книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

статочной степенью точности может быть принят коэф­ фициент упаковки твердого вещества, набираемого за счет капиллярных сил формы. Учитывая, что /гуп отливки определяется после ее сушки, расчет CyCrit должен вес­ тись по формуле

где Уоб — объемная усадка отливок при сушке.

Величина Cocnt в общем случае может определяться как йуп твердой фазы осадков, полученных центрифуги­ рованием предельно концентрированных (во избежание их расслоения) исходных суспензий.

В табл. 5 по известным литературным данным плот­ ности отливки и влажности для суспензий на основе раз­ личных керамических материалов рассчитаны значения их: Су, Су сгіь Ну.

Как следует из табл. 5, для всех случаев, за исключе­ нием суспензий Si02, отмечается сравнительно низкий показатель относительной концентрации пѵ. Для суспен­ зий же SiC>2, несмотря на существенную разницу Су, по­ казатели их Пу близки.

41

Предлагается следующая классификация суспензий по величине показателей их пѵ: суспензии с гг„;>(Т,90— предельно концентрированные; 0,86—0,90 — высококон­ центрированные; 0,75—0,86 — среднеконцентрированные; <0,76 — малоконцентрированные. Указанным степеням концентраций для суспензий кварцевого стекла соответ­

ванных суспензий составляет 0,90—0,96, т. е. величина их пѵ при этом приближается к показателю CUCiTtЭти кон­ центрации могут быть названы критическими пѵс. Им со­ ответствуют как повышенные значения минимальной вязкости, так и сильно выраженные дилатентные свойст­ ва, препятствующие использованию таких суспензий для литья.

Величина пѵ по сравнению с показателем объемного содержания дисперсионной среды Cw является более су­ щественной для целого ряда свойств суспензий. Если ве­ личина 1 — Сѵ показывает долю объемного содержания

Показатель кинетически свободной дисперсионной среды Cwк определяет долю жидкости, участвующей в движении и обеспечивающей подвижность системы. Раз­ ница в показателях Cw и Свк показывает суммарную долю физически и химически связанной дисперсионной среды (Cf), т. е.

Последняя может быть названа кинетически связан­ ной дисперсионной средой.

Все факторы, определяющие плотность упаковки мас­ сы при литье (дисперсность, зерновое распределение, стабилизация, коагуляция, целый ряд технологических па­ раметров), таким же образом определяют и величины Сѵсм, пѵ, CWK. Повышение kyn, массы при литье при равной концентрации суспензии приводит к такому же понижению пѵ и, соответственно, повышению доли кине­ тически свободной дисперсионной среды Cwк.

42

На рис. 9 показана номограмма, связывающая пока­ затели CWK, nv, C„cnt и Сѵ суспензий. С помощью этой номограммы можно выполнять следующие операции; по известным Сѵ и Сѵent находить пѵ и Cw , по известным

0 r c r it

0

0,1

О?

0А-

0,5-

0,6 -

Рнс. 9. Взаимосвязь между показателями объемного содержа­ ния, кинетически свободно!! дисперсионной среды, относитель­ ной степени концентрации, критической объемной концентра­ ции твердой фазы и объемного содержания твердой фазы сус­

пензий:

1—3 — области указанных соотношений для суспензий кварце­ вого стекла, полученных различными методами: двустадийным, суспендирования, а также с последующим насыщением (J); одностадийным (2); одностадийным с .насыщением (3)

пендикуляр до пересечения с наклонной линией с соот­ ветствующим значением CVOritИз точки пересечения проводится перпендикуляр к осям пѵ (или CWK), кото­ рый и показывает искомые величины. Номограмма име­ ет общий характер для всех суспензий: все величины на ней безразмерны.

4 3

Там же приведены области указанных величин для суспензий кварцевого стекла, 'полученных различными методами,

Мокрое измельчение кварцевого стекла (одностадийный метод получения суспензий)

Сущность одностадийного метода

С целью значительного сокращения общего цикла из­ мельчения и получения высококонцентрированных сус­ пензий был разработан и изучен способ 'одностадийного мокрого измельчения кварцевого стекла [51, 73]. Благо­ даря этому предоставилась возможность, исключая опе­ рацию сухого измельчения, получить предельно концен­ трированные (с влажностью вплоть до 1 1 %) суспензии, позволяющие после их стабилизации достичь высокую степень 'упаковки твердого вещества .в отливке. Сущность данного метода заключается в следующем. Предвари­ тельно дробленое кварцевое стекло без промежуточного •сухого измельчения подвергается непосредственно мокро­ му помолу в шаровой мельнице для получения суспен­ зии.

В связи с этим характерной особенностью мокрого измельчения кварцевого стекла является совмещение в одном агрегате (шаровой мельнице) процессов как дробления, так и тонкого измельчения. Исходный мате­ риал для помола — бой кварцевого стекла в виде трубок с максимальным размером (по длине) до 50—70 мм на первой стадии измельчения (обычно 1 — 2 ч) дробится до размеров, не превышающих 1 — 2 мм, и в дальнейшем происходит тонкий помол. Материал по мере измельче­ ния постепенно переходит из крупнокускового в состояние суспензии, при этом плотность собственно суспензии воз­ растает ,и приближается к рассчитываемой. Находящая­ ся в начальный период помола в мельнице вода, рассчи­ танная для достижения определенной плотности суспен­ зии, является вначале избыточной, так как материал на­ ходится в виде крупных кусков. Постепенно, по мере из­ мельчения материала, .вода идет на смачивание вновь об­ разующейся при помоле поверхности. При этом за счет образования иремнекиелоты суспензия несколько разжи­ жается (понижается ее вязкость).

Учитывая, что плотность суспензии в процессе из­

44

мельчания возрастает, «мелющая способность» или эф­ фективная плотность мелющих тел, выражаемая раз­ ностью в плотности мелющих тел (рм.т) и суспензии рс т. е.

постепенно уменьшается. Кроме того, по мере увеличения плотности (а следовательно, и вязкости) суспензии при помоле ударный механизм измельчения постепенно пере­ ходит® истирающий.

Кроме указанных факторов, на кинетику мокрого из­ мельчения кварцевого стекла исключительное влияние оказывает температура саморазогрѳва суспензии при помоле, достигаемая, в основном, за счет работы трения. Последняя зависит от влажности суспензии, соотношения в запрузке материала и мелющих тел, от их размера и теплоизоляционных свойств футеровки мельницы. В за­ висимости от этих факторов температура на конечной стадии измельчения достигает 35—75°С. Рост температу­ ры интенсифицирует процесс измельчения прежде всего за счет уменьшения вязкости суспензии и, что особенно важно, уменьшения ее дилатантных .свойств. Температу­ ра суспензии при измельчении оказывает существенное влияние на ее свойства.

Известно, что кремнезем отличается хорошей смачи­ ваемостью водой. Этот процесс является экзотермичес­ ким, и оібщее количество связанной (гидратированной) воды резко изменяется с повышением температуры. Из­ вестно также, что даже адсорбированные газы воздуха уменьшают величину эффекта смачивания. Повышение температуры при измельчении способствует уменьшению прочности водных слоев из-за большей подвижности ио­ нов, что должно приводить к уменьшению количества связанной и увеличению свободной воды в суспензии. Повышение температуры суспензии способствует лучшей ее дефлоккуляции и лучшему удалению захваченного воздуха. Доказательством вышеприведенного является значительно (в три—четыре раза) меньшая вязкость суспензий, полученных по одностадийному методу по сравнению с двухстадийным при одинаковых значениях влажности (25—26%). Кроіме того, меньшее количество связанной воды благоприятствует получению более плотной отливки.

45

Н20 ~Z Н++ОН- . 'Реакция эт,а эндотермическая и поэто­ му с повышением температуры равновесие в ,тгей смеща­ ется вправо, т. е. степень диссоциации воды возрастает. Таким образом, более высокой температуре соответству­ ет меньшее значение pH суспензии в процессе измельче­ ния.

На производительность мокрого измельчения в шаро­ вых мельницах влияют следующие факторы: скорость вращения барабана; количество мелющих тел; размер, форма и плотность мелющих тел; количество, крупность и свойства измельчаемого материала; количество воды; степень заполнения объема мельницы; тонина помола и прочее. Основными величинами, которые характеризу­ ют помол, являются степень заполнения барабана ша­ ровой мельницы мелющими телами (срш) и суммарное заполнение (срс). Под последним понимается отношение,

Соотношение в загрузке материала я мелющих тел удобно характеризовать показателем активной зоны из­ мельчения а, соответствующем отношению объема пустот между мелющими телами к объему суспензии, т. е.

щими телами должны быть заполнены суспензией и уро­ вень последней соответствует уровню мелющих тел в

46

мельнице. При ‘Значении а, меньшем 1, суспензия не толь­ ко заполняет пустоты между мелющими телами, но нахо­ дится в определенном объеме и над ними. С уменьшени­ ем а увеличивается доля объема суспензии, не заполнен­ ной мелющими телами, что ведет к уменьшению скорос­ ти измельчения.

В качестве мелющих тел для одностадийного мокрого измельчения кварцевого стекла применяли [73] стержни из прозрачного кварцевого стекла. Изучена также воз­ можность применения для этих целей корундовых мелю­ щих тел.

Помол мелющими телами из кварцевого стекла]

Исследование процесса мокрого измельчения мелю­ щими телами из кварцевого стекла с размерами, как при сухом помоле, осуществлялось в шаровой мельнице ем­ костью 170 л. На рис. 10 показана кинетика измельчения и зависимость некоторых свойств інестабилизированной суспензии и отливок от продолжительности помола при следующем режиме: конечная плотность суспензии рс 1,87 г/см3, фш 0,33; а 0,48; срс 0,43.

Как следует из рис. 10, в процессе измельчения отме­ чается существенный рост температуры и плотности сус­ пензии и уменьшение значения ее pH. Последнее обус­ ловлено увеличением при помоле удельной поверхности кварцевого стекла, поверхность которого реагирует с во­ дой с образованием кремнекислоты. Это в свою очередь приводит к некоторому разжижению суспензии, что вы­ ражается в падении ее вязкости. Аналогично этому по­ вышается плотность отливок, полученных из нестабилизированных суспензий. Таким образом, в интервале дис­ персности суспензий, показанной на рис. 40, повышение тонины помола твердой фазы, обусловливая ее гидрата­ цию и дефлоккуляцию, приводит к повышению плотнос­ ти отливок. Некоторое повышение плотности отливок (с 1,76 до 4,78 г/см3) с увеличением содержания Тонких' фракций в суспензии было отмечено также в работе

Л.А. Букина и др. [67].

'Указанная зависимость нарушается при получении

значительно более тонкодисперсных суспензий, плотность отливок из которых понижается.

Исследования проведены автором совместно с Т. П. Свояковой.

47

Зависимость указанных на рис. 10 свойств и кинетика измельчения существенно определяются (плотностью (влажностью) суспензии. На рис. 11 показана кинетика измельчения, а также зависимость t и рс от т для суе-

6 — температура; б — pH; 7 —>вязкость по истечению

пензий различной плотности: 1,92 г/см3 (кривые с индек­ сом а) и 1,77 (с индексом б). Если для малоплотной сус­ пензии температура и а конечной стадии ее измельчения не превышает 39°С, то для івысокоіплотной достигает 74°С. Характерно и то, что на всех стадиях измельчения

48

высокоплотная суспензия является более тонкодислерсной, что следует из данных содержания различных г.рупп фракций (кривые 1—3). Суспензии большей плотности при литье показывают 'большее значение плотности от­ ливки (кривые 6).

Уменьшение температуры при помоле (например, за счет температуры в помещении или загрузки) приводит к 'Существенному замедлению процесса. >К примеру, сжо-

г,ч

=.1,77 г/ом3

роість помола суапензии с рс==1,92 г!см3 уменьшается примерно вдвое при понижении температуры на конеч­ ной стадии с 70 до 60°С. Объяснимо это тем, что с уве­ личением температуры (ів определенном интервале) су­

49

щественно уменьшается дилатаінеия суспензий, во мно­ гом обуеловливающая скорость измельчения.

Температура саморазопрева при іпомоле наиболее су­ щественно зависит от плотности (влажности) суапензии и .показателя активной зоны измельчения а. Например, при увеличении показателя а с 0,45 до 0,90 при 24-ч помоле суспензии с рс= 1 , 8 8 г/см3 температура возраста­ ет с 56 до 74°С. Величина а существенно влияет и на ки­ нетику измельчения; в приведенном случае за 9 ч помо­ ла при а= 0,9 достигалась такая же дисперсность сус­ пензии, как за 24 ч при а=0,45.

Зависимость тонины помола, вязкости и температуры суспензии на 24-м часу ее измельчения от плотности суспензии показана на рис. 12. С увеличением плотности

ной вязкости суспензий, соответствующие конечной тем­ пературе их .измельчения. Вязкость суспензии кварцево­ го стекла резко падает с ренетом температуры и поэтому показанный на рисунке рост г) е увеличением р0 более пологий, чем при одинаковой температуре.

50