Физико-химическая сущность процесса вспучивания

Сущность процесса получения керамзита заключается в ускоренном нагревании глинистых пород до пиропластического состояния (до размягчения) с одновременным образованием и выделением в обжигаемом материале газообразных продуктов, способных произвести вспучивание.
При нагреве глинистых пород происходят следующие процессы: удаление свободной и физически связанной воды (100-150°), химически связанной воды (300-800°); диссоциация карбонатов с выделением свободной CO2 (600-950°); диссоциация сульфатов и сульфидов с выделением SO2 (550-1000°); выгорание углерода (900-1000°); восстановление окислов железа с высвобождением газообразных продуктов (выше 1000°); разложение глинистых минералов (700-900°); разложение минералов магматических пород с выделением конституционной воды (400-800°); одновременно происходит размягчение материала и появление жидкой фазы (эвтектических расплавов) и др.

При медленном нагревании глинистой породы, даже с хорошей вспучиваемостью, не происходит ни вспучивания ее, ни образования мелкопористой структуры, характерной для керамзита. В этом случае образуется пористый черепок. Масса не вспучивалась в результате преждевременного удаления газообразных продуктов - до приобретения ею оптимальной вязкости.

При ускоренной термической обработке глинистых пород температурные интервалы, в которых протекают вышеперечисленные процессы, смещаются в сторону более высоких температур, сближаются и частично накладываются друг на друга, а поэтому и возможно совмещение процесса газообразования с процессом перехода массы в пиропластическое состояние с оптимальной вязкостью, в результате чего происходит ее вспучивание.
Как было показано ранее, возникновение одного процесса газообразования в определенном интервале температур обжига сырья еще недостаточно для вспучивания массы, необходимо также, чтобы она имела оптимальную вязкость в этом интервале (1050-1250°) и достаточный интервал размягчения (не менее 50°).
В связи с этим следует рассмотреть условия размягчения глин, роль отдельных окислов (окислов железа, натрия, калия, кальция и др.). влияние этих окислов и соединении на вязкость расплава, температурные интервалы вспучивания и др.

Сложная смесь минералов и соединении, подвергаясь нагреванию, претерпевает происходящие в пен физико-химические процессы. В начале нагревания состояние глинистой системы характеризуется более многочисленными и менее подвижными атомами. При дальнейшем нагревании в системе появляются более подвижные атомы, обусловливающие влияние диффузных процессов, контактирование с поверхностями других атомов, входящих в полиминеральную массу глин. Вследствие этого между ними начинают протекать химические реакции еще в твердом состоянии. Эти реакции подготовляют систему к переходу в новое агрегатное состояние.
В период нагрева массы до 800-900° в ней появляется жидкая фаза вследствие образования низкотемпературных эвтектических расплавов от взаимодействия щелочных окислов (Na2O, K2O) с другими компонентами (CaO, SiO2). Так, например, трехкомпонентная система Na2О-CaO-SiO2 образует эвтектический расплав уже при 725°, двухкомпонентная система К2О-SiO2 - при 770 и 1045° и др. Количество жидкой фазы непрерывно увеличивается при повышении температуры нагрева как за счет новых звтектик, так и за счет взаимодействия их с кристаллическими составляющими. Появляются эвтектики системы Na2О- SiО2 при 874 и 1089°, FeO-CaO-SiО2 при 1070 и 1117°, FeO-A12О3-SiО2 при 1100 и 1177° и др.

Появление жидкой фазы в массе снижает ее вязкость настолько, что материал лз этой массы под влиянием даже собственного веса может деформироваться. При этом масса располагает еще значительным количеством твердых тугоплавких частиц, не перешедших в расплав.
Такими тугоплавкими компонентами массы, наиболее стойкими к температурным воздействиям, являются Al2O3 и SiO2. Они также повышают вязкость массы, находящейся в пиропластическом состоянии, a Na2O и K2O расширяют температурный интервал пребывания массы в таком состоянии. При наличии последних двух компонентов в количестве 3-5% в расплав переходит более 50% массы.
FeO в процессе размягчения глины играет существенную роль, образуя ряд важных для этого процесса и процесса вспучивания звтектик. Такие эвтектики обусловливают в то же время оптимальную вязкость для порообразования. К ним относятся системы FeO-CaO-SiO, FeO-Al2O3-SiO2 и др.

Так как глинистые образования не имеют определенной температуры плавления, то для их характеристики особо важное значение имеет интервал температур, в котором происходит уменьшение кристаллической и нарастание
жидкой фазы и связанный с этим переход материала из твердого в пластическое состояние. Такой интервал называют интервалом размягчения. Он определяет границы области температур оптимального вспучивания.
По мере расширения интервала вспучивания улучшаются условия для порообразования. На пего значительное влияние оказывают следующие компоненты: CaO, SiО2, органические составляющие, Fe2О3 + FeO, AI2O3. Окись кальция сокращает интервал размягчения, окислы натрия и калия, наоборот, расширяют его, делая расплав длинноплавким. На вязкость расплава существенное влияние оказывают Al2O3, SiО2 (повышают), Na2O, K2O, Fe2О3 + FeO, СаО, MgO (понижают). К особенностям действия СаО следует отнести то, что при температуре ниже линии ликвидуса окись кальция повышает вязкость расплава, а при более высоких - понижает ее. С понижением вязкости понижается и поверхностное натяжение расплава. Поверхностное натяжение зависит от вида и соотношения основных фаз, температуры; может быть регулируемо введением в расплав небольших добавок поверхностно-активных веществ, к числу которых относятся Cr2O3, MoO3 и др.

Интенсивность вспучивания зависит от условий, при которых происходит вспучивание. Оптимальные условия для вспучивания создаются при наличии и благоприятном сочетании нескольких факторов: температурных параметров, давления газа в порах, вязкости, поверхностного натяжения и смачиваемости расплава. Для порообразования необходимо наличие газовых пузырьков, которые могут быть эффективными только в том случае, если они. имея еще на стадии образования начальное давление, в состоянии будут увеличиваться в размерах настолько, чтобы превзойти критический радиус.

Вспучивания масс