ОПТИМІЗАЦІЯ СКЛАДУ ГЛИНОВМІСНИХ КЕРАМІЧНИХ МАС НА ОСНОВІ АНАЛІЗУ СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЇХ КОМПОНЕНТІВ

Структурно-механічні критерії якості керамічних мас
для пластичного формування напівфабрикатів

З використанням викладеної вище методики (див. ЛР 3) здійснюється корегування формувальних властивостей керамічних мас стосовно різних умов пластичного формування. Як зазначено раніше (див. рис. 3.1), у пластичних матеріалів, що відносяться до «0» типу, еластичність та пластичність є зниженою. Матеріали «1» та особливо «2» типів відрізняються переважним розвитком повільних еластичних деформацій, що здатні компенсувати короткочасні (5–7 с) напруги, що виникають при пластичному формуванні шляхом екструзії або розкатки керамічної маси. Переважаючий розвиток швидких еластичних деформацій у випадку матеріалів «0» і «3» типів указує на погану здатність до пластичного формування внаслідок схильності до крихкого руйнування структури. Натомість значний розвиток пластичних деформацій, що притаманно матеріалам «4» та «5» структурно-механічних типів, свідчать про їх схильність до деформації та пластичного руйнування (наприклад до свілеутворення).

Між деформаційними характеристиками глинистих матеріалів, їх хіміко-мінеральним та гранулометричним складом існує тісний зв’язок, який можна охарактеризувати такими положеннями [2]:

1) збільшення дисперсності матеріалу призводить до зниження еластичності маси, зменшення періоду дійсної релаксації та збільшення пластичності;

2) підвищення вмісту SiO₂ позначається у збільшенні еластичності, періоду дійсної релаксації та зменшенні пластичності. Такий же ефект спостерігається при зменшенні сумарного вмісту оксидів типу R₂O₃;

3) натомість збільшення суми оксидів RO + R₂O спричиняє зниження еластичності, пластичності та періоду дійсної релаксації.

Тому корегування деформаційних характеристик і структурно-механічних властивостей керамічних мас, які обумовлюють їх поведінку при пластичному формуванні виробів, здійснюється шляхом модифікування складу шихти (введення пластифікуючих або спіснюючих добавок чи зміни співвідношення пластичних та спіснюючих компонентів).

Велика кількість досліджень, спрямованих на визначення деформаційних характеристик та структурно-механічних властивостей керамічних мас, дозволила встановити межі їх значень, що визначають особливості структур мас, які добре формуються [6]:

· еластичність λ = 0,6–0,65;

· пластичність = (2,0–2,5)·10^–6 с^–1;

· період дійсної релаксації Θ₁ ≥ 300 с.

На основі досліджень С. П. Ничипоренко з колегами [7] запропоновано критерій для оцінки якості керамічних мас з позицій пластичного формування:

. (4.1)

Значення цього показника для різних за формувальною здатністю керамічних мас змінюється в межах (0,5÷2,1)∙10³. Чим більшою є величина цього критерію, тим вище за технологічними властивостями і якістю пластичного формування є склад маси. Наявність цих емпіричних даних дозволяє визначати раціональний склад шихти з огляду на поведінку основної глинистої сировини при пластичному формуванні. В разі необхідності корегування її формувальних властивостей розглядається метод, що передбачає додавання до основної глинистої сировини пластифікуючої або спіснюючої добавок (або обох одночасно).

Для опанування даним методом розглянемо принцип його використання при корегуванні формувальних властивостей глинистої сировини, яка належить до певних структурно-механічних типів (табл. 4.1). Як видно з наведених даних, зі зменшенням кварцової складової та підвищенням вмісту оксиду алюмінію здатність до пластичного формування стає більш явною та одночасно збільшується оптимальна формувальна вологість глинистого матеріалу. Найбільш вагомий вплив на формувальну здатність чинить дисперсність матеріалу: зі збільшенням питомої поверхні глин суттєво поліпшується їх здатність до пластичного формування.

Таблиця 4.1 – Фізико-хімічні характеристики глинистої сировини

Деформаційні характеристики глинистої сировини подані на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Деформаційні характеристики глинистої сировини:

а) льос золотоноський; б) глина саблинська; в) глина фрунзенська;
г) глина новошвейцарська; д) глина дружківська; е) черкаський бентоніт

Як видно з рисунка золотоноський льос відноситься до «1» структурно-механічного типу. Картина деформаційного процесу його коагуляційної структури визначає значний розвиток швидких і повільних еластичних деформацій та недостатність пластичних. Як і більшість, він утворює слабко зв’язані маси, які погано формуються пластичними методами. Це пояснюється значним співвідношенням SiO₂ : Al₂O₃ та найменшою питомою поверхнею матеріалу, що свідчить про наявність у ньому значної долі піщаних часток. Для поліпшення формувальних властивостей у цьому випадку слід уводити добавку, здатну збільшити вміст Al₂O₃ і зменшити сумарну питому поверхню модифікованої маси. Як таку добавку найліпше використовувати бентоніт або бентонітові глини. Введення навіть невеликої кількості цієї активної пластифікуючої добавки дозволить збільшити долю пластичних деформацій при майже рівномірному розвитку швидких і повільних еластичних деформацій, що в кінцевому результаті сприяє зниженню умовної потужності деформації та зниженню витрат потужності при пластичному формуванні.

Оптимальну кількість добавок визначають за рівнем критеріальних значень структурно-механічних властивостей (еластичності, пластичності та дійсного періоду релаксації), для чого зручно користуватись графічними побудовами (приклад подано на рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Залежності еластичності (λ), пластичності ( ) та дійсного періоду релаксації (Θ) від вмісту бентоніту у складі мас на основі льосу:

І – золотоноський льос; ІІ – черкаський бентоніт

Аналіз залежностей, наведених на рис. 4.2, показує, що введення бентоніту в кількості понад 10 мас. % не є доцільним, оскільки вже при додаванні 5 мас. % бентоніту маса набуває властивостей «2» структурно-механічного типу, який, як відомо, є оптимальним з точки зору співвідношення деформаційних характеристик.

Для корегування формувальних властивостей надмірно пластичних глин «4» типу рекомендується введення спіснювачів, що дозволяє перевести їх спочатку до «2» типу, але при надмірній кількості спіснювача такі маси поступово переходять до «1» структурно-механічного типу. Це пояснюється тим, що введення спіснювачів сприяє розвитку еластичних деформацій і одночасно затримує розвиток пластичних. Особливості структуроутворення спіснених мас полягає у зменшенні сил міжмолекулярної взаємодії між частками глини й спіснювача та збільшенні спротиву зсуву маси внаслідок більш крупних розмірів останніх.

Маси, що відносяться до «3» та «5» типів, погано формуються, схильні до свілеутворення внаслідок значних сил міжмолекулярного зчеплення дисперсних часточок. Вони відрізняються недостатнім розвитком еластичних деформацій, задовільною пластичністю. При цьому період дійсної релаксації наближається до припустимого мінімального значення. Слід зазначити, що більшість бурих глин, які широко розповсюджені на теренах України, належать саме до таких типів. Для оптимізації формувальних властивостей таких мас слід з одного боку збільшити кут нахилу β верхньої ділянки кривої P_m = f(W), а з іншого – збільшити еластичну складову деформацій та період дійсної релаксації. Перше досягається за рахунок введення пластифікатора, а друге – спіснювача. Як свідчить досвід виробництва, використання такого ефективного пластифікатора як бентонітові або монтморилонітові глини в кількості до 5 мас. % дозволяють здійснювати необмежене спіснення бурих глин, що в цілому забезпечує поліпшення їх формувальної здатності, зменшення сил міжмолекулярного зчеплення дисперсної фази і, як наслідок, зниження енерговитрат на формування.

Мета лабораторної роботи – отримання студентами практичних навичок корегування складу керамічних мас на основі аналізу їх деформаційних характеристик та структурно-механічних властивостей.

Обладнання та матеріали: сито з сіткою № 05, фарфорова ступка, ваги, мірний циліндр з водою, глина, керамічна маса, ексикатор, лабораторні чашки, вазелін, поліетиленова плівка, шпатель або ніж, пластометр П. О. Ребіндера, пластометр Д. М. Толстого, індикатор або датчик пересування ИЧ-10 або діодний механотрон 6МХ5С з записуючим пристроєм, мікрометр, секундомір.

Поиск по сайту: