CC BY
7УДК 691.421: 552.55
В.Д. КОТЛЯР, канд. техн. наук, Ю.В. ТЕРЕХИНА, инженер, Ростовский государственный строительный университет
Классификационные признаки пресс-порошков на основе опок при управлении качеством производства керамического кирпича
Для технологического управления качеством и эксплуатационными свойствами керамических стеновых изделий, получаемых способом компрессионного формования на основе опок, необходима классификация пресс-порошков, позволяющая оценивать их физические и технологические свойства, структурные особенности с учетом уровней отдельных компонентов и системы в целом. Первые попытки классифицировать пресс-порошки для производства керамических и огнеупорных изделий были предприняты В.М. Ямом [1]. Дальнейшее развитие предложенная им классификация получила в работах Р.Я. Попильского, Ю.Е. Пивинского, Ф.В. Кондрашо-ва [2, 3]. Было выделено пять групп пресс-порошков:
— глинистые;
— на основе грубозернистых непластичных материалов
и глиняной связки;
— грубозернистые из непластичных материалов;
— тонкокерамические глинистые;
— безглинистые высокодисперсные порошки.
Результаты анализов пресс-порошков на основе опо-
ковидных пород показывают, что ни по вещественному составу, ни по структуре и технологическим свойствам они не соответствуют ни одной из перечисленных пяти групп пресс-порошков. По некоторым признакам наблюдается схожесть с пресс-порошками первой, второй и третьей групп, однако имеются и существенные отличия.
Вещественный состав. По вещественному составу пресс-порошки на основе опоковидных пород весьма разнообразны и аналогичны исходному составу сырья и могут классифицироваться так же, как и сами породы [4]. Если по химическому составу можно найти сходство с суглинками, сухарными глинами, алевритистыми глинами, глинистыми сланцами, то по минералогическому составу имеются значительные отличия. Главной особенностью является наличие опала и опал-кристобалита различной степени структурного совершенства.
Структурные особенности. Значительные отличия пресс-порошков на основе опок от глинистых пресс-порошков имеются по структурным характеристикам. По микроструктуре частицы пресс-порошков подразделяют на гранулы и зерна. Зерном называют частицу, которая состоит из более мелких достаточно прочно соединенных друг с другом частиц мономинерального или полиминерального состава, имеющих достаточно различимую на микроуровне границу. Порошки на основе опоковидных пород состоят из зерен полиминерального состава. В процессе измельчения и подготовки пресс-порошков практически не достигается абсолютной дис-пергации на отдельные первичные мономинеральные зерна. Кроме того, отдельные зерна имеют высокую микропористость, достигающую 40—55%. Эффективный диаметр пор составляет до 0,01 —0,1 мкм. В зависимости от влажности пресс-порошка поры могут быть заполнены частично или полностью жидкой фазой. Высокая пористость зерен способствует быстрому выравниванию влажности пресс-порошков по объему и удалению воздуха при прессовании, что в значительной мере снижает его запрессовку. Зерна пресс-порошков на основе опок, как установлено, практически не разрушаются в
процессе прессования, за исключением малопрочных высокопористых разновидностей опок при давлениях прессования выше 30—40 МПа и определенной влажности. В процессе подготовки пресс-порошков отмечена определенная закономерность — зерна фракций больших размеров, как правило, имеют более окатанную поверхность, что снижает в значительной степени внутреннее и внешнее трение при прессовании.
Существенная особенность строения большинства керамических пресс-порошков заключается в том, что они состоят не из отдельных минеральных «первичных» частиц, достаточно подвижных относительно друг друга, а из явно выраженных гранул. Гранулой называют частицу, которая состоит из более мелких отдельных зерен, соединенных в основном за счет технологической связки. Отдельные зерна внутри гранулы также удерживаются вместе помимо жидких прослоек технологической связки (воды или водных растворов ПАВ и других веществ) за счет сил Ван-дер-Ваальса, электростатических сил, твердотельных мостиков и т. д. В порошках на основе опоко-видных пород даже в сухом состоянии более мелкие частицы агрегируются вокруг более крупных (см. рисунок).
Увеличение влажности способствует большей агрегации зерен. Гранулы на основе опоковидных пород имеют очень маленькую структурную прочность. Повышается прочность гранул с увеличением влажности до определенного предела. Разрушение гранул при прессовании происходит в первые моменты приложения нагрузки, и далее для большего уплотнения ведущую роль играет зерновой состав. Соотношение размера зерен и гранул в пресс-порошке оказывает определенное влияние на свойства как сырцовых, так и обожженных изделий. Обычно технологическая задача сводится к получению порошков с максимальной насыпной плотностью и минимальной пустотностью. Многие исследователи рекомендуют для достижения максимальной насыпной плотности пресс-порошков полифракционный гранулометрический и зерновой составы. Опытами и расчетами доказано, что такие порошки имеют большую плотность
( Л1'
Агрегирование мелких частиц вокруг более крупных
74
научно-технический и производственный журнал
май 2012
®
укладки в сравнении с монофракционными, состоящими из гранул и зерен одного размера. При этом различают два основных принципа подбора укладок:
• непрерывистые укладки, основанные на заполнении объема гранулами и зернами всех размеров, от некоторой верхней границы до минимальных размеров;
• прерывистые укладки, т. е. такие, при которых между зернами и гранулами заданных фракций промежуточные фракции отсутствуют. При этом зерна самой крупной фракции образуют скелет, пустоты которого заполняются следующей фракцией, более мелкой. Наиболее плотными являются порошки с прерывистым зерновым составом. Однако на практике это труднодостижимо, так как требуется производить неоднократный рассев порошка и его пофракционное дозирование.
Главные структурные признаки (абсолютные и относительные размеры зерен и гранул, их форма, соотношения и т. д.) пресс-порошков на основе опок можно разделить на несколько уровней:
• структурные характеристики первого уровня: форма, размеры, количество тех или иных первичных зерен породы (опал, глинистые минералы, кварц, кальцит, полевые шпаты, глауконит и т. д.);
• структурные характеристики второго уровня: размер и формы зерен, полученных в результате измельчения исходной породы. Зерна второго уровня состоят из достаточно прочно соединенных зерен первого уровня с наличием определенной пористости (форма, количество, размеры пор). Размеры и форма зерен в основном зависят от условий технологической переработки;
• структурные характеристики третьего уровня: отдельные гранулы, состоящие из зерен второго уровня, удерживаемых вместе за счет различных сил. При этом гранулы также обладают межзерновой пористостью. Гранулы отличаются малой структурной прочностью. Поры зерен второго уровня, так же как и поры гранул, могут быть в различной степени заполнены влагой;
• структурные характеристики четвертого уровня: собственно пресс-порошок, состоящий из гранул различного размера преимущественно округлой формы. Размеры гранул в основном обусловлены особенностями технологической подготовки пресс-порошков. Пресс-порошки могут состоять только из гранул —
при повышенной влажности; из гранул и зерен — при средней влажности; только из зерен — это сухие порошки с низкой влажностью. Данная характеристика пресс-порошков по структурным признакам на основе опок носит в определенной мере условный характер, однако она помогает оценить взаимосвязь между различными элементами системы в целом и решить ряд вопросов технологического управления качеством выпускаемой продукции. Учитывая, что гранулы пресс-порошка разрушаются в первый период прессования при минимальном удельном давлении, для достижения наибольшей плотности прессовок первостепенное значение имеет не гранулометрический, а зерновой состав пресс-порошка. К достижению оптимального зернового состава пресс-порошка необходимо стремиться в производственных условиях на стадии измельчения исходной породы.
Фазовый состав, физические и технологические свойства. Фазовый состав, физические и технологические свойства пресс-порошков непосредственно связаны между собой. К важнейшим из них относятся насыпная плотность, пустотность, сыпучесть и прессуемость.
Насыпная плотность пресс-порошков на основе опок значительно ниже в сравнении с суглинками и глинами и изменяется в интервале от 700 до 1100 кг/м3. Ее значения в основном определяются вещественным составом исходной породы: порошки на основе глинистых, карбонатных опок обладают повышенной плотностью, а порошки на основе малоглинистых опок имеют меньшую плот-
ность. Насыпная плотность пресс-порошков закономерно снижается с повышением дисперсности. Чем меньше размер частиц в порошке, тем выше его дисперсность. С увеличением влажности пресс-порошка насыпная плотность вначале возрастает, в этот период идет насыщение зерен влагой, а затем по мере агрегирования зерен в гранулы и увеличения межгранульной пустотности начинает снижаться.
Фазовый состав керамических пресс-порошков на основе опок изменяется в широких пределах и определяется дисперсностью, составом и структурой частиц твердой фазы, зерновым составом и влажностью. Если принять истинную плотность опок в среднем 2,4 г/см3, то для сухих порошков содержание газовой фазы будет составлять 60—70%, что значительно больше в сравнении с глинистыми порошками. Однако следует учесть, что 40—60% газовой фазы приходится на пористость вторичных зерен, которые практически не разрушаются при прессовании и газовая или жидкая фаза в них сохраняются. Межзерновая и межгранульная пустотность, определяющая содержание газовой фазы, удаляемой в процессе прессования, остается такая же, как у глинистых пресс-порошков. Обобщая исследования фазового состава пресс-порошков на основе опок, можно отметить, что большую долю объема газовой фазы занимает поровый воздух вторичных зерен, содержание которого составляет 0,6—0,7 части объема у сухих порошков. По мере увеличения влажности, которая может достигать 30%, содержание газообразной фазы может существенно снижаться.
Важной характеристикой пресс-порошков является сыпучесть. Она оценивается по углу естественного откоса между горизонтальной плоскостью и образующей конуса, насыпанного из исследуемого материала, и по количеству порошка, просыпавшегося под действием собственной массы в единицу времени через отверстие определенного размера. Чем меньше угол, тем больше сыпучесть. Для большинства керамических пресс-порошков угол естественного откоса составляет 25—45о. Проведенные эксперименты показали, что пресс-порошки на основе опок попадают в эти значения. В целом же можно говорить, что пресс-порошки на основе опок за счет меньшей насыпной плотности обладают худшей сыпучестью, однако во многом она определяется влажностью, и по этой характеристике они примерно одинаковы с пресс-порошками для производства облицовочной плитки, получаемыми мокрым способом с сушкой и грануляцией в башенных распылительных сушилах.
Особенности пресс-порошков на основе опок по вещественному составу, структуре и физико-технологическим свойствам позволяют выделить их в отдельную группу. Для разработки рекомендаций по управлению качеством продукции в процессе накопления фактических данных возникает необходимость самостоятельной классификации пресс-порошков на основе опоко-видных пород.
Ключевые слова: пресс-порошок, опоки, компрессионное формование, классификация, управление качеством.
Список литературы
1. Ям В.М. Производство огнеупоров. В кн.: Труды ВИО, вып. 36. М., 1964. С. 161-180.
2. Попильский Р.Я., Кондрашов Ф.В. Прессование керамических порошков. М.: Металлургия, 1968. 272 с.
3. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. М.: Металлургия, 1983. 176 с.
4. Котляр В.Д. Классификация кремнистых опоковид-ных пород как сырья для производства стеновой керамики // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 36-39.
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
май 2012
75
