Интервал остекловывания глинистых минералов

17.06.2018
Под интервалом остекловывания понимают температурный интервал между началом развития стекла в керамическом черепке и плавлением большей его части, при котором он утрачивает свою форму и оседает. Длителвность остекловывания практически чрезвычайно важна для того, чтобы с уверенностью контролировать процесс обжига. Как правило, присутствие в глине ряда минералов удлиняет период остекловывания, что связано, вероятно, с длительностью развития кристаллических и стекловатых фаз. Присутствие крупных зерен и случайное их распределение по размерам также увеличивают период остекловывания, поскольку скорость плавления зависит от размера частиц.

Можно предположить, что остекловывание может начаться при температурах, несколько превышающих температуру образования начальных высокотемпературных фаз. При развитии первой высокотемпературной фазы происходит изменение связей и зарождение центров кристаллизации новой фазы, но это идет, по-видимому, без освобождения большого количества разупорядоченного, т. е. стекловатого, материала, который может служить в качестве связки. Только при более высокой температуре, когда в результате роста высокотемпературных фаз появится много разупорядоченного материала и сами высокотемпературные фазы, давая взаимопрорастающие кристаллические образования, обеспечивают связь между собой, возникают условия, благоприятствующие развитию твердости и прочности глинистого черепка.

На фиг. 3-30 показана зависимость усадки и адсорбционных свойств каолинитовой глины от температуры обжига. Здесь видно, что кривая усадки выполаживается при 2100°F (1150°С) и полого продолжается по крайней мере до 2350°F (1285°С). Кривая адсорбции также выполаживается. Характер этих кривых свидетельствует, что при некоторой температуре, превышающей 2350°F (1285°С), кривая усадки вновь резко поднимается, а кривая адсорбции резко падает. Интервал 2050—2350°F (1120—1285°С) соответствует уступу на кривой, обычно характерному для каолинитовых глин; в пределах этого температурного интервала должен происходить обжиг промышленной продукции. Плотный (спекшийся) черепок образуется при 2200°F (1200°С). Глина имеет интервал остекловывания примерно в 300°F (160°С) вслед за основной усадкой, и полное плавление сопровождается развитием низкой адсорбции до конечной быстрой усадки. Поэтому удовлетворительный обжиг этой глины может идти в течение длительного температурного интервала.

На фиг. 3-30 приведены также характеристики явлений, наблюдающихся при обжиге иллитового сланца. Начиная с 1800°F (980°С), усадка идет по длинной пологой кривой, продолжающейся до температуры порядка 2050°F (1150°С); уступов или разрывов, характерных для каолинитовых материалов, не отмечается. Температура спекания черепка, которая очень близка к температуре, необходимой для обеспечения 10%-ной пористости, относительно низка; в данном случае она равна 1900°F (1035°С). Описываемый сланец характеризуется очень благоприятным интервалом обжига, о чем свидетельствует относительно пологий наклон кривой усадки. Эти данные показывают, что интервал обжига достигает 200°F (110° С), от 1850 до 2000°F (1010—1090°С); в пределах этого температурного интервала обжиг описываемого материала должен осуществляться сравнительно легко.

Баттеруэрт и Хониборн пришли к выводу, что для каолинита характерен длительный период остекловывания, тогда как иллитовые и хлоритовые глины имеют короткий период остекловывания. Стоун согласен с этим выводом, но указывает, что период остекловывания для иллита не бывает настолько коротким, чтобы вызвать затруднения при обжиге. Период остекловывания остальных глинистых минералов, кроме каолинита и галлуазита, уменьшается с увеличением содержания железа, щелочей и щелочных земель. Другими словами, у этих глинистых минералов нет связи между периодом остекловывания и природой глинистого минерала, так как период остекловывания может быть достаточно длинным и очень коротким в зависимости от состава глины и характера адсорбированных ионов. Гримшоу показал, что тонкозернистые слюды дают относительно быструю и более сильную усадку при более низких температурах, чем грубозернистые слюды. Однако в грубозернистых слюдах повторное нагревание может вызвать большую вторичную усадку, как в случае огнеупорного кирпича.

В огнеупорных материалах, простых по минеральному составу, присутствие небольших количеств плавней может удлинить период остекловывания, вызывая его при более низких температурах и не снижая значительно общее плавление. По существу плавни задерживают формирование высокотемпературных кристаллических фаз, они вызывают развитие стекла при относительно низких температурах. По данным Менере, плавни более эффективны, когда они являются составной частью глинистого минерала или представляют собой адсорбированные ионы, а не составляют какие-либо другие кристаллические минералы. Например, если калий является составной частью глинистого минерала, он гораздо эффективнее, чем когда он добавляется в виде полевого шпата. Кифер показал, что мусковит понижает температуру остекловывания керамического черепка сильнее, чем полевой шпат с таким же содержанием щелочей. Эти данные подтверждают сделанный ранее вывод, что свойства глины при обжиге, особенно до ее полного плавления, в значительной степени зависят от того состояния, в котором находятся химические компоненты; это обстоятельство следует иметь в виду при составлении фазовых диаграмм.

Кальций, как это хорошо известно керамистам, резко сужает период остекловывания. Следует подчеркнуть, что влияние плавней зависит до некоторой степени от размера частиц легкоплавких компонентов. Например, известны огнеупорные глины с заметным содержанием железа, в которых железо находится в виде довольно крупных зерен пирита. Влияние железа ограничено в этом случае небольшими участками, и в целом огнеупорность кирпича существенно не изменяется.