Формовочные материалы. Учебное пособие

рушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение его в аморфное вещество.

В глинах обычно присутствует кварц (SiO2), от нескольких долей до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую способность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость.

Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, карбонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, которые являются вредными примесями.

4.3. Структура глин

Структура глинистых минералов имеет сложное слоистое строение. Глинистые минералы состоят из октаэдрических образований в виде пластинок толщиной 5 10−10м. Элементом октаэдрического образования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гидроксилов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния (рис. 4.1,а). Элементом тетраэдрического образования является тетраэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра расположены атомы кремния (см. рис. 4.1,б).

Рис. 4.1. Схема кристаллических решеток глинистых минералов:

а – октаэдр; б – тетраэдр; в – решетка каолинита; г – решетка монтмориллонита

50

Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих так называемый “пакет” (см. рис. 4.1,в). Ввиду того, что отдельные пакеты каолиновой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кислорода и гидроксилов), они образуют достаточно прочную, так называемую водородную связь. При увлажнении каолиновой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют. Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолиновой глины составляет около 2 10−10м, а радиус молекул воды – 1,45 10-10м, вследствие чего проникновение в межпакетный зазор и расщепление пакета затруднено.

Кристаллическая решетка минерала монтмориллонита состоит из трех слоев: двух кремнекислородных и одного гидроксильного (рис. 4.1,г). Так как отдельные пакеты монтмориллонитовой глины соприкасаются плоскостями с одноименными атомами, связь между ними возникает непрочная (валентная). При увлажнении такой глины молекула воды легко проникает в межпакетный зазор, увеличивая его до 20 10−10м. Этим и объясняют высокую диспергирующую и связующую способность монтмориллонитовых глин.

Рис. 4.2. Схема глинистой мицеллы:

а – адсорбционный слой; б – диффузный слой; в – сольватная оболочка (двойной электрический слой); 1 – ядро (глинистая частичка); 2 – ионы; 3 – противоионы; 4 – подвижные противоионы

51

При смешивании глин с водой в глинистых суспензиях образуется коллоидный раствор. В таком растворе вокруг глинистого минерала имеются ионы адсорбированного и диффузионного слоев мицелл (коллоидных частиц) (рис. 4.2), которые могут замещаться ионами другого элемента, имеющего тот же знак заряда. К обменным ионам в глинах относятся ионы К+, Na+, Mg2+, Ca2+. При обмене одних ионов на другие свойства глин изменяются. При замене ионов Са2+ ионами Na+ (при обработке глин содой) связующие свойства глин повышаются.

Способность глин к ионному обмену измеряется в миллиэквивалентах на 100 г глины.

4.4.Классификация глин

Всоответствии с ГОСТ 3226–93 и ГОСТ 28177–89 формовочные глины делятся в зависимости от минералогического состава на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые (табл. 4.1).

Каолинитовые и каолинитогидрослюдистые глины делятся на марки в зависимости от предела прочности во влажном состоянии

(табл. 4.2).

Бентонитовые глины делятся на три группы по пределу прочности при разрыве в зоне конденсации, а каолинитовые и каолинитогидрослюдистые – по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии

(табл. 4.3).

52

Таблица 4.2

Предел прочности при сжатии во влажном состоянии формовочных глин

Таблица 4.3

Предел прочности при разрыве в зоне конденсации бентонитовой и при сжатии в сухом состоянии каолинитовой глин

По химико-минералогическим показателям глины должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 4.4.

53

Таблица 4.4

Примечание. При суммарном преобладании в обменном комплексе ионов натрия и калия природные бентонитовые глины классифицируют как натриевые (Н), при суммарном преобладании ионов кальция и магния – как кальциевые (К).

Гранулометрический состав глин характеризует их степень дисперсности и наличие в них крупнозернистых включений. О степени дисперсности судят по содержанию глинистой составляющей (т. е. частиц размером меньше 0,02 мм), которая определяется путем отмучивания по ГОСТ 3594.12–93. Массовая доля глинистой составляющей для комовых каолинитовых и каолинитогидрослюди-

54

стых глин должна быть не менее 65%, для бентонитовых глин – не менее 75%. Оставшаяся после отмучивания часть глины относится к песчаной фракции, чаще всего состоящей из зерен кварцевого песка.

К бентонитам относятся глины с размером частиц менее 0,001 мм из минерала монтмориллонита.

По гранулометрическому составу и массовой доле влаги порошкообразные глины должны соответствовать требованиям ГОСТ 28177–89 и ГОСТ 3226–93, указанным в табл. 4.5.

По термической устойчивости бентонитовые формовочные глины делятся на три марки: Т1 – высокоустойчивые (0,6 единицы); Т2 – среднеустойчивые (0,3 единицы) и Т3 – низкоустойчивые (не нормируются).

Настоящие стандарты распространяются на комовые и огнеупорные глины.

Комовые огнеупорные глины – природные огнеупорные глины, поставляемые карьерной влажностью.

Порошкообразные огнеупорные формовочные глины – продукт переработки огнеупорных глин методом сушки и тонкого измельчения.

Примеры обозначения марок формовочных глин: бентонитовых П2Т3 – глина формовочная бентонитовая прочная по пределу прочности при сжатии, связующая по пределу прочности при разрыве и низкоустойчивая по термической устойчивости. Условное обозначение глины включает в себя обозначение ГОСТа, а также буквенный индекс: А – для порошкообразных активированных глин; Н – для на-

55

триевых природных глин; К – для кальциевых природных глин, например, П2Т3А ГОСТ 28177–89.

Обозначение марок каолинитовых и каолинитогидрослюдистых глин: П3 ГОСТ 3226–93 – глина формовочная огнеупорная прочная по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии и малосвязующая по пределу прочности при сжатии в сухом состоянии.

4.5. Свойства формовочных глин

Влажность. Вода, содержащаяся в глинах, разделяется на входящую в состав минералов (химически связанная) и не входящую в них (адсорбированная и капиллярная). Влажность формовочных глин определяется по ГОСТ 3594.11–93.

Навеску глины массой 20 г сушат в сушильном шкафу при температуре 105–110°С до постоянной массы, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Массовую долю влаги х в процентах вычисляют по формуле

Х = m −mm1 100,

где m и m1 – масса навески глины до высушивания и после высушивания, г.

Зерновой состав глин характеризует их степень дисперсности и наличие в них крупнодисперсных включений. Дисперсность глин оказывает существенное влияние на их прочностные свойства. Гранулометрический состав глин определяют по ГОСТ 3594.12–93.

О степени дисперсности судят по содержанию глинистой составляющей, т. е. частиц размером менее 0,02 мм. Для большинства глин содержание глинистой составляющей находится в пределах 75–99%.

Связующая способность – важнейшее свойство, характеризующее качество глин. С ее повышением уменьшается количество глины, вводимой в состав формовочной смеси, повышаются газопроницаемость и огнеупорность смеси и в большинстве случаев снижается влажность, что уменьшает прилипаемость смеси и улучшает ее формуемость. Однако при изготовлении форм по-сырому глина должна обладать умеренной прочностью в сухом состоянии, так как в про-

56

тивном случае затрудняется выбивка и подготовка отработанной смеси.

Связующая способность определяется по пределу прочности образцов во влажном и высушенном состоянии. Сушка образцов проводится при t = 150–180°С в течение 1,5 ч.

Прочность во влажном состоянии наиболее существенно зависит от минералогического состава глин, дисперсности глинистых частиц, емкости и состава обменного комплекса.

В сырых формовочных смесях находятся свободные молекулы воды. Чем больше слоев этих молекул, тем меньше связь между составляющими компонентами и тем меньше прочность смеси во влажном состоянии. В связи с этим при приготовлении смесей для сырых форм важным является оптимальное соотношение между глиной и водой, которое различно для глин различной минералогической природы и гранулометрического состава. Это соотношение для каждой новой партии глин определяется опытным путем. Предел прочности при сжатии во влажном состоянии определяется на стандартных образцах высоты 50 и диаметром 50 мм по ГОСТ 3594.7–93.

Прочность при сжатии в сухом состоянии является основной ха-

рактеристикой песчано-глинистых смесей, применяемых для изготовления сухих форм. Для получения максимальной прочности смесей в сухом состоянии требуется большее содержание воды чем в сыром. Это обусловлено необходимостью более равномерного распределения глинистой оболочки по поверхности зерен наполнителя. В процессе сушки удаляется сначала капиллярная вода, а, затем адсорбированная. При сушке форм происходит усадка смеси, которая может приводить к образованию макро- и микротрещин и снижению прочности смеси в высушенном состоянии. В связи с этим для получения максимальной прочности сухих форм необходимо правильно устанавливать режимы сушки для каждой смеси с учетом габаритов опок и стержней.

Предел прочности при сжатии в сухом состоянии определяется на стандартных образцах высотой 50 и диаметром 50 мм по ГОСТ 3594.6–93.

57

Для оценки связующей способности бентонитовых глин определяют предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги по ГОСТ 28177–89.

Метод основан на определении сопротивления образца разрыву при одностороннем поверхностном нагревании.

Коллоидальность характеризует глины с точки зрения образования устойчивой водно-глинистой суспензии, влияет на распределение глинистой составляющей в формовочной смеси и тем самым на прочность и пластичность формовочных смесей. Коллоидальность в процентах определяется по ГОСТ 3594.10–93 отношением объема осадка к общему объему водно-глинистой суспензии (%) после отстаивания ее в течение 24 ч.

Для испытания в пробирку высотой около 150 мм насыпают 0,5 г воздушно-сухой и размолотой глины и доливают 15 мл дистиллированной воды. После этого содержимое тщательно взбалтывают и добавляют 0,1 г MgO, снова взбалтывают в течение 1 мин и оставляют в покое на 24 ч, после чего замеряют объем образовавшегося осадка.

Состав обменных катионов определяется по ГОСТ 3594.2–93,

ГОСТ 3594.3–93 специальными методами химического анализа и

выражается в мг экв. на 100 г глины. К числу обменных катионов относятся К+, Na+, Mg++, Ca++.

Чем выше сумма обменных катионов в глине, тем выше ее качество. При обмене одних катионов на другие меняются свойства глины. Например, при обработке кальциевого бентонита содой происходит замещение катионов Ca++ катионами Na+ и бентонит из кальциевого становится натриевым.

Водопоглощение бентонитов характеризует способность глины поглощать влагу, зависит от строения кристаллической решетки глины и количества примесей. По водопоглощению можно ориентировочно определить вид глины. Водопоглощение оказывает некоторое влияние на изменение размеров отпечатка форм, изготавливаемых по-сухому, и на характеристики водно-глинистых суспензий.

Коэффициент водопоглощения определяется по ГОСТ 28177–89.

58

Метод основан на определении показателя влагоемкости глины, соответствующего переходу системы “глина–вода” из пастообразного состояния в состояние суспензии.

Навеску глины массой 5 г помещают в стакан, добавляют 5 см3 дистиллированной воды и тщательно перемешивают глинистую массу с помощью стеклянной палочки до однородного состояния. Добавляют дистиллированную воду до тех пор, пока мениск не приобретет подвижное состояние. Воду добавляют порциями от 0,5 до 2,5 см3. Порции уменьшают по мере добавления воды.

Коэффициент водопоглощения воды (k) вычисляют по формуле k = mm1 ,

где m1 – масса дистиллированной воды, требуемой для перехода системы “глина – вода” в состояние суспензии, г;

m – масса навески глины, г.

Концентрация водородных ионов (рН) влияет на прочностные свойства формовочных материалов. Наблюдается, что с повышением рН прочность формовочной смеси в горячем состоянии возрастает. Простейший анализ по определению рН позволяет очень быстро узнать, из какого места разработки получена данная партия глины, рН определяется на приборе по ГОСТ 3594.5–77. Навеску глины массой в 8–10 г помещают в стаканчик и приливают 80–100 мл дистиллированной воды. После взбалтывания в течение 10 мин в стаканчик с раствором опускают электроды прибора и определяют рН по шкале.

Термическая устойчивость бентонитовых глин основана на определении прочности при сжатии во влажном состоянии после нагрева глины и выдержки ее в течение 1 ч при температуре 550°С. После охлаждения глины в эксикаторе готовят смеси из исходной и прокаленной глины. Затем определяют предел прочности при сжатии для исходной и прокаленной глины.

Термическую устойчивость определяют по формуле

Т= σ1 ,

σ2

59