига. Под интервалом обжига понимают температурные границы, в пределах которых изделие при обжиге приобретает необходимые свойства. Так, например, для строительного кирпича минимальная температура обжига будет ограничена достижением прочности, соответствующей марке 50 (минимальная допускаемая марка кирпича), а максимальная - водопоглощения черепка, равным 8%, что соответствует нормам. Интервал температур, в пределах которого соблюдаются эти величины, и будет интервалом обжига. Интервал обжига по своей величине много больше интервала спекания. Этим объясняется то, что глины с очень малым интервалом спекания оказываются пригодными для обжига кирпича в печах с относительно большими перепадами температур.

Огневая усадка представляет собой сокращение размеров абсолютно сухого глиняного образца при его обжиге. Сближение глинистых частиц происходит в обжиге под воздействием сил поверхностного натяжения, носителем которых является жидкая
фаза, возникающая в материале в виде смлмкатных расплавов.

Огневая усадка глин колеблется в пределах от 2 до 8% и достигает в отдельных случаях 14%. С увеличением содержания глинистой фракции усадка возрастает. Сильно запесоченные глины могут совсем не давать усадки и даже обнаруживать в обжиге «рост» (усадка в этом случае получает отрицательный знак). Монтмориллонитовые глины имеют большую огневую усадку, чем каолинитовые. Щелочные окислы всегда повышают огневую усадку, а железистые - лишь при обжиге в восстановительной среде. С повышением температуры обжига усадка, как правило, возрастает. По этой причине неравномерно обожженные изделия могут иметь заметный разброс в размерах.