2076

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства»

И.Г. Ладайкина, Н.А. Денисова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ

НА КАЧЕСТВО КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Пенза 2013

УДК 502.174:628.171.034(075.8) ББК 38.776я73

Л15

Рецензенты: генеральный директор ОАО «Металлообработка», кандидат технических наук, доцент Е.П. Белявцев; кандидат технических наук, профессор кафедры «Стандартизация, сертификация и аудит качества» И.Н. Максимова

Ладайкина И.Г.

Л15 Исследование влияния магнитной обработки на качество керамических изделий: моногр. / И. Г. Ладайкина, Н.А. Денисова. –

Пенза: ПГУАС, 2013. – 172 с.

ISBN 978-5-9282-866-0

Разработана технология производства образцов из волокнистой двуокиси кремня в условиях замкнутой безотходной технологии водопользования керамического производства. Проведен анализ существующих технологий производства изделий из бетона, керамики, огнеупоров с применением магнитной обработки для улучшения качества готовой продукции. Приведены результаты экспериментальных исследований по интенсификации процесса омагничиванием водной среды, представлены методы контроля за процессом обработки, определены оптимальные параметры магнитной обработки, разработаны рекомендации по практическому применению технологии водопользования производства изделий волокнистой двуокиси кремния.

Предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся исследованиями и расчетами в области разработки замкнутых технологий водопользования, а также для студентов, обучающихся по направлению 270800.62 «Строительство».

© Пензенский государственный университет ISBN 978-5-9282-866-0 архитектуры и строительства, 2013

© Ладайкина И.Г., Денисова Н.А., 2013

2

- в результате экспериментальных исследований влияния процессов омагничивания водных сред на скорость фильтрования установлены оптимальные параметры магнитной обработки: напряженность магнитного поля H=2,212 105 А/м; скорость движения жидкости через зазор магнитного активатора 0,3 м/с; температура очищаемой сточной воды 20 °С; рабочее время «памяти» омагниченного раствора 2 часа;

- предложенный и реализованный метод измерения электропроводности водных систем является одним из самых простых и надежных способов индикации степени омагничивания и позволяет с достаточной точностью судить об эффективности магнитного воздействия;

-разработана замкнутая технология водопользования керамического производства, исключающая загрязнение окружающей среды и обеспечивающая повторное использование очищенной сточной воды и извлеченных из нее ценных веществ в технологическом процессе;

-изучено качество кварцевых изделий в условиях замкнутого процесса водопользования, что позволило установить, что использование очищенной сточной воды с остаточными магнитными свойствами и с дополнительным доомагничиванием водно-связующего раствора повышает качество керамических изделий по сравнению с контрольной величиной пре-

дела механической прочности на 114,6 % при Н=(1,422…1,4615)105 А/м; - математически поставлены и решены на ЭВМ задачи оптимального

проектирования установок безотходной, замкнутой технологии водопользования керамического производства.

Разработанные технологические процессы рекомендованы для практического использования на предприятиях по производству изделий из волокнистой двуокиси кремния и в смежных отраслях. Полученные математические результаты оптимизации на ЭВМ проектирования установок безотходной технологии водопользования рекомендованы для применения в практике проектирования.

Монография предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся исследованиями и расчетами в области разработки замкнутых технологий водопользования.

Разделы 1-4 написаны И.Г. Ладайкиной. Раздел 3, а также предисловие и заключение написаны И.Г. Ладайкиной, Н.А. Денисовой.

Авторы искренне благодарны доктору технических наук, профессору Л.Н. Губанову за советы и помощь при подготовке монографии.

4

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Технологический процесс производства кварцевой керамики

Кварцевая керамика – это единственный керамический материал, основу которого составляет не кристаллическая, а стекловидная фаза, в этом и состоит условность ее принадлежности к керамическим материалам [1]. Однако то обстоятельство, что многие свойства изделий из SiО2 близки к свойствам некоторых видов керамики, а также то, что технология ее изготовления осуществляется по схеме керамического производства, делает этот материал родственным технической керамике.

Основные технологические этапы изготовления блоков из кварцевого волокна:

приготовление дистиллированной воды;

приготовление связующего;

приготовление навески волокна (резка);

диспергирование волокна;

перемешивание волокнистой пульпы и связующего;

формование блоков материала (проект 2121 ВИАМ);

сушка;

обжиг;

обрезка блоков.

Технологическая схема производства образцов из кварцевого волокна показана на рис. 1.1. Перед началом работ по изготовлению блоков производится наработка дистиллированной воды, которая хранится в накопительной емкости. Взвешенное и нарезанное кварцевое волокно загружается в смеситель волокнистой массы, куда добавляется раствор связующего. Перемешивание (механическое) волокна со связующим производится в течение 15-20 минут. В смесителе волокнистой массы осуществляется также и сортировка – отмачивание мелкой фракции.

Из смесителя суспензия поступает в сборник волокнистой массы, откуда порциями с требуемым расходом подается в формовочную ванну. Формование производится путем фильтрования пульпы самотеком, прижатия блока и отсоса избытка воды насосом. Влажность изделия после формовки составляет 70-80 %. Изготовленные образцы подвергаются сушке при равномерном возрастании температуры от 0 до 100 °С. Выбранный температурный режим выдерживается в течение 7-8 часов, конечная влажность после сушки составляет 40 %. Подсушенные образцы помещаются в специальные огнеупорные короба-формы и подвергаются обжигу в воз-

5

душной среде в электрической печи сопротивления с нагревателями из карбида кремния. Максимальная температура обжига − 1300 °С, выдержка при максимальной температуре – 180-200 минут.

Рис. 1.1. Технологическая схема процесса производства блоков из волокнистой двуокиси кремния

1.2. Физико-химическая характеристика кварцевого волокна и требования к качеству технологической воды

Для изготовления блоков из кварцевой керамики требуется вода по качеству не ниже показательных характеристик, приведенных в табл. 1.1.

6

Кварцевая керамика – это условное распространенное название изделий, получаемых методом керамической технологии из кремнезема в некоторых его модификациях. В качестве исходного материала при получении кварцевой керамики применяют прозрачное кварцевое стекло, полученное из горного хрусталя (SiО2>99,9 %), непрозрачное кварцевое стекло – плавленый кварц, полученный из кварцевого песка (SiО2>99,5 %), синтетические разновидности аморфного кремнезема (SiО2>99,999 %). Часто применяют отходы и брак производства кварцевого стекла, что рационально решает проблему их утилизации.

Однако то обстоятельство, что многие свойства изделий из SiО2 близки к свойствам некоторых видов керамики, а также то, что технология ее изготовления осуществляется по схеме керамического производства, делает этот материал родственным технической керамике. Изготовлению изделий из кварцевого стекла по керамической технологии, т.е. путем спекания отформованного изделия из кварцевого стекла, способствуют технологические трудности при формовании изделий методом стекольной технологии ввиду большой вязкости расплава кремнезема даже при температуре 2000 °С. Кварцевая керамика обладает рядом ценных свойств: исключительно высокой термостойкостью, благодаря низкому коэффициенту линейного расширения, хорошей химической устойчивостью, благоприятными и стабильными электрофизическими свойствами. Для изготовления изделий кварцевой керамики практически пригодны все ме-

7

тоды керамической технологии, включая горячее прессование. Однако наибольшее распространение получили методы прессования и особенно водного литья шликеров в гипсовые формы. В технологии кварцевой керамики, как плотной, так к пористой, особо важное значение имеет обжиг. При температуре около 1200 °С начинается процесс кристаллизации кварцевого стекла. Образуется высокотемпературная -форма кристобалита. При охлаждении -форма переходит в низкотемпературную -фор- му (180-270 °С). Этот переход сопровождается уменьшением объема на 5,2 % и соответственно повышением истинной плотности с 2,21 10-3 до

2,33 10-3 кг/м3.

Происходящее объемное изменение вызывает повышенные внутриструктурные напряжения, которые приводят к частичному или даже полному разрушению изделия. При частичной кристобалитизации, которая, как правило, начинается с поверхности изделия и поверхности воздухопроницаемых пор, происходит снижение прочности и термической стойкости.

Сложность обжига кварцевой керамики состоит в том, что процессы спекания и кристобалитизации совпадают по температуре. Поэтому режим обжига, т.е. температура, скорость подъема температуры, время выдержки, должен быть выбран с учетом плотности сырого изделия, степени дисперсности порошка. Как правило, более плотные и тонкодисперсные заготовки позволяют вести обжиг при несколько повышенных температурах (до 1350 °С). Усадка в обжиге кварцевой керамики составляет 3,5-5 % в зависимости от плотности сырца. Крупнозернистые массы имеют минимальную усадку (0,2-0,5 %).

Коэффициент линейного расширения кварцевой керамики (около 0,5 10 6 С-1 в интервале 20-900 °С) низкий, т.е. более чем на порядок

ниже, чем этот показатель у других оксидных материалов. Именно этим обусловлена высокая термостойкость кварцевой керамики. Кроме того, если механическая прочность остальных типов оксидной керамики с ростом температуры понижается, то кварцевой – повышается, что обуславливается возрастающей ролью вязкого течения материала. Основные характеристики кварцевой керамики приведены в табл. 1.2.

Специфика свойств кварцевой керамики обуславливает и области ее применения. В случае многократного использования изделий из нее максимальная температура службы не должна превышать 1200-1300 °С. При однократном и кратковременном применении она может быть повышена до 1600-1700 °С.

8

Таблица 1 . 2 Физико-механические показатели кварцевых изделий.

Кварцевую керамику применяют в качестве теплоизоляционных элементов в тепловых агрегатах; в качестве труб для подачи расплавленного алюминия, форм при литье металлов и др. Однако наиболее эффективное применение получила для изготовления обтекателей и различных составных элементов ракетной и космической техники. В этом случае кроме высокой теплостойкости используется еще одно свойство керамики – незначительное увеличение диэлектрической проницаемости с ростом температур.

Для изготовления блоков из кварцевой керамики требуется вода по качеству не ниже показательных характеристик, приведенных в табл. 1.1.

1.3. Омагничивание технологической воды как средство

повышения качества бетонных и керамических изделий

В настоящее время исследователей привлекает возможность интенсификации различных технологических процессов, где предусматривается использование воды и водных систем, свойства которых могут влиять на эффективность процесса и качество готовой продукции.

Отсутствует единая точка зрения о природе эффекта изменения свойств воды в результате ее взаимодействия с магнитным полем, ставится под сомнение и сама достоверность эффекта. Во многом это объясняется вариабельностью химического состава и метабильностью структуры обрабатываемой воды, отсутствием единой методики обработки и индикации ее

9

степени. Однако опыт поиска оптимальных режимов и практического использования магнитной обработки является убедительным примером эффективного применения омагничивания водных систем в различных отраслях промышленности.

Наиболее широкое применение магнитная обработка получила в таких областях как: химическая, горная, металлургия, производство строительных материалов, медицине и т.д.

Но в отечественной и зарубежной литературе нет достаточных и достоверных сведений о применении воды, активированной магнитными полями, при исследуемом производстве изделий из волокнистой двуокиси кремния, ряд вопросов практического использования исследован в лабораторных условиях [2]. Поэтому полученные результаты можно сопоставить только с данными применения магнитнообработанной водной среды в некоторых смежных областях (при производстве строительной керамики, огнеупоров и т.д.).

Серьезные исследования возможности применения магнитной обработки воды в производстве огнеупоров проведены А.В. Севриковым [3] и Б.Т. Харьковским, В.П. Туликовым [4].

Исследования проводились на Боровичском огнеупорном комбинате [4] и на Запорожском заводе огнеупоров. Результаты испытаний огнеупорных изделий показали, что электромагнитная обработка шликера улучшила качественные показатели огнеупоров: механическая прочность возросла в среднем на 12 % (Запорожский завод) и на 12,5 % (Боровичский комбинат), открытая пористость соответственно – 3 и 4,2 %.

Б.Т. Харьковским, В.П. Гуляковым и Ю.Г. Ушаковым [5] проведены лабораторные и промышленные исследования по увлажнению каолиновых масс перед брикетированием водой, обработанной электромагнитным полем постоянного тока в аппарате с девятью рабочими магнитными зонами чередующейся полярности. Напряженность поля регулировалась от 0 до 4,07 105 А/м (0-5160 Эрстед). Скорость движения воды в рабочей зоне составила 0,5-0,75 м/с. В качестве сырья при проведении лабораторных исследований был использован каолин Владимирского месторождения. Эти опыты были проведены с целью установить возможность повторного использования пыли из печей в составе каолиновых брикетов, поступающих на обжиг. Минимальные значения образовавшихся мелких фракций наблюдается в области напряженностей магнитного поля (33,6…39,5) 105 А/м (4500-5000 Эрстед). Снижение пылеобразования в этих точках достигает в среднем 55 % у каолиновых образцов и 40 % у каолинопылевых в сравнении с образцами, увлажненными обычной водой. Уменьшение выхода мелких фракций у образцов, увлажненных магнитной водой, свидетельствует об увеличении механической прочности этих образцов в сырце. По мнению авторов, эти изменения можно объяснить

10