6 ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ТНиСМ
6.1 Сущность процессов формования
Формование – важнейший технологический передел, цель которого получить полуфабрикат или изделие заданной формы, размера и отвечающего определенным требованиям. Однако в различных технологиях перечень задач может существенно отличаться.
Вариант 1: формование изделий после тепловой обработки из расплава. При этом изделию необходимо придать определенную форму, а после затвердевания – заданные физико-механические свойства (например прочность). Так формуют стеклоизделия из вязкой стекломассы.
Вариант 2: формование полуфабриката (сырца) до тепловой обработки. По этому варианту формуются изделия из керамических масс и изделия на основе вяжущих веществ.
Свойства сырца при данном способе формования определяют режимы его дальнейшей переработки (сушки, обжига, ТВО), что и определит физико-технические свойства готовых изделий.
Прочностные характеристики сырца являются определяющими при выборе способа транспортирования полуфабриката, способа его садки на сушильные вагонетки или пролазочные камеры, в определении режимов последующей тепловой обработки.
Правильно выбранный метод формования сырца является залогом хорошего качества готового продукта.
Вариант 3: формование порошков, шламов или шликеров в виде зерен (гранул). Этот вариант используется как предварительный, подготовительный этап к получению полуфабрикатов. Основным методом при этом являются грануляция и брикетирование. Это один из путей интенсификации технологических процессов и уменьшения пылеобразования. Это связано с необходимостью уменьшить пылевыделение, уплотнить материал, что ведет к улучшению спекаемости, облегчается транспортирование и дозирование материала, придать ему товарную форму.
Гранулированные материалы обладают обычно хорошей текучестью (подвижностью к транспортированию), не зависают в емкостях, не слеживаются, занимают меньший объем, не пылит при перегрузке, легче дозируются.
Грануляцию используют в ТК, ТС и ТВМ.
Гранулируют стекольную шихту перед ее подачей в стекловаренную печь, что повышает производительность последней на 25% за счет интенсивного провара стекломассы; при этом на 20% снижается расход энергии.
Грануляция цементной сырьевой муки перед подачей в печь повышает качество цемента за счет более полного прохождения реакций образования фаз клинкера.
Наиболее высококачественные керамические изделия получают из шликеров, которые затем переводят в гранулированный порошок в БРС. При этом гранулы порошка более однородны и имеют шаровидную форму, что повышает сыпучесть массы и ее прессуемость.
Выбор способа формования определяется
Свойствами сырьевых шихт ( соотношением Т:Ж фаз). По соотношению Т:Ж фаз различают: порошки, пасты, шламы (или шликеры).
Формуемостью шихты, под которой понимают способность принимать заданную форму и уплотняться под действием внешних сил.
6.2 Структурообразование в дисперсных системах
Все сырьевые шихты используемые в технологии керамики, стекла, вяжущих являются тонкодисперсными системами – термодинамически активными, агрегативно неустойчивыми, способными к саморегулированию всех своих свойств и чувствительными к внешнему воздействию. Тонкодиспесные системы обладают высокой поверхностной энергией. По законам термодинамики:
где F – величина силы, действующей на межфазной границе;
G – удельное поверхностное натяжение на границе фаз;
S – величина межфазной поверхности.
В
системе «твердое вещество – газовая
фаза» G практически не меняется, остается
один путь
,
а это возможно за счет укрепления размера
частиц, т.е агломерации их в более
крупные.
Агломерация – это стихийное или направленное сближение частиц тонкодисперсных материалов, обеспечивающее увеличение размеров частиц и повышение тонкости перерабатываемого продукта. Для обозначения процесса агломерации используются много терминов: грануляция, прессование, брикетирование и т.д.
В порошкообразном сырье агломераты образуются всегда на предварительных стадиях его переработки. Это явление нежелательное, так как нарушается однородность состава и структуры материала. Если агломераты мешают дальнейшим технологическим операциям или снижают качество готового продукта, нужно препятствовать их появлению и разрушать в случае их образования.
Однако, с другой стороны, предварительная агломерация положительно сказывается на последующих этапах технологического процесса. Фактически получение наиболее распространенных строительных материалов (керамики, цемента, стекла, легких заполнителей и др.) базируется на целенаправленной агломерации тонкодисперсных смесей. Технологический процесс их получения можно рассматривать как последовательные этапы агломерации с постепенным уплотнением, упорядочением и упрочнением формирующейся структуры. Изделия наследуют особенности структуры полуфабрикатов, полуфабрикаты наследуют особенности структуры исходных шихт. Поэтому необходимо последовательно управлять всем непрерывным процессом структурообразования.
Связь между частицами порошкообразных материалов обеспечивается силами различной природы:
Силами притяжения являются:
Молекулярные,
ван-дер-вальсовы силы, если расстояние
между молекулами более 1-2
,
ионно-электростатические и кулоновские,
если частицы контактируют заряженными
поверхностями, а также водородные связи.
Силами отталкивания являются:
Кулоновские силы при контакте одинаково заряженных поверхностей частиц, близкодействующие молекулярные силы, а также силы расклинивания, которые обусловлены наличием гидратных оболочек, окружающие минеральные частицы.
Прочность любой структуры определяются по формуле:
где
– прочность индивидуальных контактов
между дискретными частицами (зернами);
–число
контактов.
Если мы хотим получить высокопрочный материал, то должны стремиться к увеличению обоих множителей. Число контактов зависит:
От размера частиц ( чем меньше d, тем больше
)От плотности их упаковки, зависящей от величины внешнего компрессионного воздействия.
Прочность индивидуальных контактов на первом этапе структурообразования определяется:
Природой материала;
Его упругопластическими свойствами;
Формой частиц и их шероховатостью.
В дальнейшем решающее значение приобретают внешнее компрессионное воздействие (так как прочность контакта неразрывно связана с его площадью).
Процесс структурообразования можно представить следующим образом:
В начальной фазе частицы контактируют выступами макро- и микрошероховатостей через адсорбированные газовые и жидкие пленки. При прижимании одна к другой они переориентируются и сближаются. Затем деформируются микровыступы на частицах. В итоге возрастают ван-дер-вальсовы, кулоновские и электрические силы взаимодействия. Далее в точках непосредственного контакта происходит прорыв поверхностных адсорбированных пленок, и, когда контактные напряжения превышают уровень теоретической прочности вещества, начинается микродеформация частиц.
При этом вскрываются активные центры, на которых зарождаются ближнедействующие межмолекулярные и межатомные силы и возникают когезионные контакты. Структура формируется во времени. Чем больше длительность компрессионного воздействия, тем выше прочность структуры.
На дальнейших этапах структурообразования решающую роль приобретает тепловой фактор. Вследствие определенных химических реакций, процессов тепло- и массообмена на контактах появляются новообразования, что приводит к росту прочности и площади контактов. При этом структура упрочняется на микроуровне ( на молекулярном уровне). Чем выше температура и дли тельность теплового воздействия, тем выше прочность структуры.