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 с 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: K₂О— Al₂O₃—SiO₂ и Na₂O—Al₂O₃—SiO₂.

Взаимодействие компонентов массы сопровождается поглощением или выделением теплоты. Считается, что для удаления 1 кг конституционной воды из глинообразующих 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.

Рис. 83. Изменения свойств, происходящие в фарфоре при первом обжиге 1 — потеря массы; 2 — изменение предела прочности при изгибе; 3 — пористость; 4 — окраска