Vypalování keramiky

Výpal keramických výrobků se provádí podle zvláštního režimu: ohřev suroviny, samotný výpal a chlazení hotového výrobku.

Procesy vypalování: komplexní fyzikálně chemické změny vedou ke vzniku kamenitého stavu, zvýšení pevnosti, chemické a mrazuvzdornosti včetně interakce jílů a přísad za vzniku nových sloučenin. Změny hmotnosti kaolinu jsou detekovány v křivkách DTA charakterizujících změny obsahu vlhkosti při zahřívání. Vodorovné řezy neoznačují žádné změny. Pozitivní píky indikují exotermický efekt, negativní píky indikují endotermický efekt s absorpcí tepla. Endotermický efekt při 130°C podporuje odvod difúzní vlhkosti a při 590°C zase odvod chemicky vázané vlhkosti, o čemž svědčí prudký nárůst ztráty hmoty. Po ztrátě vody vzniká metakaolinit Al₂O₃2SiO₂. Při vyšší teplotě se rozkládá na Al₂O₃ a 2SiO₂ a exotermní reakce při 920 °C indikuje krystalizaci 980Al mullitu₂O₃2SiO₂ , jehož obsah se zvyšuje se zvyšující se teplotou a dodává produktu pevnost, tepelnou odolnost a rázovou houževnatost. Při 1206°C dochází ke zvýšení smrštění a jeho prudkému nárůstu – rekrystalizaci křemene na cristobalit.

K dehydrataci montmorillonitových jílů dochází při vyšších teplotách než u kaolinitových jílů a u hydroslídových jílů vznikají při 850°C spinely, které se rozpouštějí ve skle při 1200°C. S rostoucí rychlostí ohřevu se všechny transformace posouvají směrem k vyšším teplotám. Křemen, jak již bylo zmíněno výše, také podléhá změnám při zahřívání. Al₂O₃ rozšiřuje interval slinování, zejména se zvyšujícím se Al₂O₃SiO₂. Uhličitany vápenaté a hořečnaté se rychle rozkládají při 900 °C. Pokud je keramika porézní, není to velký problém, ale pokud je slinutá, vytvoří se bubliny a bobtnání. Sloučeniny železa produkují oxid FeO, který aktivně reaguje za vzniku eutektik, které snižují bod tání. Uvolňují se plyny, které nabobtnají keramiku. V porcelánových a kameninových hmotách – tavení FeS.

Živce produkují taveninu při 1150 °C, což podporuje zhutňování a zpevňování a snižuje teplotu slinování hmot. Organické přísady (uhlí, koks, piliny) vyhoří při teplotách 1170–350 °C. Koks o teplotě 400 700 °C musí vyhořet před zahájením slinování, aby se zabránilo deformaci. Pokud nedohoří, dochází k nauhličování a zvyšuje se pórovitost povrchu.

Slinování je zhutňování keramiky v důsledku tvorby taveniny (kapaliny s krystalizací nových útvarů). Kapalina se objevuje při 700 °C (eutektická) a zvyšuje se s rostoucí teplotou. Síly povrchového napětí taveniny spojují zrna dohromady, dochází ke smršťování a zhutňování. Zároveň se rozpouštějí nové složky, které zvětšují objem taveniny a keramika začíná měknout (pyroplasticky – při zachování tvaru). Pokud je taveniny hodně, začnou se výrobky deformovat v důsledku měknutí a snížení pevnosti. Dochází k vyhoření (tavení, zesklovatění). Ke zhutnění a zpevnění keramiky při výpalu dochází také v důsledku reakcí v pevné fázi s tvorbou mullitu 3Al₂O₃2SiO₂ (nejvyšší intenzita při 1000. 1200°C).

Ale při vysokém obsahu Al₂O₃ Vzniká mnoho jehličkovitých krystalů, které při opětovném zahřívání rostou, uvolňují keramiku a snižují pevnost. Intenzitu výpalu ovlivňuje plynné prostředí. V redukčním prostředí lze snížit teplotu výpalu (o 100–120°C). Chlazení výrobků po výpalu způsobuje pnutí při přechodu z pyroplastického stavu do křehkého, při modifikačních přeměnách křemene a při změnách teplot (nebezpečné – 600°C a 550°C, stejně jako 240. 180°C ).

Vliv struktury suroviny na vznik keramiky při výpalu. Závisí na způsobu formování výrobků z nízkotavitelných jílů. Při lisování plastů jsou zrna křemene obalena koloidním filmem jílů obsahujících roztoky solí. Při sušení koloidní částice spojují zrna dohromady a zůstávají na nich ve formě slupky z amorfního křemene, jílových částic a solí (koloidní jílový povlak). Je to nejtavitelnější část, protože obsahuje eutektické směsi solí sloučenin železa a křemíku, které se taví jako první. Při nízkém celkovém obsahu solí zde může dojít ke zvýšení jejich koncentrace. Tavenina vytvořená na povrchu křemenných zrn je spojuje silami povrchového napětí a částečně rozpouští jejich povrch. Při ochlazení vzniká sklo, krystalizují z něj nové útvary držící pohromadě křemenná zrna, která interakcí s taveninou koloidního filmu získávají drsný povrch.

U polosuchých lisovaných výrobků, které jsou heterogenní složením, tvrdostí a vlhkostí (jílové částice jsou vlhčí než sušidla), se při lisování měkké částice přibližují a tvrdší – křemen – jsou do nich zachována rozhraní; , ale neexistuje žádná spojitá koloidní hmota. Nepůsobí kontaktně, ale uvnitř částic kameniva, spojených tlakem a vytlačováním vlhkosti z jílových částic. Koloidní fáze nespojuje jednotlivé částice, ale agreguje primární zrna minerálů. Kapalná fáze se nevytváří na kontaktu, ale uvnitř částic, které se smršťují a oddělují. Protože je zde málo kapalné fáze, neposkytuje kontinuální cementování kontaktů (podobně jako bodové svařování). Výrobky mají nízkou pevnost v ohybu. Jejich celkové smrštění je menší, protože v jednotlivých zrnech se tvoří mikrotrhliny. Pro jejich naplnění je nutné zvýšit teplotu výpalu a prodloužit jeho dobu. Výrobky mají vysokou vlhkost, propustnost plynů a par a vyžadují suroviny se zvýšeným intervalem slinování.

Režimy střelby představují vztah mezi teplotou a dobou výpalu (teplotní režim); čas a charakter plynného prostředí (plynový režim). Při přebytku kyslíku do 1 % se životní prostředí zmenšuje; do 2 % – neutrální; do 5 % – oxidující, do 10 % – vysoce oxidační.

Tlak není režim, protože je pouze prostředkem k zajištění požadované teploty nebo podmínek plynu. Vypalování je rozděleno do tří období: ohřev na maximální teplotu, držení a chlazení. Každé období má svůj vlastní režim, zjištěný experimentálně, protože je obtížné ho určit výpočtem kvůli složitosti procesů. Existují semiempirické závislosti: koeficient tepelné difuzivity, přípustný teplotní rozdíl napříč průřezem produktu.

1. U mokrých surovin zpomalte vypalování, protože tlak vodní páry je maximální při 70 °C, nikoli 100 °C, a zvyšuje se s teplotou. Pokud rychlost odpařování překročí rychlost filtrace, povede to k vývoji tlaku par uvnitř produktu, prasklinám a dokonce explozi produktu. Nebezpečné do 250°C.
2. V období dehydratace jílu je střep porézní a nenarušuje odvod par a plynů. Vyhoření organických nečistot a rozklad uhličitanů musí být dokončeno před zahájením slinování keramiky, aby se zabránilo bobtnání. Během období intenzivního smršťování by rychlost nárůstu teploty měla být optimální a nezpůsobovat praskliny.
3. Konečná teplota výpalu je určena výsledky testování výrobků na pevnost, pórovitost, nasákavost a mrazuvzdornost.
4. Doba zdržení závisí na velikosti produktu, objemu klece a požadované absorpci vody. Jednořadá klec hoří rychleji.
5. Při ochlazování se doporučuje zpomalit rychlost při teplotách přechodu z pyroplastického do křehkého stavu a při modifikačních přeměnách křemene (575°C), aby nedocházelo ke vzniku studeného praskání.
6. Plynový režim musí zajistit úplné vyhoření organických přísad, disociaci uhličitanů – prostředí musí být oxidační a na konci – redukční, aby bylo zajištěno úplné slinování a vytvrzení produktu (ve vypalovací zóně lze vytvořit i prostředí pára-voda ).

Při výpalu porcelánu nad 1000°C je nutné redukční prostředí pro úplné slinování a přenos barviva Fe₂O₃ ve FeO (bělení).

Efektivní technologie při výrobě keramiky: radiačně-chemické, ultrazvukové a akustické, plazmochemické, biochemické, metody vysokoteplotní syntézy. Radiačně-chemickou metodou, pomocí lineárních urychlovačů elektronů, je možné urychlit střelbu 10 tisíckrát. Výpal v urychlovači elektronů trvá 5 s místo 2 hodin a při teplotě + 250°C místo 1400°C. Pevnost výrobků je o 20 % vyšší.