Приготовление пластичной массы

В керамическом производстве используют массы, приготовленные различными способами: пластичные для формования изделий; текучие в виде водного шликера для литья изделий; порошкообразные для прессования изделий; на парафиновой основе для отливки изделий под давлением.

Составы масс. В производстве фарфоровых, фаянсо­вых и других изделий хозяйственного назначения при­меняют керамические массы, состоящие из многих ком­понентов, что создает лучшие условия для придания им необходимых свойств, хотя и усложняет их приготовление (рис. 17). Переход на малокомпонентные массы возмо­жен при использовании сырьевых материалов с задан­ными свойствами или при применении методов автомати­ческой корректировки массы по составу при ее централи­зованном приготовлении.

Шихтовые составы масс зависит от качества^ и свойств исходных сырьевых материалов, вида изделий и технологических особенностей производства (табл. 1).

Поскольку основными оксидами являются SiC> 2, А1203, К2О и Na20, то химические составы масс находят­ся в трехкомпонентных системах:

Si02 — А1А — КаО и Si02 — А1А - Na20.

Состав и свойства изделий определяются главным об­разом соотношением Si02 и " А1203 и плавней. Изменение количества К2О и Na20, а также замена одного другим не приводят к существенным изменениям состава череп­ка и свойств изделий. В массе твердого фарфора на 1 моль щелочных и щелочноземельных оксидов прихо­дится 3—5 молей А1203 и 15—21 молей Si02, в массе мягкого фарфора соответственно 1, 8—3 и 10—23.

Важной качественной характеристикой тонкокерами­ческих масс является коэффициент кислотности КК, оп­ределяемый как отношение эквивалентов кислот к экви­валентам оснований, считая по молекулярной формуле (формуле Зегера):

KK = RO2/(ROa + RO + 3Ra03).

Коэффициент кислотности для масс твердого фарфо­ра находится в пределах 1, 1—1, 3; для мягкого 1, 63—1, 75; хозяйственного 1, 26—1, 65; фаянса 1, 4—1, 5; майолики 1, 4—1, 45, изменяясь в широком диапазоне (но не бо­лее 2) для масс изделий других видов. С повышением ко­эффициента кислотности увеличивается хрупкость кера­мики и возрастает способность ее к деформации при обжиге, повышается просвечиваемость, снижается термо­стойкость изделий.

Отношение R203: (R20+RO) также характеризует устойчивость масс в обжиге. Для фарфора оно равно 2—5. Чем больше это отношение, тем устойчивее массы в обжиге.

Расчет массы. Химический состав массы рассчиты­вают по химическому составу сырья, а шихты — по ее рациональному или химическому составу. Зная химиче­ский состав сырья и молекулярную формулу черепка, также можно рассчитать материальный состав массы для этого изделия.

Для твердого фарфора молекулярная формула имеет вид:

(0, 18 —0, 2)[RO.A1A-(3, 5-4).SiOj.

Для мягкого фарфора молекулярная формула харак­теризуется увеличенным содержанием оснований и имеет вид

(0, 3-0, 4)JRO.AlA-(5, 5-6)SiO2, где RO — основания.

Если количество всех основных оксидов (R20 + RO) привести к единице, то молекулярная формула твердого фарфора примет вид:

Чтобы вычислить -молекулярйбе " ^отношение окси­дов, необходимо количество каждого оксида в процен­тах разделить на его относительную молекулярную массу.

Если необходимо один из компонентов массы заменить другим, то при выполнении расчетов исходят из того, что рациональный состав массы не должен изменяться. Сна­чала расчитывают рациональный состав компонентов, а затем рациональный состав массы, по которому опреде­ляют шихтовый состав масс. Зная рациональные составы сырьевых материалов и массы (табл. 2) рассчитывают шихтовый состав, например фарфоровой массы, по сле­дующей методике.

По технологическим соображениям, в связи с необхо­димостью получения массы достаточной пластичности и формуемости, прочности полуфабриката, получения из­делий с заданными свойствами заранее задают содержа­ние каолина в массе (например, 40%). Далее опреде­ляют содержание компонентов, вводимых с каолином в массу (табл. 3).

По разности содержания каолинита в массе и каоли­не определяют содержание каолинита, вводимого с другими компонентами:

В состав массы фарфора необходимо ввести полевого шпата:

22, 91 —3, 29 = 19, 62 ч. по массе.

Количество полевого шпата определяют из расчета 19, 62-100: 75, 45 = 26 ч. по массе. Полевой шпат вводят в массу в составе пегматита (см. табл. 2). Недостающее количество кварцевого песка вводится из расчета: 32, 34 — (0, 42 + 5, 78) = 26, 14%.

Таким образом (округляя расчетные данные), ших­товой состав массы фарфора будет следующим, %: као­лина—40, глины огнеупорной — 8, пегматита —26, кварца — 26.

Влияние составных частей массы на свойства изделий.

Каолин в керамической массе обеспечивает белизну из­делий, повышает термостойкость, прочность и химиче­скую стойкость изделий, но затрудняет получение плот­ного черепка. Его вводят в массу в сыром или обожжен­ном виде. Посредством каолина в фарфоровую массу вводится требуемое количество А1203 (до 35%).

Глины беложгущиеся — основные пластифицирую­щие составляющие массы, обеспечивающие требуемые формовочные свойства, механическую прочность полуфабриката в высушенном, а также обожженном состоя­нии, термическую стойкость изделий, но снижающие их белизну. Глины вводят в фарфоровые массы в. количестве 4—18%- В фаянсовых массах содержание глинистых ма­териалов возрастает до 55% (в твердом фаянсе) и 85% (в глинистом фаянсе).

Глины в массах могут заменяться бентонитом, вво­димым в количестве до 6%. При этом 1% бентонита за­меняет до 5% глины, так как его связующая способность в 2—2, 5 раза выше. Присутствие бентонита в фаянсовых массах повышает прочность высушенного полуфабрика­та на 30—40%. Однако в бентоните больше оксидов же­леза, что требует его обогащения гидроциклонным спо­собом. Это сдерживает повсеместное использование бен­тонитов в керамических массах.

В массе, используемой в автоматизированном произ-■ водстве, содержание глины должно быть минимальным для уменьшения возможности деформации и растрески­вания изделий в процессе скоростной тепловой обработ­ки и в то же время достаточным для придания полуфабг рикату необходимой прочности.

Кремнеземистую составляющую — кварц жильный, кьарцевый песок — вводят в массу для регулирования структурно-механических и технологических свойств и получения изделий с заранее заданными свойствами.

Широкое использование кварцевых материалов в ке­рамических массах объясняется особой ролью, которую выполняет кварц в формировании черепка изделий. Яв­ляясь кислым оксидом, кварц при высоких температурах обжига активно взаимодействует с другими компонента­ми массы, обеспечивая синтез минералов, определяющих свойства черепка (муллита и др.). Кварц выступает в ка­честве компонента, образующего жесткий каркас (ске­лет) в структуре черепка.

Растворяясь в полевошпатовом расплаве, кварц по­вышает его просвечиваемость, вязкость и прочность че­репка, понижает КТР фарфора и способствует сопротив­лению изделий деформации при обжиге, улучшает раз­лив глазури. Нерастворившийся в полевошпатовом рас­плаве кварц может стать причиной внутренних напряже­ний в черепке, снижающих прочность и термическую устойчивость изделий.

Полиморфные превращения свободного кварца, со­провождающиеся изменением объема, должны учиты­ваться при выборе режима обжига изделий. Вредное влияние полиморфных превращений кварца снижают предварительным обжигом, а также тонким измельче­нием (до частиц размером < 25 мкм). Лучших результа­тов достигают при использовании кварцевых отходов (песка), получаемых при обогащении каолинов.

Полевошпатовая составляющая в массах, как и крем­неземистая, действует как отощающая добавка, а при обжиге — как плавень, обеспечивая развитие жидкой фазы в процессах формирования черепка изделий. Орто­клаз плавится медленно, распадаясь при 1170° С на лей­цит и вязкое стекло, богатое кремнеземом, по реакции

1170°С

KaO.AlA-rjSiOj -> KaOAlA-4SiOa + 2Si02.

Он дает густоплавкое стекло и наиболее пригоден в качестве плавня.

Повышенная вязкость расплава 106 Пз при 1300° С калиевых полевых шпатов (ортоклаза, микроклина) снижает возможность деформации изделий при обжиге. Полевошпатовый расплав заметно растворяет кварц и другие компоненты массы при 1200° С и выше. С повы­шением температуры интенсивность растворения повы­шается. Расплав калиевого полевого шпата способствует кристаллизации новых кристаллических фаз — муллита ЗА1203 • 2Si02, увеличению интервала спекания, повыше­нию белизны, прочности, просвечиваемости и термостой­кости изделий, чем выгодно отличается от натриевого по: левого шпата. Калиевый полевой шпат вводят в керами­ческие массы хозяйственного фарфора в количестве.15— 30%, полуфарфора — 25—35; низкотемпературного фар­фора 15—35; высоковольтного — 32—45%.

Натриевые полевые шпаты растворяют кварц лучше, чем калиевые, но вязкость их расплава меньше.

Перлит и липарит, введенные в массу, улучшают фи­зико-механические свойства черепка, понижают темпе­ратуру обжига, делают изделия более термостойкими, повышают сопротивляемость деформации при обжиге, интенсифицируют процесс обжига.

Щелочноземельные оксиды (MgO, CaO, SrO, ВаО) в керамических массах усиливают процесс кристобаллиза-ции. Эти оксиды по кристобаллизирующей способности располагаются в ряд MgO> CaO> SrO> BaO. Повыше­ние в массах содержания СаО еужает интервал спекания при обжиге, снижает эксплуатационные показатели из­делий за счет повышения хрупкости, снижения химиче­ской стойкости изделий. Оксид бария повышает меха­ническую прочность, просвечиваемость и химическую стойкость. Он может вводиться в массы хозяйственного фарфора в количестве 2—3%, так как вызывает пузы-рение черепка и повышает КТР.

Глинозем технический (корунд) улучшает эксплуа­тационные свойства изделий в первую очередь за счет повышения концентрации А13+ в полевошпатовом рас­плаве и более полного протекания процесса муллити-зации при увеличении в расплаве фазы муллита. Мул­лит и отвердевший при охлаждении расплав, обогащен­ный глиноземом и кремнеземом, повышают модуль упругости и механическую прочность, термостойкость, плотность, вязкость расплава и микротвердость стекло-фазы, белизну фарфора.

Вводят его в массы высоковольтного и специального фарфора в количестве 2—12% в тонкоизмельченном (2—4 мкм) виде, а также в массу изделий, обжигаемых по скоростному режиму. Корунд снижает КТР и про­свечиваемость фарфора.

В массу изделий, обжигаемых по скоростному ре­жиму, рекомендуется вводить 3, 5—4, 5% корунда для повышения вязкости расплава в процессе обжига изде­лий, при этом одновременно снижают содержание в массе боя изделий.

Каолин обожженный, введенный в массу, производит действие, аналогичное техническому глинозему.

Диоксид циркония Zr02 и циркон Zr02-Si02 повы­шают механическую прочность, термостойкость, микро­твердость, химическую стойкость и электрическую проч­ность изделия, понижают вязкость расплава. Вводят эти добавки в массы высоковольтного и химически стойкого фарфора в количестве до 20%-

Тальк 3MgO-4Si02-H20 способствует лучшей мулли-тизации черепка и повышает его прочность особенно при ударе и изгибе, снижает температуру уплотнения черепка на 30—35° С и возможность образования цека на фаянсе, повышает термостойкость изделий за счет образования при обжиге кордиерита 2MgO-2Al203X X5Si02, обладающего низким КТР — (1—3) • Ю-6 1/°С (при 55—600° С). В зависимости от вида изделий со­держание талька в массе высоковольтного и хозяйствен­ного фарфора доводят до 2, в специальных массах — до 40%.

Диоксид титана ТЮа, введенный в количестве 1, % (сверх 100%) в тонкокерамические массы, изготовлен­ные из глин, содержащих повышенное количество суль­фатов, понижает их склонность к вспучиванию при обжиге и улучшает свойства готового изделия. При температуре около 1320° С двуоксид титана способст­вует более активному растворению первичного муллита в расплаве и кристаллизации вторичного муллита с од­новременным понижением температуры обжига изделий и сужением интервала спекания. Заметное повышение механической прочности отмечается при вводе 2—4%^ ТЮ2 в тонкокаменные масСы.

Оксид цинка ZnO, вводимый в массу в количестве 2%, действует как сильный минерализатор, способст­вует снижению температуры обжига, улучшению струк­туры фарфора и повышению механической прочности изделий.

Приготовление массы предусматривает разрушение начальной структуры сырьевых материалов путем их измельчения (каменистые) и диспергирования при рас­пускании в воде (глинистые); составление новой дис­персной системы — массы из нескольких компонентов; создание структуры массы путем смешения, тонкого помола, обогащения, обезвоживания, переминаний, ва-куумирования.

В производстве фарфоровых и фаянсовых изделии энергоемкость подготовки пластичной массы составляет до 30% всей энергии, расходуемой на технологические цели, а потребность в рабочей силе для выполнения этих работ не более 3% (95—97% изделий изготов­ляется способом пластического формования).

Технологические схемы подготовки массы имеют много общего: мокрый (шликерный) способ подготовки, однотипность используемого оборудования, последова­тельность выполняемых операций. Подготовка массы осуществляется путем совместного помола и смешива­ния в шаровой мельнице всех компонентов массы или путем раздельного помола — каменистых материалов в шаровых мельницах и роспуска глинистых в мешалках или шаровых мельницах с последующим смешиванием всех компонентов массы в мешалках пропеллерного типа. При совместном помоле повышается однородность массы, однако длительность помола увеличивается на 30—35% по сравнению с раздельным помолом компо­нентов массы. На фарфоро-фаянсовых заводах подго­товку многокомпонентной массы обычно осуществляют раздельным помолом каменистых материалов и роспу­ском глинистых (рис. 18).

Тонкому помолу материалов предшествует дозиро­вание компонентов массы по объему (вода) и по мас­се (твердые компоненты). -

Глинистые материалы распускают в винтовых ме­шалках. Порядок загрузки следующий. Мешалка запол­няется водой, подогретой до 45—50° С. Одновременно включается подача пара в паропровод мешалки (осо­бенно в зимнее время). При заполнении водой полови­ны или 3/4 емкости резервуара подают глинистые мате­риалы, предварительно измельченные на глинорезных машинах (стругачах) или валковых дробилках до ве­личины кусков не более 20 мм в поперечнике. Обога-^ щенный каолин предварительной подготовки не требует.

Ниже приводятся примеры расчета (по А. И. Авгу-стинику) загрузки каолина и глины для распускания в мешалке с полезной емкостью 13 м3.

Пример 1. Влажность каолина на складе 8%, плотность каоли­на 2, 55 г/см3, заданная влажность суспензии в емкости 60%. Требу­ется определить количество воды, подлежащей заливке в емкость мешалки, и массу загружаемого на роспуск каолина.

В 100 кг суспензии будет содержаться 60 кг воды и 40 кг су­хого каолина, что по объему равно 40: 2, 55+60=75, 7 л.

В резервуаре мешалки полезной вместимостью 13 м3 должно содержаться (40-13 000): 76, 7 = 7000 кг сухого каолина и 8% воды, т. е. 560 кг, всего 7560 кг. Воды потребуется (13 00О-60): 75, 7= = 10000 кг. С учетом воды, поступившей вместе с каолином (560 кг), необходимо залить в емкость еще 9440 л. Для расчета массы на 1 м3 вместимости мешалки делят массы каолина и воды (7560 кг и 9440 л) на емкость мешалки 13 м3, получая соответст­венно 582 кг каолина и 725 л воды. Таким образом, на 1 т каолина надо залить 9440: 7660= 1, 25 т воды.

Пример 2. Влажность глины на складе 18%, необходимо полу­чить суспензию влажностью 75%. Методика расчета та же, т. е. 25: 2, 55+75=85 л (25-13 ООО)-5-85=3830 кг сухой глины и (75-13 000)-5-85= 11 500 л воды. С учетом 18% воды, поступающей с глиной, что составляет 690 л, надо загрузить в емкость 3830+ +690=4520 кг глины и залить еще 11 500—690=10 810 л воды.

В 1 м3 емкости загружается 348 кг глины и 830 л воды для по­лучения суспензии влажностью 75%- На 1 т глины надо залить 10 810: 4520=2, 4 т воды.

Суспензию глинистых направляют в расходную ем­кость (мешалку) или разбавляют водой до влажности 85% и подают насосами на гидроциклонное обогаще­ние.

При раздельном помоле в шаровую мельницу в опре­деленных количествах подают воду, загружают все кварцевые материалы, 5—7% глинистых (или бенто­нит в количестве 1—2%, если его вводят в массу), политый черепок, а также ПАВ (сульфитно-спиртовую барду) в количестве 1%. Помол продолжается 2, 5—3 ч. Затем в мельницу загружают полевой шпат и утельный черепок и размалывают их в течение 4—5 ч. Соотно­шение М: Ш: В = 1: (1, 2—1, 8): 1. Мельница заполняет­ся на 85—.90% объема.

Режим работы шаровой мельницы при раздельном помоле компонентов массы приведен в табл. 4.

Сливают суспензию массы из шаровой мельницы в сборную мешалку при помощи сжатого воздуха, пропу­ская ее через сито № 02.

При совместном помоле сырьевых материалов рос­пуск глинистых осуществляют одновременно с помолом каменистых материалов в шаровых мельницах. При этом сначала загружают каменистые материалы, бой изделий и глину (около 5%) или весь бентонит (если его вводят в массу), а затем после 8, 5—10, 5 ч помола остальные глинистые материалы (каолин и глину) и электролиты — соду и жидкое стекло. Продолжитель­ность совместного помола около 2—3 ч.

Добавление глинистых материалов при первой за­грузке шаровой мельницы необходимо для того, чтобы предотвратить осаждение более крупных непластичных компонентов и удержать их между мелющими телами для улучшения размалывания.

Соблюдение оптимальных режимов работы шаровой мельницы улучшает ее использование, однако КПД ее остается низким — около 15%, так как только тысяч­ный удар шара приводит к разрушению частиц мате­риала. Приготовление 1 т фарфоровой массы (в пере­счете на сухое вещество) на технологической, линии с шаровыми мельницами вместимостью 8, 2 м3 требует электроэнергии 32—35 кВт-ч, воды 1, 7—1, 9 м3, сжатого воздуха 0, 5—0, 8 м3. Для снижения затрат на тонкий шомол создаются шаровые мельницы с полезной вме­стимостью 32 м3 (фирма «Дорст», ФРГ), что увеличи­вает единовременную загрузку материала до 16 т.

Контроль качества помола материалов в шаровой мельнице осуществляют ситовым анализом. Тонина по-яшла в шаровых мельницах должна быть такой, -чтобы остаток на сите № 0056 (10085 отв/см2) был 0, 5—1% для фарфоровых масс и 2—8% для фаянсовых. Влаж­ность суспензии 55—60%. Температура суспензии фар­форовой массы в сборной мешалке 25—30, фаянсовой — 433—45° С.

Независимо от способа тонкого помола суспензию массы, перемешанную в сборной мешалке, пропускают через вибросито № 01 (с латунной сеткой 3460 отв/см2) и постоянные ферромагниты.

Транспортирование суспензий осуществляется при­нудительно насосами и реже самотеком по лоткам. Для принудительного транспортирования суспензий масс и глазурей используют насосы — мембранные, поршне­вые и винтовые (героторные). Наиболее распростране­ны мембранные насосы, способные перекачивать сус­пензии влажностью 40—70% и работать при давлении, до 2, 5 МПа. Конструктивно насосы выполняются двух­цилиндровыми и реже одноцилиндровыми.

Создавая рабочее давление до 2—2, 5 МПа, они обеспечивают получение из фильтр-прессов массы влаж­ностью 21—22%. Насосы типа 2МС-7, 5/16 и 2МС-7.1/20 имеют по два поршня разного диаметра, работающих попеременно. При достижении давления 1 МПа боль­шой поршень отключается. Малый поршень, продол­жая работать, создает давление до 2 МПа. Преимуще­ством насосов является отсутствие контакта работаю­щего поршня с перекачиваемой массой, что исключает загрязнение ее металлом в результате износа деталей.

Другая разновидность указанных насосов — одно- и двухпоршневой насос с фарфоровым плунжером. Рабо­та насоса регулируется автоматически — по мере увели-s чения давления уменьшаются число ходов и подача суспензии, а одновременно и величина ее пульсации.

Производительность насосов до 10 м3/ч при рабочем давлении до 2, 5 МПа.

В последние годы освоены мононасосы (героторные насосы) производительностью до 200 м3/ч при рабо­чем давлении 1—2, 5 МПа. Насосы фирмы «Нетчш» (ФРГ) типа НЕ100 и НЕ80 имеют эластичный статор в металлическом корпусе и стальной ротор (рис. 19). Ста­тор футерован резиной в виде двухзаходной резьбы с высоким шагом и большого профиля. Ротор — одно-заходный винт с половиной шага статора. При враще­нии ротора подающие полости между внутренней по­верхностью статора и ротором непрерывно смещаются аксиально со стороны всасывания в сторону нагнетания, не изменяясь по форме и объему. Глубина всасывания суспензии достигает 8 м. Конструктивно насосы выпол­няют одно-, двух- и четырехступенчатыми с.рабочим давлением соответственно 0, 6; 1, 2 и 2, 4 МПа.

Героторные насосы целесообразно использовать для перекачивания суспензий и заполнения фильтр-прессов при невысоких давлениях.

Обесвоживание суспензий. Для получения пластичной массы суспензия частично обезвоживается с 55—60 до 20—25%-ной влажности. Известно несколько способов обезвоживания материалов, которые можно разделить на три основные группы (рис. 20).

Расход энергии при обезвоживании суспензии меха- • ническими способами 0, 001—0, 002, электрическими 0, 1 — 0, 2, тепловыми 0, 85—1, 2 кВт-ч на 1 кг удаленной влаги.

В производстве фарфоровых и фаянсовых изделий бытового назначения основной способ обезвоживания масс —фильтр-прессный, на заводах централизованного приготовления массы, как и на заводах строительной керамики — сушка в распылительных сушилках.

По конструкции различают фильтр-прессы камерные и рамные. Для обезвоживания керамических суспензий наиболее распространены камерные фильтр-прессы.

Обезвоживание суспензии на фильтр-прессах основа­но на отделении твердых частиц пористыми матерча­тыми перегородками, пропускающими воду и задержи­вающими твердые частицы.

Суспензия массы, подаваемая в фильтр-пресс по центральному каналу, заполняет замкнутые полости между рам, обтянутых тканью. Вода из суспензии про­никает через полотно и стекает по радиальным кана­лам вниз к сквозному отверстию в ободе каждой рамы,, собираясь в водоотстойнике под фильтр-прессом. Твер­дые частицы оседают на поверхности ткани в виде пла­стов (коржей) и удаляются из пресса при раздвижке рам после окончания процесса обезвоживания.

Скорость фильтрации жидкого потока в пористом теле пропорциональна давлению и длине капилляров (закон Дарси). На скорость фильтрации оказывают влияние свойства суспензии, форма зерен, их величина и распределение. В начальной стадии образования кор­жа слой отложившейся на полотне массы весьма тонок и давление фильтрации, действуя на него, будет макси­мальным за весь период наполнения суспензией фильтр-пресса. Давление распространяется ступенчато по тол­щине коржа и на участке выхода фильтрата (ретурной воды) приближается, к нулю.

Полнота обезвоживания суспензии зависит от поверхностного натяжения фильтрационной жидкости, разности давлений, краевого угла смачивания между твердым веществом и жидкостью, среднего радиуса пор, плотности упаковки и расположения частиц в корже.

Чем больше в суспензии тонких частиц, тем медлен­нее фильтрация. Поэтому скорость фильтрации фаянсо­вых суспензий с большим содержанием глинистых мате­риалов в 2—3 раза ниже, чем скорость фильтрации фарфоровых суспензий.

Давление фильтрации колеблется от 0, 8 до 1, 8 МПа. С повышением давления уменьшается влажность кор­жа, повышаются его плотность, однородность и проч­ность. Давление должно увеличиваться непрерывно, без толчков и перебоев. Продолжительность заполнения фильтр-прессов фарфоровой массой 1, 5—2 ч, фаянсовой 2, 5—4 ч. Добавление в суспензию 2—4% боя изделий (сверх 100%) увеличивает скорость фильтрации.

При повышении скорости фильтрации без увеличе­ния давления возрастает влажность, снижается одно­родность и плотность массы. Производительность фильтр-пресса может быть повышена на 15—20% в ре­зультате подогрева суспензии до 35—45° С (вязкость воды при температуре 20° С равна 1 Па-с, при 55° С— 0, 3 Па-с). Добавление 0, 25%-ной уксусной или муравь­иной кислоты в суспензию также способствует ускоре­нию фильтрации. Ускоряют фильтрацию полиакрилаты и полиакриламиды, успешно используемые, например, при обезвоживании каолиновых суспензий при мокром обогащении каолина.

Продолжительность фильтрации возрастает пропор­ционально квадрату толщины коржа. Одновременно увеличивается его остаточная влажность. Величина рН суспензии также влияет на скорость фильтрации. При малых значениях рН возможна флокуляция суспензии, которая облегчает фильтрацию. С повышением плотно­сти шликера и содержания глинистой составляющей скорость фильтрации заметно снижается.

Толщина отложившегося слоя массы возрастает про­порционально объему ретурных вод, так как скорость фильтрации обратно пропорциональна объему фильтра­та или толщине осадка массы, осевшей на фильтр-прес-сной ткани, и составляет 0, 02*—0, 035 мэ/м2-ч, а съем мас­сы с 1 м2 фильтрующей поверхности 10—12 кг/ч.

Толщина коржа, при которой прекращается процесс фильтрации, составляет для фарфоровых масс —около 25, фаянсовых—до 35, для каолина—до 50 мм. Масса коржа толщиной 30 мм из рамы размером ЮООх ХЮОО мм равна 42 кг.

Обезвоживание суспензий на фильтр-прессах связа­но с образованием дефектов структуры в плотных кор­жах, так как во время фильтрации вода быстрее отде­ляется от отощающих материалов, с которыми она сла­бо связана, чем от глинистых материалов. 3 результате масса частично расслаивается, особенно в фильтр-прес­сах с диаметром рам более1 800 мм. Снизу и в середине коржа оседает больше отощающих материалов, а ближе к поверхности больше глинистых. В результате содер­жание фракций с величиной частиц меньше 10 мкм в отдельных точках коржа колеблется от 31 до 80%. Обогащенные глинистой фракцией участки массы, по-, ступающей в дальнейшем на вакуумирование, способ­ствуют неравномерной усадке при сушке, достигающей в различных направлениях 30—60%, снижают проч­ность при изломе полуфабриката на 15—20%, что в свою очередь снижает качество изделий.

Расход фильтр-прессного полотна 1, 25—1, 5 м2/т сухой фарфоровой массы и примерно 1, 7 м2 фаянсовой, медного купороса — 0, 2 кг и аммиака для промывки и обработки фильтр-прессных полотен 0, 04 кг. Расход электроэнергии 23—30 кВт-ч/т сухой массы. Срок служ­бы фильтр-прессного полотна бельтинга около 3 мес. работы или от 60—80 до 200—270 циклов, капронового или нейлонового — 900 и более циклов. Для улучшения фильтрации полотна через 50—60 циклов промывают. Стоимость 1 т массы, полученной из фильтр-преоса с капроновым фильтрующим полотном, на 30—50% ниже стоимости массы, полученной на прессе с фильтрующим полотном бельтинг.

Срок службы фильтровальных тканей удлиняют противогнилостной пропиткой: сначала полотно выдер­живают в горячем 60—70°С содовом растворе в течение 3 ч и в аммиачном растворе медного купороса, после чего промывают холодной водой и высушивают. Хорошо пропитанное полотно имеет равномерную синевато-зеле­новатую окраску. Наличие желтых и белых пятен сви­детельствует о неравномерной пропитке. Состав содово­го раствора для пропитки полотна: горячая вода — 200, кальцинированная сода 8, 5 кг. Аммиачный раствор мед­ного купороса имеет следующий состав: горячая вода — 170 л, кальцинированная сода — 2 кг, медный купо­рос — 3, 9 кг, 25%-ный раствор аммиака — 13 л. Расход каждого раствора 190—200 л на 100 м2 обрабатывае­мого полотна. Для удлинения срока службы фильтро­вальной ткани под верхнее полотно, покрывающее щи­ты фильтр-пресса, подкладывают второе полотно из ткани более грубой фактуры или отремонтированные старые полотна.

Основные недостатки фильтр-прессов: периодичность работы, низкая производительность (до 0, 14 кг/с), большая масса (около 20 т) и большие габариты (око­ло 9 м2).

За последние годы конструкция фильтр-прессов бы­ла улучшена. В Укрниихиммаше, например, создан авто­матический камерный фильтр-пресс ФПАКМ непрерыв­ного действия (рис.21).

Основными рабочими элементами фильтр-пресса яв­ляются фильтрующие плиты 5 (количество плит может быть 6 и 12 в зависимости от типа пресса), распо­ложенные между опорными плитами 12 — верхней и 16 — нижней. Механизм зажима плит 17 располагается под нижней плитой. Он обеспечивает зажим плит в те­чение 30—60 с. Фильтровальная ткань 7 общей длиной 17—50 и шириной 0, 7—1, 2 м зигзагообразно проходит между фильтрующими плитами, огибая ролики 6. Об­щая поверхность фильтрации 2, 5—2, 6 м2. Натяжение ленты осуществляется натяжным приспособлением 10, установленным на верхней плите, а ее направление — роликами 9. Фильтровальная ткань, пройдя привод пе­редвижки ткани, приводимый в действие электродвига­телем, поступает на очистку и мойку (регенерацию) в камеру 2, оборудованную скребками и форсунками. Фиксированное положение ткани по отношению к пли­там обеспечивается направляющим устройством 3. Про­должительность замены ткани 15—30 мин.

При сжатых плитах суспензия поступает по трубо­проводу под давлением до 1, 5 МПа в коллекторы пода­чи 11 и 13, на выходе которых установлен автоматиче­ски открывающийся клапан. Привод передвижки ткани, камера регенерации и опорная плита 18 установлены на общей раме 19. После заполнения пресса суспен­зией твердая часть массы остается в виде тонкого слоя (продолжительность образования слоя 1, 5 мин) на фильтровальной ткани, а фильтрат, пройдя через ткань и перфорированное сито, поступает в коллектор 15. Давление отжима диафрагмы до 1, 2 МПа. Разгрузка осадка производится после прекращения подачи суспен­зии и раскрытия фильтр-пресса. Фильтровальная ткань, приведенная в движение приводом передвижки ткани, выносит слой массы толщиной до 35 мм на обе стороны фильтр- пресса, где он снимается скребками 8 и посту­пает на ленточные конвейеры 1, расположенные по сто­ронам фильтр-пресса. Схема работы фильтрующих плит приведена на рис. 22. Плита состоит из корпуса 2 и рамки 4. В корпусе собирается фильтрат. Корпус имеет днище и дренажное основание 9 в виде вкладышей из перфорированного листа. В рамке формируется оса­док. Между корпусом и рамкой находится выпуклая резиновая диафрагма 5, предназначенная для отжима осадка. В рабочем состоянии пресса плиты сжаты меж­ду верхней упорной плитой 6 и нижней нажимной пли­той 11. При подаче суспензии фильтрат проходит через ткань 1 и перфорированное сито в камеры фильтрата и далее в коллектор отвода 3. Осадок массы отжимается резиновыми диафрагмами, на которые подается вода насосной станцией через коллектор подачи 8, а слив во­ды из диафрагмированных камер производится обрат­ным путем через коллектор давления 10. Регулируется гидравлика фильтр-пресса блоком клапанов 7, клапа­ном сброса 12 и клапаном коллектора давления 13. Об­щая мощность установленных электродвигателей 63— 126 кВт.

Управление прессом ФПАКМ автоматизировано. Пресс ФПАКМ целесообразно располагать в линии по­парно с двумя конвейерами по сторонам. Производи­тельность такой линии 1, 5 т/ч (по сухой массе). При использовании пресса ФПАКМ можно изменять тол­щину слоя массы и снижать ее влажность до 19—2Q%.

Из пяти имеющихся типоразмеров фильтр-прессов наиболее применим фильтр-пресс с поверхностью фильт­рования 25 м2, 16 фильтрующими плитами, электродви­гателем мощностью 35 кВт, массой 14, 28 т. Давление фильтрования 1, 5 МПа, давление отжима диафрагмы 1, 2 МПа. Расход электроэнергии на 1 т сухой массы составляет примерно 70 кВт-ч, фильтровальной ткани— 0, 6—0, 72 ма. Съем массы с 1 м2 фильтровальной ткани за.1 ч 40—70 кг (по сухой массе). Однородность массы выше, чем при обезвоживании на обычных фильтр-прессах.

Для обезвоживания суспензий на заводах широко используют фильтр-прессы народного предприятия «Тю­рингия» (ГДР) типа K/VP 500 (с диаметром рам 500 мм) и K/FPRV 800 (с диаметром рам 800 мм), по­луавтоматический пресс LFAK (ЧССР), фильтр-прессы фирм «Нетчш» и «Дорст» (ФРГ). Фирмой «Боултон» (Англия) разработан фильтр-пресс, рассчитанный на рабочее давление 7 МПа. Его производительность боль­ше, чем применяемых в настоящее время фильтр-прес­сов с рабочим давлением до 2, 4 МПа. В США предло­жена конструкция электрического фильтр-пресса, в ко­тором процесс обезвоживания шликера сокращен с 2— 3 ч до 10—13 мин, а влажность гомогенной фарфоро­вой массы 12—18%. Фильтр-пресс состоит из комплек­та щитов, сдвигаемых стопорным устройством. В стен­ках щитов имеются вертикальные канавки, оканчиваю­щиеся у дна камер водосливными отверстиями. Внутри каждой камеры вдоль противоположных щитов непо--средственно к канавкам примыкают два электрода. К электродам прилегает пористое полотно, образующее внутри камеры мешок для шликера. Электроды окан­чиваются плоскими лепестками для присоединения к клеммам сети постоянного тока. Для электроизоляции щиты покрывают слоем эпоксидной смолы либо уста­навливают между щитами изоляционную^ корзинку. Фильтр-прессное полотно изготовлено из нейлона или стекловолокна. Щиты выполнены из железа, электроды в виде пластин или сетки из алюминия, меди, а также из нержавеющей стали, что наиболее предпочтительно. Керамический шликер нагнетается в камеры фильтр-пресса до тех пор, пока рабочее давление в камерах не достигнет 12, 6—17, 5 МПа, а затем включается ток с таким расчетом, чтобы электрический потенциал состав­лял 0, 62—2, 33 В на 1 см2 коржа в зависимости от раз­мера, числа щитов и электропроводности керамического материала. Процесс продолжается до получения массы требуемой влажности.

Вакуумирование массы. Для повышения однородно­сти пластичной массы ее подвергают переработке на вакуумных массомялках типа Д-275, СМ-241А, имею­щих непрерывный лопастной (шнековый) винт (рис. 23). Производительность вакуум-мялки Д-275 — 2, 5 т/ч, СМ-241А —8 т/ч.

Вакуумирование массы необходимо из-за того, что при тонком помоле каменистых материалов, роспуске глинистых и первичной переработке масса обогащается воздухом. Независимо от способа формования изделий воздух снижает формовочные свойства массы. Воздух, адсорбированный поверхностью глинистых частиц в ви­де полимолекулярных слоев, удерживаемых ван-дер-ваальсовыми силами, замедляет смачивание их водой, препятствует равномерному уплотнению массы, способ­ствует повышению упругих деформаций при пластиче­ском формовании, образуя расслоения, а также микро­трещины, выявляемые при сушке и обжиге изделий. Заполняя поры, воздух также препятствует проникнове­нию в них влаги, разъединяет частицы массы, действуя как отощитель. Для фарфоровых изделий, изготовлен­ных из плохо вакуумированной массы, характерно по­вышенное содержание открытых пор 0, 5—1, 5%, что снижает их просвечиваемость. Объем воздуха в свеже­приготовленной массе составляет 5—15%, после ваку-умирования он снижается до 0, 3—0, 4%. В хорошо ваку­умированной массе частицы ее уложены наиболее плотно: промежутки между крупными частицами запол­нены более тонкими частицами каменистых материалов, а также глинистыми частицами.

Вакуумирование способствует повышению пластич­ности и улучшению на 2—3% формовочных свойств массы при меньшем количестве пластичной глины, что повышает белизну изделий. Формовочная влажность вакуумированной массы меньше, чем невакуумирован-ной (табл. 5).

Эффективность вакуумировании массы определяется ее составом, пластичностью, влажностью, температурой и продолжительностью пребывания в вакуумной ка­мере.

В работе вакуум-мялок наблюдаются многие специ­фические особенности, присущие обычным вакуум-прес­сам. Образование дефектов в заготовках (рис. 24) объ­ясняется тем, что частицы глинистой составляющей имеют пластинчатую форму и при механическом воз­действии на массу шнеком вакуум-мялки облегчают создание ориентированной структуры в заготовке, об­разуют плоскости скольжения с ослабленным сцепле­нием массы в этих местах, придавая ей анизотропию свойств. В результате заготовки, полученные на ленточ­ном вакуум-прессе, имеют тем больше ориентирован­ную структуру, чем выше пластичность массы. Установ­лено, что дефекты в заготовках из фарфоровой массы максимально ориентированы по периферии — вблизи стенок мундштука, уменьшаясь по мере приближения к центру заготовки.

Каждый тип вакуум-пресса создает структуру с характерными квазиизотропными кольцами (рис. 25). При резко выраженной ориентации частиц заготовки могут иметь свилеватую структуру, эллипти­ческую или S-образную, что может привести к растрес­киванию изделий при сушке и обжиге.

Текстурные дефекты в массе, созданные шнеком, в значительной мере мо­гут быть сняты в голов­ке и мундштуке пресса при правильном подборе последних. В ленточных прессах давление на мас­су 0, 33—0, 8 МПа наблю­дается в головке пресса, напряжение бокового дав­ления составляет 0, 12— 0, 3 МПа. Кривая распре­деления величины давле­ния по длине шнека приведена на рис. 26. Наибольшее давление (до 1, 5 МПа) наблюдается на участке установ­ки контрножей.

Шнек пресса выполняет три функции: транспорти­рование, уплотнение и выдавливание массы через голов­ку и мундштук. Длина головки пресса должна быть не менее 66—80% диаметра шнека, а в отдельных случаях она может превышать его в 1, 5 раза. Сечение головки пресса должно быть примерно в 1, 5—2 раза больше сечения мундштука. Для тощих масс, например шамот­ных, мундштуки должны быть длиннее, для пластичных масс они могут быть короткими с коническим профи­лем. У очень коротких мундштуков с отношением L: D< 1, 2 даже при малой конусности на поверхности формовок могут появляться трещины. Цилиндрические формовки из мундштуков с L: D> 1, 2 получаются тем хуже по качеству, чем длиннее мундштук и больше его конусность. Соотношение между сечением мундштука н сечением корпуса пресса, обеспечивающее оптималь­ное уплотнение массы при наименее выраженных тек­стурных дефектах, должно быть 1: 4.

На основную работу пресса — проминку и смешива­ние массы расходуется до 90% мощности, потребляемой прессом, на формирование заготовки 10%. Нормальное нагревание массы в прессе не должно превышать 4— 6° С. Более высокая температура нагрева может вы­звать расслоение заготовки.

Для вакуумирования массы на заводах наиболее широко применяют вакуум-прессы одновальные фирмы «К.ЭМА», двухвальные — типа K/StSV предприятия «Тюрингия» (ГДР) и др.

При увеличении диаметра цилиндра пресса произво­дительность пресса увеличивается пропорционально ра­диусу шнека в кубе при одной и той же частоте враще­ния. Частота Вращения шнека вакуум-прессов регули­руется от 0, 8 до 0, 37 с" 1. Прессы K/StSV 250/1 и K/StSV 350/1 имеют три скорости, что позволяет обра­батывать массы любой влажности и получать заготов­ки необходимых размеров.

Вылеживание массы после пропускания ее через гли­номялку или вакуум-мялку, хотя и является пассивным процессом подготовки массы, все же способствует ча­стичному распределению влаги, более полной гидрата­ции глинистых частиц и протеканию ионного обмена, гидролизу зерен полевого шпата, образованию коллоид-, ных А1(ОН)3, Fe(OH)3, разложению органических ве­ществ и т. д. В процессе вылеживания достигается бо­лее полное развитие гидратных пленок и адсорбирован­ных комплексов вокруг частиц массы и в первую оче­редь глинистых. В массе завершается процесс дисперги­рования глинистых частиц и формирование более одно­родной структуры. Вылеживание массы в темных и теплых помещениях в продолжении 6—10 сут способ­ствует увеличению содержания гумусовых веществ, улучшению формовочных свойств массы, повышению прочности высушенного полуфабриката на 4—6%, уменьшению деформации при обжиге. Наилучший ре­зультат достигается в течение первых суток вылежива­ния, в последующее время эффективность вылеживания менее значительна. В настоящее время процесс выле­живания массы все чаще заменяется двукратной пере­работкой на вакуум-мялках с кратковременным в те­чение 24 ч вылеживанием перед формованием.

Для изделий, изготавливаемых на автоматизирован­ных линиях, используют массы, обеспечивающие полу­фабрикату достаточную устойчивость против размока-ния при глазуровании после сушки и пористость, необ­ходимую для равномерного покрытия глазурью и за­крепления ее на поверхности изделий, а также повы­шенную прочность в подвяленном и высушенном со­стояниях.

Такие массы должны выдерживать обжиг изделий в щелевых печах со скоростью нагрева и охлаждения 800—830° С/ч. Для этого состав массы корректируют, снижая величину модуля упругости черепка изделий, так как чем меньше модуль упругости стеклофазы в черепке, тем с большей скоростью можно вести нагрев и охлаждение изделий.

Число пластичности массы для автоматизированного производства фарфора, должна быть 10—12%, ' фаянса 12—18%, а усадка при сушке соответственно 12—14 и 5-10%.

Изделия из таких масс должны иметь водопоглоще­ние для фарфора 0—0, 5%, для фаянса 9—12%. Предел прочности при изломе образцов, высушенных при 105— 110° С, не ниже 2, 5 МПа, обожженных при 1200° С — не ниже 70 МПа, а термостойкость не ниже 8 тепло­смен.

Транспортируют массу на формование автокарами, тележками, транспортерами, предохраняя ее от засоре-< ния посторонними примесями, пылью и высыхания.

Технический контроль качества массы включает в себя периодическую проверку влажности и пластично­сти массы. Пластичность как косвенный показатель формовочной способности массы определяют методами, основанными на измерении разности между влажностя-ми, соответствующими нижней границе текучести и пре­делу раскатывания глинистого теста, а также методами, характеризующими деформационную способность гли­ны (методы П. А. Земятченского, ВНИИФ, А. И. Авгу-стиника и др.).

Вопросы для самопроверки

Охарактеризуйте керамическую массу и ее основные компоненты.

Влияние составных частей на свойства керамических масс и из­делий.

Совместный и раздельный тонкий помол компонентов массы, их особенности.

Роспуск глинистых материалов, назначение и последователь­ность операций.

Назначение ситовой и магнитной очистки массы.

в. Краткая характеристика способов обезвоживания суспензии ке­рамической массы, характеристика используемого оборудования.

Вакуумирование массы, его назначение и влияние на технологи­ческие свойства массы.

Вылеживание массы, назначение. Контроль качества массы.