2.5.4. Розрахунок складу шихти поливи із заданими властивостями

Керамічні вироби в багатьох випадках покриваються поливами з метою покращення їхніх технічних та експлуатаційних властивостей, підвищення декоративних якостей. Шар поливи, яка нанесена на керамічну основу, підвищує механічну міцність виробів, захищає від проникнення рідин та газів, надає поверхні блиск, захищає декор, що знаходиться під поливою тощо. Реалізація таких цінних якостей поливи можлива тільки тоді, коли полива розроблена для конкретної керамічної основи.

Види полив і вимоги до них залежать від призначення полив’яних виробів. Серед властивостей, що визначають якість полив, слід назвати такі: температура розливу, поверхневий натяг і в’язкість розплаву, її кристалізаційна здатність, ступінь взаємодії з керамічною основою, температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) поливи, її термостійкість, хімічна стійкість, модуль пружності, межа міцності на розрив, білизна, блиск і та. ін. Деякі властивості полив можна розрахувати за правилом адитивності з достатньою точністю за умови, якщо полива є скловидною. До таких властивостей належать: ТКЛР, поверхневий натяг і в’язкість розплаву, щільність, модуль пружності, межа міцності на розрив та на стиск, показник заломлення, середня дисперсія, діелектрична проникність.

На практиці поливу розробляють для конкретної керамічної основи, з урахуванням властивостей останньої та умов виготовлення виробів. Таким чином, постає задача проектування складу поливи за наперед заданими властивостями.

При розрахунках складу полив виходять з адитивного характеру залежності властивостей поливи від її складу. При розрахунку хімічного складу полив із заданим комплексом властивостей як компоненти використовують модельні фрити, для яких відомі показники необхідних властивостей.

В цьому випадку розрахунок складу поливи полягає у розв’язуванні системи лінійних рівнянь, кожне з яких описує окрему властивість. Коефіцієнтами при незалежних змінних є парціальні показники властивостей компонентів (фрит), які входять до складу поливи. В правій частині рівняння знаходиться заданий показник властивості поливи. Нижче наведено загальний вигляд системи рівнянь для поливи, яка містить 5 компонентів (фрит):

А₁Х₁ + А₂Х₂ + А₃Х₃ + А₄Х₄ + А₅Х₅ = А

В₁Х₁ + В₂Х₂ + В₃Х₃ + В₄Х₄ + В₅Х₅ = В

С₁Х₁ + С₂Х₂ + С₃Х₃ + С₄Х₄ + С₅Х₅ = С (2.25)

D₁Х₁ + D₂Х₂ + D₃Х₃ + D₄Х₄ + D₅Х₅ = D

Х₁ + Х₂ + Х₃ + Х₄ + Х₅ = 1,

де А, В, С, D – задані властивості поливи; Х_i – кількість вибраної фрити, долі одиниці; А_і, В_і, С_і, D_і – значення парціальних факторів властивостей фрит.

Склад фрит, з використанням яких здійснюється розрахунок складу шихти поливи із заданими властивостями, а також їх парціальні фактори основних властивостей наведені в таблиці 2.16.

Таблиця 2.16 – Склад та властивості фрит для розрахунку складу полив із заданими властивостями

Номер фрити	Склад, мас. %	Температура розливу, ºС	ТКЛР 10^-^6, град^-1	Поверхневий натяг , Н/м	Модуль пружності Е, МПа	Межа міцності на розрив р, МПа
1	2	3	4	5	6	7
1	BaO – 4,5 Al2O3 – 10,2 CaO – 5,5 SiO2 – 56,1 SrO – 23,7	1200	6,3	0,363	852,7	72,6
2	CaO – 23,0 SiO2 – 50,0 ZrO2 – 27,0	1260	4,9	0,361	781,0	131,5
3	SrO – 25,0 ZnO – 8,1 Al2O3 – 9,6 SiO2 – 57,3	1240	5,62	0,357	681,9	71,0
4	K2O – 15,5 MgO – 16,7 SiO2 - – 77,8	987	7,29	0,310	348,0	72,4
5	Na2O – 12,2 B2O3 – 55,3 SiO2 – 32,5	675	6,28	0,185	150,0	79,5
6	Na2O – 5,0 B2O3 – 60,0 SiO2 – 35,0	670	2,8	0,126	450,0	71,5
7	K2O – 1,41 Li2O – 2,1 CaO – 0,66 SrO – 2,85 Na2O – 15,14 Al2O3 – 5,89 BaO – 0,54 SiO2 – 71,42	920	10,3	0,310	801,0	72,5
8	MgO – 5,3 Al2O3 – 17,0 ZnO – 28,5 SiO2 – 49,2	1340	3,51	0,378	905,6	96,0
Продовження таблиці 2.16
1	2	3	4	5	6	7
8	BaO – 29,0 B2O3 – 36,8 CaO – 4,2 SrO – 6,3 SiO2 – 23,7	850	5,47	0,218	682,1	69,4
10	Na2O – 26,0 Al2O3 – 12,7 SiO2 – 61,3	800	12,82	0,314	775,0	66,8
11	MgO – 9,4 CaO – 10,2 Al2O3 – 18,5 SiO2 – 61,9	1280	4,38	0,380	773,4	86,3
12	P2O5 – 71,7 SiO2 – 28,3	980	13,5	0,285	700,0	110,4
13	Na2O – 27,0 B2O3 – 40,0 SiO2 – 33,0	600	12,0	0,184	520,0	61,1
14	Al2O3 – 80,0 SiO2 – 20,0	1950	0,97	0,494	1180,0	58,0
15	CaO – 11,9 SrO – 23,9 B2O3 – 31,8 SiO2 – 32,4	800	5,52	0,284	163,0	68,8
16	NaO – 13,8 Al2O3 – 23,8 SiO2 – 62,4	1200	8,6	0,336	931,8	70,8
17	Na2O – 33,0 TiO2 – 14,0 SiO2 - 53,0	820	15,3	0,457	700,0	64,8
18	K2O – 30,7 Al2O3 – 3,4 SiO2 – 66,4	700	13,1	–	597,6	66,4
19	CaO – 5,2 Na2O -21,3 SiO2 – 73,5	725	10,9	0,322	700,0	80,9
20	K2O – 23,0 Na2O – 7,0 SiO2 – 70,0	540	12,6	0,371	609,0	66,7
21	Na2O – 5,76 B2O3 – 26,24 SiO2 – 68,0	700	4,69	0,355	581,9	89,8
22	Na2O – 5,0 B2O3 – 60,0 SiO2 – 35,0	670	2,82	0,126	430,0	76,5

Для визначення хімічного складу поливи слід скористатися такою формулою:

, (2.26)

де Х_і – вміст і-го оксиду у складі поливи, мас. %; а_n – вміст n-ї модельної фрити у складі суміші, отриманої в результаті розв’язання системи рівнянь; х_n – вміст оксиду у складі n-ї модельної фрити, мас. %.

ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ

Розрахувати склад поливи з такими властивостями: температура розливу 890 °С, ТКЛР = 6,010^-6 град^-1, модуль пружності Е = 500 МПа, поверхневий натяг  = 0,260 Н/м.

З таблиці 2.16 обираємо фрити таким чином, щоб показники їх властивостей обмежували задані показники властивостей поливи з обох боків. При цьому слід враховувати також міркування щодо бажаної наявності або відсутності окремих оксидів.

Розглянемо найскладніший приклад, коли для прогнозування складу поливи із заданими властивостями використовують п’ять фрит. Наприклад, це можуть бути № 3, 5, 6, 7, 8. Їх номери при складанні системи рівнянь подаємо як індекси при Х. Тоді система рівнянь матиме вигляд:

1240  Х₃ + 675  Х₅ + 670  Х₆ + 920Х₇ + 850  Х₈ = 890;

5,62  Х₃ + 6,28  Х₅ + 2,8  Х₆ + 10,3Х₇ + 5,47  Х₈ = 7,0;

0,357  Х₃ + 0,185  Х₅ + 0,126  Х₆ + 0,310  Х₇ + 0,210  Х₈ = 0,260;

681,9  Х₃ + 150,0  Х₅ + 450,0  Х₆ + 801,0  Х₇ + 682,1  Х₈ = 500;

Х₃ + Х₅ + Х₆ + Х₇ + Х₈ = 1.

Після розв’язання системи лінійних рівнянь отримуємо, що для одержання поливи із наведеними вище властивостями необхідна суміш фрит, яка містить, мас. %:

фрити № 3 – 24,89;

фрити № 5 – 37,97;

фрити № 6 – 5,64;

фрити № 7 – 27,60;

фрити № 8 – 4,5.

Хімічний склад поливи розраховуємо за формулою (2.26):

X(Na₂O)= 12,2 · 0,3797 + 5,0 · 0,0564 + 15,14 · 0,276 = 9,09;

X(K₂O) = 1,41 · 0,276 = 0,39;

X(Li₂O) = 2,1 · 0,276 = 0,58;

X(CaO) = 0,66 · 0,276 + 4,2 · 0,045 = 0,37;

X(BaO) = 0,54 · 0,276 + 29,0 · 0,045 = 1,45;

X(B₂O₃) = 55,3 · 0,3797 + 60,0 · 0,0564 + 36,8 · 0,045 = 26,03;

Х (SrO) = 25 · 0,2429 + 2,85 · 0,276 + 6,3 · 0,045 = 7,14;

X(ZnO) = 8,1  0,2429 = 1,97;

X(Al₂O₃) = 9,6  0,2429 + 5,89 · 0,276 = 3,96;

X(SiO₂) = 57,3  0,2429 + 32,5 · 0,3797 + 35,0 · 0,0564 + 71,42 · 0,276 + 23,7 · 0,045 = 49,02.

Для перевірки правильності розрахунків слід визначити сумарний вміст оксидів у розрахованому складі поливи, який має становити 100 %. Таким чином, склад поливи з властивостями, що зазначені у завданні, має бути таким, мас. %: Na₂O – 9,09; K₂O – 0,39; Li₂O – 0,58; CaO – 0,37; BaO – 1,45; B₂O₃ –26,03; SrO – 7,14; ZnO – 1,97; Al₂O₃ – 3,96; SiO₂ – 49,02.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ПРАКТИКИ

1. Визначити хімічний склад поливи із заданими показниками температури розливу, поверхневого натягу і ТКЛР (вихідні дані див. табл. 2.17).

Таблиця 2.17 – Задані властивості поливи

Варіант	Температура розливу, ^оС	Поверхневий натяг, Н/м	ТКЛР α  10^-6, град^-1
1	1100	0,350	5,3
2	1150	0,330	5,5
3	950	0,300	5,8
4	1000	0,310	5,4
5	1050	0,290	5,7
6	900	0,270	5,0
7	850	0,280	4,8
8	800	0,340	5,1
9	1050	0,260	5,2
10	1000	0,300	4,7

2. Визначити хімічний склад поливи із заданими температурою розливу, ТКЛР, модулем пружності та межею міцності на розрив ( вихідні дані див. табл. 2.18).

Таблиця 2.18 – Задані властивості поливи

Варіант	Температура розливу, ^оС	Модуль пружності Е, МПа	ТКЛР α  10^-6, град^-1	Межа міцності на розрив, МПа
1	1120	340	5,4	64,0
2	1150	350	5,6	72,0
3	970	310	5,5	75,0
4	1030	300	5,7	59,0
5	1050	280	5,4	63,0
6	960	290	5,2	67,0
7	890	270	4,9	68,0
8	870	330	5,3	71,0
9	1060	290	5,1	61,0
10	1090	310	4,8	65,0

ЛІТЕРАТУРА ДО РОЗДІЛУ 2

1. Гузман И.Я., Балкевич В.В. Белякова А.В. и др. Химическая технология керамики. Учебное пособие.– М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003.– 496 с.

2. Крупа А.А., Городов В.С. Химическая технология керамических материалов. Учебное пособие.– К.: Вища школа, 1990.– 399 с.

3. Химическая технология керамики и огнеупоров /Под ред. Будникова П.П. М.: Стройиздат, 1972. – 551с.

4. Кащеев И.Д., Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Химическая технология огнеупоров. – М.: Интермет инжиниринг, 2007.– 752 с.

5. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. Учебное пособие. М.: Металлургия, 1996.– 608с.; изд. 1,1985. – 480с.

6. Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. М.: Металлургия, 1988. – 528с.

7. Огнеупоры для промышленных агрегатов и топок. Справочник. Т.1. Производство огнеупоров /Под ред. Кащеева И.Д.– М.: Интермет Инжиниринг.- 2000. – 664с.

9. Пащенко О.О., Сербін В.П., Старчевська О.О. Вяжучі матеріали. – К.: Вища школа, 1995. – 415 с.

10. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. – М.: Высшая школа, 1980. – 472 с.

11. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Портландцементный клинкер. – М.: Стройиздат, 1967. – 303 с.

12. Бутт Ю.М., Тимашев В.П. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. – М.: Высшая школа, 1973. – 503 с.

13. Пащенко А.А. Общая технология силикатов. – К.: Вища школа, 1983. – 407 с.

14. Дударев И.Г., Матвеев Г.М., Суханова В.Б. Общая технология силикатов. – М.: Стройиздат, 1987. – 560 с.

15. 3ахарченко П.В., Долгий Е.М., Галаган Ю.О. та інші. Сучасні композиційні будівельно-оздоблювальні матеріали. – К.: КНУБА, 2005. – 512 с.

16. Технология эмали и защитных покрытий: Учеб. пособие / Под ред. Л.Л. Брагиной, А.П. Зубехина. – Харьков: НТУ «ХПИ»; Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. – 484 с.

17. Эмалирование металлов / Под. ред. В.В. Варгина. – Л.: Машиностроение, 1972. – 496 с.

18. Ящишин Й. М. Технологія скла. Частина 1. Фізика і хімія скла: – Львів: Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2000. – 187 с.

19. Брагина Л.Л., Зубехин А.П., Белый Я.И. и др. Технология эмали и защитных покрытий. Учебное пособие. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. – 484 с.

20. Лисачук Г.В., Рищенко М.І., Белостоцкая Л.А. и др. Стеклокристаллические покрытия по керамике. Монография. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2008. – 480 с.

21. Левицкий И.А. Легкоплавкие глазури для облицовочной и бытовой керамики. Монография.–Минск: БГТУ, 1999.– 396 с.

22. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Е.А., Верещака В.В., Гузий В.А. Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 1999.– 274 с.

108