ХИМИЧЕСКАЯ технология керамики и огнеупоров

Кювету для укладки испытуемого порошка – металлическую цилиндрическую камеру диаметром (25 ± 0,03) мм разделяет перегородка с отверстиями для прохождения воздуха (рис. 39, б). На штуцер внизу кюветы надета гибкая резиновая трубка, соединяющая кювету с манометрической системой. Для уплотнения слоя порошка и измерения его толщины в кювету вставляют плунжер – металлический цилиндр с внутренним каналом и дном с отверстиями.

Верхняя часть цилиндра оканчивается упорным диском, к которому прикреплена планка с нониусом. Плунжер вводят в кювету так, чтобы при его перемещении планка двигалась вдоль миллиметровой шкалы, нанесенной на поверхность кюветы, что дает возможность измерять толщину слоя засыпанного материала с точностью до 1 мм; зазор между плунжером и кюветой составляет 0,15 мм. Резиновая груша с клапаном служит для создания разрежения в кювете под слоем порошка.

Манометрическая система представляет собой стеклянную бюретку, имеющую два колена: одно – короткое и широкое, сообщающееся с атмосферой, другое – длинное с расширенным резервуаром в верхней части. Длинное колено бюретки герметично соединено двумя стеклянными отростками: с одной стороны через резиновый шланг с металлической кюветой, с другой – стеклянным краном с резиновой грушей. Бюретка заполняется подкрашенной водой, с помощью которой регистрируется изменение степени разрежения под слоем материала в ходе измерения.

Количество окрашенной воды в бюретке должно быть таким, чтобы при поднятии уровня жидкости в длинном колене до расширенного резервуара короткое колено было заполнено жидкостью не менее чем на 1/3 высоты. Падение столба жидкости в длинном колене бюретки происходит в результате прохождения атмосферного воздуха через слой исследуемого материала и уменьшения разрежения в манометрической системе. Измеряя скорость падения столба жидкости, можно определить площадь удельной поверхности материала, поскольку последняя находится в обратной зависимости от этой скорости.

Перед началом опыта проверяют герметичность прибора. Для этого вынув плунжер из кюветы, верхнее отверстие цилиндра плотно закрывают резиновой пробкой или зажимают ладонью. Открывают кран бюретки и с помощью резиновой груши поднимают уровень жидкости до расширения в длинном колене. Затем закрывают кран и, продолжая зажимать отверстие, наблюдают за положением уровня жидкости в манометре: при хорошей герметичности этот уровень не опускается,

110

в противном случае следует найти и устранить негерметичность в приборе (проверить состояние резинового шланга, плотность его соединения с кюветой и со стеклянной трубкой, исправность стеклянного крана).

Далее проверяют совпадение нулевых делений нониуса на плунжере и шкалы на кювете. Для этого в кювету укладывают вырезанные по ее внутреннему диаметру два кружка фильтровальной бумаги и полностью вдвигают плунжер. Если имеется несоответствие положений нулевых делений, то отмечают величину этого несоответствия и в дальнейшем учитывают ее при измерении высоты слоя испытуемого порошка.

Материал для испытания высушивают в сушильном шкафу при 105...110°С до постоянной массы. После охлаждения в эксикаторе до комнатной температуры на технических весах отвешивают пробу порошка с точностью до 0,01 г, масса которой Р, г, зависит от плотности материала ρ и определяется по следующей формуле:

Р= 3,33 ρ .

Вслучае исследования смеси различных порошков массу навески вычисляют по формуле

Р= 3,33 ∑αi ρi ,

где αi – содержание компонентов в смеси, доля по массе; ρi – плотность компонентов, г/см3.

На дно чистой кюветы укладывают кружок фильтровальной бумаги и высыпают на него навеску испытуемого материала. Слой порошка разравнивают легким постукиванием и покрывают сверху вторым кружком фильтровальной бумаги. Затем в кювету медленно вводят плунжер и с силой нажимают на него рукой, уплотняя слой порошка. После замера высоты слоя порошка нониусом по миллиметровой шкале плунжер удаляют из кюветы и открывают кран на бюретке. Резиновой грушей создают такое разрежение под слоем материала, чтобы уровень жидкости поднялся до расширения в верхней части длинного колена. Затем закрывают кран и, наблюдая за опускающимся столбом окрашенной воды, определяют время прохождения мениска между парой рисок, нанесенных на бюретке.

При испытании тонкозернистого материала мениск движется вниз очень медленно, поэтому для сокращения времени эксперимента пользуются верхней парой рисок. При грубозернистом материале столб жидкости вначале опускается довольно быстро, по этой

111

причине пользуются нижними рисками. Среднее значение времени прохождения мениска между рисками находят по результатам не менее чем трех испытаний. По термометру в футляре прибора фиксируют температуру воздуха, при которой проводят испытания. Площадь удельной поверхности порошка S, см2/г, вычисляют по формуле

S = KM τ , P

где K – постоянная прибора (содержится в паспорте, для каждой пары рисок имеет свое значение); М – коэффициент, зависящий от толщины слоя порошка L при температуре воздуха t во время опыта (находится по табл. 22); τ – время падения столба жидкости между данной парой рисок, с; Р – масса порошка, г.

Таблица 22

Значения коэффициента М для расчета площади удельной поверхности порошка

Примечание. Для значений L и t, отсутствующих в таблице, коэффициент М находят интерполяцией.

112

6

Из выражения S = ρх можно найти средний размер частиц

где ρ – плотность минеральных частиц, г/см3; S – удельная поверхность, см2/г.

Результаты испытаний заносят в табл. 23.

Таблица 23

Определение площади удельной поверхности

3.3. Определение основных технологических характеристик порошкообразных керамических масс

Общие сведения

В керамической технологии широко применяется прессование изделий из порошкообразных масс, которое характеризуется малым содержанием временной связки и высокими удельными давлениями прессования. Порошки, как и другие керамические массы, относятся к дисперсным системам, в состав которых входят твердые, жидкие и газообразные составляющие. Твердое вещество – это совокупность всех минеральных компонентов, жидкая составляющая – временная связка независимо от ее вида, газовое вещество – это воздух, адсорбированный частицами.

Основными характеристиками порошкообразной дисперсной системы являются следующие.

Содержание связующей жидкости по массе W и по объему L

выражается в процентах к общей массе или сумме объемов твердой и жидкой составляющих, т. е. не считая пор, заполненных воздухом. Между этими величинами существует следующая зависимость:

113

где ρтв, ρж – истинная плотность соответственно твердого вещества и связующей жидкости, кг/м3.

Если твердое вещество состоит из нескольких минеральных компонентов, то следует использовать среднюю плотность ρср, которая может быть определена экспериментально и рассчитана по формуле аддитивности удельных объемов:

100 = ∑ аi ,

ρср ρi

где аi – массовое содержание каждого компонента, %; ρi – истинная плотность каждого компонента, кг/м3.

Общая плотность ρобщ дисперсной системы, или насыпная плотность, представляет собой отношение всей массы материала к занимаемому объему. Эта характеристика зависит от истинной плотности минерального вещества, а также от содержания технологической связки и строения системы.

Для сопоставления свойств удобно пользоваться безразмерными коэффициентами, характеризующими долю объема в системе, занятую отдельной структурной составляющей.

Доля объема, занятая твердым веществом Kтв, численно равна отношению кажущейся (насыпной) плотности системы к истинной плотности твердого вещества. Величину Kтв, %, находят из следующих выражений:

или

Истинная пористость системы – отношение объема пор к общему объему. Данный показатель рассчитывают по формуле

114

П= (1 – Kтв)100%.

Вэтом случае к порам относится весь объем, не занятый твердым веществом, т. е. поры, занятые и воздухом, и связующей жидкостью.

Из понятия «объемное содержание связки L» очевидно, что

Учитывая, что сумма долей объема, занятых тремя составляющими системы, равна единице, вычисляем объемную долю газовой составляющей:

В свободно насыпанных порошках доля минеральной части Kтв составляет 30–45%, доля временной связки Kж – 5–15%, доля возду-

ха Kг – 45–65%.

Поры, заполненные воздухом, являются той частью системы, за счет которой уменьшается объем при сжатии.

Зерновой состав пресс-порошков и зерновой состав исходных компонентов отличаются между собой, так как в большинстве случаев первичные минеральные частицы в порошках объединены в более или менее прочные агрегаты – гранулы. Этим различием можно пренебречь для грубозернистых порошков малопластичных или непластичных, потому как в них явление агрегации выражено слабо, а прочность агрегатов низкая. Это отличие имеет большое значение для порошков из тонкозернистых и высокодисперсных частиц, особенно для систем с достаточно прочными гранулами, образованными при соответствующей подготовке массы. Зерновой состав порошка влияет на насыпную плотность и плотность системы при начальных стадиях формования, а зерновой состав исходных компонентов (массы) определяет возможную плотность ее упаковки.

115

Кроме размеров зерен пресс-порошка, некоторое значение имеет их форма и характер поверхности. Изометрические зерна со сравнительно гладкой поверхностью дают, в общем, большую плотность укладки и повышенную сыпучесть порошка, а угловатые и неизометрические зерна могут повышать внутренние силы сцепления в прессованном полуфабрикате.

Сыпучесть пресс-порошка должна быть достаточной для обеспечения полной и равномерной засыпки пресс-форм. Это свойство зависит от зернового состава, формы зерен (гранул), вида и содержания связки в порошке.

Факторами, благоприятствующими сыпучести, являются сферическая и окатанная формы зерен, узкий интервал зернового состава пресс-порошка, оптимальная влажность. Сыпучесть можно квалифицировать либо непосредственно – по времени высыпания порции порошка под действием собственного веса через отверстие определенного размера, либо косвенно – по углу естественного откоса.

Прессуемость пресс-порошков является наиболее важной и сложной их характеристикой, зависящей от всех факторов технологии: состава массы и зернового состава ее компонентов, содержания временной связки, способа и условий подготовки, хранения и транспортирования пресс-порошка.

Прессуемость – это функциональная зависимость степени уплотнения прессовки от удельного давления прессования. Уплотнение прессовки можно оценить следующими показателями: осадка , коэффициент сжатия Kсж, общая плотность Робщ прессовки после ее выталкивания из пресса:

= Н – h ,

Kсж = H ,

h

где Н – высота засыпки массы в пресс-форме постоянного сечения, мм; h – высота (толщина) прессовки после приложения соответствующего давления, мм.

Эти зависимости могут быть выражены графически в виде плавных кривых, построенных по ряду экспериментальных точек. Такие графики называют компрессионными кривыми или кривыми прессования. Обработка экспериментальных данных позволяет выразить полученные зависимости в виде приближенных уравнений, обычно называемых уравнениями прессования.

116

Проведение анализа

Материалы, посуда и приборы: пробы порошка, металлическая пресс-форма, мерная емкость (100 или 200 мл), воронка для определения текучести, штангенциркуль, секундомер, технические весы с разновесом, гидравлический пресс, сушильный шкаф.

Сыпучесть пресс-порошка оценивается двумя методами: по углу естественного откоса и по времени высыпания из специального устройства.

Для испытаний приготавливают пробу порошка и устанавливают его насыпную плотность. Для этого порошок всыпают в предварительно взвешенную мерную емкость (100 или 200 мл), а затем определяют массу емкости с порошком. По разности масс находят массу порошка m и рассчитывают насыпную плотность порошка Рнас:

Pнас = m ,

V

где V – объем порошка, см3.

Для определения угла естественного откоса (рис. 40) пробу порошка для прессования массой 200 г насыпают на ровную поверхность

венного веса в единицу времени через отверстие определенных размеров. Для установления этой характеристики используется устройст-

во, схема которого представлена на рис. 41.

Его основными частями являются воронка 1 с цилиндрическим от- верстием-соплом диаметром 15 мм и шаровой затвор 2 с крестообразным разрыхлителем. Сыпучесть порошка удобнее измерять по времени высыпания определенной порции (100 г) порошка, помещенной в воронку. Порцию порошка засыпают в воронку осторожно без какоголибо уплотнения. Время высыпания с момента поднятия шарового затвора отсчитывают по секундомеру.

117

Интервал Рmax– Рmin выбирают с учетом типа прессуемого материала и технологии прессуемых образцов.

Для получения достаточно наглядных графиков и надежных значений коэффициентов уравнений желательно соотношение Рmax : Рmin = = 4 : 5. Например, для многошамотных масс этот интервал составляет 20– 80 МПа, плиточныхмасс– 8–40 МПа, техническойкерамики– 30–120 МПа.

Образцы прессуют на лабораторном гидравлическом прессе с постоянной скоростью прессования, позволяющем достаточно точно контролировать конечное прессовое усилие. Для получения образцов используют цилиндрические пресс-формы с внутренним диаметром 15–30 мм. Порошок засыпают в пресс-форму в виде отвешенных порций постоянной массы, которая подбирается таким образом, чтобы в случае одностороннего прессования высота прессовок не превышала 0,6–0,7 ее диаметра. При несоблюдении данного условия в образцах возможна существенная неравномерность по высоте, которая заметно отразится на результатах эксперимента. Требуемое прессовое усилие находят для каждого значения удельного давления путем его умножения на величину площади сечения прессуемого образца:

F = PS.

При засыпке порошка в пресс-форму замеряют высоту засыпки Н, а после прессования – высоту прессовки h и рассчитывают величину осадки для каждого давления прессования:

118