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

Если сравнивать не минимальные значения т), опре­

что относительная разница ів вязкости между суопенэиями е различными значениями плотности уменьшается. Например, для суспензий с рс— 1,83 и 1,92 г/см3 конеч­ ная температура помола составляет 42 н 72°С соответст­ венно. Если т) суспензии с рс='1,83 т/см3 :в интервале на­

ратура, определяя дилатанеию, в большой мере является определяющей при мокром измельчении. При увеличении плотности суспензий выше 1,92—П,93 г/см3 дилатансия их проявляется все в большей степени даже при высокой температуре, что существенно замедляет скорость из­ мельчения.

При плотности суспензий менее 1,80 г/см3 дилатансия отсутствует, но скорость измельчения меньше, чем в об­ ласти больших 'концентраций. Очевидно, вязкость сус­ пензии не должна быть ниже 'определенного уровня, при котором еще сохраняется максимальное действие мелю­ щих тел. Известно [107], например, что при диспергироваиии пигментов в шаровых мельницах оптимальной считается вязкость пасты в пределах 30 П.

'Существенный .рост температуры при помоле в области высоких значений плотности суспензии обусловлен сле­ дующим. Теплоемкость воды в шесть раз больше тепло­ емкости .кварцевого стекла и поэтому влажность суспен­ зии (наряду с ее ц) является основным фактором, опре­ деляющим температуру помола. К'Примеру, при увеличе­ нии плотности суспензии с Т ,80 до 1,93 г/см3 ее вязкость возрастает в 15 раз, а объемное содержание воды ,в за­ грузке уменьшается в 1,5 раза.

Резкое замедление скорости измельчения гари увели­ чении рс выше '1,92—\1,98 см3/г обусловлено сильным по­ вышением вязкости и дилатансии системы, уменьшением «мелющей 'способности» (эффективной плотности) мелю­ щих тел (вследствие уменьшения Др).

іСу'щественное влияние на кинетику измельчения ока­ зывает размер мелющих тел. іС уменьшением их размера возрастает удельная поверхность мелющей загрузки (со­ ответственно площадь контакта с размалываемым мате­ риалом), что ускоряет процесс измельчения. К примеру,

51

применение более мелких (в 2—2,5 раза по массе) мелю­ щих тел при одинаковых значениях а способствует уско­ рению помола примерно вдвое. Однако при этом сущест­ венная часть материала (до 15—'20%) может оказаться недомолотой (с размером частиц выше 0,5 мм). Послед­ нее .вызвано недостаточной ударной силой мелющих тел на первой стадии ■измельчения, когда происходит дробле­ ние крупнокускового кварцевого стекла. И поэтому нали­ чие в мелющей загрузке крупных мелющих тел является необходимым.

Интенсификация помола может достигаться также •повышением температуры на первой стадии измельчения. Последнее может достигаться или .предварительным на­ гревом материала загрузки или поддержанием опреде­ ленной температуры корпуса .мельницы перед началом помола. За счет предварительного нагрева 'корпуса мель­ ницы и мелющих тел представляется возможным под­ нять температуру при .помоле и повысить его скорость «а 20—40.% за счет сокращения «инкубационного» пе­ риода измельчения [73].

Увеличение степени заполнения барабана імельнлцы мелющими телами фш выше 0,30—0,35 при сохранении ■постоянной величины а приводит к некоторому уменьше­ нию скорости помола. Однако учитывая, что с увеличени­ ем фш увеличивается и количество измельчаемого мате­ риала, производительность мельницы при этом возраста­ ет за '10—420%.

На кинетику измельчения оказывает значение и пока­ затель суммарного заполнения барабана мельницы ме­ лющими телами и суспензией (фс). Ори увеличении фс с 0,45 до 0,65 при а=0,75 скорость измельчения умѳньшашается примерно в 1,5 раза. Характерно, что при повы­ шении фс увеличивается количество фракций > 0 , 6 мм (недомол). Так, если при фс=0,45 недомол отсутствует, то при фс=0,58 он составляет 5%, а .при фс = 0,65-нЮ%. Удельный намол мелющих тел при этом не изменяется.

■Сравнение данных по кинетике сухого и мокрого из­ мельчения мелющими телами из кварцевого стекла по­ казывает существенное (в три—пять раз) ускорение процесса при мокром помоле. Эффективность мокрого измельчения по сравнению с сухим объясняется прежде всего тем, что ©ода является одним из наиболее поверх­ ностно активных веществ по отношению к кремнезему [119, 120].

52

В работе [ 1 2 1 ] эффективность мокрого измельчения материалов в шаровых мельницах по сравнению с сухим объясняют адсорбционным понижением прочности, насы­ щением ненасыщенных связей измельчаемого'материала, дезагрегирующим действием воды, большей удельной энергией удара шаров и меньшим демпфирующим дей­ ствием суспензии по сравнению с порошками в слое.

Помол корундовыми мелющими телами

Одним из недостатков мокрого измельчения кварце­ вого стекла с применением мелющих тел .из плавленого (кварца является •существенный их износ (натнр), состав­ ляющий, «аж правило, 5—6 %. На стадии же окатки ме­ лющих тел их натир достигает 10%. В связи с большой стоимостью «мелющих тел из кварцевого стекла их удель­ ный вес в себестоимости суспензии достигает 75%. Кро­ ме того, эффективная плотность «мелющих тел может по­ нижаться вплоть до значений 0,25—0,30 г/см3. «Последнее приводит к уменьшению размалывающей способности мелющих тел.

В связи с этим изучена возможность (применения для мокрого «помола кварцевого стекла корундовых мелющих тел, обладающих значительно большей объемной массой и твердостью.

Исследования проводились .в «шаровой мельнице {с футеровкой из непрозрачного кварцевого стекла) емкос­ тью "МО л. «Применялись корундовые шары диаметром 18—20 м«м с объемной массой 3,65—3,70 «г/см3ѵ Показате­

увеличивается пл«отно«сть суспензий и падает пористость полученных из них «отливок. «Содержание тонких .фракций (до 5 імкм) плавно увеличивается, а средних и крупных

тел ів изученном интервале плотностей суспензий «отмеча­

53

195

О,•ІГШ

Рис. 13. Зависимость плотности суспензии (!), пористо­ сти отливки (2), содержания фракций до 5 мкм (3), 30 200 ммм (4), температуры (5) и вязкости суспензии

(3) от продолжительности измельчения корундовыми мелющими телами:

а —суспензия кварцевого стекла с Рс =1,92 г/ом3; б — Рс =1.88 г/см3

54

Огмечемкое явление объяснимо 'сравнительно малой массой мелющих тел (до 15 г), относительно большой толщиной исходного кварцевого стекла (до 3 мм) и вы­ сокой вязкостью суспензий. Для устранения недомола необходимо применение корундовых мелющих тел боль­ шего диаметра (25—30 мм).

С увеличением плотности суспензий увеличивается температура и вязкость при их помоле. Таким образом, общая закономерность измельчения 'корундовыми мелю­ щими телами таікая же, как и при помоле мелющими те­ лами из кварцевого стекла.

'Вместе с тем в данном случае процесс измельчения происходит в несколько раз интенсивней. К примеру, ес­ ли рассматривать содержание мелких (до 5 мкм) фрак­ ций, то уже через 4—б ч помола их количество равно или превышает содержание таковых для суспензий 2 0 —

объясняется в основном значительно большей плотно­ стью корундовых мелющих тел, вследствие этого разница

вплотности между мелющими телами и суспензией со­ ставляет 1,76—1,80 г/см3, т. е. их эффективная плотность

вшесть раз больше, чем при помоле мелющими телами из кварцевого стекла.

Характерно также, что суспензии при их плотности до 1,90 г/см3 обладают менышей вязкостью, по сравне­ нию с полученным помолом мелющими телами из квар­ цевого стекла. Последнее объяснимо некоторым умень­ шением значения pH суспензий (вследствие более тон­ кого зернового состава).

Намол корундовых мелющих тел при получении сус­ пензий с тонким и средним зерновым составом на превы­ шает 1 %. Это не приводит к существенному изменению основных свойств материала.

Зерновой состав суспензий

Зерновой состав суспензий является одним из основ­ ных факторов, определяющих плотность упаковки мас­ сы при литье. Для достижения высокой плотности отлив­ ки требуется полидиоперсный зерновой состав суспензий, хорошо достижимый при помоле в шаровых мельни­ цах [73].

55

При изучении условий получения /кварцевой керамики было установлено [61], что если в зерновом составе ис­ ходных суспензий содержание тонких 'фракций до 5 мкм превышало 60—60%, то полученные из них'отливки рас­ трескивались или непосредственно после окончания литья, или на стадии сушки. С увеличением размера от­ ливок уменьшалось предельно допустимое содержание тонких фрикций, при которо/м наступало разрушение от­ ливок. Посредством стабилизации суспензий склонность тонкозернистых отливок к растрескиванию уменьшалась. Указанное явление обусловлено повышением степени гидратации твердой фазы по мере повышения степени ее дисперсности. Как показали исследования [61], гидрата­ ция, определяемая потерями при прокаливании, сущест­ венно возрастает при зерновых составах, отливки из ко­ торых разрушаются. Согласно данным [61, 53], п. п. п. отливок в зависимости от зернового состава могут коле­ баться ів пределах 0,1—1,3%; в работе [42] они составля­ ют 0,4%.

Дисперсность суспензии соответственно определяет и величину усадок отливок при сушке. В связи с этим по мере увеличения габаритных размеров и толщины отли­ вок дисперсность суспензии должна понижаться. Требу­ емый для получения изделий различных габаритных раз­ меров зерновой состав достигается регулированием вре­ мени измельчения суспензий. Кроме того, для получения крупногабаритных изделий зернистого строения может применяться метод раздельного получения суспензии и зернистого наполнителя с последующим смешением.

На рис. ІІ4 показаны, по данным [73], интегральные кривые зернового распределения суспензий различной степени дисперсности (кривые / —3), а также суспензий с зернистым наполнителем (кривые 4—6). Кривой 1 по­ казан зерновой состав суспензий, отливки из которого склонны к растрескиванию. Суспензии с зерновым соста­ вом, близким к кривой 2, являются оптимальными при литье изделий средних и небольших размеров. Крупнодисперсные суспензии, а также суспензии с зернистым наполнителем рекомендуются для литья крупногабарит­ ных изделий, они позволяют достичь наиболее высокую плотность отливки.

На рис. 16 представлены интегральные кривые зерно­ вого распределения суспензий с различной продолжи­ тельностью из/мельчѳния корундовыми мелющими телами

56

Рінс. И. Типичные интегральные кривые зернового реіщределення суспензий кварцевого стекла:

1 — тонкоднсперсная; 2 — среднедноперсная; 3 — крулнодисперсная; 4—6 — с с зернистым наполнителем различной дисперсности

Рис. 15. Интегральные кривые зернового распределения суспензий кварцевого

57

(кривые 1—5) .и мелющими телами .из кварцевого стекла (кривые 4—6). Как следует из рис. Г5 зерновой состав суспензий, полученных помолом корундовыми шарами, отличается повышенным содержанием тонких фракций (увеличенной дисперсностью). Однако все зерновые сос­ тавы обладают близкой лолидисперсиостью. Последнее следует из того, что отношение показателей их поллдисперсности к&о/к2о находится в пределах 7—'10. Плотно­ сти отливок из суспензий как исходных, так и стабили­ зированных при этом также близки.

Другие методы получения суспензий

Кроме описанного выше одностадийного метода по­ лучения суспензий кварцевого стекла, известны [7S] и другие: двухстадийный е мокрым домолом, двухстадийный с применением суспендирования, предельного насы­ щения. Каждый из этих способов характеризуется раз­ личными свойствами полученных суспензий. 'Выбор ме­ тода подготовки суспензий должен производиться с уче­ том характеристики получаемых изделий, их массовости, назначения и mp.

Двухстадийные методы

Двухстадийный метод подготовки суспензий с мокрым домолоім применялся в целом ряде работ [42, 47, 46]. Он ■заключается в предварительном сухом измельчении кварцевого стекла и последующем мокром его домоле с целью получения суспензии. При этом дисперсность по­ рошка должна находиться в пределах 6000—9000 см2/г. В работе [42] использовали порошок кварцевого стекла с более крупным зерновым составом. Влажность суспен­ зии, необходимая для получения удовлетворительных ее литейных свойств, находится в пределах 22—30%. Ха­ рактерно, что с уменьшением дисперсности исходного по­ рошка увеличивается влажность суспензии для достиже­ ния равной'текучести, а при ранной влажности суспен­ зии с более тонким зерновым составом обладают лучши­ ми литейными свойствами, а отливки из них обладают большими показателями плотности и прочности. Про­ должительность .мокрого помола суспензии при этом, в зависимости от исходной дисперсности суспензии, состав­ ляет 20—40 ч.

58

Недостатками этого метода являются: 1) многоопера- ц-ионность (сухой игомол, выгрузка материала, отсев ша­ ров, ірассев порошка, загрузка порошка и т. д.) и неудов­ летворительные условия работы ввиду запыленности; 2 ) относительно высокая влажность суспензий, необхо­ димая для достижения требуемой текучести; 3) павы-

Р'И-с. 16. Зависимость гоіотногстн (/) н вязкости (2) суспѳнзин (-квар­ цевого стекла), полученной методом суспендирования, от продолжи­ тельности перемешивания с окружной скоростью J м/с

шейная склонность -суспензий к -осаждаемое™ я загустеванию, что приводит к получению сравнительно невысокой плотности и прочности отливок; 4) длительность су­ хого помола (до 60—(80 ч).

-В работе [73] был предложен и изучен двухсгадийный метод получения суспензий кварцевого стекла с приме­ нением суспендирования. При этом стремились к получег нию максимально концентрированных суспензий, удов­ летворительные литейные свойства которых достигались стабилизацией посредством 'Интенсивного перемешива­ ния [73].

Изучение способа осуществлялось на .порошке- с удельной поверхностью 14000 сма/г. Определенный объем, воды «насыщался» возможно, -большим количеством по­ рошка до-состояния густой пасты, обладающей дилатант­ ными свойствами. В дальнейшем осуществлялось пере-

59-

мешивание с окружной скоростью 1,0 м/с. При этом ока­ залось, что 'вязкость уменьшается, 'а .плотность суспензии несколько возрастает, что показано на рис. 16. Причина роста плотности обусловлена тем, что тонкодисперсный порошок при смешивамии с водой вовлекает некоторый объем воздуха, который затем по мере уменьшения вяз­ кости суспензии удаляется.

Как следует из рис. '16, наиболее интенсивный при­ рост плотности отмечается после того, когда (вязкость суспензии уменьшается до минимальных значений. Плот­ ность отливки при этом повышается, однако не достига­ ет тех значений, которые характерны для суспензий, по­ лученных одностадийным методом.

На основе более крупнозернистых порошков по дан­ ному методу, в отличие от одностадийного, получены бо­ лее низкие показатели плотности суспензии и отливок.

■процессе перемешивания плотность отливок возросла с 1,6>1 до .1,76 г/см3, а вязкость суспензии уменьшилась ■: 49 до 6 °Е.

Метод предельного насыщения

Для получения суспензий кварцевого стекла с імиксчмальной плотностью был предложен [73] .метод пре­ дельного насыщения. Сущность его заключается в том, что максимально плотные суспензии, полученные любым из ранее описанных методов, подвергаются стабилиза­ ции, после чего производится дополнительное введение в

■них порошка в две—три стадии. После введения каждой порции порошка производится стабилизация (разжиже­ ние) посредством перемешивания.

Общий характер зависимости вязкости р от продол^ жительности перемешивания т для описанного Метода получения .суспензий показан на рис. '17. На іперівой ста­ дии полученная одним из методов суспензия стабилизиру­ ется до достижения постоянной вязкости т)3, после чего производится добавка порошка, приводящая к. резкому росту 'вязкости, которая понижается затем до постоянно­ го значения г\2 за время стабилизации т2. На последней стадии производится конечная добавка порошка., приво­ дящая еще к большему повышению вязкости, которая .за­ тем понижается до значения гр.. Равновесные. .значения

60