Лекция 3. 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 прессахприменяется 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:

2 ≤ F_к / F_n ≤ 6, (4)

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.

Штамповкаиз 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.

Вытачиваниеиз 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. Максимальное число оборотов вращения шпинделя n, об/мин, определяют в зависимости от предела прочности массы при разрыве R_р (для фарфоровой массы с влажностью 23% R_р=0,03МПа), наружного диаметра изделия, плотности массы γ, равной 1,9 г/см³:

(5)

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 прессованияизучает 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.

2. Пластические деформации частиц с увеличением контактной поверхности, выжимание влаги из глубинных слоев на поверхность частиц и увеличение сцепления силами поверхностного натяжения влаги.

3. 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.

Для определения зависимости давления от влажности порошка используется расчет минимальной пористости изделия:

, (6)

где W – влажность, %, γ_т.в. и γ_ж – плотности твердых частиц и жидкости, г/см³.

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/м³ 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:

R_ф = R_ш + R_ч + R_ф, (7)

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.