底泥陶粒砂的烧成机理与膨胀模式

导读:　　烧制陶粒砂时，原料的化学成分是致陶粒砂膨胀的主要因素，按其作用可分为三类:(1)成陶成分，主要有:Si02、Al2O3及Fe2O3，在原料中占3/4;(2)起助熔作用的熔剂氧化物，有Fe2O3、CaO、Mgo、K2O、Na2O等;(3)发气成分，在高温时能产生气体(如HZO、O2、COZ、CO、S02等)的成分，主要是有机物、氧化铁、碳酸盐类、含硫化合物、粘土矿物等。

陶粒砂是由粘土、泥岩、页岩、煤研石、粉煤灰等为主要原料，经加工制粒、或粉磨成球，烧胀而成的一种人造轻集料。

它是一种外部为铁褐色、棕红色坚硬外壳，表面有一层 隔水保气的釉层，内部铅灰、灰黑色具微孔多孔结构的陶质粒状材料。

因原料组成和加热方法不同，陶粒砂生产工艺可分为:锻烧型和非锻烧型工艺两大类。

锻烧型又可分为烧胀型 及烧结型两种。

烧结型主要是粉煤灰陶粒砂，用此法烧出的陶粒砂容重偏大。

要生产轻质、超轻陶粒砂，一般都要烧胀法，本试验研究亦用此法。

　　1.底泥陶粒砂的膨胀机理。

　　近年来，对陶粒砂的膨胀机理的研究表明，烧制陶粒砂的料球要膨胀必须具备两个基本条件:(l)在某温度下，料球能产生适宜粘度的液相，使料球开始软化;(2)料球在该温度下软 化的同时，其内部能产生适宜的气体。

　　料球在膨胀温度范围内的高温作用下，其内部的粘度低到一定程度，使料球在气体作用下得以膨胀，但粘度和表面张力又不能太小，以防止形成的气泡破裂。

料球表面应比其 内部有较高的粘度，一方面防止物料内部产生的气体外逸，另一方面减少料球热塑时的表面张力。

如果气体的膨胀力过大，会使料球破碎，气体外逸;膨胀力太小，则不膨胀。

可见 ，陶粒砂的膨胀主要是由于料球在加热过程中产生气体而物料又有一定的粘度使部分气体未逸出从而在料球内部形成多孔结构，又有部分气体逸出从而使表面形成许多开孔结构。

　　研究表明，陶粒砂原料在加热过程中能产生气体的因素很多，如有机物、碳酸盐、硫化物、铁化物和某些矿物的结晶水等。

上述各种物质在不同温度下产生气体的剧烈程度也各 有不同，因此，在不同温度范围内，气体是由哪一种或几种物质产生的，也不是固定的。

　　总之，陶粒砂原料在高温作用下，料球表面液相生成，且液相具有一定粘度，而在此高温下，陶粒砂原料中的有机物、碳酸盐、硫化物和铁化物发生一系列的化学反应，生成02、 CO、C02、S02等气体，由于液相粘度较高，生成的气体不容易逸出，被包裹在料球内部而发泡，使料球体积膨胀增大，内部形成气孔结构。

因此，在高温作用下，陶粒砂原料中有机 物、碳酸盐、硫化物和铁化物反应所产生的气体，是促使具有一定粘度的陶粒砂膨胀的主要原因。

　　关于陶粒砂的膨胀模式主要有如下几种观点: 　　1、传统的陶粒砂膨胀模式观点认为，在膨胀温度范围内，膨胀过程是膨胀气体被适宜粘度的液相所包围的静态平衡膨胀过程。

该模式认为，膨胀温度范围内产生的气体压力小于 膨胀空隙孔壁的破裂强度是形成良好膨胀的基础。

按此膨胀模式，经物理化学原理计算得知:坯体膨胀所需的有效发气物质，每升陶粒砂不得超过https://www.flowerba.com/克分子。

如以还原物质siC与 Fe203反应产生的CO为发气组分为例，Fe2O3以重量计不应超过https://www.flowerba.com/，还原物质SIC仅约为，且二者应有较严格的比例范围。

但在实际焙烧过程中，Fe2O3和siC的用量如果远远 超过上述值(Fe2O3含量在3%左右)，也可烧制出膨胀良好的陶粒砂。

因此，在陶粒砂的具体膨胀模式上，传统膨胀模式存在一定的缺陷。

　　2、通过用比传统膨胀模式认同的有效膨胀气体多7~8倍的膨胀气体进行连续实验测定，清华大学郭玉顺教授发现，在膨胀温度范围内，膨胀气体并非只是被适宜粘度液相所包 围，而是一直强烈地逸出。

基于此实验，他提出了一种新的膨胀模式:在膨胀温度范围内，膨胀气体并非是被适宜粘度的液相所包围，而是一直强烈地逸出。

膨胀过程是膨胀气体 抑制强烈的逸出与适宜粘度液相抑制气体逸出的动态平衡膨胀过程。

应用该膨胀模式，我们可以很好地解释上述传统膨胀模式所不能解释的膨胀现象。

　　3、高礼雄分析认为，在陶粒砂的焙烧过程中，遵照第一种静态平衡的膨胀模式，必将对原材料的化学成分进行较严格的限制，这对扩大陶粒砂的原料利用范围非常不利。

相反， 如果以第二种动态平衡的膨胀模式为标准，虽能扩大陶粒砂的原材料利用范围，但相应的会造成陶粒砂中连通空隙的增多，以及表层开口孔率的增大。

这必将对陶粒砂的强度和吸水率等 性能造成不利影响。

基于以上的分析，高礼雄提出了另外一种膨胀模式:在膨胀温度范围内，一个合理、完整的膨胀过程应分为早期动态膨胀过程和后期静态膨胀过程两个阶段。

早期动态膨胀阶段是在表面张力相对较小和膨胀气压相对较大的情形下，膨胀气体一直强烈的逸出与玻化液相抑制气体逸出的动态平衡膨胀过程。

其结果是陶粒砂得到充分的膨胀， 以及少量多余气体的逸出降压为后期膨胀收缩创造条件。

而后期静态膨胀阶段则是在表面张力相对较大和膨胀气压相对较小的情形下，膨胀气体被适宜粘度的液相所包围的静态平 衡膨胀过程。

其结果是开口、连通气孔得到闭合、细化。

这一膨胀模式实质上是对上述两个膨胀模式的合理继承与扬弃，并克服了它们的不足。

早期的动态平衡膨胀过程有利于陶 粒的膨胀实现轻质化，以及少量多余气体的释放减压为后期膨胀收缩创造有利条件。

后期的静态平衡膨胀过程可通过早期的气体释放减压和后期的降温增粘来实现，致使陶粒砂表层 开口气孔减少或消失，同时内部气孔细化、封闭。

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影响底泥陶粒砂膨胀性能的因素

陶粒砂原料的膨胀性能直接决定陶粒砂膨胀系数的大小。

影响陶粒砂膨胀的因素很多，主要因素是原料的化学成、矿物组成和工艺因素。

　　1.原料的化学成分对底泥陶粒砂膨胀性能的影响。

　　烧制陶粒砂时，原料的化学成分是致陶粒砂膨胀的主要因素，按其作用可分为三类:(1)成陶成分，主要有:Si02、Al2O3及Fe2O3，在原料中占3/4;(2)起助熔作用的熔剂氧化物，有Fe2O3、CaO、Mgo、K2O、Na2O等;(3)发气成分，在高温时能产生气体(如HZO、O2、COZ、CO、S02等)的成分，主要是有机物、氧化铁、碳酸盐类、含硫化合物、粘土矿物等。

　　比值较低时可降低料球的烧成温度而有利于烧结膨胀。

但是，若比值低于时，液相粘度会变得太小，膨胀气体容易逸出，从而使发泡膨胀性能变坏。

相反，若比值超过10时，则会使烧成温度会过高，同时粘度太大对料球的烧胀不利。

　　欲烧制出优质的陶粒砂，不但其原料化学要在要求的范围之内，而且各成分组成的比例也应当在一定的范围内。

只有具备了这些条件的原料，才能烧制出合格的陶粒砂产品。

　　2.原料的矿物组成对底泥陶粒砂膨胀性能的影响。

　　底泥原料中的矿物成分是致膨的重要因素。

致膨的矿物很多，实践结果认为主要是粘土矿物。

如水云母、白云母、水黑云母、高岭石、多水高岭石、蒙脱石、伊利石等，其化学成分主要是SiO2，AL2O3和H2O。

其次还有黄铁矿、赤铁矿、沸石、芒硝、白云石、方解石、钠长石、钙长石等。

这些矿物不仅对矿物颗粒起松解作用，而且在加热和高温过程中起着良好的助胀作用。

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陶粒砂设备之膨胀模式理论及指导意义

1、正确把握发气量：发气量是陶粒膨胀的最基本因素，对它的正确把握至关重要。

膨胀模式理论可使我们在配方设计或工艺控制时，能够更为准确地把握陶粒坏体的发气量，使之既不会完全被液相始终抑制，达到要求的膨胀力，又能有一定的释放量，形成减压收缩，并且不造成大量气体的逸出，使液相对其的抑制难以进行。

这对于原料中发气成分的尤为重要。

　　2、正确把握液相量及液相黏度：液相量和液相黏度也是陶粒砂设备生产出来的陶粒形成良好膨胀的最基本条件。

如果液相量不足，它就无法包裹坯体产生的大量气体，如果液相量过大，就会使它的抑制作用过强，而使气体的膨胀力被过分地抑制，陶粒坯体不能膨胀。

液相的黏度也对膨胀有极大地影响，黏度越大，对气体的抑制力就越强。

当液相黏度过小时，对气体的抑制力达不到，坯体产生的气体会过多的外逸。

陶粒就膨胀不起来。

而当黏度过大时，抑制力又过大，陶粒坯体内的气体可能会完全被抑制，陶粒同样也膨胀不起来。

　　膨胀模式理论可以指导我们正确地把握液相量和液相黏度，焙烧中使它既要在膨胀早期产生一定的抑制作用，使大部分气体不能逸出，造成一定的坯体内膨胀气压，又会有少量的气体逸出，为后期的减压收缩创造条件。

它既不能太大，又不能太小，应以达到这样的抵制效果为标准。

我们可以据此来设计配方和工艺控制。

　　3、正确地把握不同膨胀段的技术特点：如果没有膨胀模式理论的指导，我们可能会让发气始终处于被液相抑制包围状态或者让发气一直处于强烈逸出状态，而推动最佳的膨胀条件。

如果用新的膨胀模式理论去指导生产实践，我们就会让坯体所产生的气体，既不一直处于被包围抑制状态，也不处理逸出状态。

创造后期的减压收缩条件，在后期则 使气体的膨胀压务小于液相的表面张力，处于受抑制的状态，并减压收缩，并使气孔开口封闭、细化，形成前膨后缩的过程。

　　以上为大家谈了一下陶粒砂设备之膨胀模式理论指导及意义。

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