Вибір оптимальних технологічних параметрів виробництва шамотних вогнетривів і їх взаємозв’язок з основними властивостями виробів (стр. 3 из 7)
2.2 Залежність щільності укладки при пресуванні від зернового складу вогнетривких порошків
Щільність укладки залежить від розміру, форми, стану поверхні і структури частинок сипучого матеріалу.
Чим більше фракцій, тим більше щільність упаковки (але це не завжди технологічно). Встановлено, що для щільної упаковки необхідно брати:
- крупної фракції - 80%;
- середньої - 5%;
- тонкої - 15%.
Крупні фракції утворюють кістяк, пустоти якого заповнюють менші фракції. Такий склад називається безперервний зерновий склад, але він у ряді випадків являється не технологічним:
1. Звичайно фракція 3мм у кількості 80% не дозволяє при пресуванні одержати вироби з чіткими кутами і ребрами, тому крупної фракції беруть менше.
2. Важко від дозувати і рівномірно змішати середню фракцію 5%, так як її мало. Збільшення середньої фракції викликає розсунення крупних зерен, а зменшення супроводжується переміщенням дрібних фракцій із однієї пори у другу, що також веде до розсунення упаковки.
Тому для одержання щільної упаковки зерновий склад вихідного порошку повинен бути перервним, з відношенням розмірів крупної фракції і тонкої приблизно 100:1.
Таким чином розрізняють два основні принципи підбора укладок, які ефективно знижують пустотність:
Безперервні укладки, тобто такі які основані на заповненні об’єму усіх розмірів, від деяких верхніх до мінімальних (близьких нулю).
Перервні укладки, такі при яких між зернами заданних фракцій, зерна проміжних (середніх) фракцій відсутні.
Щоб одержати щільну упаковку заповнювача у бетонах використовують формулу Фуллєра, згідно якої розраховують кількість відповідних фракцій заповнювача.
,де dі – розмір будь-якої заданої проміжної фракції суміші, мм;
D – розмір самої крупної фракції, мм;
Уі – кількість фракцій яка проходить через сито з чарункою розміру.
Отже пористість зразків знижується зі збільшенням тонкомолотого компоненту. Вміст тонкомеленого компонента в шихті чинить більший вплив на пористість ніж зерновий склад зернистої частини.
При оптимальному місті тонкомеленої фракції пористість сирцю зумовлена пористістю самих крупних зерен. Укрупнення зернового складу підвищує термостійкість, але підвищує і пористість. Мінімальній пористості відповідає максимальна щільність.
2.3 Вплив параметрів пресування на ущільнення вогнетривких мас
Оптимальний зерновий склад сам по собі ще не забезпечує одержання щільних пресовок.
Тиск пресування і вологість маси – це параметри які в значній мірі впливають на ущільнення.
Щоб отримати гарну щільність потрібно правильно підібрати зв’язку. В’яжуче повинно:
- надавати високу міцність сирцю;
- легко розкладатися і видалятися при випалі при відносно низьких температурах;
- не прилипати до поверхні прес-форми і пуансонів;
- добре розчинятися у вогнетривкій масі та ін.
У процесі стиснення керамічного порошку беруть участь усі три складові частини системи, яка пресується:
1. мінеральна частина (тверда фаза);
2. технологічна зв’язка (рідка фаза);
3. повітря (газоподібна фаза).
На початку стиснення відбувається переміщення твердих частинок, пресування проходить при невисокому тиску.
На початковій стадії стиснення іде зростання щільності, стійке положення структурних елементів, при відносно невеликому збільшенні поверхні контактів.
Подальше стиснення порошку стає неможливим без суттєвої деформації структурних елементів.
Вода або інша рідина яка виконує роль тимчасової технологічної зв’язки знаходиться у вихідному порошку:
- на поверхні частинок;
- у прошарках між частинками;
- у капілярах.
У процесі стиснення рідка фаза чинить пластифікуючи дію, яка заклечається у полегшенні ковзання частинок, що приводить до більш інтенсивного ущільнення. А в області більш високого тиску інтенсифікує ущільнення внаслідок зниження твердості і міцності частинок (ефект Ребіндера).
Таким чином рідка технологічна зв’язка зменшує тверді частинки, утворює вологі контакти між ними, підвищує пластичність і знижує сили тертя при пресуванні, чинить кращу і рівномірну пропресовку по законам капілярних сил стягування частинок порошку, збільшує сили Ван-дер-Ваальса які притягують частинки одну до одної. У цьому полягає позитивний ефект рідкої фази.
Але переміщення рідини у стискуючому порошку дає деякий негативний ефект.
Рідина яка знаходиться у прошарках між частинками може вижиматися у більш крупні пори системи. По мірі стиску і зменшенню загального об’єму пор частка рідини у цьому об’ємі пор зростає і якщо задана кількість рідини достатньо велика, то її об’єм може бути рівним начальному об’єму пор: система переходить з трьохфазної у двофазну. У цьому випадку спостерігається граничне ущільнення систем або критична щільність "тиск при якому наступає явище називається "критичним". При переході в критичний тиск подальше стиснення системи переходить цілком до оборотної пружної деформації, яка не бажана.
Надлишок рідкої фази шкідливий. Він збільшує пружне розширення, сприяє утворенню тріщин розшарування, а при наявності великої кількості тонкозернистої фракції викликає грудкування маси і перешкоджає рівномірному розподілу тонких фракцій в об’ємі, взагалі переміщенню частинок.
Тому кількість технологічної зв’язки повинно бути оптимальним. При напівсухому пресуванні вміст зв’язки складає звичайно від 2-3 до 9-12%, в окремих випадках підвищується до15%.
Повітря яке знаходиться при пресуванні у порошці у всіх випадках відіграє негативну роль:
- ускладнює засипку;
- знижує початкову щільність укладки частинок і перешкоджає рівномірності їх розпоідлу
- створює нерівномірну щільність пресовки
- підвищує залишкові і пружні деформації.
Існує прямо пропорційна залежність тиску пресування і щільності пре совки. Чим більший тиск пресування, тим вища його щільність.
Рівняння Бережного – це рівняння впливу тиску пресування на щільність пре совки в залежності від властивостей преспорошку
ε = a- b·lgP,%
де a, b – постійні для даної маси; a – характеризує пористість маси перед пресуванням; b – відображає здатність маси до ущільнення.
Р – зусилля пресування;
ε – істина пористість, %
З метою одержання сирцю з мінімальною пористістю при даному тиску знаходять дослідним шляхом такий склад маси і спосіб її переробки при якому значення відношення а:b буде мінімальним. Рівняння Бережного використовують для описання закономірностей пресування вогнетривів з мало пластичних мас,а також можна для більш пластичних глинистих мас, високодисперсних, гранульованих без глинистих порошків.
2.4 Особливості процесів структурно-фазових перетворень при термічній обробці шамотних вогнетривів
Випал – це завершальна стадія технологічного виробництва вогнетривів. У процесі випалу відбувається спікання.
З технологічної точки зору спікання – це процес одержання міцного мало пористого або без пористого камнеподібного тіла з вільно насипаної і спресованої порошкової маси під дією високих температур.
Основні ознаки спікання: зниження пустот, при цьому спостерігається усадка, зниження пористості.
При спіканні можливі слідуючи внутрішні процеси: зміна кількості, розмірів, і форми пор; ріст зерен; зниження і вирівнювання залишкових після пресування напруг; утворення рідкої фази; перерозподіл фаз, зміна концентрації дефектів у кристалічних фазах: хімічні реакції; поліморфічні перетворення; утворення нових сполук і твердих розчинів.
Розм’якшення шамотних вогнетривів протікає слідуючим чином: вогнетривка глина, з якої виготовляють шамотні вироби, при випалі притерпівають ряд перетворень в результаті яких утворюється близько 50% кристалічного муліту 3Al2O3 •2SiO2 (71/8% Al2O3 і 28.2% SiO2), а останнє представляє собою кремнеземисту (аморфну) скловидну речовину високої в’язкості:
При випалі в глинах і каолінах відбуваються складні і глибокі зміни: виявляється вогнева усадка, змінюється мінералогічний склад, при нагріванні до 400°С поступово видаляється слабо зв'язана вода з кристалічних ґрат каолініту.
В інтервалі 450 - 600°С видаляється хімічно зв'язана вода внаслідок розкладання каолініту по реакції:
А12О3 2 SiO2 2 Н2О→ [А12О3 + 2 SіО2] + 2 Н2О.
Реакція йде з поглинанням тепла (ендотермічний ефект). [А12О3 + 2 SiO2] -аморфний продукт, що представляє собою не механічну, а більш тісну суміш глинозему і кремнезему з взаємним проникненням компонентів і частковим збереженням структури каолінітової ґрати. Аморфний лтродукт складу [А12О3•2SіО2] називають метакаолінітом. Каолініт, позбавлений хімічно зв'язаної вологи, необоротно втрачає пластичність.
При 900°С відбувається кристалізація муліту.
При 1100 - 1250°С йде перехід у кристобаліт аморфного кремнезему, що лишився після розпаду каолініту.
При 400 - 1000°С карбонати дисоціюють з виділенням вуглекислоти, сульфіди окисляються з утворенням сірчистого газу, органічні домішки вигорають. Перераховані процеси супроводжуються значною втратою маси, деяким збільшенням пористості і зменшенням об'єму. Механічна міцність при цьому не зменшується, а збільшується. При температурі 1100°С з виділенням тепла метакаолініт перебудовується з утворенням у кінцевій стадії муліту, ЗА12О3- 2 SiO2:
3 [А12О32 SiO2] → ЗА12О32 SiO2 + 4SiO2.
З ростом температури кількість муліту безупинно збільшується і досягає максимуму при 1250 - 1350°С. Тривала витримка при температурах понад 1200°С не впливає на збільшення виходу муліту, але сприяє росту його кристалів. Одночасно з утворенням муліту йде процес спікання. Температура початку гання відповідає різкій зміні усадки. За температуру закінчення спікання 'иймають ту, при якій усадка практично припиняється, а водопоглинання іеченої глини буде близько 2%.