935

По полученным данным в системе прямоугольных координат строят график «усадка – влажность» (рис. 8), для чего на оси абсцисс отклады-

вают значения абсолютной влажности (%), а на оси ординат – величину

усадки (мм или %). Графическая зависимость имеет два участка: наклонную кривую, выражающую увеличение усадки с потерей воды, и прямую, параллельную горизонтали, показывающую потерю влаги после прекращения усадки. Пересечение этих линий дает значение критической влажности образца wк, при которой прекращается усадка. Коэффициент чувствительности вычисляют по формуле

где ωн – начальная влажность в абсолютном значении, %; ωк – критическая влажность в абсолютном значении, %.

Рис. 8. Графический способ определения критической влажности глин по методу А.Ф.Чижского

Числитель формулы (14) – это величина объема усадки, так как соответствует количеству воды, потерянному образцом при высыхании до прекращения усадки; знаменатель – величина критической влажности, соответствующая количеству воды, потерянному образцом при высыхании после прекращения усадки. Можно сказать, что kч представляет собой отношение объемной усадки к объему пор. По величине коэффициента чувствительности глин к сушке, определенной по методу А. Ф. Чижского, глинистое сырье делят на три класса (табл. 12).

Таблица 1 2 Классификация глинистого сырья по сушильным свойствам

по методу А.Ф.Чижского

31

3.3. Определение воздушной усадки

При сушке керамических изделий их объем сокращается, т.е. происходит усадка.

Воздушную линейную усадку определяют по изменениям линейных размеров образцов в результате сушки, Определение усадки производят на плиточках размером 50 50 5 мм при пластической формовке и на кубиках размером 50 50 50 мм при прессовании. Для выполнения замера на отформованных образцах по двум диагоналям наносят метки через 50 мм

(рис. 9).

Рис. 9. Аппаратура, используемая при определении усадки на образцах-плитках: 1 – форма с выталкивателем; 2 – образцы размером 50×50×5 мм;

3 – штангенциркуль.

32

Определение воздушной объемной усадки можно проводить на плиточках размером 50×50×5 мм и на кубиках с длиной ребра 50 мм.

Если объем изделия в начальной стадии процесса (в момент формовки) был V1, а в конечной его стадии (после сушки) стал V2, то объемная Vв выражается формулой

Величина воздушной усадки прямо пропорциональна пластичности глин, и по ее значениям косвенно можно судить о сушильных свойствах глинистого сырья. Чем больше величина усадки, тем чувствительнее глина к сушке. Для глин средней пластичности значение воздушной линейной усадки близко к 6–7 %; при более высоких значениях в глину необходимо добавлять отощители (шамот, песок), снижающие величину усадки. Определение усадки необходимо для расчетов размеров мундштуков и форм в заводской технологии.

33

Лабораторная работа №4 ОТНОШЕНИЕ ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ К ОБЖИГУ.

СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Обжиг является завершающей операцией в технологии производства керамических изделий. Обжиг изделий строительной керамики осуществляется при температурах 900–1000°С для легкоплавких глин и при 1000–1250°С в окислительной или нейтральной среде для тугоплавких и огнеупорных глин. При обжиге происходит ряд физико-химических превращений, обусловливающих получение из глин искусственного камня. При нагревании высушенных керамических изделий до температуры 100– 200°С удаляется свободная (формовочная) вода. В этот период быстрый перегрев поверхности сырца вызывает одновременно перегрев паров воды, находящихся внутри изделия, и повышение давления этих паров. Последнее может явиться причиной образования трещин и посечек, поэтому температура от 100 до 200°С должна подниматься очень медленно; в этом случае большое значение имеют остаточная влажность сырца и толщина изделия.

При температуре 200–400 °С выгорают имеющиеся в глинах органические примеси. Химически связанная вода, находящаяся в соединениях (например, Fe2O3H2O или Al2O32SiO2·2H2O и т.д.), наиболее интенсивно удаляется в интервале температур от 500 до 800 °С (процесс дегидратации глин), и керамическая масса необратимо теряет свои пластические свойства. В этот температурный период происходят модификационные превращения кристаллического кварца β→α (при температуре 573 °С). Кроме того, идет диссоциация железосодержащих минералов, например сидерита Fe2CO3, с выделением СО2 и группы карбонатов (СаСО3, MgCO3). В восстановительной среде наблюдаются переход окиси железа в закись с образованием жидкой фазы и диссоциация сульфидов и сульфатов с выделением SO3.

Начиная с 700°С щелочные окислы (Na2O, K2О), находящиеся в глине, вступают во взаимодействие с другими компонентами, образуя расплав, количество которого возрастает с повышением температуры. В рассматриваемом периоде обжига керамических изделий кристаллическая решетка глинообразующих минералов не разрушается; поэтому такие физико-механические показатели, как усадка, прочность, пластические деформации, модуль упругости, изменяются незначительно. В этом периоде нагрева возможен более быстрый подъем температуры, чем в подготовительном.

В интервале температур 800-1050°С наблюдается распад продуктов дегидратации на отдельные окислы (γА12О3, SiO2, Fe2O3 и др.) с образованием жидкой фазы. Получившиеся легкоплавкие соединения растворяют

34

частицы минералов, выделяя из растворов новые, более устойчивые минералообразования, например, фаялит 2FeO·SiO2 (900 °C), шпинель МgO Al2O3 (1000 °C), возможны образования силлиманита А12О3·SiО2 (1050 °С). Последний при температуре 1150-1300 °С переходит в муллит

3А12О3·2SiO2 и т.д.

Минералы, расплавляясь и образуя первичные эвтектические смеси, заполняют поры и, стягивая частицы основного вещества, вызывают их сближение и уплотнение. Этот температурный период обжига, связанный с разрушением кристаллической решетки минералов глин и значительными структурными изменениями, с пластическими деформациями, следует вести медленно и осторожно.

После кратковременной выдержки изделий при максимальной температуре обжига начинается процесс охлаждения, который характеризуется медленным понижением температуры до 500 °С. Это необходимо, чтобы избежать возникновения внутренних напряжений и растрескивания изделий. Дальнейшее охлаждение до 40-50 °С можно осуществлять быстро.

В зависимости от содержания в глинах тех или иных примесей керамические изделия в процессе обжига приобретают различную окраску. Так, оксиды железа придают изделиям красную, коричневую, желтую или черную окраску; оксиды титана – серую или фиолетовую; оксид кальция обесцвечивает изделия, уменьшает интенсивность окраски.

4.1. Определение огнеупорности

Огнеупорность – свойство керамических материалов противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность выражается в градусах Цельсия и характеризуется той температурой, при которой образец стандартных размеров (так называемый пироскоп), размягчаясь и оседая в течение заданного времени, коснется своей вершиной подставки, на которой он стоит.

Рис. 10. Определение огнеупорности глин:

1 – форма; 2 – выталкиватель; 3 – сформованные пироскопы; 4 – огнеупорная подставка с установленными пироскопами

35

Стандартный образец из глинистого сырья представляет собой трехгранную усеченную пирамиду высотой 30 мм со стороной нижнего основания 8 мм и верхнего 2 мм, обычно называемую «конусом». Под влиянием высоких температур материал испытываемого образца постепенно размягчается и по мере уменьшения вязкости образуемого расплава деформируется под действием собственного веса.

Отбор и приготовление проб производят по ГОСТ 21216.0–93. Для определения огнеупорности 50 г испытываемого глинистого сырья растирают, просеивают без остатка через сито с диаметром отверстий 1 мм и затворяют водой для получения формовочной массы. Тощие материалы затворяют 10 %-м раствором декстрина, крахмала (или другой органической клеящей добавкой). Образцы формуют в специальной металлической форме, смазанной вазелином или маслом, для чего массу плотно набивают в форму, избыток срезают и поверхность заглаживают.

Отформованные образцы высушивают до воздушно-сухого состояния. Подставку для испытания образцов формуют из высокоогнеупорной массы (или каолина) в весовой смеси с шамотом (1:1). Огнеупорность массы для подставки должна быть выше огнеупорности испытываемого материала. Контроль температуры ведется с помощью термопары ПП (платиноплатинородиевой). Испытываемые конусы устанавливают на свежесформованную подставку и закрепляют. Количество конусов из одного и того же испытываемого материала не менее двух, и должно быть не менее четырех пирометрических конусов, равномерно распределенных по всему периметру подставки. При этом испытываемые конусы должны быть установлены друг против друга в диаметральном положении между двумя пирометрическими конусами. Последние выбирают так, чтобы огнеупорность испытываемого конуса была ниже огнеупорности самого высокого из установленных пирометрических конусов и выше или такая же, как самого низкого. Эту подставку следует высушить при 110–135 ºС. Ее медленно вводят в печь в зону испытания, в которой t не выше 1000 ºС. Скорость подъема температур от 1000 до 1500 ºС должна быть 10-15 ºС/мин,

а при t >1500 ºС – 2,5 – 5ºС/мин.

Начало плавления соответствует температуре, при которой грани испытываемого материала начинают оплавляться и клониться верхней частью к подставке.

Огнеупорность материала соответствует температуре, при которой вершина испытываемого образца, опускаясь, коснется подставки. Если конус падает неправильно или по какой-либо причине испытание приостановлено, определение следует повторить на новых образцах. Возобновление испытания с теми же образцами не допускается. Согласно классификации глинистого сырья (табл.15) делают вывод об огнеупорности.

36

Таблица 1 5 Классификация глинистого сырья по огнеупорности ГОСТ 9169

4.2. Проектирование режима обжига керамических образцов

Режим обжига и оптимальная температура обжига керамических изделий в лабораторных электрических муфельных печах устанавливают в зависимости от требуемых свойств изделий. Образцы из легкоплавких глин обычно обжигают при температурах 900–1000° С, из тугоплавких – при 1000–1250° С в окислительной или нейтральной среде.

Процесс обжига керамических материалов можно разделить на несколько периодов:

1)досушка сырца (20–200° С) – удаление механически примешанной

влаги;

2)прогрев изделий до максимальной температуры;

3)выдержка при максимальной температуре;

4)охлаждение изделий.

Режим обжига для керамических изделий проектируют с учетом минералогического состава сырья.

Влабораторных условиях обжиг обычно ведут в течение 6–7 ч.

Впервый период подъем температуры до 200 °С для всех глин, независимо от минералогического типа сырья, должен быть одинаково осторожным (не более 2 °С в минуту), так как этот период является наиболее опасным.

Во второй период, начиная с температуры 200 до 800 °С, скорость подъема температуры колеблется с учетом данных дилатометрической кривой от 4 до 6 °С в минуту, а в период образования новых кристаллических фаз с 800 °С до максимальной температуры скорость подъема температуры должна быть не более 1,5 °С в минуту. Выдержка при конечной температуре рекомендуется не менее 1 ч. Прежде чем начинать обжиг, необходимо построить заданную кривую обжига в прямоугольной системе координат «время – температура». Обжиг ведут при обязательном контроле температуры с помощью термопары гр. ПП в комплекте с милливольтметром или потенциометром.

При обжиге лабораторных образцов следует учитывать способ их изготовления. При формовке пластическим способом из легкоплавких глин обжиг заканчивают при температуре 950–1000°С; в случае полусухого

37

прессования эти температуры должны быть на 50–100 °С выше, т.е. 1000–1100 °С. Это же относится и к тугоплавким глинам.

Разница в максимальных температурах объясняется тем, что изделия пластического формования имеют более однородное мелкозернистое строение. При повышении температуры физико-механические свойства их в процессе обжига изменяются равномерно. Изделия полусухого прессования имеют грубозернистое строение, более крупные поры, большую неоднородность и поэтому требуют несколько повышенную температуру обжига.

4.3. Определение общей и огневой усадок

Обожженные лабораторные образцы подвергают следующим испытаниям: определению огневой и общей усадок, объемного веса, водопоглощения, интервала спекания, качества обжига, морозостойкости, пределов прочности и т. д.

Общую и огневую линейные усадки определяют по изменениям линейных размеров образцов после обжига на плиточках размером 50×50×5 мм (на тех же, что и для воздушной усадки) с усадочными метками по диагоналям образца.

Общую и огневую усадки рассчитывают по формулам:

где d1 – расстояние между метками на свежесформованных образцах, мм; d2 – расстояние между метками на образцах после сушки при

температуре 105–110 °С, мм;

d3 – расстояние между метками на образцах после обжига, мм. Возможно вычисление огневой усадки как разности значений общей и

воздушной усадок.

Иногда огневая усадка для суглинков и тощих глин будет иметь отрицательное значение из-за увеличения размеров за счет полиморфных превращений кварца.

Общую и огневую объемные усадки определяют по изменениям размеров обожженных образцов-плиточек 50×50×5 мм и кубиков с размером рёбра 50 мм.

38

Обычно легкоплавкие глины имеют малый интервал спекания в пределах от 30 до 90 ºС. Практически интервал спекшегося состояния у них отсутствует, что определяет их использование для получения пористых изделий. У тугоплавких и огнеупорных глин интервал спекания составляет 150–200 ºС и более.

4.5. Определение водопоглощения керамических образцов

Водопоглощение обожженных образцов может служить как самостоятельной характеристикой керамического черепка, определяющей его пористость, прочность, так и величиной для изучения процесса спекания масс.

Водопоглощение (%) изделий характеризуется отношением массы воды, поглощенной в установленный срок полностью погруженным в воду обожженным образцом при атмосферном давлении, к массе того же обожженного образца до насыщения водой. Работу проводят на плиточках 50×50×10 мм, обожженных при заданной температуре. Насыщение водой происходит в течение 48 ч при уровне воды выше верха образцов не менее чем на 2 см. Образцы (не менее 3 штук), насыщенные водой, перед взвешиванием обтирают влажной тканью.

Водопоглощение образцов (% по весу) определяют .по формуле

результатов определений для трех образцов. Результаты записывают по форме табл. 16.

Таблица 1 6 Результаты определения водопоглощения керамических образцов

Водопоглощение обожженных образцов служит самостоятельной характеристикой черепка, определяющей его пористость, прочность, теп-

40