Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




20.11.2017


20.11.2017


20.11.2017


17.11.2017


17.11.2017


16.11.2017


16.11.2017


16.11.2017


14.11.2017


14.11.2017





Яндекс.Метрика
         » » Способы получения и методы улучшения качества керамических материалов

Способы получения и методы улучшения качества керамических материалов

29.03.2016

Понятия «керамические изделия» и «керамические материалы» включают значительный круг материалов с самыми различными значениями чисто керамических и специальных свойств.
Термин «керамика» происходит от греческого слова керамос, что означает глина. Керамическими называют изделия, изготовленные из глины с различными добавками и обожженные до камневидного состояния.
Керамические изделия подразделяют на два больших класса:
- грубая керамика - изделия с неоднородным грубозернистым черепком: кирпич простой и облицовочный, черепица, огнеупорный кирпич, керамические трубы и т. п.;
- тонкая керамика - изделия с однородной тонкозернистой структурой черепка: майолика, фаянс, фарфор, тонкокаменные изделия, специальная керамика.
Керамические изделия изготавливаются способами пластического формования, полусухого прессования и литья, которые отличаются методом оформления сырца.
В настоящее время прессование полуфабриката из порошкообразных масс занимает одно из ведущих мест в производстве изделий электронной, радио- и электротехнической промышленности, строительной керамики, а также в выпуске огнеупорных изделий. Способ полусухого прессования предусматривает переработку исходных материалов по «сухому» способу для получения однородной смеси порошков (шихты) с влажностью 8-14 %, которую прессуют при высоких удельных давлениях порядка 10-25 МПа. Уплотнение пресс-порошков сопровождается физико-химическими процессами, в которых участвует вся система: твердая фаза (минеральные частицы), жидкая (вода) и газообразная (воздух). В период уплотнения пресс-порошка формируются структурно-механические свойства изделий, которые закрепляются при обжиге.
Качество прессования изделий зависит от свойств порошков, режима прессования, условий приложения давления и его величины. В процессе сжатия порошка происходит перемещение воды в материале в более крупные поры, что может быть причиной последующих упругих расширений отпрессованных изделий. Создавая водные пленки на поверхности частиц, влага в наибольшей мере проявляет роль связки при условии, если она равномерно распределена в массе порошка.
Важнейшие физико-химические свойства изделий приобретаются в результате обжига. При обжиге одновременно протекают процессы тепло- и массообмена, значительно усложненные фазовыми и химическими преобразованиями.
В зависимости от свойств сырья эти процессы протекают без нарушения целостности изделий или приводят к их деформации - трещиноватости и короблению. При температуре 80-120 °C происходит интенсивное удаление влаги. При 300 °C начинается выгорание органических примесей. При 500-650 °C интенсивно выделяется конституционная вода, минералы, содержащие железо, например сидерит FeCО3, диссоциируют с выделением CO2. При 550 °C и наличии восстановительной среды начинается диссоциация сульфатов и сульфидов с выделением SO2, а при 700-800 °C - диссоциация карбонатов СаСО3 и MgCО3. Начиная с 700 °C и выше щелочи, находящиеся в глине, вступают во взаимодействие с другими компонентами глины, образуя расплав, количество которого возрастает с повышением температуры. Количество расплава, образующегося при одной и той же температуре, зависит от химического состава глинистых материалов и добавок, реакционной способности и дисперсности компонентов массы, качества печной среды и продолжительности нагрева. При малом содержании жидкой фазы достаточная механическая прочность изделий не обеспечивается, при излишнем - возможна деформация изделий в процессе обжига. В этом периоде обжига изделий (700-800 °С) кристаллическая решетка глинообразующих минералов разрушается незначительно, поэтому физико-механические показатели (усадка, прочность, пластические деформации, модуль упругости) изменяются также незначительно. Пористость изделий к концу периода увеличивается.
Общим в изготовлении керамических изделий является процесс производства, включающий в себя следующие основные этапы: измельчение и тонкий помол компонентов, смешивание компонентов, формование изделий, отделка и декорирование, обжиг.
Майоликовые изделия изготавливают из пластичных глин с добавками отощающих и флюсующих материалов методом пластического формования.
Нынешнее состояние науки о материаловедении, и керамики в частности, характеризуется переходом от эмпирических методов к методам целенаправленного создания искусственных материалов на основе достижений физики твердого тела. Наиболее приемлемым научным подходом, способным в полной мере охватить все процессы, происходящие при керамическом производстве, является синергетика композиционных материалов. Главным признаком этих материалов является способность образовывать в процессе своего создания специфические структуры и приобретать уникальные свойства, не присущие составляющим компонентам системы в отдельности.
Данная теория позволяет объяснить явления самоорганизации дисперсных систем избытком поверхностной свободной энергии и ее стремление к снижению энтропии, а формирование структуры керамических материалов рассматривать как активный объект влияния среды, обладающий гибкой реакцией на все ее воздействия. Этот подход к решению процессов самоорганизации дисперсных структур позволяет направленно регулировать свойства керамических материалов и прогнозировать их эксплуатационные свойства.
Такая возможность представляет большой интерес при изучении и прогнозировании свойств фарфора и фаянса еще на этапе производства глиняных суспензий и шликеров. Шликер представляет собой дисперсную часть (дисперсная фаза), которая находится во взвешенном состоянии в жидкой части (дисперсионная фаза). В такой системе кристаллические частицы в воде образуют определенную структуру, которую невозможно разбить на изолированные кластеры, поскольку она является, по существу, единым кластером, пронизывающим весь исследуемый объем, т. е. как бы матричным материалом.
Явления самоорганизации обусловлены избытком свободной энергии в дисперсной системе и ее стремлением к самопроизвольной самоупорядоченности. Одним из наиболее распространенных путей повышения поверхностной энергии наполнителей в настоящее время является увеличение их удельной поверхности, что весьма дорого. Поэтому учеными предлагается использовать в качестве тонкомолотых наполнителей для фарфоро-фаянсовых масс грубодисперсные техногенные материалы (10-30 мкм), обладающие большой поверхностной энергией.
Добавка отработанного катализатора в небольших количествах до 5 % увеличивает плотность и прочность образцов, уменьшает водопоглощение и усадку.
Как известно, прочность керамических изделий зависит от наличия стеклофазы в обжигаемом материале.
Поэтому введение готовой стеклофазы позволяет регулировать и повышать прочностные характеристики отделочных керамических материалов. Перспективным материалом с данной точки зрения является бой тарного, бутылочного и строительного стекла.
Стеклянный бой, наряду с другими отходами промышленности, используется достаточно широко в производстве строительных материалов. Так, научно-исследовательским институтом ресурсосбережения разработана технология производства гранулированного пеностекла, которое по своим свойствам аналогично, а по ряду свойств превосходит особо лёгкий керамзитовый гравий.
В Мордовском государственном университете (г. Саранск) проведены исследования строительных композитов на основе стеклобоя. Бой стекла в тонкодисперсном состоянии может быть использован для получения вяжущего. После электроактивации воды (в электролизере) ее основность достигает уровня pH = 11—11,5. Щелочная среда является определяющим условием протекания процессов синтеза минеральных веществ алюмосиликатного состава. С применением вяжущего из стеклобоя оптимизированы составы растворов и бетонов.
Использование стеклянного боя в смесях с пластичными глинами позволяет улучшить формовочные свойства массы, снизить температуру обжига и повысить производительность печей.
Снижение усадки керамических плиток, уменьшение деформации, повышение эксплуатационных характеристик и долговечности часто достигают введением в составы керамических плиток непластического сырья, в том числе волластонита, диопсида, металлургических шлаков.
Для изготовления экспериментальных составов керамических плиток применялись вскрышные породы Изыхского угольного разреза, кварц-серицид-хлоритовые сланцы Майинского месторождения, расположенных на юге Красноярского края, и стеклобой.
Установлено, что кварц-серицид-хлоритовые сланцы после помола представляют собой талькоподобный жирный на ощупь продукт, обладающий четко выраженным эффектом твердой смазки. За счет этого эффекта происходит выравнивание нормальных и касательных напряжений в прессуемых изделиях, повышается качество их лицевой поверхности, улучшается четкость граней, увеличиваются деформационная стойкость и прочность сырца. Так, в сырце из чистой глины, вследствие неравномерной усадки, наблюдается много микротрещин, и он имеет невысокую прочность - 4,8 МПа. При введении кварц-серицид-хлоритовых сланцев микротрещины отсутствуют, а прочность при сжатии повышается до 13,8-14,9 МПа.
Другим путем к повышению качества керамических изделий является диагностика соединений железа, которая имеет не только теоретическое, но и практическое значение, т. к. она дает возможность обосновать выбор оптимальных схем обогащения керамического сырья.
Железо в глиносодержащих материалах может присутствовать в различных формах: силикатное (изоморфные примеси силикатов) или в виде свободных соединений железа (несиликатное). Последнее может быть представлено частицами минералов различной дисперсности или пленками оксидов железа на поверхности частиц силикатных минералов. Если глиносодержащие материалы имеют в своем составе преимущественно свободные (несиликатные) соединения железа, то извлечь их будет легче, чем из того сырья, в котором преобладает железо, находящееся в кристаллической решетке силикатов.
Наличие того или иного типа железосодержащих минералов определяет окислительно-восстановительные условия, необходимые для их разрушения.
Существуют различные методы анализа, используемые для идентификации железосодержащих минералов. Однако ввиду низкого содержания соединений железа в составе глиносодержащих материалов, нестехиометричности их состава и высокой дисперсности частиц применение таких методов, как рентгено-структурный анализ, ядерная гаммарезонансная спектроскопия, электронно-парамагнитная спектроскопия, при комнатной температуре для идентификации этих соединений оказывается малоэффектным. Традиционные магнитные измерения также неприемлемы вследствие низкой магнитной восприимчивости глиносодержащих материалов, поскольку соединения железа, входящие в их состав, главным образом слабомагнитны.
Ю.Н. Водяницкий предложил использовать для идентификации в почвах железосодержащих минералов дискретный термомагнитный анализ.
Другими учеными этот метод был опробован для выявления железосодержащих соединений в глинах, пригодных для производства фарфора. В некоторых случаях на основе использования полученных данных можно обосновать выбор оптимальных способов обогащения сырья.
Разработка способов получения материалов с заданными свойствами и методов управления протекающими процессами привела к необходимости моделирования реальных пористых систем как на стадии формирования этой системы, так и для конечного продукта. Наиболее распространены два метода моделирования: физический, или геометрический, и математический, базирующиеся на геометрии правильных опорных упаковок частиц либо на случайном распределении, приводящем к одному из вероятностных законов распределения частиц по размерам.
Эти модели удобно использовать для характеристики стационарных дисперсных систем. Если система является динамичной, развивающейся во времени самопроизвольно или под влиянием внешнего воздействия, то для создания модели такой системы необходима информация о структурных характеристиках как первичной структуры, так и последующих структур, образующихся в результате воздействия различных физико-химических факторов. Эту проблему можно значительно упростить путем использования объемных фазовых характеристик системы, находящихся в тесной взаимосвязи с такими структурными свойствами, как размер, форма, число частиц, дисперсность и гранулометрический состав, число и площадь контактов между частицами, приходящихся на единицу площади или объема системы.
Закон постоянства фаз и фазовую диаграмму можно использовать при анализе процессов получения пористых материалов - пеностекла, пеносиликатов на основе жидкого стекла, легковесных огнеупоров и пористой керамики, керамзита и других материалов.
Приведенный профессором В.А. Лотовым пример использования фазовой диаграммы и объемной концентрации твердой фазы в системе показывает возможности применения метода при анализе процессов формирования структур на основе любых дисперсных систем, используемых в технологии керамических и силикатных материалов. Предлагаемый метод позволяет количественно оценить эффективность действия различных добавок и технологических приемов при формовании, сушке и обжиге материалов и может использоваться при моделировании дисперсных структур и технологических операций.
Опыт зарубежных ученых за последние годы в области производства керамических материалов показал аналогичность подходов к решению ряда задач. Это широкое использование отходов промышленности, а также совершенствование техники и технологий. Так, в Рижском политехническом институте разработан ультразвуковой импульсный метод контроля структурообразования керамических изделий в процессе сушки. Институт строительной и грубой керамики в Веймаре (Германия) предлагает использовать вскрышные породы при добыче глины в производстве керамических изделий. Добавка этих пород до 30 % к глине не ухудшает свойств керамических изделий, а для производства пустотелого кирпича до 50 %.
Научно-исследовательский институт «Теплоизоляция» в Вильнюсе (Литва) показал, что добавка шлама металлургической промышленности в керамические массы в количестве 1,5-2 % улучшает свойства кровельной черепицы.
Следует отметить, что характерной особенностью прогресса в создании и внедрении новых материалов становится определяющее влияние технологии (высокоскоростное спекание, использование электромагнитных полей и излучений и т. п.). На сегодня очевидно использование наукоемких технологий - магистральное направление современного материаловедения.
В настоящее время установленным считается целесообразность использования нетрадиционных электрофизических методов воздействия в ряде технологий производства и улучшения качества строительных материалов и изделий, в том числе керамических, в общей схеме их получения.
Для целей улучшения качества изделий различного назначения получили развитие высоковольтные электротехнологии подготовки активированных материалов и обработки их в газовых средах. В данных высоковольтных электротехнологиях инструментом активации служат сильные электрические поля с воздействием движущихся заряженных частиц. Среди спектра газовых разрядов наибольшее применение в производстве строительных материалов получил высоковольтный коронный разряд.
Коронный разряд - это один из видов газового разряда, возникающего в резконеоднородных электрических полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов с малым радиусом кривизны поверхности, где напряженность электрического поля гораздо больше, чем в остальной части промежутка. Электроды называют коронирующими, а область коронирования - чехлом короны.
Физические процессы высоковольтного коронного разряда на постоянном и переменном напряжениях на коронирующих проводниках имеют существенные отличия и подробно изложены в разд. 3 настоящего пособия.
В практическом использовании технологии высоковольтной активации в газовых средах минеральных материалов, в том числе вяжущих и более сложных композиций, включая керамические материалы, разрабатываются в двух направлениях:
- разработка технологий воздействия высоковольтным коронным разрядом на сухие компоненты и композиции на их основе как в движущихся, так и в стационарных условиях;
- разработка технологий высоковольтной активации твердеющих композиций коронным разрядом в процессе твердения и набора ими прочности.
Высоковольтный коронный разряд в технологии производства строительных материалов, в первую очередь, нашел применение при активации портландцемента в производстве бетонных и железобетонных изделий, а также в дорожно-мостовой отрасли при высоковольтной активации минерального порошка, о чем подробно изложено в предыдущих разделах.
При использовании электрофизических методов в технологии производства строительных материалов рабочим инструментом обработки в большинстве своем следует считать сильное электромагнитное воздействие на объект активации. Практически значимыми являются исследования по раздельной обработке указанного типа воздействия, т. е. магнитной активации и сильных электрических полей. Последнее реализуется в технологии высоковольтной активации коронным разрядом твердеющих структур и их компонентов.
В настоящее время метод магнитной обработки получил широкое распространение в строительной индустрии для улучшения качества изделий и экономии материальных ресурсов. Развитие работ по электромагнитной и магнитной активации осуществляется в направлении:
- магнитной обработки воды затворения;
- магнитной обработки суспензий;
- магнитной активации растворных смесей;
- магнитной активации отформованных изделий различного назначения.
Магнитная обработка наиболее реализована для активации воды затворения при изготовлении различных строительных изделий.
Однако не менее перспективно развитие технологии магнитной активации компонентов бетонной смеси и непосредственно самой твердеющей композиции в условиях их стационарного состояния сильными магнитными полями. Более того, по известным литературным источникам, эффективность магнитной активации имеет место и при обработке предварительно отформованных прессованием твердеющих композиций.
Технология магнитной обработки находит применение для активации глинистых суспензий. Применение в технологическом процессе огнеупоров (например, на Боровическом, Запорожском и других огнеупорных заводах) магнитной обработки воды позволило повысить механическую прочность изделий на 2-10%. При оптимальных параметрах магнитной обработки воды (напряженности поля в рабочем зазоре между полюсами и др.) условный модуль деформации и пластическая вязкость глинистых высококонцентрированных дисперсий возрастают на 30-40 %.
Имеющиеся результаты и механизмы течения процессов в технологии магнитной активации систем, в которых связующим является глина, обнадеживают успешное разрешение проблем при производстве керамических изделий различного назначения.
Основные причины распространения магнитной обработки: отсутствие необходимости в химических реагентах, организованном контроле, минимальные эксплуатационные расходы и широкая возможность для обработки больших количеств объектов без больших затрат на оборудование.