Фазовые превращения, протекающие при производстве аглопорита —

При получении керамзитового гравия поризация вязкой нироиластической массы происходит главным образом вследствие давления газовой фазы, которая образуется и выделяется в процессе ускоренной термической обработки глинистого сырья.

Более сложен по своей природе процесс образования пористой структуры в аглопорите. Он связан с рядом взаимозависимых факторов, к которым относятся: выгорание топлива, органических примесей и серы; испарение воды; контактное спекание зерен шихты; просос воздуха сквозь размягченную массу и вспучивание ее благодаря давлению выделяющихся газов в зонах, удаленных от очагов горения.

Существенны различия и в принципах тепловой обработки исходного сырья. Так, при получении керамзитового гравия подъем температуры до 600° продолжается в среднем 25 мин. с последующим повышением ее до максимальной величины (1200°) в течение 2- 4 мин. При этой температуре гранулы обжигаются 10—12 мпп, а за-с:; 2— 3 мин. охлаждаются до температуры 900—1000°.

Аглопорит обжигается при температуре 1400—1600°, которая достигается в течение не более 3—4 мин. При этой температуре шихта находится всего 1— 2 мин., после чего 2—3 мин. охлаждается до 600—800° за счет избыточного количества воздуха, просасываемого сквозь спекаемый слой.

Повышенная скорость термической обработки сырья в производстве аглопорита предопределяет смешение указанных выше факторов поризации. а также возможных фазовых превращений в область более высоких температур.

Работа, выполненная в лаборатории физико-химических исследовании и легких заполнителей ВНИИНСЛа в I960—1961 гг.1, имела целью изучение кинетики изменения фазового состава и микроструктуры в процессе скоростного нагревания (без учета влияния просасываемого воздуха) трех разновидностей шахтных пород и четырех отличающихся по минералогическому составу видов глин. Результаты химического анализа исследованного сырья приведены в табл. I.

Для изучения изменений фазового состава спекаемого сырья на отдельных температурных этапах, при одновременном определении начального момента возникновения и развития системы пор внутри каждой гранулы, а также для установления температуры, при которой образующаяся жидкая фаза обеспечивает контактное спекание между собой отдельных гранул, была принята следующая методика.

Свежеприготовленные гранулы из сырьевых материалов (шахтные породы и искусственные смеси глин с углем) с оптимальной влажностью 18% нанизывались по два образца на проволоку так, чтобы между их торцовыми поверхностями был по возможности наиболее плотный контакт. Для опытов использовалась проволока из сплава № 2 диам. 0,4 мм и платиновая диам. 0,2 мм (для образцов из тугоплавких глин).

Моделирование температурного режима термической обработки на агломерационной установке (без просасывания 3—4-кратного количества воздуха), осуществлялось в лабораторной силитовой печи. Для сравнения фазовых превращений, протекающих при ускоренном и замедленном режимах нагревания, были приняты следующие скорости подъема температур:

при скоростном режиме, до 1000°— 300° в мин.; от 1000 до 1200°—200° в мин.; от 1200 до 1500°—50° в мин.;

при замедленном режиме: до 1000° 50° в мни; от 1000 до 1200° в мин от 1200 до 1450°—5° в мин.

Через каждые 100° подъема температуры из печи извлекалась одна из проволок с нанизанными образцами. По мере приближения к предполагаемой температуре контактного спекания образны удалялись из печи через каждые 20° и охлаждались на воздухе.

С целью определения температурного градиента, в процессе нагревания фиксировалась температура как в печном пространстве, так и в центре одного из образцов. Начало образования жидкой фазы определялось методом скоростного дифференциального термоанализа.

Опытные данные (табл. 2) показывают, что в условиях силитовой печи температура образования жидкой фазы в образцах из шахтных пород и глин, смешанных с углем, в зависимости от их химико-минералогического состава находится в пределах от 1000 до 1300°. При спекании тех же глин, не смешанных с углем, температура возникновения жидкой фазы повышается на 50—100°.

Особенно важное значение в технологии производства аглопорита имеет величина температурного интервала между началом образования жидкой фазы в отдельных гранулах и их слипанием между собой (контактное спекание).

Таким образом, в процессе спекания глинистых пород температурный интервал между началом возникновения жидкой фазы и порообразованием, обусловленным выделением газообразной фазы, определяется, в основном, минералогическим составом глины.

Не менее важное влияние на процесс агломерации глинистого сырья оказывает скорость фазовых превращений, зависящая от температурного режима, характера сферы, давления и некоторых других факторов.

В качестве примера на рис. 1 приведены кривые комплексного термоанализа бескудниковской глины, спекавшейся по ускоренному и замедленному режимам, без учета факторов, имеющих место при спекании метолом просасывания воздуха. Максимум экзотермического эффекта, отвечающий выгоранию органических примесей, фиксируется в случае медленного нагревания при 515°, а скоростного—при 740°.

Важно отметить, что при описанных условиях термической обработки начало возникновения жидкой фазы при медленном и скоростном нагревании фиксируется при одной и той же температуре, в частности, для бескудниковской глины при 1150°.

Таким образом, температура начала возникновения жидкой фазы в спекаемом материале не зависит от скорости нагревания. Последнее обстоятельство может быть объяснено тем, что возникающая на поверхности гранулы тонкая пленка расплава обладает высокой электропроводностью и резко снижает сопротивление несмотря на то, что в основной массе этой гранулы, вследствие температурного перепада, жидкая фаза будет образовываться при дальнейшем нагревании. Указанное необходимо будет уточнить для условий агломерационного процесса.

Введение в состав бескудниковской глины оптимального количества угля (9/10) при скоростном режиме несколько смещает величину экзотермического! эффекта в область высоких температур, а начало возникновения жидкой фазы снижается с 1150° (без топлива) до 1100°.

Данные испытания джун-арыкской и тентекской глин (рис. 2) показызают, что смещение фазовых превращений в область повышенных температур при скоростном нагревании имеет ту же закономерность, что и в бескудникозской глине.

Важное влияние на процесс формирования аглопорита оказывает развитие системы пор внутри гранул. В температурном интервале 450—700° (для всех видов сырья) отмечается образозание усадочных трещин и открытых пор вследствие быстро протекающего процесса выделения свободной воды По мере повышения температуры происходит выгорание угля, что также приводит к формированию пор. характерной особенностью которых является оплавление внутренней поверхности вследствие высокого термического эффекта от сгорания углистых частиц. Размер пор, формирующихся в жидкой фазе, определяется вязкостью расплава и количеством выделившейся газообразной фазы при спекании шахтных пород. В начале процесса порообразования поры имеют размер 0,07—0,08 мм.

Результаты проведенной работы подтверждают, что при ускоренной термической обработке исследованных лини- стых материалов в определенной последовательности происходят следующие процессы: начало диссоциации карбонатов при скоростном нагревании сырья отмечается при температуре около 1000° и полностью заканчивается к 1100°;

при температурах 900—1200° происходит аморфизация глинистого вещества;

начало оплавлении аморфизозенных глинистых частиц, сопровождающееся возникновением системы мелких пор, для большинства исследуемых материалов лежит в интервале 1100—1200°

Из проделанной работы видно, что величина температурного интервала между началом возникновения жидкой фазы и контактным спеканием отдельных гранул определяется минералогическим составом глины и для исследованного сырья находится в пределах от 100 до 350°. Температура начала возникновения жидкой фазы в условиях описанных опытов не зависит от скорости нагревания.