ХИМИЧЕСКАЯ технология керамики и огнеупоров

Таблица 8

Характеристика зернового состава исследуемого порошка

На основании табличных данных строят интегральные и дифференциальные кривые зернового состава в системе координат Х –

Qx(qx), Хср – Q/ Х, Хср – Q( q).

Исходя из процентного содержания отдельных фракций, можно рассчитать приближенно средний размер частиц исследуемого порошка по следующей формуле:

X ср = Хср1 Q1 + Хср2 Q2 + ... + Хсрn Qn .

100

На основании этого можно найти приближенную удельную поверхность материала S, см2/г, по формуле

где ρ – плотность материала, см2/г (принимают по справочным данным или в случае необходимости определяют опытным путем).

По результатам определений делают выводы о зерновом составе исследуемой пробы порошка и возможности его использования в технологии приготовления керамических масс. А также приходят к заключению о достаточности или недостаточности степени дисперсности порошка и необходимости дополнительного измельчения с предложением рациональной технологической схемы помола данного материала.

2.4.2. Седиментационный анализ Общие сведения

Предельно малый размер частиц, который определяется методом ситового анализа, составляет 0,037 мм, т. е. применительно к тонкодисперсным веществам, в том числе глинам, этот анализ практически

60

не дает представления об их зерновом составе, а скорее только об их примесной части. В связи с этим для исследования тонкодисперсных материалов применяют косвенный метод – седиментационный анализ, который основан на количественном распределении частиц по крупности исходя из времени их оседания в жидкой среде.

Зависимость между скоростью оседания частиц в дисперсионной среде и их размерами выражается уравнением Стокса:

где d – размер частицы, м; η – вязкость жидкости, Па · с; v – скорость движения частиц, м/с; ρтв – плотность твердой среды, кг/м3; ρж – плотность жидкости, кг/м3.

При конкретных условиях опыта принимаем, что

9η

= const.

2(ρтв − ρж )g

Тогда

v = Kd2,

где K – постоянная опыта.

Частицы одного размера в жидкой среде осаждаются с одинаковой скоростью. Следовательно, если тонкодисперсное вещество размешать в цилиндре с дисперсионной средой и поставить отстаиваться, то на некоторой глубине концентрация частиц будет вначале оставаться постоянной, так как оседающие частицы заменяются новыми из верхних слоев. Однако через определенное время τ1 концентрация суспензии на этой глубине уменьшится из-за того, что частицы с большой скоростью оседания уже все опустятся ниже. Взятая в этот момент проба суспензии с глубины Н1 не содержит частиц крупнее d1:

Беря пробы с определенной глубины через различные промежутки времени и зная скорость осаждения частиц, можно установить содержание в породе частиц разных размеров. Пробы обычно отбирают пипеткой, поэтому способ называется пипеточным. С его

61

помощью можно определить содержание частиц размером от 0,1 до 0,001 мм. Для осаждения более мелких частиц необходимо центрифугирование.

Вкерамической технологии седиментационный анализ широко используется для изучения гранулометрического состава глинистых материалов, который оказывает значительное влияние на технологические свойства масс.

Глины представляют собой горные породы, которые состоят в основном из глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды, хлорита и др.), образовавшихся в результате выветривания магматических пород. Наряду с вышеперечисленными компонентами в состав глин часто входят остатки первичных материнских пород (полевой шпат, слюда и др.) и примеси (кварц, карбонаты, гипс, железистые и органические включения и др.).

Огромное значение в технологии обработки глин имеет величина частиц минералов, входящих в их состав. Глины – полидисперсный материал, другими словами, частицы, их составляющие, различны по величине. Если диспергировать (распустить) глину в воде и разделить осадок на фракции различной величины, то окажется, что наиболее тонкодисперсная часть его представлена глинистыми минералами. Собственно глинистыми частицами принято считать частицы размером менее 0,005 мм вплоть до коллоидной дисперсности (<0,0002 мм).

Вболее крупных фракциях глинистой суспензии размерами 0,001–0,01 мм могут обнаруживаться как глинистые частицы, так и компоненты, не входящие в состав глинистых минералов, например, остатки первичных минералов – слюда, полевой шпат, кварц. Частицы крупнее 0,01 мм, как правило, представлены примесями.

Именно размер глинистых частиц является параметром, в основном определяющим пластичность глин при смешивании с водой

иряд других свойств. Например, высокодисперсные глины имеют высокую пластичность, хорошо формуются, очень прочны в высушенном состоянии, спекаются при пониженных температурах, однако из-за небольших размеров капилляров между частицами трудно отдают воду, т. е. требуют медленной и осторожной сушки, сопровождающейся повышенной усадкой изделий. Напротив, грубодисперсные глины имеют малую пластичность, пониженную прочность после высушивания, однако не чувствительны к сушке, усадка изделий невелика.

62

Размеры глинистых частиц тесно связаны с минералогическим составом. Так, размеры частиц каолинита находятся в пределах 0,001– 0,003 мм и хорошо окристаллизованы в виде гексагональных пластинок. Каолины, как и каолинитовые глины, как правило, малопластичны, обладают пониженной связностью и усадкой, поглощают малые количества воды.

Минералы же монтмориллонитовой группы более дисперсны, размер их частиц много меньше 0,001 мм. В противоположность каолиниту, они способны поглощать большие количества воды, очень пластичны, интенсивно набухают при увлажнении. Промежуточное положение по размеру частиц и интенсивности связи с водой между каолинитом и монтмориллонитом занимают гидрослюды.

Глина в естественном или высушенном состоянии состоит из очень большого количества элементарных первичных частиц, агломерированных в довольно крупные зерна и куски силами межмолекулярного притяжения или за счет цементации ионами примесей. Для проведения седиментационного анализа глины диспергируются. Диспергация глин – распад в воде слипшихся агрегатов на первичные частицы.

При взаимодействии с водой агрегированные зерна взаимодействуют с водой своей внешней поверхностью с образованием слоев связанной воды. Молекулы последней способны проникать по микротрещинам вглубь зерна, оказывая расклинивающее действие и способствуя распаду агрегатов на элементарные кристаллические частицы. Оболочки адсорбированной воды, увеличиваясь в размерах, постепенно ослабляют связь между частицами, экранируя силы сцепления, раздвигают их. Диспергация наступает, когда частицы глины начинают свободно перемещаться в воде, находясь в ней во взвешенном состоянии. Некоторые глины довольно быстро распадаются на составляющие частиц, другие (плотные) требуют для этой цели значительного времени. Для ускорения размокания глин при испытаниях применяют диспергирующие агенты (обычно фосфорнокислый натрий).

Степень дисперсности глин принято характеризовать их гранулометрическим составом – процентным содержанием зерен различной величины, которое определяется методом седиментационного анализа при осаждении диспергированных частиц в водной среде.

63

Проведение анализа

Реактивы, посуда и приборы: 4%-ный раствор натрия пирофосфорнокислого, вода дистиллированная, бюксы для взвешивания, чашки выпарительные, эксикатор, цилиндр мерный вместимостью 1000 см3, диаметром (80 ± 2) мм, шкаф сушильный с температурой нагрева 105...110° С, мешалка механическая, сито № 1 и 0063, весы лабораторные, секундомер, термометр с точностью до 0,5° С, прибор пипеточный.

От высушенной, растертой в ступке и просеянной через сито № 1 пробы берут навеску глинистого сырья массой 10 г (с точностью до 0,001 г), помещают в коническую колбу вместимостью 0,5 л с обратным холодильником, приливают 150 см3 дистиллированной воды, 10 см3 4%-ного раствора Na2H2P2O7 (пирофосфат натрия – диспергатор) и кипятят в течение 1 ч, считая с момента закипания (умеренное кипение).

Суспензию охлаждают до комнатной температуры и процеживают через сито № 0063. Сито помещают в воронку над цилиндром вместимостью 1000 см3. Глину промывают струей дистиллированной воды, слегка растирая кистью или пальцем, пока проходящая вода не станет прозрачной. Остаток на сите смывают в предварительно взвешенную чашку, сушат до постоянной массы и взвешивают.

В цилиндр с суспензией приливают дистиллированную воду до метки, перемешивают мешалкой в течение 1 мин (60 кач/мин), измеряют температуру суспензии и оставляют для отстаивания. Интервал времени, после которого отбирают пробы, определяют по табл. 9.

Отбор пробы производят пипеткой вместимостью 25 мл. Глубину взятия проб устанавливают в зависимости от размера частиц по табл. 9. Продолжительность отбора суспензии составляет около 30 с.

Каждую пробу переносят в высушенный и предварительно взвешенный бюкс. Пипетку промывают водой над стаканчиком с пробой. Избыток воды выпаривают на бане и бюкс сушат до постоянной массы.

Обработка результатов

1. Содержание фракции размером >0,06 мм находят из выражения

X = m ×100% , m0

где m – масса фракции размером >0,06 мм, г; m0 – масса сухой навески, г.

64

Примечание. Плотность глины принимают равной 2650 кг/м3.

39

2. Содержание фракции определяемой крупности материала вычисляют по следующей формуле:

Xi = (mi − 0,006)V 100% ,

V1m0

где mi – масса взятой пробы, г; 0,006 – масса диспергатора, г; V – объем суспензии в цилиндре, см3; V1 – объем пипетки (25 см3), см3; m0 – масса первоначальной сухой навески, г.

3. Содержание частиц различных размеров в суспензии определяют в соответствии с табл. 10.

4. Содержание фракций в зависимости от размеров фракции устанавливают, согласно табл. 11.

Таблица 11

Порядок расчета количественного содержания фракции

5.Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 3%.

6.Исследуемое глинистое сырье классифицируют по содержанию тонкодисперсных частиц в соответствии с табл. 12 (ГОСТ 21216.3).

66

Таблица 12

Классификация глинистого сырья по дисперсности

2.5. Определение водозатворяемости и связующей способности глин

Общие сведения

Изготовление изделий из пластических масс является самым старым и до сих пор весьма распространенным способом керамической технологии, где широко используются многие виды природных пластических материалов.

В современном представлении пластичные формовочные массы рассматривают как высококонцентрированные суспензии дисперсных минеральных частиц. Содержание воды в таких массах составляет по массе 16–25% и зависит от минерального типа применяемой глины: ее дисперсности, наличия примесей, а также количества и вида используемого отощителя. Важнейшей характеристикой при подборе оптимальной влажности масс является водозатворяемость глины, обеспечивающая удовлетворительные формовочные свойства.

Состояние глиняной пластичной массы, при котором она под воздействием давления руки человека, равного приближенно 0,1– 0,2 МПа, способна изменять свою форму, не прилипая к рукам и ме-

таллу, называют нормальной формовочной (рабочей) консистенцией.

Количество воды, которое необходимо для придания керамической массе нормальной рабочей консистенции, называют формо- вочной влажностью, которая обеспечивает нормальную работу формовочных агрегатов и получение качественно сформованного сырца. Количество воды, содержащееся в керамической массе, обычно выше для более дисперсных и малозапесоченных глин.

Значительное влияние на величину нормальной формовочной влажности оказывает минеральный тип глины. Так, для монтмориллонитовых глин, характеризующихся высокой дисперсностью

67

частиц и легкораздвигаемой слоистой структурой, этот показатель значительно выше, чем для каолинитовых, отличающихся более прочной связью между слоями и большими размерами глинистых частиц.

Различают абсолютную и относительную формовочную влаж-

ность. Абсолютная формовочная влажность, или вода затворе-

ния (водозатворяемость) Вз, показывает, какое количество воды необходимо добавить к абсолютно сухой глине (в процентах по массе) для получения пасты нормальной рабочей консистенции.

Относительная формовочная влажность, или полное водо-

содержание Вп – это все количество воды, содержащееся в пасте нормальной консистенции (в процентах к массе влажной смеси).

Иногда в керамической технологии используют понятие рабо- чее водосодержание Вр, которое показывает количество воды (в процентах), добавляемое к воздушно-сухой глине для получения пасты нормальной формовочной консистенции.

Зная формовочную влажность, можно рассчитать требуемое количество воды, которое нужно добавить к материалу с известной карьерной или складской влажностью, чтобы получить нормальную рабочую консистенцию глиняной массы. Если влажность материала (карьерная или формовочная) выражается в относительных величинах, то расчет ведут по формуле

G = P(Bп −Wкотн ) ;

100 − Bп

если определена абсолютная влажность, то применяется следующая формула:

G = P(Bз −Wкабс) , 100 + Wкабс

где G – количество воды, которое необходимо добавить к карьерной глине для получения массы с рабочей влажностью, г; Р – количество карьерной глины, г; Wкотн , Wкабс – карьерная влажность глины соответственно в относительных и абсолютных процентах, %; Bп – относительная формовочная влажность, %; Bз – абсолютная формовочная влажность, %.

Если карьерная влажность выше формовочной, то при расчете величина G получается отрицательной, это означает, что такое количество воды должно быть удалено (например, сушкой) из глины, чтобы она приобрела нормальную формовочную консистенцию.

68

Проведение анализа

Определение формовочной влажности глины

Посуда и приборы: чашки фарфоровые, шпатель, весы лабораторные технические или электронные, сушильный шкаф.

Для проведения анализа из емкости хранения отбирают пробу глины в количестве около 100–150 г и, добавляя при постоянном перемешивании шпателем небольшие порции воды (по 1–2 мл), приготавливают тесто нормальной консистенции, которую определяют, как правило, на ощупь, так называемым органолептическим методом. Считается, что влажность глины, при которой она способна формоваться под воздействием руки человека и в то же время не прилипать к пальцам и металлу, соответствует формовочной.

От приготовленного пластичного теста отбирают навеску массой около 10 г, определяют ее массу mв с точностью до 0,01 г, помещают в сушильный шкаф, высушивают при температуре (105 ± 5)° С до постоянной массы и находят массу сухой навески mc.

Абсолютную формовочную влажность, или водозатворяемость, рассчитывают по следующей формуле:

Bз = mв − mс 100%. mс

Относительную формовочную влажность, или полное водосодержание, определяют по формуле

Bп = mв − mс 100%, mв

где mв – масса влажной навески глины нормальной консистенции, г; mс – масса абсолютно сухой навески глины, г.

Для расчета рабочего влагосодержания Вр, %, необходимо знать влажность глины в воздушно-сухом состоянии:

Bр = mв − mв.-с 100%, mв

где mв.-с – масса навески глины в воздушно-сухом состоянии, г. Для нахождения рабочего влагосодержания Вр, г, на 100 г воз-

душно-сухой глины пользуются формулой

69