Процессы, протекающие при обжиге

При обжиге в зависимости от термодинамических ус­ловий— температуры, газовой среды, аэродинамическо­го режима и состава массы — протекают сложные фи­зико-химические процессы: обезвоживание, разложение компонентов массы и выгорание органических приме­сей с выделением газообразных продуктов, реакции вза­имодействия компонентов массы с образованием новых кристаллических фаз, плавление легкоплавких эвтектик q образованием жидкой фазы, полиморфные превра­щения и др.

Превращения минералов массы при нагревании про­ходят в три этапа: разрушение минерала, полиморфные превращения и образование новых минералов и соеди­нений. Поскольку массы фарфора, полуфарфора, фаянса состоят в основном из трех основных компонентов: гли­нистые, полевой шпат, кварц, то и процессы между ни­ми протекают в области тройных диаграмм: КгО— А1203—Si02 и Na20—А1203—Si02.

Взаимодействие компонентов массы сопровождается поглощением или выделением теплоты. Считается, что для удаления 1 кг конституционной воды из глинообра-зующих минералов необходимо затратить 4300 кДж/кг теплоты, для образования жидкой фазы при плавлении компонентов массы —3400 кДж/кг, диссоциации карбо­натов кальция — 2830 кДж/кг, магния — 2750 кДж/кг. Общее теплопотребление при обжиге на преобразование глинистых минералов составляет 2100 кДж/кг.

В зависимости от условий обжига протекающие про­цессы накладываются друг на друга, смещаясь, особен­но при скоростном обжиге, в область более высоких тем­ператур. Известно, что при постоянной температуре и длительности нагрева в системе устанавливается равно­весие.

Однако при обжиге керамических изделий темпера­турные условия нагрева изделий непрерывно изменяют­ся и равновесие фазовых превращений установиться не может, так как реакции растворения и выделения ново­образований протекают медленно, а обжиг проходит слишком быстро. Вследствие этого при термической об­работке изделий непрерывно изменяются их объемы, проч­ность, окраска, механическая и электрическая проч­ность, термическая стойкость и другие свойства. Так, при обжиге фарфоровых изделий внутренние напряже­ния в черепке становятся заметными при 130—140° С, интенсивное порообразование — при 180—240° С, изме­няясь на всем протяжении нагрева, резко возрастая в период удаления химически связанной воды, снижаясь с наступлением спекания изделий (кривая 3, рис. 83). Механическая прочность черепка изделий нарастает сна­чала медленно, увеличиваясь с повышением температу­ры. Цвет фарфора при 550° С изменяется от серого до серо-розового, светло-розового с уменьшением содержания белого цвета. С 700*С интенсивность окраски сни­жается, а содержание белого цвета увеличивается. Мик­роструктура фарфорового черепка, обожженного при 1000° С, представлена глинисто-каолинитовым изотроп­ным веществом, кварцем, зернами полевого шпата, слю­ды. Кварц имеет остроугольную, реже изометрическую форму с едва заметными следами оплавления, особенно на острых углах. Зерна полевого шпата сохраняются без особых изменений, изредка они покрыты трещинами. При дальнейшем повышении температуры более интен­сивно взаимодействуют компоненты массы, что приво­дит к возникновению новых кристаллических фаз, лег­коплавких эвтектик и жидкой фазы, к полиморфным превращениям и др. Каолинит и другие глинистые мине­ралы превращаются в муллит и кристобалит, кварц в различные модификации кремнезема, полевой шпат (пегматит) расплавляется, кварц растворяется при уча­стии глинистых минералов.

Каолинит и другие глинистые минералы при нагре­вании претерпевают наиболее сложные изменения, ха­рактеризующиеся термическими эффектами на диффе­ренциальной кривой комплексной термограммы (рис. §4). Экзотермические процессы сопровождаются выделением теплоты и фиксируются на дифференциальной кривой! 2 положительными пиками. Эндотермические процессы со­провождаются поглощением теплоты, что отмечено на кривой «провалами» — отрицательными пиками. Кроме дифференциальной кривой на рисунке располагаются кривые температуры нагревания печной среды 1, изме­нения объемов 3 и массы образца 4.

Первый, слабо выраженный эндотермический эффект характеризует удаление свободной воды. Хотя изделия, поступающие на обжиг, имеют незначительную влаж­ность (1—4%), интенсивное удаление ее может вызвать появление трещин. При быстром нагревании удаление влаги происходит при более высоких, чем обычно, тем­пературах— 140—160°С, что может привести к разру­шению изделий.

Химически связанная вода удаляется в интервале 450—850° С в зависимости от природы глинистых мине­ралов, их структуры и скорости нагрева. Основное ко­личество (12 из 13%) химически связанной воды уда­ляется при температуре около 610° С, если длительность нагрева составляет не менее 10—12 мин. При скоростном нагреве удаление остатков (менее 1%) воды закан-' чивается при 900—1000° С. Удаление химически связан» ной воды сопровождается четко выраженным эндотер­мическим эффектом. Разрушаются молекулы каолинита, перестраивается кристаллическая решетка и ослабляет­ся химическая связь между А1203 и Si02 в каолинито-вом остатке. Удаление химически связанной воды со­провождается потерей массы и незначительной усадкой материала, что фиксируется на соответствующих кри­вых.

Процесс дегидратации каолинита протекает с обра­зованием метакаолинита по реакции

Al203-2Si02-2HaO -> Ala03-2SiOa»+ 2Н20.

После обезвоживания в каолинитовой остатке сохра­няются некоторая степень кристалличности и следы во­ды, удаляемой при более высокой температуре. Боль­шинство исследователей рассматривают метакаолинит как промежуточную фазу при переходе каолинита в мул­лит в процессе нагревания. Другие исследователи вы­сказывают мнение, что продуктом дегидратации моле­кулы каолинита являются свободные оксиды по реак­ции:

Al203-2SiO2-2H20-*Al203 + 2Si02 + 2Н20.

Процесс дегидратации следует рассматривать как кристалло-химический процесс изменения двухслойной решетки каолинита с поглощением значительного коли­чества теплоты, фиксируемого на кривой эндотермиче­ским эффектом. Первый экзотермический эффект в ин­тервале 900—1050° С (на кривой 2 при 1045° С рис. 84) объясняется перестройкой кристаллической решетки ос­татка каолинита, возможным распадом метакаолинита на свободные оксиды, разрывом связей между кремне-кислородными тетраэдрами и частичным повышением координационного числа ионов Al4 — А16; образова­нием изоморфного глинозема углинозема и его интен­сивной кристаллизацией.

Второй и третий экзотермические эффекты соответ­ственно при 1150—1300 и 1210—1320° С связаны с обра­зованием муллита и кристобаллита, а возможно и с кристаллизацией кристобалита из аморфного кремнезе­ма—продукта распада каолинита, хотя последнее мало вероятно из-за высокой растворимости аморфного крем­незема в силикатном расплаве. На кривой эти эффекты че отражены, хотя хорошо фиксируются на кривой из­менения объема.

Муллит образуется из продуктов дегидратации као­линита — свободных оксидов

ЗА1203 + 2SiOa-> 3AlA-2Si02 и метакаолинита

3'(AlA-2Si02)-*3AlA-2Si02 + 4SiO!!. Муллит является наиболее термодинамически устой­чивой формой соединения, в которой ионы алюминия частично находятся в четвертной, частично в шестерной координации.

Существует также предположение, согласно которо­му с разрушением решетки метакаолинита возможно образование чешуйчатого муллита через промежуточную фазу — шпинель по реакции

2 (А1203 ■ 2Si02) -> 2А1А • 3Si02 + Si02, сопровождаемое уплотнением черепка. Образование игольчатого муллита начинается при 1200й С. В процес­се спекания черепка изделий игольчатый муллит при 1300°С полностью кристаллизуется в первичной стекло-фазе, происходит образование вторичной стеклофазы, которая не содержит муллита, поскольку обладает вы­сокой способностью растворять А1203. Ее количество увеличивается за счет растворения кварца. Поскольку аморфный кремнезем, оставшийся при термическом раз­ложении каолинита, в обычных условиях обжига фар­фора не переходит в кристобалит, количество послед­него в фарфоре не превышает 4%. Таким образом, кри­сталлическими продуктами изменений каолинита явля­ются муллит и кристобалит (теоретически 63, 9% мул­лита и 36, 1% кристобалита). Схема процесса формиро­вания муллита из каолинита может быть представлена так: каолинит-> -метакаолинит-> -фаза шпинельного ти-па-> -муллитовая фаза-> -развитие собственно муллита.

На температуру образования муллита влияют также даже незначительные количества каталитически актив­ных примесей или специально вводимые добавки. Важ­ным является то, что даже небольшое количество при­месей, всегда имеющихся в глинах, влияет на формиро­вание черепка больше, чем это соответствует их содер­жанию в массе.

Минерализаторы различно действуют на реакции между твердыми веществами: на образование зароды

Большое влияние на процесс образования муллита оказывает состав печной атмосферы. Образование мул­лита в присутствии водяного пара ускоряется в 3, 5 ра­за, водорода — в 2 раза, азота — в 1, 6 раза по сравне­нию со скоростью протекания процесса муллитизации в воздушной среде. Восстановительная среда и присутст­вие FeO, образовавшегося в результате восстановления Fe203, способствуют более низкотемпературной (около 850° С) кристаллизации муллита из расплава и повыше­нию его содержания в черепке изделий.

Муллит, образовавшийся в черепке изделий при отсут­ствии жидкой фазы (первичный муллит), находится как бы в зародышевом состоянии, он очень мелкий, трудно различим обычными методами изучения микроструктуры. Установлено, что образование первичного муллита про­текает в три стадии: образование изометрических ша­рообразных зародышевых форм муллита диаметром 0, 1—0, 2 мкм; рост и спекание изометрических образо­ваний с образованием цилиндрических и призматиче­ских кристаллов длиной до 10 мкм и их агрегаций; рав­номерное развитие кристаллов муллита, вкрапленных в стеклофазу.

С повышением температуры обжига изделий содер­жание муллита снижается, так как происходит интенсив­ная рекристаллизация мелких кристаллов в полевошпа­товом расплаве в более крупные кристаллы вторичного муллита в виде тончайших переплетенных между собой игловидных кристалликов, пронизывающих (армирую­щих) стеклофазу и влияющих на важнейшие свойства изделий. Максимально возможное количество муллита в фарфоре при введении 50% глинистых компонентов в массу составляет около 25%.

Кварц играет важную роль в формировании черепка изделий, его влияние обусловлено большим разнообра­зием преобразований, претерпеваемых им при обжиге изделий (табл. 15).

Из всех полиморфных разновидностей кристалличе­ского кремнезема в фарфоре основными являются: а и Р»кварц, а, Р и у-тридимит. Кристобалит в фарфоре со­ставляет менее 4%. Полиморфные превращения кремне­зема не равнозначны по глубине происходящих измене­ний в кристаллической решетке.

Кремнезем, встречающийся в природе, находится в форме р-кварца. При температуре 575° С р-кварц пере­ходит в а-кварц с увеличением в объеме иа 2, 4%. Опас­ность этого перехода повышается тем, что он протекает очень быстро и может стать причиной растрескивания изделий. При температуре 870°С а-кварц переходит в а-тридимит с увеличением объема на 12, 7%, а часть а-кварца переходит в а-кристобалит при 1300—1350°С с увеличением объема на 17, 4%- Поскольку эти превра­щения протекают очень медленно, а температурные ус­ловия меняются быстро, в черепке изделий, обожженных при 1350—1410° С, будут находиться зерна а-кварца, на поверХност" и которых в виде тонкого слоя располагают­ся зерна а-кристобалита, а также кристаллы муллита, стекловидная фаза и поры. Объемные изменения этих переходов представляют меньшую опасность растрески­вания черепка изделий, чем модификационные превра­щения кварца при 575° С. При охлаждении изделий про­исходят обратные превращения а-кварца и а-кристоба­лита.

Превращения протекают с большой скоростью вви­ду сходства кристаллических решеток модификаций а, Р и у-формы. Эти превращения не требуют минерали­заторов и протекают по схеме

Объемные изменения кварца при нагревании исполь­зуют для снижения прочности его перед помолом. При резком охлаждении кварца, предварительно нагретого до 900° С, он разрыхляется и легко измельчается. Не­смотря на то, что модификационные превращения квар­ца протекают в малых температурных интервалах, ско­рость этих преобразований ниже скорости растворения кварца в полевошпатовом расплаве. Этим также объяс­няется, например, то, что в фарфоровом черепке кри-стобалит и тридимит встречаются редко и в небольших количествах.

Наличие примесей и расплава ускоряет модификаци­онные превращения кремнезема и способствует более полному их протеканию. Объемные превращения крем­незема учитываются при определении оптимальных кривых обжига изделий. Фактическое изменение объемов зерен кварца и производимое этим вред­ное действие значительно ниже теоретически воз­можного из-за наличия трещин в остаточных зернах кварца, заполненных жидкой фазой, что частично амор­тизирует объемные изменения и связанные с ними на­пряжения. В черепке фарфора, например, кварц состав­ляет 8—14%.

Кварц, нерастворившийся в расплаве, способствуя механической прочности изделий, одновременно создает внутренние напряжения из-за значительно большего, чем у других составляющих черепка, КТР (расшире­ние): кварц —1, 38%, стеклофаза —0, 53—0, 79%, пони­жая этим термостойкость изделий.

Полевой шпат или его заменители играют активную роль в процессах фазообразования при формировании черепка изделий. Полевые шпаты, пегматиты, нефелино­вые сиениты создают жидкую фазу за счет собственного перехода в расплав. Мел, доломит, тальк, взаимодейст­вуя с глинистым веществом, кварцем и другими компо­нентами массы, образуют легкоплавкие эвтектики. При низких температурах до 600—700°С полевой шпат в массе изделий является отощителем. С повышением тем­пературы в полевом шпате начинаются твердофазные процессы спекания с изменением физических и опти­ческих свойств. При наличии различных минеральных примесей легкоплавкие эвтектики возникают в ограни­ченных количествах, обеспечивающих достаточную связь минеральных частичек для придания прочности черепку изделий задолго до плавления полевого шпата. При до­стижении температуры плавления полевошпатового рас­плава последний выполняет роль растворителя кварца и каолинитового остатка, связки непрореагировавших с расплавом кварца и каолинитового остатка, а. также активного минерализатора, способствующего протека­нию внутримолекулярных превращений каолинита, диф­фузионных процессов и росту линейных размеров ново­образований. При этом происходит насыщение полево­шпатового расплава диффундирующими ионами алюми­ния в расплаве. Полнота протекания этих процессов зависит от растворимости кристаллической фазы в жид­кой, количества жидкой фазы и ее свойств — способно­сти смачивать твердые частички, растекаться по их по­верхности и проникать в капиллярные щели между твер­дыми частичками.

Процесс структурообразования начинается с момен­та появления жидкой фазы, хотя известно, что реакция в твердой фазе протекает значительно раньше. Твердо-фазовое спекание находится в прямой зависимости от величины и формы частиц твердой фазы, а также де­фектов кристаллической решетки минералов, так как эти факторы определяют поверхностную энергию, кото­рая играет решающую роль в процессах спекания. Ре­акции в твердом состоянии протекают путем взаимной диффузии ионов в результате непосредственного контак­тирования плоскостей частиц твердой фазы. При спека­нии с участием жидкой фазы создаются условия для ин­тенсивного уплотнения черепка и деформации изделий. Размягчение начинается тогда, когда повышение темпе­ратуры на 1°С вызывает линейное приращение усадки более чем на 0, 03% высоты изделия.

В оценке роли плавней в процессах фазообразования большое значение имеют интервал между началом раз­мягчения и плавлением полевого шпата (у ортоклаза 210°С, у альбита 60°С), вязкость расплава при 1330— 1400°С (калиевого 10, натриевого 1 ТПа-с), сила по­верхностного натяжения, смачивающая способность и т. д. Калиевый полевой шпат образует более вязкий расплав, лучше сопротивляющийся деформационным усилиям и обеспечивающий большую плотность изделий, чем натриевый. Повышение температуры обжига снижа­ет вязкость расплава и повышает его реакционную спо­собность. По данным А. И. Августиника и других, ра­створимость кварца в расплаве альбита и ортоклаза при 1300° С составляет соответственно 25—30 и 15—20%, а 1 метакаолинита 8—15 и 5—10%. При 1000° С расплав полевого шпата растворяет от 5 до 6% муллита.

Растворение кристаллических фаз начинается с по­верхности и зависит от тонины помола компонентов массы, резко возрастая с уменьшением размера частиц. С повышением тонины помола, например, кварца до 15—30 мкм увеличивается его растворимость в распла­ве, что способствует большему насыщению и повыше­нию вязкости расплава.

На растворимость кварца в расплаве влияет и его генезис. Кварц пегматитов растворяется значительно активнее, чем кварцевый песок. Кварц из каолинизиро-ванного кварцита (гусевского камня) растворяется ак­тивнее, чем кварц из пегматита. Это объясняется тем, что каждое зерно кварца в пегматите или гусевском камне уже в какой-то мере более подготовлено приро­дой в результате длительного физического и химическо­го выветривания, имеет меньшую прочность и большую трещиноватость. Не затронуто в нем только ядро —цент­ральная часть, что способствует большей реакционной способности этих зерен, чем зерен кварцевого песка. Аморфный тонкодисперсный кварц — продукт дегидра­тации каолинита — обладает высокой растворимостью в расплаве.

В результате растворения полевошпатовый расплав у поверхности зерен каолинитового остатка насыщается больше глиноземом, у поверхности кварца — кремнезе­мом. Этим объясняется неоднородность состава (микро-гетерогенность) после затвердения и различие свойств стекловидной фазы (показатель преломления колеблет­ся от 1, 535 до 1, 529, в то время как показатель прелом­ления собственно стеклофазы, например, фарфора 1, 48). С повышением температуры обжига объем жидкой фа­зы непрерывно увеличивается (до 45—65% у фарфора, 20—40% у полуфарфора, 15—25% у фаянса) за счет растворения кварца. Снижение до 8—14% количества нерастворившегося кварца происходит за счет частично­го перехода его в кристобалит — в фарфоре это количе­ство снижено до 4%. Образование кристобалита неже­лательно из-за склонности его к модификационным превращениям во время охлаждения изделий, вызыва­ющим внутренние напряжения в материале изделий и повышенное водопоглощение. Содержание муллита при заданных температурах обжига остается примерно по­стоянным (для фарфора, обожженного при 1350— 1360°С, около 17—18%). Перекристаллизации муллита способствует наличие в полевошпатовом расплаве групп А106, А104 и Si04, являющихся зародышевыми элемен­тами вторичного муллита, обладающего большой стабильностью.

Процессы образования структуры при участии жид­кой фазы протекают в несколько стадий (рис. 85). Пер­воначально процесс спекания начинается со склеивания кристаллических частиц незначительным количеством расплава (рис. 85, а) в зоне непосредственного контакта зерен полевого шпата с частицами глины, каолина, кварца и за счет образования легкоплавких эвтектик. Далее с увеличением количества основного полевошпа­тового расплава им обволакиваются все зерна кристал­лической фазы с одновременным взаимодействием рас­плава с каолинитовым остатком и зернами кварца (рис. 85, 6). В завершающей стадии спекания при тем­пературе выше 1250° С начинается диффузионный про­цесс растворения в полевошпатовом расплаве каолини­тового остатка и кварца (рис. 85, в), необходимых для построения кристаллической решетки вторичного мул­лита.

В этих процессах решающее значение имеет перво начальная вязкость распла­ва. Слишком вязкий расплав не способствует связыва­нию частиц твердой фазы, в то время как маловяжий расплав хорошо смачивает кристаллические частицы, но способствует деформа­ции изделий. Чем больше расплав насыщается раство­ряющимися в нем кварцем и глиноземом, тем выше его вязкость и больше механи­ческая прочность изделий. Щелочные оксиды снижают поверхностное натяжение расплава. Кремнезем дей­ствует двояко: в присутствии поверхностно-неактивных компонентов снижает поверх­ностное натяжение, а в присутствии К2О, PbO, Р2О5 и других и при увеличении в расплаве содержания Si02 увеличивает его. Глинозем всегда повышает поверхно­стное натяжение расплава. Малая вязкость и малое поверхностное натяжение расплава более благоприятно для спекания в процессе обжига. Важную роль в опре­делении этих свойств расплава играет его строение. Вве­дение минерализующих добавок ZnO, MgO, Ti02, CaF2 и других способствует не только увеличению количества жидкой фазы, но и изменяет строение расплава и по­вышает за этот счет его реакционную способность.

Кроме температурных условий на спекание и уплот­нение черепка изделий влияет гранулометрический со.-став, форма частиц и характер их упаковки, количество жидкой фазы в период спекания. Характерной особен­ностью процесса спекания является то, что одновремен­ное растворение твердой фазы и кристаллизация из рас­плава новообразований не прекращаются на протяжении всего периода спекания.

В результате обжига в черепке, например, фарфоро­вых изделий будут находиться стекловидная изотропная масса (полевошпатовое и кремнезем-полевошпатовое стекло), нерастворившиеся, но оплавленные зерна квар­ца со слоем метакристобалита на их поверхности, кри­сталлы муллита (первичный и игловидный вторичный).

Поры в черепке, главным образом, закрытые, округлой формы. Соотношение этих фаз определяет текстуру и физико-механические свойства изделий.

Формирование черепка изделия при обжиге дости­гается не только поддержанием оптимальной температу­ры и времени нагрева полуфабриката, но и химическим составом печной атмосферы. Состав атмосферы опреде­ляется избытком кислорода в печных газах, содержание которого колеблется до 1% в восстановительной, 1, 5— 2% в нейтральной, 2—5% в окислительной и более 10% в сильно окислительной среде. Взаимодействие между материалом изделий и атмосферой печи происходит в результате контакта твердой фазы с газами не только на поверхности, но и во внутренних слоях. По активно­сти проникновения газов в черепок изделия при 1200°С их можно расположить в следующей последовательно­сти:

Н2 > S02 > воздух]> С02.

Гидродинамический режим, характеризуемый изме­нением давления или разрежения печной атмосферы, зависящим от времени обжига, является средством для достижения оптимального температурного и газового режимов обжига изделий.

Процесс спекания сопровождается изменением усад­ки, механической прочности, пористости и других свойств. Важнейшее влияние на физико-механические свойства изделий оказывает их плотность. Известно, что, например, пористость черепка фарфорового изделия пе­ред спеканием составляет 35—40% объема, после спе­кания— 3—5% закрытых пор и 1—5% «открытых в шлифе» пор. Размер пор 0, 01—0, 03 мм и меньше. Сни­жение пористости, отрицательно влияющей на физико-механические свойства изделий, имеющих плотный, спекшийся черепок, достигается как за счет заполнения пор полевошпатовым расплавом, так и за счет стягива­ния частиц кристаллической фазы силами поверхност­ного натяжения расплава на границе раздела фаз. Уп­лотнению черепка при недостаточном количестве жид­кой фазы также способствует рекристаллизация из жид­кой фазы вторичного муллита. На скорость протекания процесса усадки оказывает влияние не только печная атмосфера, но и вязкость расплава и его поверхностное натяжение. Переход к обжигу в восстановительной сре­

ite сопровождается сниже-1 нием температуры, увеличе­нием интервала спекания, плотности черепка и его усадки.

На кривой изменения объемов в зависимости от температуры наблюдаются пять периодов (рис. 86). В I периоде (20—250°С) в ке­рамической массе не проис­ходит существенных изме­нений за исключением уда­ления ги1 роскопической вла­ги. Наблюдается термиче­ское расширение изделия. Во II периоде (520—980°С) объем образца значительно уменьшается, особенно это заметно на участке be (520— 610°С), где происходит удаление химически связанной влаги, фиксируемое на дифференциальной кривой тер­мограммы эндотермическим эффектом.

Интенсивная усадка на участке de III периода (980—1150° С) соответствует первому экзотермическому эффекту и изменениям, протекающим в каолинитовом остатке. В IV периоде (1150—1330° С) объем образца наиболее уменьшается вследствие плавления полевого шпата и интенсивного жидкостного спекания. В послед­нем V периоде (свыше 1330° С) возможно (при пере­жоге) увеличение объема в виду начавшегося повыше­ния пористости (участок gh) и модификационных изме­нений кварца, если его содержание в массе было пер­воначально около 40, %.

При достижении спекаемым материалом 85% отно­сительной плотности его поры остаются полностью от­крытыми, а затем сначала медленно, а потом все быст­рее поры закрываются. При 95% относительной плот­ности все поры будут закрыты.

При скоростном обжиге скорость нагрева изделий возрастает в 15—20 раз. Наибольшая усадка массы смещается на 80—100° С в область более высоких тем­ператур, а ее абсолютная величина уменьшается на 0, 8—0, 9%, снижается вязкость расплава вследствие меньшего насыщения его А1203, Si02 и другими туго­плавкими компонентами, увеличивается разница в ки­нетике усадки внешних и внутренних слоев изделий. Прочность черепка изделий при обжиге нарастает по­степенно до конечной температуры обжига.

На формирование структуры и свойств изделий ока­зывает большое влияние выдержка (0, 5—3, 5 ч) при мак­симальной температуре обжига. Простая конфигурация изделий позволяет производить обжиг в более форсиро­ванном режиме, без выдержки в периоды дегидратации и полиморфных превращений кремнезема.

Обжиг изделий при оптимальной температуре (на 20—30° С выше температуры максимального уплотне­ния черепка изделия) обеспечивает их наилучшие физи­ко-технические свойства. С повышением температуры обжига выше оптимальной для данного состава массы все физико-технические свойства изделий ухудшаются. Они ухудшаются и при недожоге. Прочность при изгибе недожженных изделий в 8—15 раз, а модуль упругости в 5—11 раз ниже, чем у изделий, обожженных при оп­тимальной температуре. Снижение температуры обжига изделий на 100° С за счет действия плавней при прочих равных условиях способствует снижению удельного рас­хода топлива на 11—13%.

Обжиг

Изделия тонкой керамики хозяйственно-бытового на­значения обычно обжигают двукратно. В производстве фарфора по обычной технологии первый (утельный) об­жиг неглазурованных изделий осуществляют при 900— 1000°С для предварительной дегидратации глинистых минералов, разложения карбонатов, сульфидов, сульфа­тов и других примесей, имеющихся в сырье, придания полуфабрикату необходимой пористости — по водопогло-щению 18—22%, повышения предела прочности при сжатии до 12—13 МПа, обеспечивающей его сохран­ность при последующих технологических операциях и ус­тойчивость против размывания при глазуровании. Вто­рой обжиг (политой) при 1350— 1410°С предназначен для окончания процессов, начатых при первом обжиге по формированию структуры черепка изделий, закрепле­ния глазури и подглазурного декора.

В технологии полуфарфоровых изделий по схеме для производства фаянса первый обжиг при 1250— 1280° С является основным, формирующим черепок из­делия, второй при 980—1050° С служит для закрепле­ния глазури.

В производстве фаянсовых изделий первый обжиг при 1180—1280° С является основным, а второй обжиг при температурах 1020—1050° С производится для за­крепления глазури и подглазурного декора.

Изделия из мягкого фарфора обжигают первый раз при 1100—1200° С, а глазурь закрепляют при 980— 1160° С.

Майоликовые изделия из фаянсовой массы обжига­ют дважды: первый обжиг в интервале температур от 1060—1080° С до 1230—1280° С, второй —при 1020— 1060° С. Изделия из легкоплавких местных глин с окра­шенным черепком — однократно при 900—1060°С и ре­же двукратно при 1000—1050° С и 900—1040° С.

Толстостенные изделия: санитарно-строительные, электротехнические, химически стойкие, скульптуру из мягкого фарфора и другие — обжигают однократно.

Обжиг изделий связан с необходимостью выполне­ния многих вспомогательных операций: подготовка огне­упорного припаса (обдувка, очистка, промазка капсе­лей и этажерок), спаривание тонкостенных изделий (чашки, блюдца), обжигаемых в склеенном виде, за­грузка изделий в капсели или на этажерки вагонеток, установка капселей на вагонетки, выборка изделий пос­ле обжига из капселей и этажерок, сортировка изде­лий и др.

Освоение однократного обжига изделий, внедрение скоростного бескапсельного обжига, расширение подгла­зурного декорирования и сокращение объемов обжига декорированных изделий или полное его исключение приводит к значительному сокращению технологических операций, связанных с обжигом (рис.87).

Способ установки (заборки или садки) изделий в капсели или на этажерки вагонеток при комбинирован­ном или бескапсельном обжиге, а также установки капселей на печные вагонетки оказывает значительное влияние не только на качество изделий, но и на эко­номику обжига. Для лучшего использования печного объема широко практикуется комбинированная садка изделий разной величины «одно в одно» или установка мелких изделий под крупными.

Коэффициент заполнения печного объема туннельных печей 0, 45—0, 5. При комбинированной загрузке вагоне ток, когда полые изделия устанавливают в центре ва­гонетки на этажерках, а плоские в капселях по краям вагонетки, этот коэффициент равен 0, 62—0, 65. Коэф­фициент заполнения печного объема при утельном об­жиге фаянса равен 0, 7—0, 9.

Система установки изделий играет решающую роль в развитии как процессов теплообмена между изделия­ми и теплоносителем, так и характера тепло- и массо­обмена в черепке изделия. Основное требование, предъ­являемое к ней, заключается в том, что для всех изде­лий должны быть созданы совершенно одинаковые ус­ловия внешнего и внутреннего теплообмена. Одинаковая по форме и массе загрузка каждой вагонетки способст­вует лучшему использованию печного объема и лучше­му режиму обжига. При этом достигается лучшее рас­пределение температуры и газовой среды по сечению печи. Выбирая систему установки изделий на печные вагонетки, необходимо учитывать конструкцию и разме­ры обжигового канала печи, вид обжигаемых изделий, применяемое топливо, метод его сжигания, конструк­цию газогорелочных устройств, характер перемещения вагонеток в печи, аэродинамический режим работы пе­чи, равномерность обжига и главное — интенсивность теплообмена.

Режимы обжига. В зависимости от типа печей, вида обжигаемых изделий и назначения обжига руководст­вуются различными режимами обжига, кривые которых приведены на рис. 88. Скорость нагрева в туннельных печах находится в пределах 80—90° С в 1 ч, в печах щелевого типа она увеличивается в 10—12 раз. Вы­держка при максимальной температуре при обычных ус­ловиях обжига составляет 1 —1, 5 ч, при скоростном об­жиге 10—15 мин. Эффективность выдержки тем больше, чем выше ее температура.

Температурные кривые утельного обжига имеют уча­стки замедленного подъема температуры в начальный период подогрева при дегидратации каолинита и моди-фикационных превращениях кремнезема. Горизонталь­ный участок кривых характеризует длительность вы­держки при конечной температуре обжига изделий. Весь период подъема температуры до 900°С протекает" относительно быстро, так же как и охлаждение до темпе­ратуры 900—800°С. На участках модификационных пре­вращений а-кварца в р-кварц охлаждение замедляется вплоть до достижения конечной температуры обожжен­ных изделий (40—50° С).

Интенсификация процессов обжига зависит от тер­мической нагрузки изготовляемых изделий и конструк­ции тепловых агрегатов. Под термической нагрузкой понимают влияние комплекса факторов — времени, тем­пературы, материала и формы — на свойства обжигае­мых изделий. При скоростном обжиге необходимо расширить границы термической нагрузки масс и глазурей, обеспечивая получение изделий с заданными свойст­вами.

Различают обжиг ускоренный и скоростной; Ускорен­ный обжиг возможен в туннельных печах при сокраще­нии длительности обжига по сравнению с ранее достиг­нутой. Скоростной обжиг возможен только тогда, когда достигается наилучшее сочетание факторов термической нагрузки с условиями обжига — типом печи, свойствами 'огнеупорного припаса. Границы рентабельности скоро­стного обжига определяются затратами на специальное сырье, подготовку масс и глазурей, специальный огне­упорный припас, стоимостью тепловых агрегатов с уче­том работы их в автоматизированном режиме. Эти за­траты должны перекрываться высокой эффективностью скоростного обжига за счет снижения количества произ­водственных операций и трудовых затрат при обжиге, увеличения выхода продукции высших сортов, сниже­ния стоимости обжига, повышения съема продукции с производственной площади печных цехов, возможности автоматизации производственных процессов.

Сокращение длительности утельного и политого об­жига возможно в туннельных печах несмотря на все их конструктивные недостатки. В туннельных печах длитель­ность обжига определяется не свойствами обжигаемых 'изделий, а конструктивными особенностями печей и до­пустимой скоростью нагрева огнеупорного припаса.

Первому утельному обжигу подвергают изделия, ус­тановленные в «апселях или на этажерках туннельных печей, на специальных подставках (плитах) или непо­средственно на транспортирующих устройствах щелевых печей.

К загрузке в печь не допускаются изделия, имею­щие повышенную влажность, щербины, трещины, плохо оправленную поверхность, неправильно приставленные детали и другие дефекты, а также деформированные и некомплектные изделия.

Плоские изделия загружают в капсели ровными стоп­ками на специальные огнеупорные подставки. Для об­жига глубоких и мелких тарелок диаметром 200 мм и более лучше использовать капсели с вырезным дном. При бескапсельном обжиге тарелки устанавливают на эта­жерку вагонетки стопками на подставки. В стопке дол­жно быть 6 тарелок диаметром 240 мм, 8 — диаметром 200—175 мм, 10—12 блюдец.

Полые тонкостенные изделия устанавливают в спа­ренном виде. Крупные толстостенные изделия (кружки, чайники, кувшины и др.) обжигают на ножке.

Первый обжиг осуществляют в печах непрерывного действия, туннельных или щелевых (конвейерных с сет­чатым подом, рольганговых, с подвесными люльками). Температура обжига в туннельных печах 900—1000°С, в щелевых печах 780—850° С. Окислительная печная среда (коэффициент избытка воздуха 1, 15—1, 2) способ­ствует более полному выгоранию органических приме­сей, удалению продуктов диссоциации карбонатов и раз.-ложению сульфидов и сульфатов, выгоранию сажистого углерода, отлагающегося в порах черепка при 300— 400° С.

Производительность конвейерных печей 10—15 тыс. изделий в сутки, расход условного топлива 0, 09—0, 16 кг на 1 кг изделий (1, 3 кг на 1 кг изделий в туннельных печах), КПД печи 24—28% (КПД туннельной печи 8%, количество обслуживающего персонала сокращается в 4 раза, съем изделий с 1 м2 площади печи возрастает в 4—6 раз, а себестоимость обжига 1 тыс. изделий сни­жается в 3, 5—4 раза).

При разработке скоростных режимов утельного об­жига основными определяющими факторами являются время, необходимое для протекания физико-химических процессов, возможность быстрого подъема температуры в печи с обеспечением образования равномерного тем­пературного поля по всему объему печи и достижения заданных температур не только на поверхности, но и в глубинных слоях изделий, исключение возможности воз­никновения временных температурных напряжений, спо­собных вызывать разрушение изделий при быстром на­греве или охлаждении, получение механически прочных и водоустойчивых изделий, годных для глазурования и дальнейшей обработки.

Сортировку обожженных изделий производят путем визуального осмотра, «перезвонки» и фуксинового конт­роля для выявления скрытых трещин.

По степени обжига изделия разделяют на три груп­пы: нормально обожженные — равномерного бледно-ро­зового цвета, водопоглощение 18—22%, отклонения по водопоглощению не более 1 %; слабо обожженные — темно-розового цвета, иногда с серым оттенком, водо­поглощение более 22%; сильно обожженные (переж­женные) — кремового или почти белого цвета, водопо­глощение менее 18%. Предел прочности при изгибе нор­мально обожженных изделий 6—14 МПа.

Второй (политой) обжиг для фарфоровых изделий является основным. Он обеспечивает протекание про­цессов, формирующих черепок изделий, способствует розливу и закреплению глазури и подглазурного декора. В технологии фаянсовых изделий и фарфоровых изде­лий по схеме производства фаянса второй обжиг за­крепляет глазурный покров и подглазурный декор. Пос­ле очистки изделий от пыли, промазки внутренней сто­роны, края и дна (снаружи) капселя составами, сни­жающими «засорку» и исключающими прилипание изде­лий при обжиге, их устанавливают в капсели или в предварительно промазанные этажерки вагонеток при бескапсельном обжиге изделий.

Второй обжиг, например фарфоровых изделий, ха­рактеризуется необходимостью использования восста­новительной среды в интервале температур 1040— 1280° С, хотя окислительная газовая среда наиболее экономичная по расходу топлива. Кроме того, она спо­собствует получению бездефектного глазурного покрова с высоким блеском.

Для снятия внутренних напряжений при охлаждении обожженных изделий медленно проходят температурные участки перехода стеклофазы и глазури из термопла­стического состояния в упругое. Температуры отверде­вания жидкой фазы и глазури близки и зависят от их состава. Для стеклофазы твердого фарфора, насыщен­ной глиноземом и кремнеземом, температура перехода 800—750°С, для глазури —700—670°С, мягкого фарфо­ра — 650—600° С, для глазури 570—530° С.

Период до начала отвердевания жидкой фазы (1350—1000° С) рекомендуется проходить быстро, под­держивая в печи нейтральную газовую среду. На участ­ке полиморфных превращений кварца надо несколько замедлить охлаждение изделий до скорости 50—80° С/ч. Далее охлаждение ведут со скоростью 80—120°С/ч.

Нормированное охлаждение изделий способствует мелкозернистой кристаллизации вторичного муллита, повышению белизны и просвечиваемости изделий, улучшению текстуры черепка.

Бескапсельный обжиг все шире внедряется в про­мышленность, так как изменившаяся структура тепло­вых агрегатов (около 70% изделий обжигаются еще в туннельных печах) и топливного баланса создала для этого необходимые условия. Создание печей щелевого типа и использование газообразного топлива позволяют частично отказаться от применения капселей и снизить расход огнеупоров на устройство этажерок, так как их употребление удлиняет обжиг, приводит к увеличению расхода топлива, плохому распределению теплоты в пе­чи и к образованию дефектов глазурного покрова.

При обжиге изделий на этажерках в туннельных пе­чах по сравнению с обжигом таких же изделий в кап­селях масса фарфоровых изделий увеличивается на 33%, расход огнеупорного припаса снижается более чем вдвое, а удельный расход топлива — на 28—30%, производительность печи повышается на 35—40%.

Однократному обжигу в настоящее время подверга­ют изделия хозяйственно-бытового назначения следую­щего ассортимента: толстостенные блюда, селедочницы, масленки, пиалы, чашки, салатники, вазы, скульптуры и другие изделия из фарфоровых масс; тарелки, кружки и другие изделия из полуфарфоровых и низкоспекаю-щихся масс, предназначенные для предприятий обще­ственного питания.

При однократном обжиге изделий продолжитель­ность выдержки в окислительной среде увеличивается на 20—30% для обеспечения более полного протекания процессов дегидратации, выгорания органических при­месей и т. д.

Печи, используемые для обжига тонкокерамических изделий, различаются по принципу работы, эксплуата­ционному режиму, способам теплообмена и отопления, конструктивным особенностям.

Печи периодического действия (горны) работают цик­лично: загрузка — обжиг — выгрузка. Конструктивно эти печи бывают одно- и двухкамерными, обычно круг­лой формы. По направлению движения топочных га­зов различают печи периодического действия с восхо­дящим (прямым) и нисходящим (обратным) пламенем. Для обжига фарфоровых и фаянсовых изделий еще и в настоящее время на некоторых заводах используют двухэтажные круглые горны с обратным направлением топочных газов. Печи периодического действия имеют существенные недостатки: малую производительность, тяжелые условия загрузки и выгрузки изделий, труд­ности механизации и автоматизации их работы. Их пре­имущество— возможность проведения каждого цикла по индивидуальному режиму (температурному, аэродина­мическому и газовому). Печи периодического действия повсеместно заменяют на печи непрерывного действия.

Туннельные печи являются печами непрерывного действия. В них все стадии обжига — загрузка, обжиг, выгрузка — осуществляются одновременно и непрерыв­но. По форме рабочего туннеля печи бывают с прямолинейным и реже кольцевым каналом, щелевые одно- и многоканальные. По способу перемещения обжигаемых изделий печи непрерывного действия делят на вагоне­точные, ленточные с цепным или сетчатым конвейером, роликовые, со скользящими подкладками (плитотолка-тельные), с шагающим или вращающимся (для кольце­вого канала) подом, а также печи с перемещением об­жигаемых изделий на воздушной подушке.

По способу нагрева различают печи прямого огня (открытого пламени), муфельные и полумуфельные. В печах открытого пламени продукты сгорания топли­ва омывают обжигаемые изделия, нагревают их непо­средственно за счет конвективного теплообмена и в не­значительной мере за счет излучения. При таком спосо­бе теплообмена не исключена возможность засорения

изделий несгоревшими частицами топлива и золой. По­этому приходится обжигать изделия в капселях, осо­бенно в печах, работающих на жидком топливе. К пе­чам открытого пламени относятся все печи периодиче­ского действия, часть туннельных и щелевых печей.

В муфельных печах (обычных и щелевых) нагрев из­делий осуществляется через экранирующие стены, от­деляющие полости (каналы) печи, по которым движутся продукты сгорания топлива. Теплообмен осуществляет­ся в основном за счет излучения стенок муфеля. Му­фельные печи менее выгодны экономически из-за боль­шого расхода топлива, они более сложны в эксплуата­ции, но в них обеспечивается более высокое качест­во обжигаемых изделий.

По направлению движения продуктов сгорания топ­лива туннельные печи являются противоточными. В на­чале рабочего канала печи (зона подогрева) навстречу обжигаемым изделиям движутся топочные газы из зо­ны обжига, а в зоне охлаждения—холодный воздух. Схема движения газов в туннельной печи приведена на рис. 89.

' По способу отопления различают печи с пламенным и электрическим обогревом. В фарфорово-фаянсовой промышленности наиболее распространены пламенные печи на газовом и жидком топливе. За последние годы появились печи с радиационным нагревом — печи со стенками или сводом, излучающими теплоту. Стены пе­чей выполняют из отдельных излучающих панелей. Каж­дая такая панель состоит из пористых кирпичей, через которые нагнетается газо-воздушная смесь. Сначала смесь проходит по.каналам, просверленным на глубину, равную примерно 3Д толщины стенки, а затем равно-, мерно распределяется по поверхности стенки через по­ры. Смесь горит практически невидимым пламенем. Тепловая энергия, выделяемая 1 м2 поверхности стенки, составляет 1, 4 ГДж в 1 ч, причем 2/з этой энергии пе­редается за счет радиации. Сама излучающая панель нагревается до 1300° С за 1—2 мин.

Для обжига фарфоровых и фаянсовых изделий в основном используют одноканальные пламенные тун­нельные печи прямого нагрева и реже муфельные. Раз­меры рабочего туннеля печей колеблются в широких пределах: длина 60—120 м, ширина 1—1, 85 м, высота от пода вагонетки до замка свода 1—1, 93 м.

В конструкцию канала печи входят (кроме стен и свода) металлический каркас, лабиринтовые стыки стен и вагонеток с песочными затворами и песочницами, пес-коуловители, смотровые и аварийные окна, топки, двери с торцов канала печи, камеры с шлюзовыми затворами, смотровые подвагонеточные подвалы (подподовый ка­нал) и другие элементы (рис. 90).

По обеим сторонам печного канала располагается от 6 до 72 топочных устройств щелевого или межеадочного типов (рис. 91). Они могут находиться как в нижней части канала, так и под сводом. Из щелевых топок го­рячие газы направляются в развитый под печных вагонеток, из межсадочных топок — в пространство между вагонетками. Через определенные промежутки времени вагонетки передвигаются механическими или гидравлическими толкателями на длину одной ваго­нетки. Непрерывная подача вагонеток повышает про­изводительность печи на 10—12%, улучшает качество обжига и снижает отходы при обжиге. При непрерыв­ном передвижении вагонеток устройство межсадочных топок исключается.

Печной канал условно разделяется на зоны подо­грева, обжига, охлаждения и на позиции. Длина одной позиции обычно равна длине вагонетки. В печи длиной рабочего канала на 44 позиции зона подогрева зани­мает 9 позиций (20%), обжига —16 позиций (37%), охлаждения —19 позиций (43%). В туннельных печах для обжига хозяйственного фарфора соотношение длин зон подогрева обжига и охлаждения равно соответст­венно (0, 67—0, 87): 1: (1, 45—1, 67).

Зона подогрева заканчивается около топочных уст­ройств. Она имеет воздушные завесы (рис. 92) и каналы для отбора отходящих газов и подачи горячего воз­духа в зоны охлаждения. Отбор отходящих газов осу­ществляется сосредоточенно через одно окно с каждой стороны печи или рассредоточение через систему окон и каналов с каждой стороны печи. У печей для обжига фаянса соотношение зон подогрева и большого огня составляет от 3: 1 до 3, 5: 1. Длина зоны большого огня печей для обжига фаянса составляет всего 9—12 м, а печей для обжига фарфора 16—39 м.

Зона обжига ограничивается участком, в пределах которого располагаются горелочно-топочные устройства. В начале зоны, со стороны подогрева имеются воздуш­ные завесы, способствующие дожиганию продуктов сго­рания, поступающих с участка восстановления (в печах для обжига фарфора), и перемешиванию топочных газов.

Зона охлаждения наибольшая и составляет 40—55% общей длины печи для обжига фарфора и до 60% печи для обжига фаянса. Она начинается от зоны обжига и простирается до конца печи. При обжиге фарфоровых изделий суммарная длина зон подогрева и обжига должна быть не меньше длины зоны охлаждения. В зо­не охлаждения имеются окна для отбора части горяче­го воздуха на сушку и к воздушным завесам печи. Эти завесы разделяют зоны с окислительной и восстанови­тельной средами и начало зоны охлаждения. В конце зоны, у выгрузочного конца в печь вентилятором через специальные каналы подается атмосферный воздух для охлаждения вагонеток и обожженных изделий.

В каждой зоне поддерживается необходимая печная атмосфера: при обжиге фарфора в зоне подогрева и охлаждения — окислительная; в начале зоны обжига — восстановительная; в конце ее — слабо восстановитель­ная, или нейтральная; при обжиге фаянса и майолики во всех зонах — окислительная газовая среда. Качест­венное различие газовой среды в каждой зоне дости­гается регулированием подачи топлива и воздуха для его сжигания.

Туннельные печи просты по устройству и имеют вы­сокую производительность. К их недостаткам относятся большие (300—400° С) перепады температур по сече­нию печи в начале зоны подогрева, трудность механи­зации и автоматизации многоярусной установки изде­лий на этажерки вагонеток, низкий КПД.

Печи для скоростно­го утельного обжига бывают двух типов: муфельные, в которых используются жидкое ■ топливо и прямой наг­рев, и безмуфельные, работающие на при­родном газе при мак­симальной температу­ре обжига 800—850° С.

Муфельная конвей­ерная печь (рис. 93),, работающая на жид­ком топливе, сложена, из огнеупорного и теп­лоизоляционного кир­пича, с удлиненной зо­ной высоких темпера­тур за счет устройства восьми горелок. Свод канала печи — ароч­ный. Подогрев изделий осуществляется при помощи нижнего и верхнего газоходов, устроенных по всей ширине рабочего кана­ла печи и огражден­ных от него карбидо-кремниевыми плитами. Вверху, ниже основно­го свода устроен вто­рой свод из таких же плит, образующий по длине зоны подогрева верхний газоход высо­той 0, 14 м. Зона обжи­га аналогична по кон­струкции зоне подогре­ва с той разницей, что толщина стен, свода и пода увеличена. В зо­не охлаждения второй свод (муфель) отсутствует. Для уменьшения подсоса воздуха в рабочий канал печи в начале зоны подогрева и в зоне охлаждения (в закрытой части) предусмотрены два подъемных шибера.

Подача изделий в печь для обжига производится на сетчатой конвейерной ленте (открытом участке зоны подогрева) из жаропрочной стали, которая приводится в движение приводной станцией с электродвигателем мощностью 0, 6 кВт. Лента движется по роликам, уста­новленным по всей длине печи на расстоянии 0, 45— 0, 5 м друг от друга. Для роликов зон подогрева и ох­лаждения применяется сталь марки Ст. 3, а для осталь­ных—сталь марки Х23Н13. Скорость движения конвей­ерной ленты может меняться от 0, 021 до 0, 4 м в 1 мин, что позволяет регулировать продолжительность обжига в печи от 40 мин до 14 ч. Срок службы сетки конвейера до 1, 5 лет.

Жидкое топливо (мазут) сжигается при помощи восьми форсунок низкого давления, расположенных в конце верхнего и нижнего газоходов (по четыре в каж­дом). Воздух, необходимый для горения мазута, посту­пает по воздухопроводу от компрессорной станции. Уда­ление паров влаги из рабочего канала печи производит­ся через специальные окна. Нагретый воздух в зоне охлаждения выпускается через прямоугольное отверстие в поде печи на расстоянии 4, 25 м от конца закрытой части зоны охлаждения. Для предотвращения обратных воз­душных потоков из зоны обжига в зону охлаждения предусмотрена воздушная завеса — подача теплого воз­духа в конце зоны охлаждения через наклонное (45°) отверстие в своде печи. Отверстие при помощи воздухо­вода соединено с воздухопроводом, подающим воздух, в сушилку. Отбор дымовых газов в зоне подогрева осу­ществляется сосредоточенным способом через проемы в нижних секциях и металлические дымоходы.

Печи прямого нагрева по сравнению с конвейерными печами других конструкций имеют много преимуществ: расход условного топлива снижен до 0, 09 кг на 1 кг фарфора (т. е. в 2 раза меньше, чем в муфельных пе­чах), конструкция печи упрощена за счет отсутствия второго свода. Этим достигается экономия до 3 т кар-бидокремниевого припаса. Высота печного канала сни­жена до 0, 23 м за счет устройства прямого подвесного свода, что позволяет снизить перепады температур до минимума, улучшить теплообмен печи, упростить мон­таж печи и улучшить качество выпускаемой продукции. Возможно сокращение продолжительности обжига до 70_90 мин и увеличение длительности высокотемпера­турной выдержки. Однорядная установка изделий в печи позволяет автоматизировать процесс загрузки и выгрузки. Отсутствие перепадов температур и хороший теплообмен обеспечивают получение изделий одинако­вой пористости. Значительно снижены отходы утельного обжига и созданы условия для полной автоматизации управления режимом обжига.

Природный газ сжигается при помощи шести инжек-ционных горелок с расходом газа 3, 5—8 м3в1ч, уста­новленных по обеим сторонам печи в конце зоны обжи­га в шамотных фасонных кирпичах с отверстиями для сжигания газа и наблюдения за его горением.

В ВНИИФ разработана конструкция вагонеточной малогабаритной скоростной автоматизированной печи (ПАС) для обжига чашек мощностью 8 млн. в год, работающей по принципу туннельной печи (рис. 94).

Печь выполнена в виде туннельной щелевой печи, ширина ее рабочего канала 0, 392 м, высота от плиты до замка свода 0, 24 м. Печь оборудована гидравлическим затвором с расходом воды до 40 л в 1 ч. В ней устрое­ны 24 горелки, по 12 с каждой стороны. Общая длина печи 35, 57 м.

Чашки в спаренном виде устанавливают на вагонет­ку у загрузочного конца печи в один ряд на карбидо­кремниевые плиты, уложенные на специальные стойки. Вагонетки в печи перемещаются толкателем.

Обожженные изделия выгружаются вручную, у вы­грузочного конца печи. Освободившиеся вагонетки подъемником поднимаются на верх печи, затем по рель­совому пути движутся к загрузочному концу печи и опускаются гидроснижателем на позицию загрузки. Тол­кание вагонеток, работа затворов форкамер, подъем и передвижение вагонеток происходят синхронно и авто­матически.

Топливом служит соляровое масло. При температуре обжига 1320—1350° С и продолжительности цикла 5— 8 ч расход условного топлива составляет 0, 58—0, 6 кг на 1 кг фарфоровых изделий. Температурный и аэроди­намический режимы в печи ПАС показаны на рис. 95.

Хорошо зарекомендовала себя в работе на некото­рых заводах роликовая щелевая печь для первого об­жига фарфоровых изделий. По сравнению с утельным обжигом изделий в туннельных печах в щелевой печи снижаются расходы условного топлива на 34—36%, огнеупорного припаса —в 10—11 раз, электроэнергии в 6—7 раз; продолжительность обжига составляет 5— 7 ч (в туннельных печах 15—19 ч).

Выпускаемые фирмой «Сити» (Италия) автоматизи­рованные многоканальные электрические и газовые печи с роликовым подом предназначены для обжига фаянсо­вых изделий, изделий из фарфоровых масс (первый об­жиг), из масс низкоспекающихся типа «Витриес чай-на», «Аристон», «Себринг» и других, обжигаемых одно­кратно при температуре до 1200° С, а также для обжи­га декорированных изделий. Печи имеют различные размеры: длина их от 15 до 43 м, количество каналов от 1 до 24. Роликовая электрическая печь фирмы «Си­ти» общей длиной 43 м выполнена в виде семи секций, составляющих печной канал длиной 36, 5 м. Внутри сек­ции выложены огнеупорным припасом так, что обра­зуются 12 каналов (4 яруса по 3 канала в каждом). Ширина каждого канала 370 мм, высота 115 м. В па­зах горизонтальных разделительных плит уложены ро­лики с таким расчетом, чтобы они на 3—4 мм возвыша­лись над поверхностью плиты для исключения завалов при перекосе и переломе поддона.

Для печей применяются два типа роликов: металли­ческие и огнеупорные. Металлические ролики устанав­ливают на участках с температурой не выше 1050°С (в зонах подогрева и охлаждения). Огнеупорные роли­ки представляют собой трубы длиной 200, диаметром 50, толщиной стенки 5 мм.

Электронагреватели печи — металлические спи­рали из хромоферроалюминия. Срок службы электрона­гревателя около трех лет. Установленная мощность пе­чи 450—500 кВт. Удельный расход электроэнергии на 1 кг изделий 0, 6—0, 7 кВт. Стоимость обжига в общей стоимости изделия снижается до 4—5% (при использо­вании туннельных печей 20—28%).

Газовые 12-канальные печи фирмы «Сити» имеют некоторые особенности в конструкции газогорелочных устройств, схемах автоматического регулирования и др. Загрузка и выгрузка поддонов с изделиями производит­ся с обоих концов печи: в одном конце печи загружают­ся каналы первого и третьего ярусов, а выгружаются — второго и четвертого; в другом конце печи, наоборот, загружаются каналы второго и четвертого, а освобож­даются— первого и третьего ярусов. При таком поряд­ке загрузки и выгрузки обеспечивается лучшая подго­товка к обжигу в зонах подогрева за счет использова­ния теплоты остывающих изделий. Симметричность ветвей кривой обжига по длине печи в результате про-тивоточного движения изделий упрощает регулирование работы печи и повышает ее экономичность. Экономич­ность также повышается вследствие использования в них принципа рекуперации теплоты при встречном дви­жении обжигаемых изделий в соседних каналах. В мно­гоканальных щелевых печах расход теплоты на обжиг изделий на 10—15% меньше, чем в одноканальных. Они просты по конструкции и удобны в эксплуатации, легко монтируются и ремонтируются, так как состоят из от­дельных секций.

Вопросы для самопроверки

Каковы особенности обжига изделий из масс различного состава?

Характеристика технологических операций, связанных с обжигом изделий.

Режимы обжига изделий, их особенности.

Отличительные особенности первого и второго обжига изделий.

Классификация печен для обжига изделий.

Особенности печей для скоростного утельного обжига изделий.