Пластический способ формования керамических изделий

Последние материалы
Химические превращения полимеров или их деструкция Влияние хлоридов. Влияние фторидов. Влияние второстепенных примесей. Влияние дисперсности сырьевых компонентов.

Способы формования керамических изделий

В технологии керамики применяются три способа формования изделий: из пластичных масс, полусухое прессование и литье из шликеров. От этого зависит и способ подготовки массы: для пластического формования готовят пластичные массы с влажностью 18…22%, для полусухого прессования готовят массы с влажностью 6…9%, а для шликерного – с влажностью 45…55%.

Массы подбирают по минералогическому составу, устанавливая требуемое соотношение глины, кварца, полевых шпатов и других добавок. Для грубой строительной керамики массы подбирают чаще по зерновому составу. Приготовление масс осуществляют чаще весовой дозировкой компонентов по утвержденному рецепту. Она дает более точное соотношение, чем объемная.

Формование из пластичных масс применяется для стеновой керамики, если карьерная влажность близка к формовочной (18…22%), а глины содержат мало каменистых включений. Пластичными массами называют такие, у которых сила внутренней связи больше сил поверхностного сцепления (адгезии). Пластическое формование производится: на ленточных прессах, штамповкой в гипсовых или металлических формах и вручную (лепка).

Формовка на ленточных прессах применяется вакуумная и безвакуумная. Ленточный пресс представляет собой закрытый металлический короб, в котором вращается вал с винтообразными лопастями, нагнетающими массу в сторону выходного отверстия. Характер движения массы и ее структура зависят от пластичности массы, влажности и внутреннего трения. Из-за разной скорости движения массы в ленточных прессах ее слои имеют постоянный сдвиг относительно друг друга, что является источником дефектов. Снижают эти напряжения увеличением влажности массы, повышающим её связность. Снижение влажности приводит к перегрузкам и авариям в работе пресса. Добавки крупного песка затрудняют сдвиг (сшивают слои), а мелкий повышает склонность к разрыву сплошности за счет снижения связности глин. Паровое увлажнение повышает способность масс к восстановлению сплошности. Для уменьшения внешнего трения и напряжения в слоях, прилегающих к стенкам пресса, вводят ПАВы. Вакуумирование повышает связность, но при нарушениях сплошности за счет сдвига труднее ее восстановить. Поэтому глубину вакуума снижают для высокопластичных глин и повышают для малопластичных.

Для каждого вида глин подбирают шаг лопастей шнека (меньше для малопластичных глин), а угол их наклона менее 28° и 28. 30° соответственно. Скорость вращения шнека во избежание срыва сплошности должна быть менее 32 об/мин. Она подбирается для каждой массы экспериментально, иначе возможно проворачивание массы (чтобы избежать проворачивания делают рифление внутренней поверхности корпуса). Зазор его у стенки не более 3 мм , иначе увеличится трение, снижая давление.

Площадь выходного отверстия должна быть в пределах:

где F_k и F_n – площадь поперечного сечения корпуса и изделия cоответственно.

Длина головки пресса должна быть 150. 300 мм. Короткая приводит к усилению скорости в центре (влияние шнека), длинная – к усилению бокового трения, что приводит к образованию свилей. Поэтому длина и конусность головки должна обеспечить равномерную скорость движения массы по сечению бруса. Для пластичных масс конусность головки должна быть 10. 15%.

Для обеспечения надежной работы вакуум-пресса необходимо применять решетчатые керамические насадки, где конденсируется влага. Превышение влажности массы или ее занижение приводит к срыву вакуума из-за переполнения вакуум-камеры глиной. На выходе из пресса брус не должен иметь свилей и разрывов сплошности, которые приводят к растрескиванию и браку.

Штамповка из пластичных масс применяется при изготовлении черепицы, электроизоляторов, капселей. Плоские (несимметричные) изделия штампуют в гипсовых или металлических формах, укладывая в них валюшки; применяются салазочные или револьверные прессы. Давление прессования зависит от объема изделия и пластичности массы.

Вытачивание из пластичных масс производится для изделий формы тел вращения (изоляторы, трубы). Оборудование: гончарный круг, станок с вращающимся столом, шпинделями и шаблонами, центробежная форма. Подъемом вращающегося шпинделя пласт глины подводится под шаблон, который обжимает массу и «разводит» ее до необходимой конфигурации, а нижний или внутренний формует внутреннюю поверхность.

Лепка – ручное формование изделий из пластичных масс в гипсовых формах или без них. Это трудоемкий процесс, поэтому лепка применяется для изготовления изделий сложной конфигурации, уникального, малотиражного ассортимента.

Преимущества пластического прессования: возможность использования карьерной влажности глин и изготовления изделий сложной конфигурации.

Недостатки: повышенные энергозатраты на сушку и ее удлинение.

Прессование из полусухих масс (порошков) . Полусухое прессование имеет преимущества: прочнее сырец, точнее конфигурация и размеры, меньше усадка в сушке и обжиге, проще механизация. Поэтому оно применяется чаще, чем пластическое формование (особенно для плоских тонкостенных изделий).

Теория полусухого прессования изучает зависимость свойств изделий от свойств пресс-порошка и условий прессования. Пресс-порошок – трехфазная система: твердое вещество, вода и воздух. Степень его уплотнения зависит от влажности и соотношения фракций. По данным Фуллера, наибольшую плотность имеют порошки, содержащие по 20% фракций 3. 4, 2. 3 и 1..2 мм, по 12% фракций 0,5. 1 и менее 0,1; 10% фракции 0,2. 0,5 мм и 6% фракции 0,1. 0,2 мм. По данным других ученых, эти величины могут быть другими, в том числе, в сторону увеличения размера зерен до 4. 5 мм. Некоторые рекомендуют прерывистый зерновой состав. Для однофракционных порошков применяют высокое конечное давление, повышающее плотность за счет деформации частиц.

Прессование включает три стадии уплотнения порошков:

1. Уплотнение за счет сближения частиц при удалении воздуха.

Пластические деформации частиц с увеличением контактной поверхности, выжимание влаги из глубинных слоев на поверхность частиц и увеличение сцепления силами поверхностного натяжения влаги.
Упругая деформация частиц с их разрушением и максимальным уплотнением за счет развития поверхности контактов между зернами.

После снятия нагрузки и извлечения изделия из формы возможно его расширение, которое может быть до 8%, и растрескивание, так как давление прессования распределяется по толщине изделия неравномерно (затухает по мере удаления от штампа), что зависит от величины бокового трения и от влажности порошка. В центре давление выше, чем у краев. Для его снижения смазывают форму, подогревают ее, повышают влажность порошка, применяют двухстороннее или двухступенчатое прессование, его замедление для удаления воздуха, вызывающего растрескивание за счет обратного последействия.

Пороки прессования: трещины расслоения от перепрессовки. Они располагаются на боковых поверхностях изделия перпендикулярно давлению. Не всегда причиной их возникновения является высокое давление. Это скорее упругое расширение прессовки. Причина этих деформаций – в запрессовке воздуха, упругом последействии его и деформированных частиц. Чем меньше частицы, тем выше должно быть давление. Поэтому нельзя допускать сегрегацию (разделение на отдельные фракции) частиц. Форму надо заполнять решетчатой кареткой, не допускать неравномерной влажности, так как зерна разной влажности требуют разного давления. Исследования показали, что трещины появляются в зоне мелких фракций (с меньшим сопротивлением сжатию). Поэтому крупные и мелкие фракции рекомендуется удалять и применять равномерный зерновой состав, как из распылительных сушил. Выводящие воздух каналы в порошке закрываются при давлении 0,5 МПа для влажности W = 10% и при 5 МПа для W = 8%. Поэтому доля запрессованного воздуха может быть от 0,37 до 0,71, а при большей скорости прессования увеличивается на 50%. Влажные порошки быстрее агрегируют частицы, опережая закупорку каналов. Так как давление запрессованного воздуха во влажном пресс-порошке в 5 раз выше, чем в сухом, для влажного надо снижать давление. Уменьшить запрессовку воздуха и давление прессования можно вакуумированием, но это усложняет технологию. Грубозернистые и отощенные порошки менее подвержены запрессовке воздуха.

Таким образом, для устранения перепрессовки необходимо:

— повышение однородности порошка по зерновому составу и влажности;

— понижение влажности и отощение грубозернистых фракций;

-снижение давления и скорости прессования;

— применение двухстороннего и двухступенчатого прессования,

— вакуумирование массы; снижение бокового трения шлифовкой форм.

Прессы полусухого прессования разделяют по направлению прессования, способу передачи усилия и назначению. По направлению прессования – одно- или двухсторонние. По способу передачи усилия – ударного действия, рычажные и гидравлические; по назначению – для прессования кирпича, плиток, черепицы. Для прессования кирпича применяются отечественные механические прессы СМ-198; СМ-301; СМ-143, ССМ-583 и зарубежные, позволяющие изготовлять пустотелые (дырчатые) камни размером 365х240х175, 365х115х175 мм, пустотность 40. 43%, плотность 1200 кг/м 3 и R_сж до 18 МПа, давление 3000 т двустороннее с вибрированием, одновременно формуют 5 камней, до 6000 шт./ч.

Для плиток применяют прессы: «Робот», КРК_П-125, КРК_П-200 и др. На КРК_П-200 возможно двухслойное прессование двумя каретками. Вначале формуют основной слой, затем отделочный при снижении нижнего штампа. Давление двухступенчатое. Первичное давление снимают для освобождения запрессованного воздуха, а окончательное – для придания плотности и толщины. Толщина отделочного слоя из качественного сырья – 2. 2,5 мм, а основной слой делается из менее качественного сырья (грубозернистого, с повышенной пористостью для лучшего сцепления плиток с раствором при облицовке),что более экономично.

Формование керамических изделий методом литья заключается в отливке керамических шликеров в гипсовую форму, внутренняя поверхность которой отражает наружные размеры изделия – применяется для тонкостенных изделий сложной конфигурации преимущественно в производстве санитарно-технического фаянса, фарфора, декоративных изделий и др. Достоинства гипсовых форм – оптимальная пористость, влагоемкость, простота изготовления и замены. Недостатки – малая оборачиваемость, износ, потеря фильтрационной способности, невысокая прочность на удар. Известен способ (ГИКИ) литья в металлические формы по принципу электрофореза. При наложении электрического поля отрицательно заряженные частицы глин движутся к катоду (стенкам), а шликер является анодом. Но промышленного внедрения метод не получил. Пористые синтетические формы тоже не заменяют гипс.

После заливки в форму частицы движутся по направлению отсоса влаги к стенкам гипсовой формы, где обезвоживаются и уплотняются – идет «набор черепка». Плотный слой маловлагопроводен, поэтому внутренние частицы шликера не ориентированы, и внутренние слои изделия менее плотны, чем наружные. Сопротивление фильтрации R_ф вычисляют по формуле:

где R_ш, R_ч и R_ф – сопротивление влагопереносу шликера, черепка и формы.

Для снижения сопротивления фильтрации осуществляется отощение масс добавками, так как глины обладают большей влагоудерживающей способностью.

Учеными установлено, что качественную внутреннюю поверхность обеспечивает добавка нитрата аммония при толщине стенок 5 мм за 5 мин, затем оксалат натрия, сода, тринатрийфосфат и жидкое стекло. Часто их комбинируют.

Для ускорения набора толщины стенок применяют: подогрев шликера (ускоряет набор в 2 раза); вакуумирование или вибрацию формы и шликера; литье под давлением; смачивание гипсовых форм раствором мочевины (карбамида) перед формованием и т.д. Вибрация и нагрев до 60 °С понижают вязкость шликера, разрушая связи. Это устраняет натеки на внутренней поверхности изделия, снижает влажность отливки, увеличивает R_изг почти на 20%.

Способы формования литьем: сливной, наливной и комбинированный. При сливном способе выливают остаток шликера после набора стенок изделия определенной толщины. Образуется его внутренняя полость. При наливном способе шликер заливают между двумя стенками гипсовой формы, тогда толщина изделия равна зазору между ними. При комбинированном способе часть изделия формуется по сливному способу, часть – по наливному. Достоинства сливного способа – простота формы и ее сборки, меньшая трудоемкость операции по оформлению изделий, возможность механизации процесса отливки. Недостатки – больший расход шликера, повышенная его влажность, неравномерная толщина стенок, применимость только для мелкоразмерных изделий. Преимущества наливного способа: интенсификация набора черепка (в два раза больше контакт с гипсом); возможность получения стенок заданной толщины; пониженный расход шликера и его влажность. Недостатки: усложнение конструкции формы; обязательность разборной формы; затрудненность механизации.

Источник

«Метод пластического формования керамических изделий»

Статья : « Метод пластического формования керамических изделий»

Технологическая схема производства изделий с пластическим способом подготовки массы, несмотря на свою сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики. Метод формования из пластических масс исторически сложился на основе пластических свойств глин и широко используется в керамической технологии. Способ пластического формования позволяет выпускать изделия в широком ассортименте, более крупных размеров, сложной формы и большей пустотности. В отдельных случаях предел прочности при изгибе и морозостойкость таких изделий выше, чем у изделий, полученных способом полусухого прессования из того же сырья.

При переработке глин в сыром виде схема подготовки сырья несколько проще и экономичней, поскольку нужно меньше перерабатывающего оборудования, следовательно, меньше энергоемкость. Все оборудование более надежно и просто в обслуживании. Температура обжига изделий примерно на 50 0 С ниже, чем у изделий полусухого прессования, что позволяет также снизить энергозатраты на обжиг и в какой-то мере компенсируют высокие затраты на сушку.

Недостатком способа пластического формования является большая длительность технологического цикла за счет процесса сушки сырца, продолжающегося от 1 до 3 суток. Низкая прочность формованного сырца, особенно пустотелого, большая усадка материала при сушке и наличие отдельного процесса сушки затрудняет возможность механизации трудоемких операций при садке сырца на сушку, перекладке высушенного сырца для обжига и совмещения в одном агрегате процессов сушки и обжига.

Чтобы получить изделия требуемого качества необходимо из глины удалить каменистые включения, разрушить ее природную структуру, получить пластичную массу, однородную по вещественному составу, влажности и структуре, а также придать массе надлежащие формовочные свойства. Глиняный брус формуют в горизонтальных ленточных шнековых прессах часто с вакуумированием массы. Вакуумирование массы способствует повышению ее плотности, пластичности, улучшает формовочные и конечные свойства кирпича.

Производство керамики должно быть обеспечено непрерывной подачей однородного глинистого материала, лишенного каменистых включений имеющего разрушенную природную «структуру» для лучшего смачивания, сохраняющего достаточно постоянную влажность независимо от времени года и равномерно перемешенного с добавками. На керамических заводах сырьевые материалы подвергают грубому, среднему и мелкому дроблению грубому и тонкому помолу. Обычно тонким помолом завершается механическое измельчение материалов, что обеспечивает более интенсивное их спекание, содействует снижению температуры обжига. Измельчение глинистых материалов проводят последовательно на вальцах грубого и тонкого измельчения. Каменистые включения не могут быть полностью выделены из глины общепринятыми механическими приемами – дезинтеграторными ребристыми вальцами. Опыт показывает, что при пользовании этими машинами в глине может остаться около половины (а иногда и более) камней. В дальнейшем эти камни будут в значительном своем количестве перемолоты гладкими вальцами или бегунами, что, однако, вызывает быстрый износ бандажей и частые ремонты. Бегуны мокрого помола используют при наличии в глинах трудноразмокаемых включений и для обработки плотных глин и глин, содержащих известковые включения. Предварительное (грубое) дробление непластичных твердых материалов в керамической технологии производят в щековых или конусных дробилках, работающих по принципу раздавливающего и разламывающего действия. Степень измельчения в щековой дробилке 3-10, а в конусной – 6-15. Среднее и мелкое дробление, грубый помол непластичных материалов выполняется с помощью бегунов, молотковых дробилок, валковых мельниц. Молотковая дробилка обеспечивает высокую степень измельчения (10-15), однако влажность дробимого материала не должна быть более 15%.

Подача и дозировка сырья на большинстве кирпичных заводов происходит при помощи ящичных питателей.

В настоящее время на многих керамических и кирпичных заводах широко применяется увлажнение глины паром. Этот способ состоит в том, что в массу подается острый пар, который при соприкосновении с холодной глиной конденсируется на ее поверхности. В результате пароувлажнения обрабатываемая масса нагревается до 45-60 о С. Пароувлажнение имеет существенные преимущества, так как улучшается способность массы к формованию, что обуславливает уменьшение брака при формовке и повышение производительности ленточных прессов на 10-12%, снижение расхода электроэнергии на 15-20%. В результате пароувлажнения улучшаются сушильные свойства массы, что позволяет сократить продолжительность сушки сырца на 40-50%. Иногда производят дополнительную обработку керамической массы, которая осуществляется в вальцах тонкого помола, дырчатых вальцах или в глинорастирателе.

Источник