2.2.3. Формование и уплотнение изделий из смеси

Свежеприготовленная смесь (масса) обладает определенной удобообрабатываемостью, что выражается в ее реальной способности воспринимать технологические операции по формованию и уплот­нению изделий.

Смеси с весьма малой вязкостью (называемые литыми) практи­чески не требуют уплотнения при формовании изделий или покры­тий, что составляет значительное технологическое удобство. Для воспроизведения литьевой технологии в смесь вводят нередко соот­ветствующие пластификаторы или даже суперпластификаторы. Вве­денные даже в малых количествах они способствуют резкому пони­жению вязкости смеси, облегчая формование изделий и в том случае, когда их очертания отличаются повышенной сложностью. Той же цели достигают дополнительным увеличением количества жидкостной среды в смеси (массе), что должно быть каждый раз обосновано с общих позиций оптимизации структуры и требований к конкретным видам оптимальных структур.

При использовании смесей с повышенной вязкостью, обладаю­щих на реологической кривой условным динамическим пределом текучести и предельным напряжением сдвига, важно не допустить при формовании напряжений, способных разрушить сплошность из­делия. Так, например, в некоторых случаях отмечается образование дефектов структуры (свилей), если допустить напряжение в массе, превышающее Р_К2 (см. рис. 2.7). Опыт показывает, что для хорошо формующихся смесей величина отношения р_к1/η должна быть не ниже 2∙10^-6 с^-1. Конкретные и точные пределы реологических харак­теристик зависят от разновидности смеси и технологического спосо­ба формования — пластичного, вибрационного без пригруза или с пригрузом и т. п.

Формование изделий сопряжено, как правило, с плотной укладкой смеси, зернистых или другого вида заполнителей. Наи­большее значение плотности стремятся получить еще на стадии подготовки сырья — порошков, суспензий, грубозернистых сме­сей и других формовочных систем, особенно при производстве обжиговых ИСК. Предварительное уплотнение смеси уменьшает разобщенность частиц, переводя связи из точечных в межфазные по границам контакта. На последующих стадиях технологии (на­пример, при обжиге) сокращается расход тепловой ^энергии за счет снижения температуры и уменьшения продолжительности выдержки.

В зависимости от разновидности смеси (массы) формование про­изводится с использованием укладчиков, прессов (например, лен­точных), экструдеров, каландров и других машин. Выбор оптималь­ного способа формования и уплотнения зависит от характера исходного сырья и массовости производства, требуемых свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить связность и начальную прочность изделий с последующим упрочнением их на других стадиях обработки. Начальная связность возникает под вли­янием молекулярных (ван-дер-ваальсовых) сил. Они имеют электри­ческую природу и способны развивать притяжение частиц при их сближении. Силу взаимодействия двух частиц (условно принимая их сферическими) рассчитывают по формуле

(2.4)

где r₁ и r₂ — соответственно радиусы двух соседствующих частиц; σ — поверхностная энергия на границе раздела фаз.

С приближением частиц на очень малые расстояния возникают и возрастают силы отталкивания. В конечном итоге действует резуль­тирующая сила, которая при некотором оптимальном расстоянии частиц друг от друга обеспечивает начальную связность сырца изде­лия.

Уплотнение формуемых или отформованных изделий является важным этапом образования макроструктуры, поскольку в этот пе­риод в среде вяжущего вещества сравнительно устойчиво фиксиру­ются зернистые и другие компоненты заполняющей части конгломе­рата. Фиксация может происходить как непосредственным примыканием компонентов, в том числе с возможным срастанием (например, кристаллов), так и через прослойки полностью отвердев­шего или постепенно отвердевающего вяжущего вещества. Контакт через прослойки на стадии уплотнения более типичен в конгломе­ратных материалах, чем непосредственное контактирование или срастание частиц под влиянием поверхностной энергии, химических связей или других, в том числе комплексных, факторов.

Вследствие сближения частиц смеси (массы) происходит перерас­пределение и выравнивание молекулярного силового поля, тепло- и массообмен, в частности, миграция среды в зоны меньших напряже­ний. Объем смеси (массы) как при уплотнении, так и после него уме­ньшается, а полидисперсная система постепенно переходит в состоя­ние относительно устойчивого равновесия при заданном условии формования изделий. В зависимости от удобообрабатываемости го­товой смеси (массы) возможны и некоторые специфические особен­ности формования макроструктуры ИСК. Так, при высокопластич­ных и подвижных смесях (массах) макроструктура устанавливается весьма быстро и практически без приложения уплотняющих усилий, но под влиянием гравитации или текучести (при наливных или лить­евых способах производства). При уплотнении малоподвижных и жестких смесей, содержащих, как правило, пониженное количество вяжущего вещества или уменьшенное количество жидкой среды в нем, затрачивается значительно большая работа, чем при уплотне­нии пластичных, подвижных или литых смесей (масс). Разными приемами приходится принудительно сближать полидисперсные зерна, вытесняя часть вяжущего вещества в межзерновые поры и пу­стоты или в поры и пазы зерен заполнителя. Большая часть запол­нителя в объеме монолита контактирует через тонкие или тончай­шие прослойки вяжущего вещества. При недостаточном количестве вяжущего вещества прослойки становятся дискретными, что увели­чивает пористость и содержание воздуха (или другой газовой фазы) в ИСК.

В обжиговых конгломератах распространенными являются спо­собы полусухого гидростатического прессования; виброформова­ния, а также горячего прессования.

Для достижения необходимой плотности применяют различные способы снижения реологического сопротивления формуемой сме­си: введение поверхностно-активных веществ, пластификаторов и суперпластификаторов; предварительный нагрев; вибрационное воздействие; вакуумирование и др. При особо интенсивном уплот­нении целесообразно повысить реологическое сопротивление до максимума. При оптимальной технологии каждой консистенции смеси (массы) соответствуют определенные параметры механиче­ского уплотнения. Каждому способу и каждой интенсивности меха­нического уплотнения также соответствует своя определенная кон­систенция, и тогда размещение частиц твердой фазы в результате уплотнения смеси становится компактным.

Во многих технологиях формование и уплотнение смеси совме­щаются в одну операцию, в результате чего химические и физи­ко-химические процессы, обеспечивающие структурообразование на микро- и макроуровнях, протекают также одновременно. К ним относятся тиксотропное разжижение и упрочнение, массо- и тепло­обмен, перемещение заполняющей и вяжущей частей относительно друг друга с образованием плотной структуры к концу выполне­ния такой совмещенной операции. Естественно, что в этот период не прекращаются (хотя и замедляются) главные структурообразую­щие процессы — сорбционные, растворения и другие, которые по­добно тому, как это было на стадии перемешивания смеси, завер­шаются возникновением новых соединений и фаз, хотя и в сравнительно ограниченных количествах. Гораздо в больших раз­мерах они выделяются на последующих стадиях технологии, на­пример при тепловой обработке отформованных и уплотненных изделий.

В некоторых технологиях используется прерывистое, ступен­чатое уплотнение, например с интервалом времени между двумя вибрациями или прессованиями. Повторное уплотнение способст­вует как бы вторичному — пластическому деформированию кон­гломерата с отжатием среды из его микро- и макропор, а в ко­нечном итоге — дополнительному уплотнению в условиях, когда количество вяжущего вещества продолжает оставаться в пределах допустимых отклонений от рекомендуемого. Повторное уплотне­ние, особенно при вибрационных способах формования, способ­ствует релаксации напряжений, возникающих при структурообразовании, уменьшает размеры и концентрацию структурных дефектов.

От формования и уплотнения в определенной мере зависят не то­лько характер структурообразования при сохранении одинаковой компактности укладки частиц, но и текстурные особенности изде­лия. Например, возможна переориентация частиц, в результате ко­торой широкое сечение частиц и пор нередко располагается в плос­костях, параллельных плоскости прессования, с появлением анизотропии. Возможно также частичное доизмельчение зерен про­долговатой формы или изменение (уменьшение) объема.

При полусухом прессовании объем получаемого изделия может оказаться в 1,5—2 раза меньше объема свободно насыпанной смеси (массы). Естественно, что тогда сокращается и пористость. Так, из формулы А.С. Бережного П = а - в ∙lg р (где П — общая пористость, %; а, в — постоянные коэффициенты, причем постоянная а как по­ристость исходной массы перед прессованием составляет 50%, а в отражает способность массы к уплотнению; р — давление прессова­ния, МПа) следует, что при p ≈ 100 МПа, во многих случаях в = 15 и П ≈ 20%, т. е. пористость сократилась в 2,5 раза (50:20). Распределе­ние давления по вертикали снижается от штампа, что приводит к не­однородности в пористости отформованного сырого изделия (сыр­ца). Неоднородность зависит не только от высоты изделия, но и от гидравлического радиуса R = 2F/И, где F — площадь; И — пери­метр изделия. Неравномерность пористости фиксируется и в гори­зонтальных сечениях: наибольшая плотность образуется в верхних горизонтальных сечениях сырца у стенок пресс-формы, уменьшаясь к центру. В нижних сечениях наблюдается обратное явление, а в средних по высоте сечениях — зона равнопористости. Тип пресса тоже имеет значение, но плотность сырца всегда зависит от величи­ны давления, технологических свойств массы и времени действия давления пресса; иногда важно обусловить также и скорость нарас­тания максимального давления при уплотнении.

Кроме обычных прессов (механических, гидравлических) в неко­торых технологиях используют прессование методом взрыва с обра­зованием сверхвысоких давлений мгновенного действия с изменени­ем кристаллохимического строения вещества. При способе пласти­ческого формования уплотнение осуществляется в ленточных прес­сах (чаще всего вакуумных) с последующей допрессовкой.

Изделия из пластических масс имеют повышенную пористость по сравнению с изделиями полусухого прессования. Свойства такой массы оцениваются методами реологии. Как уже отмечалось, основ­ными параметрами пластичности служат: 1) вязкость наибольшей неразрушенной структуры (η₀), структурная вязкость (η), вязкость наименьшая при полностью разрушенной структуре (η_m). Поэтому η₀ > η > η_m; 2) предел текучести: условный статический р_к1, услов­ный динамический р_к2,предел текучести р_к (см. рис 2.7). Имеются и другие характеристики реологических свойств массы в ее пластиче­ском состоянии — мгновенный модуль упругости, эластичный мо­дуль упругости, период релаксации и др. Комплекс таких характе­ристик позволяет устанавливать величину допустимых напряжений в процессе формования и уплотнения. Например, необходимо, что­бы напряжение сдвига в массе не превысило р_к2, при котором еще отсутствует полное разрушение структуры, так как это приведет в ленточном прессе к разрыву ленты массы, что в случае пластичной глины дает дефект в структуре, лишая ее оптимальности по этому критерию.

Рис. 2.8. Зависимость коэффициента внутреннего трения вибрируемой массы от средней скорости перемещения частиц, см/с: ν=А2f, где А – амплитуда колебаний; f – частота колебаний, Гц

Самым характерным в тех­нологиях с вибрационным формованием является придание скоростей и ускорений ча­стицам массы и, как следствие, ослабление сил внутреннего трения и молекулярных связей, а также тиксотропное разру­шение первичных структур (рис. 2.8). Частицы перемеща­ются относительно друг друга с плотной укладкой. Исполь­зуют поверхностные, навесные, глубинные вибраторы, вибростолы, вибротрамбователи и т. д. Интенсивность вибрации выражают по­средством виброускорения W, см/с:

W=Aω²=A∙4π²f², (2.5)

где А — амплитуда колебаний (половина наибольшего размаха); ω — угловая скорость, рад/с; f — частота колебаний, Гц.

Произведение величин А и со дает среднюю скорость движения частиц при вибрации. Имеются оптимальные значения амплитуды, виброускорения, что зависит от глубины проработки слоя массы. Вибрирование с ускорением, превышающим оптимальное, сопро­вождается разрыхлением и дифференциацией частиц по крупности. Разрыхление устраняют путем пригруза при вибрации, например, до 8—10 МПа. Оптимальное время вибрирования определяют опыт­ным путем.

При вибрационном прессовании достигается заданная порис­тость изделий при значительно меньших затратах энергии, чем при статическом прессовании. Кроме того, возрастает качество изделий, отсутствует анизотропия свойств, формуется более равномерная структура. Эффективность вибропрессования в ряде технологий по­вышается путем совмещения с вакуумированием.

В технологии обжиговых ИСК широко используют так называе­мое шликерное литье для получения тонкостенных изделий или из­делий большого размера и сложной формы. Шликер — водная сус­пензия глин, каолинов, других тугоплавких веществ с частицами размером около 10^-4 см, несущих определенный ионный потенциал ИП = Z/r, где Z — заряд катиона; r — его ионный радиус. При зна­чениях ИП = 65—100 (суспензия из кислых материалов) получают повышенные значения плотности отливок, т. е. с относительной плотностью, равной 0,8—0,9¹. Способ шликерного литья является более зависимым от природы сырья, чем другие способы уплотне­ния.

При формовании и уплотнении нередко применяют торкрети­рование с переносом смеси к поверхности с помощью сжатого воз­духа. Такой способ позволяет получать весьма плотный слой фор­муемого вещества. Однако следует учитывать, что при этом происходит неизбежная потеря используемой смеси в связи с от­скоком частиц.