CC BY
24
УДК 666.32, 666.3.047 Пирогова Е.С., Захаров А.И.
ТЕРМООБРАБОТКА ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ НАГРЕВОМ МАЙОЛИКОВОЙ МАССЫ
Пирогова Елена Станиславовна, студентка 1 курса магистратуры факультета Химическая технология РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва; e-mail: [email protected];
Захаров Александр Иванович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой Общая технология силикатов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работы изучали изменение характеристик структуры полуфабрикатов из майоликовой массы в результате СВЧ-нагрева. Исследовали изменения массы, усадки, плотности и структуры образцов. После микроволновой термообработки структура становится более плотной с меньшим размером частиц, происходит частичное удаление кристаллизационной воды.
Ключевые слова: глина, высокочастотная сушка.
HEAT EXTRACTION BY HIGH-FREQUENCY HEATING MAYOLIC MASS
Pirogova E. S., Zakharov A. I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Changes in the characteristics of the structure of semifinished products from majolica mass as a result of microwave heating were studied in the work. The changes in mass, shrinkage, density and structure of the samples were studied. After microwave heat treatment, the structure becomes denser with a smaller particle size, a partial removal of the crystallization water takes place.
Key words: clay, high-frequency drying.
Применение СВЧ энергии в технологических целях началось около 70 лет назад. Бытовые СВЧ печи вошли в наш быт и заняли постоянное место на наших кухнях, однако стремление создать новые материалы и модифицировать уже известные приводят исследователей к созданию новых технологий и использованию уже известных в нетрадиционных сферах. Одной из таких перспективных сфер является использование СВЧ нагрева для реализации высокотемпературной термообработки.
Обработка материалов с помощью СВЧ демонстрирует большое количество перспективных преимуществ по сравнению с традиционными технологиями нагрева, например, улучшенное качество изделия, сокращение временного интервала управления процессом, экономию энергии и затрат на энергию благодаря более высокому КПД, снижению уровня загрязнения окружающей среды, незначительные расходы по содержанию оборудования и более высокую гибкость установки.
Под СВЧ-нагревом понимают процесс, в котором энергия с частотой от 300 МГц до 300 ГГц проникает в нагреваемый материал в качестве электромагнитной волны с длиной волны в диапазоне от 1 м до 1 мм, а затем преобразуется в тепло [1]. Одним из перспективных направлений применения СВЧ-обработки является ее
использование в технологии керамики, в которой сушка занимает значительное место.
Для технологии керамики глины являются основным природным сырьем, используемым для производства материалов различного назначения. Глины отбирают главным образом на основе химического и минералогического состава. При сушке глиняных полуфабрикатов учитывать, что в формовке имеются большие перепады влагосодержания по объему, поэтому в неоднородных полях температуры и влагосодержания могут возникнуть механические напряжения, способные разрушить образец. Использование СВЧ-излучения способствует равномерному прогреву образца, и удалению влаги, поскольку сушка начинается с центральной части. Это создает благоприятные температурные условия, совпадают по направлению градиенты температуры, концентрации и давления, что ускоряет выход паров воды [2].
В работе [3] обработка полем СВЧ вызывала формирование в тонкой глинистой фракции особых структур алюмосиликатов и сопровождалась изменением технологических характеристик (приращения, текучести шликера и прочности образцов материала). Причем, при добавлении в силикатную композицию наноразмерного алюмооксидного модификатора эффект от СВЧ
обработки значительно усиливался. При обработке полем СВЧ и добавлении нано - модифицирующей добавки активизировались процессы на границе раздела А12О3^Ю2, деформировались
поверхностные силоксановые группы у кварца и кварцевых пластин алюмосиликатного каркаса минералов бентонитовой глины, происходила переориентация зарядов, что способствовало образованию ассоциатов.
В работе [4] образцах в образцах глин, обработанных полем СВЧ, наблюдалось увеличение объема структурообразующих высокодисперсных кристаллитов размером в несколько десятков нанометров по сравнению с массами без обработки СВЧ. Эти образцы показали наибольшую прочность.
Целью работы было исследование влияния СВЧ-нагрева на структуру и характеристики образцов из майоликовой массы.
Была использована майоликовая масса марки БСТ-1 (химический состав, %: SiO2 - 63,0, А1203 -14,6, Fe2Oз - 1,2, ТЮ2-0,75, СаО - 4,5, MgO - 2,3, К2О - 2,2, №20- 0,6, прочее - 10,85). По данным петрографии масса содержит монтмориллонит с примесями каолинита, кварц и полевые шпаты. По диаграмме Августиника масса относится к легкоплавким глинам, пригодным для производства кирпича.
Образцы в виде балок размерами 28х10х9 мм изготавливали способом пластического формования.
После формования образцы предварительно сушили конвективным способом в сушильном шкафу до постоянной массы.
Непрерывную усадку образцов определяли на приборе NETZSCH со скоростью 35 градусов в минуту (рисунок 1). Полученная зависимость типична для глинистых масс и содержит диапазоны расширения (до 1,06 %) из-за наличия в массе кварца. Общая усадка составила 1,28 %.
_____--"V-" 7х л v:\-4
^—Итацгм И <И87 %
V \ 1 , Л« 1 в!«. на»«™»!!«*! г
Темгерагура ГС
Рис. 1. Кривая усадки образцов
Для проведения СВЧ-термообработки была изготовлена теплоизоляционная ячейка. Для выбора материалов ячейки провели эксперименты с
использованием каолиновой ваты, являющейся одним из самых распространенных
теплоизоляционных материалов при обжиге [5] и кварцевого стакана, являющегося прозрачным для волн и хорошим изолятором [6]. Наилучший результат был получен с применением каолиновой ваты и кварцевого стакана: за 40 минут термообработки ячейка нагрелась до 50 °С, усадка образцов составила до 2,17 %.
Для выбора наилучшей области в микроволновой установке провели эксперименты по ее картированию. Емкость с 40 мл воды последовательно помещали в разные места микроволновой печи (рисунок 2 а) и нагревали до температуры кипения. На рисунке 2, б представлены результаты измерений в виде времени нагрева емкости в разных местах печи.
б
Рис. 2. Картирование СВЧ - печи: а - схема областей проведения экспериментов по картированию установки, б - результаты картирования установки
Для определения усадки образцов через фиксированные промежутки времени определяли их размеры. По полученным данным строили зависимость усадки образцов от времени (рисунок 3). В целом график соответствует графику, приведенному на рисунке 1.
✓
/ *
\
1
0,5 ■ S
\
' °
3 р. -05 ■ i О z Ü 1 ; О О ! О о О J
-1 i
-1,5 Р А Л и н
Рис. 3. Зависимость усадки образцов от времени
Исследование микроструктуры образцов (рисунок 4) проводили методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопе марки <^ео1» в Центре коллективного пользования РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Рис. 4. Результаты исследования микроструктуры образцов методом сканирующей электронной микроскопии: а - до микроволнового нагрева, б - после микроволнового нагрева
В результате исследования микроструктуры образцов методами петрографии и сканирующей электронной микроскопии установили, что после СВЧ-нагрева структура образца становится более плотной, размер глинистых агрегатов уменьшается, происходит частичное удаление кристаллизационной воды.
Микроволновая термообработка приводит к уплотнению структуры образцов из майоликовой массы. Применение СВЧ-нагрева перспективно для предварительной обработки керамических полуфабрикатов с целью уплотнения структуры, уменьшения усадки и увеличения трещиностойкости полуфабриката.
Список литературы
1. Огурцов, К. Н. Высокотемпературные СВЧ электротехнологии / К. Н. Огурцов, Д. Д. Давыдов // Вестник СГТУ - Выпуск № 2 (66) -2012
2. Di Zhang. Synthesis of clay minerals / Di Zhang, Chun-Hui Zhou, Chun-Xiang Lin, Dong-Shen Tong, Wei-Hua Yu // Applied Clay Science. -2010. - Volume 50, Issue 1. - Pages 1 - 11.
3. Женжурист И. А. Перспективы микроволнового инициирования фазообразования в технологии низкотемпературного спекания алюмосиликатной керамики / Женжурист И. А. // инновационные исследования: проблемы внедрения результатов и направления развития: сборник статей Международной научно -практической конференции. - 2017. - Часть 2. -с. 24-28.
4. Lisiane N.L. Santana. Microstructure development in clays upon heat treatment: Kinetics and equilibrium / Lisiane N.L. Santana, Josileido Gomes, Romualdo R. Menezes, Gelmires A. Neves,Helio L. Lira, Ana M. Segadaes // Applied Clay Science. - 2017. - Volume 135. - Pages 325 -332
5. Дёмин Е.Н. Основные принципы выбора теплоизоляционных материалов при высоких температурах эксплуатации //СпецОгнеупорКомплект, г. Екатеринбург. Апрель 2010. URL: http://www.spetsogneupor.ru/stati/stati_05-teplo-silikat.htm (дата обращения: 22.05.17).
6. Стенд для исследований по СВЧ нагреву и превращению веществ [Препринт] / А. В. Аржанников [и др.]. - Новосибирск: ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН, 2004. - 12 с.
а
