книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

Часто дисперсность порошков характеризуют их удельной поверхностью 5 , под которой понимают отношение суммарной наружной поверхности частиц к их массе, выражаемое в сантиметрах или метрах квадратных на грамм. Между тем, учитывая различные значения плотности керамических порошков, целесообразнее величину $ исчислять в сантиметрах квадратных на сантиметр кубический, т.е. на единицу объема.

Для характеристики полидисперсности твердой фазы суспензий или порошков в последние годы стал общеупотребительным предложенный нами еще в работе [5.19] показатель полидисперсности

Сущность определения последнего видна из рис. 5.5, где приведены и охарактери­ зованы интегральные кривые, характеризующиеся существенно отличающейся полидисперсностыо.

Часто оценивают также медианный диаметр частиц </м, соответствующий среднему (50 %-ному) содержанию частиц на интегральной кривой. В зарубежных проспектах по порошкам огнеупорных материалов обычно приводятся данные по их медианному диаметру (обычно И50), а также диаметр частиц, соответствующий 90 %-ному содер­ жанию (/990). Применительно к анализу зернового состава твердой фазы ВКВС наи­ более приемлемым является седиментационный анализ. При этом предварительно ситовым методом определяется содержание в них более крупных (ситовых) фракций (40-100 мкм).

Зерновой же состав огнеупорных заполнителей определяют ситовым анализом. Та­ кой анализ осуществляют сухим просеиванием в соответствии с межгосударствен­ ным стандартом ГОСТ 18318-94. Навеску порошка (100±1 г при насыпной плотности порошка >1,5 г/см3 или 50±0,5 г в других случаях) просеивают через набор стандарт­ ных тканых сеток (сит) с квадратными отверстиями различной величины (табл. 5.1) [5.20].

Сетки № 004-016 ткут из мягкой отожженной бронзовой проволоки марки БрОФ 6,5-0,4 с содержанием фосфора 0,3-0,4 %, а № 0071-1 — из полутомпака марки Л80. Сита должны быть круглыми с диаметром обечайки 200 мм и глубиной от 25 до 50 мм.

Для ситового анализа порошков используют специальное устройство (рис. 5.6), рабо­ тающее по принципу вращательного движения со скоростью вращения 300±15 мин"1 при одновременном встряхивании с равномерной частотой 180±10 в минуту.

Допускается применять другие механизмы, а также режимы работы, обеспечиваю­ щие идентичные результаты (например, российский ситовый анализатор “Гран”, не­ мецкие установки фирмы ФРИЧ “Анализетте-3” и “Анализетте-18” и др.). Просеива­ ние продолжают до окончания рассева, или в течение времени, указанного в норма­ тивной документации на конкретный порошок. Время окончания рассева достигается в момент, когда количество порошка, проходящее в течение одной минуты через сито, задерживающее наибольшую его массу, изменяется менее чем на 0,1 % массы пробы для испытания. Допускается просеивание порошка вручную (его приемы должны быть указаны в нормативной документации на конкретный порошок).

Рис. 5.6. У стройство для рассева порош ков

на ф ракции (си то в ы й ан ал и затор м арки 028М : 1 — электродвигатель; 2 — кулиса;

3 — набор сит; 4 — корпус с вмонтирован­ ным редуктором )

В США применяют свою шкалу се­ ток. За основу принято сито с разме­ ром отверстий в свету 0,074 мм. Есть основной ряд сит с модулем л/2 = = 1,414 и дополнительный ряд с мо­ дулем ур2 = 1,189 (модулем называ­ ют постоянное отношение размеров отверстий двух сит, смежных в набо­ ре, т.е. следующих одно за другим). Размер отверстий любого сита кратен

0,074 мм. Например^размер отверстий следующего за основным более крупного сита составляет 0,074- л/2 = 0,104 мм, затем 0,104- л/2 = 0,147 мм и т.д. Для вычисления размера отверстий сит дополнительного ряда пользуются модулем у2

В этой системе номер сита указывают в мешах (число меш означает количество отверстий на одном линейном дюйме, равном 25,4 мм). Диаметр проволоки каждого сита равен размеру отверстия а, который определяют по формуле а = с1= 25,4/2/л, где т — число меш. Например, для сита 200 меш размер отверстия составляет

а = 25,4/(2-200) = 0,0635 мм = 63,5 мкм.

Для любой шкалы сеток зависимость между размером отверстия а, мм, диаметром проволоки <1, мм, числом меш т и живым сечением сетки $ , % — относительной площадью отверстий, выражается так:

т = 25,4/(а + О); Зс= 0,155 (25,4 - те!)2; 5с= [а/(а + </)2]100.

Долю порошка, оставшуюся на сите при просеве, называют плюсовой фракцией, а прошедшую через сито — минусовой фракцией. Кроме того, часто термином “субси­ товая фракция” обозначают долю порошка, прошедшего через сетку с наименьшим размером отверстий в данном наборе сит.

Фракцию, количество которой составляет <0,1 %, обозначают как “следы”.

5.3. Технологические свойства и характеристики порошков. Способы их изучения

К основным технологическим свойствам порошков относится их текучесть (сыпу­ честь), насыпная плотность рнас, г/см3 или соответствующий показатель коэффициен­ та упаковки Куп[5.15; 5.20]. Эти показатели определяют как для насыпного состояния, так и в состоянии утряски (виброуплотнения).

Рис. 5.7. Схема (а) образования угла естественного откоса а и приборы (б, в) для его определения: 1

— корпус; 2 — шибер; 3 — прозрачная стенка с угломером

Характеристика сыпучести (текучести) для огнеупорных порошков и формовочных систем является весьма важной. Она в значительной степени определяет возможность быстрого и равномерного заполнения форм различной конфигурации. Сыпучесть за­ висит прежде всего от трения и сцепления зерен на контактах частиц. О ней можно косвенно судить по углу естественного откоса (рис. 5.7). Значения последнего чаще всего находятся в интервале 30-40°.

Показатель величины насыпной плотности рн представляет собой массу единицы объема порошка при свободной насыпке, т.е^ рн является объемной характеристикой. В соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 19440-94, принятым в по­ рошковой металлургии [5.20] для определения ри, используют либо воронку (рис. 5.8, а), если порошок способен самопроизвольно истекать через отверстие, либо систему воронок с пластинками (волюмометр Скотта, рис. 5.8, б), представляющую собой пря­ моугольный сосуд с внутренними наклонными стеклянными полочками, по которым под действием силы тяжести ссыпается порошок.

Перед анализом проба порошка объемом >100 см3 должна быть высушена при 110=Ь5 °С до постоянной массы в сушильном шкафу с последующим охлаждением в эксикаторе до температуры окружающей среды.

Величину, обратную насыпной плотности, называют насыпным объемом Г|мс, см3/г, который представляет собой объем, занимаемый единицей массы порошка при его свободной насыпке:

Насыпной объем порошка всегда в несколько раз больше удельного объема компак­ тного материала Ук( Г = 1/ук, где ук — табличная плотность материала порошка или пикнометрическая плотность его частиц).

Для виброформуемых огнеупоров исключительно важной характеристикой являет­ ся величина “плотности утряски”, т.е. насыпной плотности после виброуплотнения гу. В соответствии с ГОСТ 25279-82, навеску порошка 50-100 г после просушки поме­ щают в стеклянный мерный цилиндр объемом 100 или 25 см3, на который накладыва­ ют осевую вибрацию с частотой 100-300 ударов в минуту при амплитуде встряхива­ ния 3,0±0,2 мм [5.20]. После прекращения изменения объема порошка в процессе встря­ хивания его фиксируют прямо в мерном цилиндре и известную массу порошка делят на эту величину объема:

5.4. Влияние некоторых технологических параметров на упаковочные свойства огнеупорных порошков

Одной из существенных характеристик порошков в технологии неформованных огнеупоров является их упаковочная способность, выражаемая коэффициентами упа­ ковки в свободно насыпанном состоянии К п“, и после утряски Купу или соответствую­ щими значениями насыпной плотности рн и ру. Известно, что эти показатели подвер­ жены значительным колебаниям в зависимости от влажности порошков (масс); это может оказывать влияние на некоторые технологические процессы и качество конеч­ ного материала. Так, при объемном дозировании компонентов огнеупорной шихты, осуществляемом пластинчатыми, ленточными, вибрационными, барабанными пита­ телями, вследствие изменяющейся насыпной плотности порошков (из-за непостоян­ ной их влажности) заданный состав может не соблюдаться, что неблагоприятно ска­ зывается на свойствах огнеупора.

Известно существенное влияние влажности на плотность укладки компонентов в технологии керамики [5.15], бетонов [5.21, с. 205] и огнеупоров.

В работе [5.22] на примере порошков огнеупорных материалов [электрокорунд, электроплавленая М&О, 2Ю2,2г8Ю4,8Ю2 (песок и кварцевое стекло), синтетический мул­ лит, высокоглиноземистый шамот, каолин, 8Ю] изучено влияние влажности, дисперс­ ности, зернового распределения, типа смачивающей жидкости на показатели /Г ",Куу

(Р н . Ру>*

По аналогии с грунтами [5.23, с. 100], в увлажненных огнеупорных порошках мож­ но различать три основные фазы: твердую (скелет), жидкую (смачивающая жидкость, связка) и газообразную (поровый воздух). Для оценки фазового состава порошков и влияния на него влажности (0^), кроме указанных, целесообразны показатели влаж­ ностного изменения насыпной плотности в свободно насыпанном состоянии К* или после утряски К у.

в насыпанном состоянии и после утряски (или соответствующие значения /Сп), отне­ сенные к абсолютно сухому веществу влажного порошка (кажущаяся плотность ске­ лета влажного порошка).

“Истинные” насыпные плотности определяются по формулам

где Риз,ру3— соответствующие “кажущиеся” значения рн порошкаво влажном состоянии. Влияние утряски (виброутряски) на р или оценивали коэффициентом утряски Ку:

ние отмечается у тонкодисперсных порошков 2Ю,, для которых Кнтдостигает 2,25 (кривые Зу 4 рис. 5.9, в).

Аналогичное влияние дисперсности на К и Ккустановлено на монофракциях квар­ цевого песка. Так, для монофракций 0,1-0,2; 0,2-0,315; 0,315-0,4 мм /Гпи при IVа= 0 составляет 0,54-0,56, а Кнтпри влажности, соответствующей максимальному разрых­ лению (5-10%), 1,80; 1,62; 1,50 соответственно.

Характерно поведение двухфракционных смесей порошков, показанное на рис. 5.9, а (кривая 6) и рис. 5.9, б (кривая 5). Для них отмечаются большие значения исходных Ку *и пониженные величины IVаперехода в состояние суспензии, что характеризуется соответствующим увеличением К ”

Показатели Кншдвухфракционных, а также полидисперсных порошков близки к ад­ дитивным по отношению к исходным монофракциям или определяются тонкой фрак­ цией. Так, в случае корунда для монофракций 1,6-2,5 и 0,04-0,05 мм Кнтсоставляет 1,25 и 1,61, а для смеси этих фракций (50:50) Китповышается до 1,68.

В случае пористых порошков в области низких значений РК для достаточно круп­ ных монофракций разрыхления упаковки не наблюдается, что показано на рис. 5.10 для высокоглиноземистого шамота пористостью около 15 %.

После насыщения пор жидкостью поведение таких порошков аналогично беспористым, при этом влияние дисперсности столь же существенно.

Рассмотренная закономерность увеличения эффекта влажностного разрыхления порошков по мере повышения их дисперсности не соблюдается в том случае, когда исходные порошки вследствие высокой дисперсности или анизодиаметричности име­ ют рыхлую упаковку. В качестве примера приведена подобная зависимость для по­ рошков кварцевого стекла (рис. 5.11).

Если монофракция 0,2-0,315 мм характеризуется Купни Куу0,50 и 0,60, то полидисперсный порошок со средним размером частиц */ср = 9 мкм соответственно 0,26 и 0,37, а К* и К* достигают значений 2,12 и 1,45; 1,22 и 1,33 соответственно. Тонкодисперс­ ные порошки при влажностях максимального разрыхления обладают меньшим коэф­ фициентом утряски К (1,32 против 1,9 для монофракции).

Как следует из уравнений (5.1) и рис. 5.11, показатели Кпни Кххуэквивалентны соответ­ ствующим показателям Куп. Кривые зависимости Куппорошков от Ж для насыпанного

пористого шамота фракции 1,6-3,0 мм (У); 0,63-1,6 мм (2); <0,63 мм (5)

Рис. 5.11. Зависимость и (а), К* и (б) от \Уддля монодисперсного порошка фракции 0,2- 0,315 мм (состав 1) и полидисперсного со средним размером частиц = 9 мкм (состав 2) порошка кварцевого стекла

состояния и после утряски, как правило, идентичны; с тем отличием, что вибрация по­ зволяет достигать пастообразного состояния системы при меньших значениях \Уа.

Специфично поведение каолиновых порошков, для которых характерно низкое зна­ чение Куп в исходном состоянии (#уп" = 0,13; # пу = 0,20) и его повышение по мере увлажнения. В отличие от рассмотренных случаев, для каолиновых порошков по мере роста IVанаблюдается влажностное уплотнение системы (К„< 1) с постепенным пере­ ходом в пастообразное состояние.

С целью изучения влияния на упаковочную способность вида дисперсионной сре­ ды (увлажняющей жидкости) к порошкам добавляли, кроме воды, гидролизованный этилсиликат-40 [5.24], этиловый спирт, раствор с.с.б.; опробованы также добавки кремнийорганической жидкости ГКЖ.

Существенное влияние жидкости на упаковочную способность полидисперсных порошков М§0 показано на рис. 5.12.

В области низкой влажности при использовании спирта (кривые У, Г) наблюдается некоторый рост при этом переход в пастообразное состояние достигается при мень­ ших значениях IVа, чем при затворении водой (кривые 3, У). Еще более эффективным в этом отношении является этилсиликат (кривые 2 ,2').

Лучшая упаковочная способность с применением этилсиликата отмечается и у по­ рошков синтетического муллита, циркона и карбида кремния (рис. 5.13).

Анализ экспериментальных данных показывает, что в большинстве случаев в опре­ деленной области влажности отмечается существенное “разрыхление” порошка (умень­ шение плотности упаковки), максимальная абсолютная величина которого зависит от ряда факторов: дисперсности, зернового распределения и плотности порошка, вида смачивающей жидкости и др. При этом в зависимости от влажности в системе поро­ шок-жидкость условно можно выделить три характерных состояния: сыпучее при Ж = = 0, максимального влажностного разрыхления (УСупт) при IV и перехода в пасто­ образное состояние при IVп(рис. 5.14).

Плотность упаковки порошка в сыпучем состоянии снижается с повышением дис­ персности частиц за счет увеличения их поверхности на единицу веса (рост числа

контаетов и уменьшение удельного “сжимающего” давления в них). По мере увлаж­ нения порошков в них появляются дополнительные силы сцепления вследствие ка­ пиллярного давления стыковой воды [5.21, с. 243], окружающей точки контакта меж­ ду частицами. При этом наибольшая интенсивность повышения сцепления наблюда­ ется в области влажности 1-2 %, максимальное же сцепление достигается при \Укр (см. рис. 5.14). При дальнейшем увлажнении мениски в точках контакта исчезают, сцепление системы уменьшается и она уплотняется до значений Куп, как в исходном сухом порошке, или даже больших, что желательно при получении из порошков сус­ пензий и паст.

К

III

Рнс. 5.14. Общий характер зависимости коэффициента влажностного изменения плотности К (а) и К^ (б) от влажности керамических порошков со связкой на основе воды (7) и с добавкой ПАВ (2) и основные их состояния: 7— максимальная сыпучесть; II— максимальное разрыхление; 7/7— пере­ ход в пасту