Chemické a fyzikální procesy při výpalu cihel

• 

Při výrobě cihlářských produktů prochází při sušení a výpalu výrobek několika stádii chemických dějů. Konkrétní teplotní rozsahy a pojmenování dějů se napříč publikacemi mohou lišit, ale všechny ve své podstatě ukazují na několik zásadních jevů (teploty se liší podle užitých materiálů).

Odpařování

V teplotním rozsahu 20 až 150 °C dochází k odpařování fyzikálně vázané vody, která se do materiálu dostala během těžby, mletí, a především při tvorbě plastického těsta pro formování. V závislosti na způsobu vázání vody se liší i teplota uvolňování:

• adsorbovaná voda: do 150 °C, veškerá voda se uvolní při 250 °C
• krystalická voda (hydráty): 60–150 °C
• chemicky vázaná voda (minerály): 250–800 °C.

U odpařování je třeba dbát na to, aby nárůst teploty nebyl příliš rychlý, v opačném případě by docházelo k popraskání sušeného materiálu.

Dehydratace

Při teplotách 150 až 650 °C je možné pozorovat rozpad uhličitanů a odchod chemicky vázané vody v krystalické mřížce. Příliš rychlé zahřívání může vést ke zvýšení tlaku vodní páry uvnitř vypalované cihly a jejího okolí za vzniku redukční atmosféry; ta má za následek vznik Fe₃O₄, který barví cihelný střep dočerna. Dolomit se od teploty 400 °C rozpadá na oxid hořečnatý (MgO), oxid uhličitý (CO₂) a uhličitan vápenatý (CaCO₃). CaCO₃ přítomný v surovině nebo vzniklý rozpadem dolomitu disociuje při teplotách mezi 500 a 600 °C (v závislosti na parciálním tlaku).

MgCa(CO₃)₂↔MgO+CO₂+CaCO₃

CaCO₃ ↔CaO+CO₂

V teplotním rozsahu 500 až 600 °C je možné pozorovat rozpad kaolinu na metakaolin a vodu.

Al₂O₃∙SiO₂∙2H₂O ↔Al₂O₃∙SiO₂+H₂O

Také čtěte: Výroba pálených cihel

Oxidace organických sloučenin a sloučenin železa

Pro kvalitu cihel je zásadní, aby veškerý obsah uhlíku byl spálen a veškeré stopy železa přešly oxidací do formy oxidů (FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃). Při teplotě 550 °C dochází k disociaci sideritu (FeCO₃) za vzniku FeO, který při teplotě 600 °C podléhá oxidaci na Fe₂O_3.

4FeS₂+11O₂↔2Fe₂O₃+8SO₂

Oxidace organických látek v peci můžeme pozorovat při teplotách již od 300 °C do teplot nad 900 °C. V závislosti na obsahu organických látek, jak ze surovin, tak z přidávaného lehčiva, dochází k tomu, že uvolňující se CO₂ reaguje s přítomnými oxidy železa; vznikající uhličitany disociují při teplotách 420–500 °C (5).

FeCO₃ ↔Fe+CO₂

Z termodynamického hlediska můžeme v uvedeném rozsahu teplot (300–982 °C) nejdříve pozorovat exotermické chování způsobené oxidací organických sloučenin (300 až 450 °C); při vyšších teplotách však materiál vykazuje endotermické chování zapříčiněné ztrátou chemicky vázané vody a změnou křemene z modifikace α na modifikaci β.

Reakce metakaolinu v tuhé fázi

Metakaolin, vzniklý výše uvedenou termickou dehydratací kaolinu, podléhá postupným zahříváním dalším chemickým přeměnám. Při teplotách 925 až 1 050 °C reaguje metakaolin za vzniku Al-Si-spinelu a amorfního SiO₂. Al-Si-spinel nad 1100 °C tvoří mullit a další amorfní SiO₂. Při teplotách nad 1200 °C pak amorfní SiO₂ krystalizuje ve formě cristobalitu.

2 (Al₂O₃∙2 SiO₂) ^{925−1050°C}→ 2 Al₂O₃∙3 SiO₂+SiO₂

3 (2 Al₂O₃∙3 SiO₂) ^{> 1100°C}→ 2 (3 Al₂O₃∙2 SiO₂)+5 SiO₂

SiO₂ ^>1200°C→ SiO₂ (cristobalit)

Také čtěte: Výroba keramiky a výroba cihel

Tvorba taveniny

Tavenina se v cihlových materiálech většinou tvoří okolo 900 °C, kdy jsou všechny organické sloučeniny zcela zoxidovány. Tavenina vzniká až do teplot, při kterých cihlový materiál zůstává nepoškozen. Během této fáze získává cihla svou pevnost spékáním/slinováním jílových částic. Pevné částice se obalí taveninou, která při chlazení zůstane v materiálu v podobě skelné fáze a drží částice pohromadě. Pevnosti cihel se odvíjejí od nejvyšší dosažené teploty při výpalu a od množství taviv, jako např. potaš, vápno nebo oxid železnatý, ve výchozí surovině.

Během tvorby taveniny pozorujeme exotermické děje z důvodů oxidace reziduí organických sloučenin, sirných sloučenin a formování nových krystalických fází.

Chlazení

S ohledem na materiál je třeba snižovat teplotu materiálu tak, aby nedošlo k teplotnímu šoku, zároveň je třeba volit rychlost chlazení tak, aby byly zachovány žádoucí fáze v materiálu vznikající (přechlazení taveniny apod.).

-jik-