ХИМИЧЕСКАЯ технология керамики и огнеупоров

и химический состав, пластичность и огнеупорность. Для камнеподобного сырья осуществляется макроописание, определяются огнеупорность (см. подразд. 2.9) и химический состав.

Проведение анализа

Материалы, посуда и приборы: крупнозернистый кварцевый песок или шамот, шамотная подставка, фарфоровая ступка с пестиком, кварцевый тигель, лабораторный ленточный пресс, шкаф сушильный с терморегулятором, штангенциркуль или объемомер, электрическая силитовая печь, муфельная электропечь, сито № 1, прибор Вика, весы электронные, часы.

Подготовку сырья к обжигу производят в зависимости от его структурно-механических свойств. Глинистое сырье высушивают при температуре 105...110° С в количестве 4–5 кг, измельчают деревянным пестиком и просеивают через сито № 1. Из подготовленной пробы отбирают 300 г глины и готовят тесто нормальной формовочной влажности. Влажность теста контролируют на приборе Вика и определяют весовым способом (см. подразд. 2.3). Из массы формуют гранулыцилиндрики диаметром и высотой 16 мм. Конструкция формы позволяет при вдавливании формующей детали излишкам глинистого теста выходить через отверстия (рис. 38). Камнеподобное сырье дробят и рассеивают на фракции 5–10 и 10–20 мм.

Рис. 38. Форма для изготовления гранул-цилиндриков: 1 – донышко; 2 – форма (общий вид); 3 – формующая деталь; 4 – образец

Подбор оптимального режима термической обработки гранул перед обжигом осуществляют по трем схемам: I – одноступенчатой (вспучивание гранул в подвяленном состоянии с влажностью на 2–4% ниже формовочной); II – двухступенчатой (сушка образцов при

100

1000...1100° С с последующим вспучиванием); III – трехступенчатой (сушка образцов, термоподготовка при температуре 200...500° С и последующее вспучивание).

Прежде всего опробуют трехступенчатую схему. Приготовленные 12 гранул-цилиндриков (или кусочки камневидного сырья) после подвялки высушивают до постоянного веса при температуре 1000...1100° С. По три образца одновременно помещают на шамотной подставке, посыпанной шамотом, в муфельную печь, разогретую до одной из температур: 200, 300, 400 или 500° С. Продолжительность термоподготовки при указанных температурах составляет 20 мин. После этого гранулы вместе с подставкой переносят для вспучивания в силитовую печь, разогретую до 1140, 1170 или 1200° С, и выдерживают 7 мин.

По окончании обжига шамотную подставку вместе с образцами вынимают из печи, охлаждают до комнатной температуры, визуально определяют степень оплавления поверхности гранул, замеряют их объем, затем взвешивают и рассчитывают объемную массу заполнителя (см. подразд. 4.1) и коэффициент вспучивания по формуле

Kв = V2 , V1

где V1 – объем абсолютно сухой гранулы, см3; V2 – объем зерна керамзита, см3.

Результаты испытаний заносят в табл. 21.

Таблица 21

Определение вспучиваемости сырья (по трехступенчатой схеме)

Оптимальные условия термоподготовки и вспучивания устанавливают по наименьшей объемной массе керамзита и наибольшему коэффициенту вспучивания. При этом гранулы не должны быть деформированы, а поверхность их оплавлена.

При найденной ориентировочной температуре вспучивания производится обжиг гранул по I и II схемам.

101

Определение оптимальной температуры и интервала вспучивания осуществляют следующим образом. Четыре гранулыцилиндрика, сформованные из шихты оптимального состава, устанавливают на шамотную подставку так, чтобы три из них располагались в нижнем слое плотно друг к другу, а одна – сверху. Термоподготовку образцов проводят по ранее выбранному режиму, после чего их переносят вместе с подставкой в силитовую печь для вспучивания при температуре от 980 до 1250° С с интервалом 30° С. За оптимальную температуру вспучивания принимают температуру начала слипания гранул, когда после остывания они при постукивании начинают отделяться друг от друга с обнажением пористой структуры в местах контакта.

Находят объемную массу керамзита. Результаты записывают по форме табл. 21.

Полученные данные используют для определения интервала вспучивания. Строят график в системе координат «объемная масса керамзита – температура вспучивания». За интервал вспучивания принимают разницу между оптимальной температурой вспучивания и температурой, которой соответствует получение керамзитового гравия с объемной массой 1 г/см3 (1000 кг/м3).

102

Раздел 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС И ШЛИКЕРОВ

3.1. Подготовка сырьевых материалов, приготовление керамических масс с различной влажностью

и изготовление образцов

При производстве керамических материалов и изделий, а также выполнении научных исследований проводят анализ сырья, керамических масс, полуфабрикатов, опытных образцов и готовой продукции.

Такие анализы выполняются в заводских или научных лабораториях на средних пробах, отобранных от контролируемого материала, керамической массы, изделий или на специально изготовленных образцах. Отобранные пробы должны быть небольшими и в то же время достаточно представительными, чтобы с достоверностью отражать физико-химические или технологические свойства всей партии материала. Технология отбора средней пробы материала рассмотрена в разделе 1.

Пробы сырьевых материалов должны быть высушены в сушильном шкафу при температуре (100 ± 5)° С до воздушно-сухого состояния и измельчены до тонины, которая определяется требованиями проводимого анализа.

Для изучения технологических свойств глин, каолинов, керамических масс, а также физико-химических, механических, термических и других характеристик материалов необходимы специально изготовленные образцы, согласно требованиям ГОСТов или ТУ на испытания сырья, материалов и изделий. Опытные образцы получают, как правило, пластическим способом или способом полусухого прессования. Приготовление массы для формования образцов можно производить шликерным, пластическим или сухим способами.

Шликерная подготовка используется при исследовании каолинов, глин и глиносодержащих масс. Для приготовления текучей суспензии применяют пластичные материалы в воздушно-сухом состоянии. В случае исследования небольшого количества глинистого материала к пробе глины, помещенной в лабораторный стакан, добавляют небольшими порциями (по 5 мл) воду при постоянном перемешивании шпателем до тех пор, пока масса не достигнет

103

сметанообразной консистенции. Количество воды для приготовления суспензии зависит от наличия примесей, минерального типа, гранулометрического состава и других свойств глины и колеблется от 50 до 150 мл на 100 г сухой глины.

При необходимости приготовления большого объема суспензии сначала определяют количество воды на малой пробе (как описано выше), а затем приступают к замачиванию всей порции глины. Требуемое количество воды помещают в емкость, оборудованную лабораторной пропеллерной мешалкой, и при постоянном перемешивании всыпают небольшими порциями высушенную глину. Для получения однородной суспензии перемешивание в мешалке продолжают на протяжении 2–3 ч. Если перемешивание ведется вручную, то полученный шликер выстаивают в течение 2 сут для полного распускания глины, а затем, после тщательного перемешивания деревянной лопаткой, процеживают через сито № 1, при этом сгустки глины протирают через сито куском плотной резины.

В случае приготовления керамической шликерной массы, содержащей, кроме пластичных материалов, твердые отощающие, флюсующие и другие составляющие, смешивание и измельчение компонентов проводят совместным мокрым помолом в лабораторной мельнице до требуемой тонины, которая оценивается по остатку на контрольном сите.

Приготовленные жидкотекучие суспензии могут быть использованы для изучения текучести, вязкости, коэффициента загустеваемости, скорости набора черепка, электрокинетических характеристик шликера.

Для получения пластической массы и порошков приготовленные шликеры частично обезвоживают в плоских гипсовых формах с крышками. Во избежание засорения шликера гипсом формы предварительно покрывают влажной тканью. По мере насыщения гипсовые формы заменяют на сухие. Обезвоживание производят до получения глиняной пасты нормальной рабочей консистенции, которая легко отделяется от формы и не прилипает к рукам.

Если массы готовят пластическим способом, то высушенную и измельченную глину замачивают таким количеством воды, которое соответствует ее содержанию в массе нормальной формовочной влажности. Воду добавляют небольшими порциями вначале по 4– 5 мл, а затем по 1 мл. При подготовке большой пробы глины ее замачивают в два-три приема с промежутками 20–30 мин. Для более

104

равномерного распределения воды и ускорения насыщения в глиняной массе стеклянной палочкой проделывают большое количество отверстий на всю глубину слоя.

Приготовленную пластическим или шликерным способом массу следует тщательно промять и вымесить для удаления пузырьков воздуха. Для этого можно использовать лабораторную вакууммялку с разрежением 0,003–0,005 МПа. В случае ее отсутствия массу проминают вручную последовательно от центра к краям. Затем массу сбивают на столе и оформляют в виде параллелепипеда или куба. Для контроля качества приготовления массы от куска отрезают ленту толщиной 1 см и проверяют срез на наличие скрытых пузырьков воздуха, трещин и других дефектов, при обнаружении которых проминку и сбивание массы повторяют.

Подготовленную пластическую массу хранят во влажной холщевой ткани в закрытом сосуде или герметичном полиэтиленовом пакете во избежание высыхания пробы.

Лабораторные образцы формуют вручную в металлических или деревянных формах, которые перед каждым заполнением массой смазывают машинным маслом. Для формования образцов (кубики, балочки) от бруса массы тонкой проволокой отрезают кусок, несколько превышающий по объему формуемый образец, закладывают в форму, накрывают тканью и уплотняют деревянным молотком. Затем излишек массы срезают ножом, выравнивают поверхность образца шпателем, предварительно смоченным водой, и осторожно выталкивают образец из формы деревянным вкладышем или руками. Образец оправляют от заусениц, маркируют и укладывают на ровную поверхность. Плитки и балочки различных размеров можно вырезать из раскатанного пласта массы специальной латунной формой, нижние края которой остро отточены.

Для определения воздушной и огневой усадки на образцах ставят метки определенной длины специальным шаблоном или острыми ножками штангенциркуля. Необходимое количество и размеры образцов приводятся в соответствующих методиках на проведение испытаний.

Если опытные образцы получают полусухим прессованием, то пресс-порошки можно подготовить сухим и мокрым способами. В первом случае глину или другие компоненты массы подвергают сушке, помолу до требуемого зернового состава, дозированию, согласно рецептуре, и увлажнению до 7–8%. Допускается проводить

105

совместное измельчение компонентов в вибрационной или шаровой мельнице до заданных значений остатка на сите или удельной поверхности.

При мокрой подготовке массы отдозированные компоненты проходят совместное мокрое измельчение в шаровой мельнице (масса : мелющие тела : вода – 1 : 1,2 : 1) до требуемой тонины помола. При испытании только глинистых материалов их можно просто распустить в воде до сметанообразной консистенции. Полученные шликеры частично обезвоживают в гипсовых формах до влажности 22–24% и высушивают в сушильном шкафу до воз- душно-сухого состояния. Поскольку при сушке трудно достигнуть требуемой влажности материал высушивают до постоянной массы, растирают и доувлажняют его до заданного значения (7–9%). Количество воды В, г, добавляемой к навеске, определяют по следующей формуле:

B = G(W0 − W1) , 100 − W1

где G – навеска шихты, г; W0 – заданная влажность пресс-порошка, %; W1 – относительная влажность шихты до увлажнения, %.

Увлажнение шихты лучше производить пульверизацией во избежание образования переувлажненных участков. Порошок перемешивают, протирают через сито № 1 (для тонких порошков) или более крупные сита, определяемые максимальным размером крупных частиц. Далее порошок помещают в герметичный сосуд и выдерживают в течение суток для равномерного распределения влажности по массе.

Перед прессованием образцов массу вновь перемешивают, протирают через сито с вышеуказанными размерами отверстий и подбирают оптимальное давление прессования, которое будет зависеть от влажности и зернового состава порошка, формы и размеров образцов. Для различных испытаний получают образцы в виде дисков, цилиндров, кубиков, плиток, палочек, штабиков и др. Прессовое усилие F, кН, рассчитывают исходя из заданного давления прессования и площади поверхности прессуемого изделия (пуансона) по формуле

F = PS · 103,

где P – заданное давление прессования, МПа; S – площадь сечения образца (пуансона), м2.

106

Следует учитывать, что для образцов различной формы и размеров оптимальное давление прессования может значительно отличаться.

После засыпки в металлическую форму определенной порции порошка производят прессование образцов путем плавного приложения нагрузки в два приема для выхода воздуха из прессовки и релаксации возникающих напряжений. Начальное давление составляет 1/3 от заданного оптимального. Выемку образцов из формы осуществляют на этом же или другом прессе с помощью специальных вкладышей или других приспособлений.

Отпрессованные образцы проверяют на наличие дефектов, очищают от заусениц, маркируют и укладывают на горизонтальную подставку. При наличии недопрессовки, перепрессовочных трещин, отклонения от размеров и других дефектов следует откорректировать давление прессования, порцию засыпки порошка, проверить качество формы.

Наряду с традиционными методами приготовления материалов, масс и получения опытных образцов в лабораторной практике могут применяться другие приемы с учетом специфических свойств материалов и методов исследований. Дисперсные системы могут быть приготовлены с использованием водных и органических связок (поливинилового спирта, карбоксилметилцеллюлозы, парафина, глицерина и др.) в виде водных и термопластических суспензий, порошков, пластических масс. Образцы из таких масс формуют разнообразными методами: литья в пористые формы, горячего литья термопластифицированных шликеров в холодные металлические формы, горячего прессования порошков и др. Технологические параметры приготовления масс и получения образцов подбирают применительно к действующей технологии соответствующего вида керамического материала или изделия.

3.2.Определение гранулометрического состава

иудельной поверхности порошков и порошкообразных масс

Общие сведения

В керамической технологии широко применяется получение изделий методом прессования из порошкообразных масс. Этот способ отличается высокими удельными давлениями прессования и малым содержанием в порошке временной связки, которое составляет от 2 до 10% (по массе).

107

Пресс-порошки бывают глинистыми и безглинистыми, тонкозернистыми и грубозернистыми, на водной или другой жидкой связке.

Одной из главных характеристик пресс-порошков является их зерновой состав, который влияет на сыпучесть, насыпную плотность порошка, уплотнение системы при прессовании и другие показатели.

Зерновой состав пресс-порошка отличается от гранулометрического состава компонентов, так как первичные минеральные частицы объединены в более или менее прочные агрегаты-гранулы. Особенно это касается тонкозернистых и высокодисперсных частиц, которые за счет сил адгезии и специальной подготовки образуют системы с довольно прочными гранулами. Например, пресспорошок, получаемый в башенно-распылительной сушилке, характеризуется наличием гранул от 0,5 до 2 мм, хотя все минеральные частицы имеют размеры <0,063 мм.

Указанным различием можно пренебречь для грубозернистых порошков малопластичных и непластичных, так как в них явление агрегации выражено слабо, а прочность агрегатов низкая. Поэтому зерновой состав грубодисперсных порошков задается пофракционно для отдельных компонентов или всей массы и контролируется ситовым анализом путем подбора сит с размером ячеек, который соответствует заданному размеру частиц.

Для тонкозернистых масс контролируется как размер минеральных частиц (он задается однозначно или остатком на контрольных ситах с размером ячеек 0,056 и 0,063 мм или удельной поверхностью), так и зерновой состав гранулированного порошка.

Зерновой состав тонкозернистого порошка устанавливается технологическим регламентом, обеспечивается настройкой технологического оборудования и контролируется ситовым анализом.

В технической керамике, особенно при использовании приготовленных порошков для термопластического прессования или литья тонких пленок, как правило, пользуются показателем удельной поверхности порошков, от которой непосредственно зависит расход органических связок и качество прессовок.

Удельная поверхность S, % – это суммарная поверхность всех частиц, отнесенная к единице массы.

Для определения удельной поверхности существует несколько методов, практически все они основаны на зависимости воздухопроницаемости слоя порошка от размеров его частиц.

108

В настоящее время имеются анализаторы удельной поверхности. Однако они не всегда могут быть применены в лабораторной практике из-зи сложности конструкции прибора.

Несомненными достоинствами метода воздухопроницаемости являются сравнительная простота приборов, непродолжительность испытания. Однако измеряемая площадь поверхности существенно зависит от степени уплотнения материала. Поэтому фактически недопустимо использование этого метода для определения площади поверхности высокодисперсных (вследствие этого агрегирующих и гигроскопичных) материалов. Практически область применения метода воздухопроницаемости ограничивается площадью удельной поверхности материалов, не превышающей 1,5 м3/г.

Проведение анализа

Материалы, посуда и приборы: бумага фильтровальная, эксикатор, прибор ПСХ-2, шкаф сушильный с терморегулятором, весы технические с разновесом, секундомер.

Наиболее часто для этого испытания используется прибор Л. С. Соминского и Г. С. Ходакова (ПСХ-2). Принцип действия прибора основан на зависимости воздухопроницаемости слоя порошка от размера его частиц (рис. 39).

109