2. Технологічна схема

Спосіб пресування виробів з кераміч­них прес-порошків вологістю 7...12 % на­зивають напівсухим. Цим способом ви­готовляють стінову і лицьову цеглу, а та­кож керамічні плитки.

Сирець, спресований за напівсухим спо­собом, має точні геометричні розміри і ве­лику механічну міцність, незначну усад­ку при сушінні й випалюванні. Завдяки точним геометричним розмірам цеглу на­півсухого пресування можна використо­вувати в будівництві як стіновий, так і лицьовий виріб, а висока механічна міц­ність сирцю дає змогу легко автоматизу­вати його міжопераційне транспортуван­ня і садку. Крім того, незначна вологість прес-порошку уможливлює сполучення процесів сушіння і випалювання виробів у одному пічному агрегаті, що зменшує витрату палива і скорочує термін вироб­ництва. Напівсухий спосіб виробництва цегли сприяє розширенню сировинної бази, оскільки можна застосовувати ма-лопластичні глини — глинисті сланці й сухарні глини.

Останнім часом розроблений і впрова­джений на багатьох заводах шлікерний спосіб підготовки прес-порошку, який дає змогу використовувати глиняну сирови­ну, що раніше вважалася непридатною для виробництва.

При виробництві цегли способом напівсухого пресування (рис. 3.) глина з кар'єру (глиносховища) надхо­дить у ящиковий подавач 2, а потім у ка-меневиділювальні вальці 3, де звільняється від каменів розміром понад 35 мм і дробиться. Передроблена глина похилим конвеєром 4 подається для сушіння в су­шильний барабан 5, де сушиться глина, що має кар'єрну вологість (кар'єрна во­логість глиняної сировини залежно від пори року і родовища коливається від 15... 16 до 24...25 %). Щоб отримати прес-порошок із потрібним гранулометричним складом, підсушену глину обробляють у дезінтеграторі 10. У разі природного су­шіння сировини її конвеєром 6 спрямо­вують безпосередньо в дезінтегратор, ми­наючи сушильний барабан.

На деяких цегельних заводах до складу прес-порошку додають спіснені матеріа­ли у вигляді низькосортного палива (вугіл­ля), шлаку, золи тощо. Для помелу цих добавок застосовують додаткове устатку­вання.

Мелена глина зі спісненими добавка­ми надходить у шнековий або бігунковий змішувач 15 для рівномірного зволожен­ня маси. Підготовлений прес-порошок спрямовується в прес 16. Відпресована цегла-сирець укладається на випалюваль­ну вагонетку 17 і направляється або без­посередньо на випалювання, минаючи су­шіння, або спочатку в сушарку 18, а потім у тунельну піч 21, куди вагонетка пе­редається за допомогою передавального візка 19 і штовхача 20. Випалену цеглу знімають із вагонетки і транспортують на склад 22 готової продукції.

На деяких цегельних заводах поєднують процеси сушіння і помелу глиняної сирови­ни в шахтних млинах. При цьому не по­трібні сушильний барабан і дезінтегратор.

Рис. 3. Технологічна схема виробництва цегли способом напівсухого пресування:

1 - вагонетка (транспорт); 2 - ящиковий подавач; 3 - каменевиділювальні вальці; 4,9 — похилі конвеєри; 5 - сушильний барабан; 6 - конвеєр; 7 - пластинчастий живильник; 8 - глинозапасник; 10 - дезінтегра­тор; 11 - елеватор; 12 - сито; ІЗ - бункер; 14 - живильник; 15 - змішувач-зволожувач; 16 - прес; 17 - випалювальна вагонетка; 18 - сушарка; 19 - передавальний візок; 20 - штовхач; 21 - тунельна піч; 22 - склад готової продукції

3. Основи теорії пресування виробів напівсухим способом

Ія керамічних прес-порошків вологістю 7...12 % способом напівсухого пресування виготовляють стінову і лицьову цеглу та керамічні камені, а також плитки різного призначення. Прес-порошки є трифазною сипкою масою, що складається з твердої (глини, каоліну, кварцу, польового шпату та ін.), рідкої (води і технологічних зв'язок) і газоподібної (повітря, пари води тощо) складових. Для виробництва деяких кера­мічних виробів як зв'язку використовують неводні рідини, які називають «пластифі­катором», або «технологічною зв'язкою».

За мінералогічною основою і грануло­метричним складом прес-порошки поді­ляють па такі групи: 1) глинисті породи; 2) грубозернисті непластичні матеріали і матеріали глиняної зв'язки; 3) грубозер­нисті з непластичних матеріалів; 4) тонко-керамічні глинисті; 5) безглинисті тонко­подрібнені маси з органічними зв'язками-пластифікаторами. Для виробництва кера­мічних будівельних виробів застосовують прес-порошки, які належать до груп 1, 2 і 4.

На ступінь ущільнення виробів вплива­ють як вихідні характеристики прес-порошку (гранулометричний склад, пластичність глинистої сировини, сипкість тощо), такі технологічні параметри процесу пресуванняя (тиск і способи його застосування, три-валість і швидкість пресування).

Вільно засипаний у прес-форму поро­шок має пухку нестійку структуру, яка під час пресування зазнає змін. При пре­суванні прес-порошок стискується, внас­лідок чого змінюється його структура і виникають складні процеси механічного і молекулярного характеру.

На початковій стадії стиснення поро­шок під дією пресувального штампа за­знає простого ущільнення — переходу від сипкого стану до консолідованого, з більш щільним розподілом мінеральних части­нок. Повітря інтенсивно виходить в атмо­сферу крізь проміжки між частинками, і обсяг засипаного прес-порошку різко зменшується. На цій стадії практично не відбувається перерозподілу води (зв'язу­вання), що міститься в прес-порошку, про­те за рахунок консолідації мінеральних частинок і зменшення відстані між ними макроструктура прес-порошку змінюєть­ся. Різко збільшується щільність і з'яв­ляється плівкова вода на мінеральних частинках, яка є зв'язкою у результаті сил поверхневого натягу. Ця плівка має від­носно малу товщину — І0^-5...10^-4 мм.

Основна маса води, що зумовлює во­логість п|рес-порошку, концентрується біля пустот-пор. Ступінь однорідності розпо­ділу води в порах, так само як і ступінь ущільнення виробу, залежить від ступеня однорідності порошку. При подальшому збільшенні тиску розмір пор зменшуєть­ся й одночасно з механічним процесом де­формації окремих частинок утворюється порова структура матеріалу. Деформація частинок може бути пружною, пластичною і крихкою. На наступній стадії стиснення пористість зменшується до розмірів капі­лярності. Відомо, що найбільш ущільне­ними шарами виробу є ті, які безпосеред­ньо примикають до штампів. Саме в цих шарах діаметр капілярності різко змен­шується, водночас у центральних шарах виробу діаметр капілярності зменшуєть­ся набагато повільніше. Оскільки тиск у тонких капілярах нижчий, ніж у ширших їхніх каналах, то порова вода починає про­никати в периферійні шари виробу.

Цьому процесу, крім того, сприяють си­ли поверхневого натягу. При значному зменшенні діаметра капілярів (збільшенні ступеня капілярності) сили поверхнево­го натягу збільшуються. На останній ста­дії стиснення вода рухається від центра виробу до периферійних частин (за гідро­динамічним законом переміщення із облас­ті підвищеного в область зниженого тис­ку). Після зняття стиснення відбуваєть­ся капілярний рух води до периферії під дією сил поверхневого натягу.

Кількісні характеристики міграції води при пресуванні залежать від властивостей вихідного прес-порошку. Так, під час пре­сування високопластичних глин із вели­ким ступенем вологості й малою здатністю до пружних деформацій ступінь капілярності порівняно невеликий і при збільшенні тиску пресування прес-порошок швидко досягає критичного ущільнення і пластичні деформації в ній закупорюють капіляри, що утворюються. Закупорена в порах, як у капсулах, нестислива вода пе­решкоджає зближенню частинок під час пресування, збільшує частку пружної деформації маси і сприяє утворенню перепресувальних тріщин і розшаруванню. Ди­фузія води в процесі перерозподілу воло­гості має невелике значення.

Однією з головних причин появи перепресувальний тріщин і розшарування — основного браку виробів напівсухого пре­сування — є запресовування повітря. Вміст повітря в прес-порошку безпосередньо за­лежить від його пористості й за невелико­го тиску спостерігається значне осідання прес-порошку. Повітря активно виходить насамперед із периферійних шарів виро­бу, адже саме там повітропровідні канали дуже швидко зменшуються в перерізі. При збільшенні тиску пресування швидкість виходу повітря із прес-порошку знижуєть­ся, що пов'язано з подальшим зменшен­ням перерізу пор, а також із частковим їхнім заповненням водою, що витискуєть­ся з центральних частин. За великого пресувального тиску (понад 15...20 МПа) пори в периферійних шарах прес-порош­ку стають настільки малими за об'ємом, що майже цілком заповнюються плівко­вою водою, яка є склеювальною зв'язкою. Утворений пластичний прошарок (частин­ки по вузьких зонах контактів обволіка­ються плівкою води) не пропускає повітря з центральної частини прес-порошку, що пресується, а подальше підвищення тиску пресування приводить до стиснення за­пресованого повітря.

При знятті тиску пресування пластич­ний прошарок, зумовлений деякою плин­ністю самого матеріалу порошку, не зни­кає, оскільки плівкова вода добре зчіп­люється з частинками, а отже, повітропро­відні канали не звільняються. Після знят­тя тиску запресоване повітря починає розпирати сирець зсередини.

Ущільнення прес-порошку характери­зується коефіцієнтом стиснення k_ст (осі­данням), як бачимо па схемі двобічного пресування (рис. 4 )

Рис. 4. Схема двобічного пресування:а — перед пресуванням; б — момент стиснення прес-порошку з обох боків; 1 - прес-форма; 2 - верхній штемпель; 3 — нижній штемпель; Н₃ — висота заси­пання; h₀ — осідання прес-порошку; h — товщина виробу

k_cт=Н₃/h,

де Н₃ — висота засипання прес-порош­ку у форму, мм; h — товщина сирцю, мм. Якщо коефіцієнт стиснення прес-по­рошку досить великий (k_ст > 2), то частка об'єму, яку займає газоподібна фаза k_г, стає дуже малою. Отже, коефіцієнт k₃ зменшення об'єму повітряних пор та­кож малий, а тиск р_з.п запресованого по­вітря дуже великий. При більшому кое­фіцієнті k_ст стиснення з певною точністю можна вважати, що матеріал прес-порош­ку поводиться як пружне середовище.

Пружне розширення, мм, сирцю після зняття зусилля пресування

Δl = Δрh/(2k),

де Δр — збільшення тиску пресування, МІІа; h — товщина сирцю, мм; k – мо­дуль зсуву, МПа.

Зважаючи на це, можна оцінити тиск запресованого повітря, що зумовлює ефект розшарування сирцю.

Справді, щоб виникло розшарування, потрібно, аби у сирці з'явилися розриви суцільності, розмір яких не перевищує 1 мм, нерівності частинок чи порошку діамет­ра d дрібних частинок

Δl≈d.

Тоді gороговий тиск, МПа, запресова­ного сирцю

р_п.з=2dk/h.

Беручи розміри нерівності частинок прес-порошку, тобто діаметр дрібних час­тинок, d= 0,1...0,3 мм, товщину сирцю h = 66мм, модуль зсуву k= 1000...5000 МПа, дістанемо граничне значення тиску, МПа, запресованого в сирець повітря, що при­зводить до розшарування сирцю при одно-двоступінчастому пресуванні залежно від гранулометричного складу, вологості й модуля зсуву вихідного прес-порошку:

р_п.з≈3…45,5.

Оцінювання цієї формули засвідчує, що при одно-двоступінчастому режимі з тис­ком пресування 20...З0 МПа і вище тиск запресованого повітря перевищує гранич­не значення, що призводить до тріщин і розшарування сирцю.

Відомо, що пружне розширення сирцю після зняття пресувального тиску складає­ться переважно з пружних реакцій міне­ральних частинок, повітряної фази і води. Оскільки вода має дуже незначний мо­дуль стиснення, то при знятті тиску пресу­вання вона дає дуже незначний ефект роз­ширення — не більше ніж десяті частки мікрометра, що загалом не порівнянне з діаметром дрібних частинок. Отже, пруж­ним розширенням води можна знехтува­ти при оцінюванні причин виникнення розшарування і тріщин сирцю. Головною причиною цього браку є наявність запре­сованого повітря і пружного розширення мінеральних частинок прес-порошку, а також вплив стискальних зусиль стінок прес-форми при поверненні їх після пре­сування у початковий стан.

Для усунення тріщин і розшарування сирцю застосовують багатоступінчасте і (більш як два ступеня) пресування. Залежно від характеристики вихідної глинистої сировини має бути чотири-п'ять ступенів пресування з плавним нарощу­ванням тиску від ступеня до ступеня. На першому ступені рекомендується тиск пресування, що становить 10... 15 % кінце­вого. При пятиступінчастому пресуванні відсоткове співвідношення тисків буде та­ким: перший ступінь 10...15 %; другий — 30...35 %; третій - 40...50%; четвертий -70...80%; п'ятий - 100 %.

Вибір кінцевого тиску пресування за­лежить від фізико-механічиих характеристик порошку.

Щільність сирцю, кг/м³, залежить від коефіцієнта стиснення і щільності вільно насипаного у форму порошку

ρ_с=ρ_нk_ст,

де ρ_н — щільність порошку в насипаному стані, кг/м³.

Вплив тиску пресування на щільність сирцю можна орієнтовно визначити з ем­піричного рівняння

k_ст=ар^п,

де а,п — коефіцієнти, що залежать від влас­тивості маси, а = 1,2...2,6, п = 0,07...0,01; р — тиск пресування, МПа.

Тиск пресування, що залежить від абсо­лютної вологості прес-порошку,

р = F/S,

де F — зусилля пресування, Н; S — пло­ща поперечного перерізу сирцю в наси­паному стані, м².

У разі зниження вологості прес-порош­ку потрібно різко збільшити тиск пресу­вання. Характерною ознакою кривих стиснення є зміна кута між кінцевою гіл­кою діаграми і віссю ординати залежно від зміни вологості порошку (рис. 5).

0 0,02 0,04 0,06 h_o, м

Рис. 5. Залежність осідання h_о прес-порош­ку від тиску р пресування

Під час пресування більша частина тис­ку пресування витрачається на ущільнен­ня порошку, а інша — на подолання сил тертя частинок порошку об стінки фор­ми. Зусилля, Н, потрібне для подолання сили тертя об стінки форми, площею S_б:

F_б=fp_бS_б,

де f — коефіцієнт тертя частинок об метал форми, що залежить від вологості й фізико-механічних властивостей порошку, f= 0,5...0,155 при відповідній вологості 7...12,5 % (заданими М. Я. Саножникова); р_б — бічний тиск порошку на стінки форми, МПа.

Тиск, МПа, порошку, що передається на стінки форми:

р_б =рk_р, (1)

де k_р — коефіцієнт бічного тиску, що характеризує рухомість порошку, k_р= =0,50...0,7 при вологості 7...14 %.

Рис. 6. Розподіл ущільнених зон по перерізу виробу:

1, 5 — верхній і нижній штемпелі; 2, 8 — прес-форми; 3, 7 - бічні ущільнені зони; 4, 9 — периферійні ущільнені зони; 6 - найменш ущільнені середні шари

Спресований сирець по товщині має не­однакову щільність, що спричинено згасан­ням тиску від периферійних шарів сир­цю до центральних шарів (рис. 6). На нерівну щільність сирцю по товщині впли­ває також коефіцієнт бічного тиску k_р. Із формули (1) маємо

k_р=р_б/р.

Коефіцієнт бічного тиску можна виз­начити за рівнянням

k_p=k₀W+c,

де k₀ = 0,021, с = 0,26 — коефіцієнти рівняння, що характеризують грануломет­ричний склад порошку і спосіб стиску; W — абсолютна вологість порошку, %.

Сумарне бічне зусилля, H, порошку на стінки прямокутної форми

F_б = p_бh2 (l + b), (2)

де l і b — довжина і ширина прямокут­ної форми, м.

Втрата зусилля, H, пресування, що вит­рачається на подолання сил тертя части­нок порошку об стінки форми:

F_с=fp_б = 2pk_ph(l + b)f. (3)

Тиск, який передається па стінки фор­ми, становить 40...80 % від тиску пресу­вання.

На ущільнення сирцю впливає швид­кість пресування. Під швидкістю пресування розуміють швидкість взаємного зближення штампів. Уповільнене пресу­вання сприяє виходу повітря із сирцю, релаксації напружень, що виникають у сирці, і підвищує його щільність. Із до­слідницьких даних відомо, що при швид­кості стиснення понад 9 мм/с і тиску пресування порядку 10...11 МПа зни­жується якість сирцю і з'являються трі­щини.

Осідання прес-порошку, м,

h_ос=(4)

де λ — коефіцієнт, що відображає вплив гранулометричного складу, при W< 11,5% λ= 1,1...1,13; φ — коефіцієнт, що зале­жить від пластичності глиняної сирови­ни, при W< 10,5 % для глин середньої і малої пластичності φ ≈ 1,0, для глин висо­кої пластичності φ ≈ 1,04.

Висота засипання, м,

Зусилля виштовхування сирцю із фор­ми залежить від багатьох факторів: во­логості й гранулометричного складу по­рошку; значення і способу прикладення тиску пресування; жорсткості стінок фор­ми. Напружений стан прес-порошку

σ_х=σ_у=k_рσ_z.

де σ_х,σ_у,σ_z - напруження в порошку у напрямі координатних осей прес-форми Ох, Оу і Оz, МПа.

Зусилля виштовхування, МПа,

F_в=k_pσ_zfS_б/S,

де S_б — площа бічної поверхні сирцю, м³.

Тиск виштовхування для глиняних прес-порошків становить 3...8 % тиску пресу­вання при вологості 8...12 %.