IV. Технологическая часть

Шамотными называют изделия, изготовляемые из огнеупорных глин или каолинов с отощением их шамотом, или непластичной не размокающей в воде глинистой породой или кварцем. Шамотом называют обожженную глину. Содержание Аl₂О₃ в шамотных изделиях находится в пределах от 28 до 45%. Шамотные изделия являются самым распрост­раненным видом огнеупорных материалов. К шамотным изделиям при­числяют каолиновые и полукислые.

Сырьевые материалы

Сырьем для производства шамотных изделий могут служить природные глинистые материалы, содержащие не менее 28% Аl₂О₃ на прокаленный вес, и имеющие огнеупорность не ниже 1580°С. Максимально содержание Аl₂О₃ в шамотных изделиях может достигнуть 45% при использовании отмученных каолинов. Изделия, изготовленные на основе огнеупорных глин, называют шамотно-глинистыми и в зависимости от огнеупорности их делят на четыре марки.

Для производства шамотных изделии пригодны любые глины (или каолины), характеризующиеся определенной чистотой химического состава и в соответствии в этим определенной огнеупорностью. Пластичные тонкодисперсные огнеупорные глины придают необходимую связность огнеупорным массам для пластичного прессования и формования изделий другими способами и обеспечивают им хорошую спекаемость при обжиге. Современные способы производства шамотных и огнеупорных изделий (полусухое прессование масс рационального зернового состава, повышенное или высокое удельное давление при прессовании, обжиг при высоких температурах), позволяют широко использовать малопластичные и непластичные глины, а также каолины. Для правильного построения технологического процесса производства и для получения изделий высокого качества к глинистому сырью предъявляют определенные требования. При этом качество глины оценивают по данным ее хими­ко-минералогического состава, огнеупорности, степени дисперсности, пластичности, связывающих свойств и спекаемости.

Химико-минералогический состав. Большая часть каолинов и оса­дочных тонкодисперсных огнеупорных глин относится к каолинитовым породам, имеющим в основе минеральной части гидрат кремнекислого глинозема - каолинит и близкие к нему минералы группы каолинита с об­щей формулой: Аl₂О₃ • 2SiО₂ • 2Н₂О. Этой формуле соответствует следую­щее соотношение окислов (%): Аl₂О₃ 39,5; SiO₂ 46,4; Н₂О 13,9 или пос­ле прокаливания Аl₂О₃ 46; SiO₂ 54.

Встречаются также осадочные глины, основой которых являются минералы гидрослюды, представляющие собой промежуточный продукт гидролитического расщепления слюды - мусковита в процессе вывет­ривания силикатных пород. Гидрослюды рассматриваются как переход­ная фаза от слюды к каолиниту.

Глины, сложенные преимущественно из монтмориллонита, не пред­ставляют непосредственного интереса для огнеупорной промышленно­сти ввиду их низкой огнеупорности. Однако исключительно высокие свя­зующие свойства чистых монтмориллонитовых глин (бентонитов) позволяют в отдельных случаях использовать их в виде добавок при из­готовлении огнеупорных изделий из непластичных сухарных глин.

Природа основного минерала, слагающего данный глинистый ма­териал, может быть установлена рентгеновским, петрографическим и термическим анализами. Термограммы этих трех важнейших глинообразующих минералов достаточно различны.

Распространены также другие разновидности глин, не размокающие в воде и не дающие пластичного теста. По генезису они подразделяют­ся на сухарные, представляющие собой осадочные породы, уплотнив­шиеся под влиянием геохимических процессов, и сланцевые, уплотняю­щиеся путем динамометаморфизма. Основным минералом, из которых состоят эти глины, обычно является каолинит. Огнеупорные разновидно­сти сланцевых глин, дающие благодаря своему сильному природному уп­лотнению небольшую усадку в обжиге, могут быть использованы в ка­честве отощающего материала без обжига. Сухарные глины также находят значительное применение в производстве шамотных изделий.

Для производства огнеупоров может быть использован малорас­пространенный минерал – пирофиллит - Аl₂О₃ • 4SiО₂ • 2Н₂О. В отличие от обычных осадочных глин пирофиллит, образующийся в зонах глубо­кого метаморфизма при температуре 300-400°С, залегает в виде плот­ной породы, жирной на ощупь, легко поддающейся механической обра­ботке и не размокающей в воде. Небольшая усадка в обжиге дает возможность изготовлять из пирофиллита огнеупорные детали или ис­пользовать его в качестве отощителя.

Кроме основных слагающих глины минералов - каолинита, монотер­мита, гидрослюды, монтмориллонита в породе всегда имеется то или иное количество примесей.

Наиболее распространенной примесью в глинах является равномер­но распределенный кварц. При сравнительно умеренных температурах (до 1300-1350° С) кварц инертен и выполняет роль отощителя. Но при температурах выше 1350-1400°С кварц становится активным плавнем, образуя с глиной легкоплавкие многокомпонентные эвтектики (теорети­ческая температура образования соответствующей двухкомпонентной эвтектики 2SiО₂ - Аl₂О₃ 1585°С). Чем больше в глине плавней и чем мень­ше величина зерен кварца, тем ниже температура возникновения рас­плава и тем в большей степени кварц снижает огнеупорные свойства глины.

Одной из наиболее вредных засоряющих примесей в глинах явля­ются железистые соединения, встречающиеся в виде ряда минералов. Сернистые соединения - пирит и марказит (FeS₂) встречаются в виде крупных конкреций, отдельных кристаллов и в тонко распределенном виде. При достаточно высоких температурах обжига эти примеси дают выплавки, вспучивание и мушки. При умеренных температурах обжига (ниже 1200°С), пока глина еще не спекается, зерновые включения не реагируют с ней и малозаметны. Твердость этих включений затрудняет их измельчение и равномерное распределение в глине при ее помоле Углекислое железо - сидерит (FeCO₃) - встречается в виде желваков или отдельных сферических зерен. Его вредное действие аналогично пи­риту. Окислы и гидроокислы железа--лимонит, гидрогематит, магне­тит - менее вредны, так как они находятся в глинах в тонко распределенном виде, придавая им различную окраску - желтую и красную различных оттенков. Часто окислы железа встречаются в виде стяжений, налетов и прожилок.

Общее содержание окислов железа в огнеупорных глинах обычно ко­леблется в пределах 1-3%. Глины некоторых месторождений содержат до 5% Fe₂O₃. Дальнейшее увеличение содержания железа заметно ухудшает огнеупорные свойства глины. Однако по сравнению с другими плавнями (CaO, MgO, Na₂0 и К₂О) равномерно распределенные в гли­не окислы железа оказывают менее вредное действие.

Кальцит и гипс (СаСО₃ и CaSO₄), встречающиеся в виде желваков, кристаллов и стяжений, являются редкими включениями в огнеупорных глинах. Их вредное влияние подобно действию зернистых включений окислов железа с той лишь разницей, что СаО - более активный пла­вень, чем Fe₂O₃. Рутил (ТiO₂) всегда присутствует в огнеупорных глинах в относительно постоянном количестве - от 1 до 2% в тонкодисперс­ном виде.

Примесями являются также остатки материнской породы; количе­ство их в глине обычно измеряется лишь долями процента. Эти остаточ­ные минералы концентрируются в средних и крупных фракциях глины (крупнее 2 -5 мм). Наибольшее значение из них имеют минералы, со­держащие щелочи - полевой шпат, слюды (биотит, мусковит, серицит) и магнезиальные силикаты. Эти минералы, являясь плавнями, в той или иной мере влияют на огнеупорные свойства глин.

Органические вещества растительного происхождения могут при­сутствовать в глинах в весьма значительных количествах. Они придают глинам различную окраску - от серых до совершенно черных тонов. Эти органические примеси встречаются чаще в виде гуминовых соедине­ний, реже - битумных. Гуминовые соединения повышают пластичность и связующие свойства глин. Кроме того, органические вещества увели­чивают потерю при прокаливании глины. Вместо обычных 10-13% по­теря при прокаливании в углистых глинах может достигать 20-30%.

Таким образом, химический состав огнеупорных глин определяется их минералогическим составом, т.е. природой основного минерала, сла­гающего глинистое вещество, а также количеством и природой приме­сей, засоряющих глину.