Физико-химические основы производства керамического кирпича

     При внешних воздействиях на кристалл, превосходящих предел прочности  на сдвиг и сжатие, кристалл раскалывается  на две и более частей. Наименьшие усилия для разрушения необходимы по плоскостям спайности, а при больших усилиях возможны раскалывания и по другим плоскостям кристаллической решетки, особенно если эти плоскости имеют различного рода дефекты, возникающие при росте кристалла.

     Явление когезии, т.е. замыкания поверхностных свободных связей части друг с другом с образованием регенерировавших в какой-то степени участков кристаллической решетки, наблюдается и после измельчения твердого тела, в готовом порошке. Это явление приводит к агрегации, т.е. к образованию конгломератов, состоящих из нескольких мелких зерен, связанных силами когезии в «комочки».

     При измельчении наблюдается последовательное уменьшение размеров частиц до какого-либо минимального при данных условиях и длительности процесса размера. С уменьшением размера частиц резко возрастает суммарная удельная поверхность всех частиц. Чем длительнее измельчается материал, тем выше его дисперсность, тем меньшей становится полезно затраченная энергия и, наоборот, увеличиваются затраты на образование дислокаций, аморфизацию поверхности частиц, на преодоление сил трения между частицами, на разрушение агрегатов частиц.

     В реальных условиях процесс измельчения  осуществляется в воздушной среде (сухой помол), в жидкой среде (мокрый помол) и окружающая среда оказывает  немаловажное влияние на механизм и скорость процесса измельчения, а также на свойства измельченного продукта.

     Исключительную  роль в процессе измельчения играют два поверхностных явления –  адсорбции и адгезии.

     Под адсорбцией понимают явление самопроизвольного  поглощения поверхностью жидкости или твердого  тела за счет свободной поверхностной энергии молекул газов из окружающей атмосферы или молекул растворенных в жидкой среде соединений. Адсорбция протекает самопроизвольно под действием некомпенсированных связей узлов кристаллической решетки твердого тела, возникающих при образовании новых поверхностей (при разрушении тела).

     Явление адгезии по своей природе сходно с явлением адсорбции. Однако если адсорбция  представляет собой поглощение поверхностью твердого тела газов или растворенных веществ из молекулярно – дисперсного состояния, то адгезия есть сцепление с поверхностью твердого тела веществ, находящихся в конденсированном состоянии. Причина адгезии и адсорбции одна и та же – наличие некомпенсированной (свободной) поверхностной энергии у твердого тела.

     Процесс разрушения кристаллической решетки  не совершается мгновенно, а протекает  ступенчато. Под действием измельчителя в твердом теле сначала возникают поверхностные микротрещины. Которые затем постепенно разрастаются вглубь. Если эти трещины очень малы, то наличие сил сцепления между узлами кристаллической решетки, удалившихся друг от друга на значительное расстояние, приводит к обратному смыканию трещины (явлению когезии). В случае же адсорбции в эти микротрещины молекул газов, жидкости и частичной компенсации свободной энергии узлов кристаллической решетки, разорвавших свои связи, вероятность залечивания микротрещины значительно снижается. Разрастаясь от последующих воздействий измельчителя и не «залечиваясь» от продолжающейся адсорбции  в нее молекул адсорбирующегося компонента, трещина постепенно перекрывается с другими трещинами, что ведет тело к рассыпанию на более мелкие части и т.д. Таким образом, время на разрушение материала в воздушной, а тем более в жидкой среде, сокращается, снижаются и затраты на помол. /4/

       Сущность измельчения и тонкого помола заключается в разрыве поверхностного слоя твердого материала, т.е. в преодолении сил поверхностного натяжения и разрыве частиц материала в результате преодоления сил взаимного притяжения молекул.

       В процессе измельчения и тонкого  помола достигается не только  механическое дробление, но и  обогащение природного сырья.  В результате чего получают  формовочную массу, удовлетворяющую  требованиям по механическим  свойствам.

     При тонком помоле водопрочные оболочки, цементирующие элементарные частицы глины и сами частицы разрушаются. Вместе с этим увеличивается эффективная поверхность глинистых материалов, это сопровождается увеличением свободной энергии (молекулярных связей). При этом может происходить как обратная деформация кристаллической решетки глинистой частицы, так и не обратимая деформация. В результате этого увеличивается количество частиц материала с дефектами кристаллической структуры и с разорванными поверхностными связями, проявляющимися в нарушении чередования слоев и сеток в пределах одного слоя.                                                             

               Образование дефектов кристаллической решетки

     Рис.8.Необратимые дефекты

       Увеличение количества частиц в единице объема рабочей массы, а следовательно и числа контактов между ними способствует большому проявлению Ван-дер-ваальсовых сил. При разрушении водопрочных оболочек создаются условия для более полной гидратации глинистых частичек, повышается сцепление между ними, улучшаются сушильные свойства глин. /4/

     . 
 
 

 

3.Физико-химические основы процесса формования

    Сущность  формования

 

    Назначение  формования - придать форму, размер, плотность и необходимую прочность  полуфабрикату.

    Пластическое  формование кирпича выполняется  машинным способом. Формование изделий методом продавливания массы через мундштук основано на явлении пластической деформации керамической массы под воздействием внешних сил.

    Под влиянием давления в пластичных керамических массах происходят процессы разрушения и восстановления образовавшихся в них структур. Оба процесса приводят систему к подвижному равновесию, которое характеризуется эффективной вязкостью массы, являющейся величиной, определяющей формование изделия. Непременным условием пластического формования изделий является использование достаточно вязких масс, у которых сумма сил внутреннего сцепления (когезия) больше сил сцепления с рабочей поверхностью формующего оборудования (адгезия), а коэффициент внутреннего трения больше коэффициента внешнего трения.

    При использовании высоковязких масс требуются  большие затраты энергии на формовании и усиление конструктивных узлов  пресса. Особенностью пластического формования кирпича на ленточных шнековых прессах, кроме нарушения сплошности в осевом направлении, является пульсирующая подача массы к головке пресса.   
 
 
 
 

                            

                                  

    Схема образования дефектов структуры при  формовании

    

    а) первоначальное строение массы;

    б) упорядочение пластинчатых частиц;

    в) образование плоскостей скольжения

    Рис.9.

    Структура массы, на которую не было приложено давление, характеризуется беспорядочным расположением компонентов (агрегатов твердых частиц, пузырьки воздуха, вода). Удлиненные частицы глины образуют друг с другом каркас. Такая же структура наблюдается вокруг зерен кварца. Структура массы изменяется под действием усилий формования. Пластическая форма глинистых частиц и удлиненная форма примесей (в результате измельчения), входящих в состав глины, способствует принятию ориентированной структуры в водной среде при одностороннем приложении давления в прессе и истечением массы в одном направлении (рис.9б). при этом плоские удлиненные частицы поворачиваются более длинной осью по направлению движения массы. В этом направлении располагаются воздушные пузырьки массы. Под действием лопастей шнека пресса частицы глины, принимая ориентировочное положение, образуют брус с ослабленным сцеплением массы в этих местах (рис 9в) придавая ей неодинаковые физико – химические и механические свойства.

    Расслоению  массы и образованию плоскостей скольжения способствует конструктивное несовершенство шнекового механизма  пресса. Несмотря на то, что шнек является механизмом непрерывного действия, он не обеспечивает выхода массы с одинаковой по сечению цилиндра и головки пресса. Распределение скоростей отдельных концентрических слоев бруса имеет параболический характер. Чем больше разница в скоростях отдельных слоев выходящего из пресса глиняного бруса, тем больше опасность образования плоскостей скольжения и вероятность расслоения полуфабриката при сушке и обжиге.

                                                                                           

                               Схема    развития     деформаций    в

пластичной    массе   в    формующей    части

пресса: 

О — прямое звено (головка); 1, 2, 3 — конусные насадки с одинаковым углом наклона стенок. Сплошной линией показано распределение массы шнеком; штриховой — развитие фронта - движения массы по формующему каналу (по М. И. Роговому). 

    Рис.10. 

    Изменяя длину и конусность прессовой головки с учетом свойств массы, можно в широких пределах регулировать скорость выхода массы по сечению бруса (рис 10). В коротких головках слои с опережающей скоростью выхода смещаются к периферии бруса (рис.11а), при удлиненных – к центру (рис.11б). Лучшие результаты получаются тогда, когда длина и конусность головки обеспечивают наименьшее расслоение массы по сечению бруса (рис.11в).

                                                                                            
 
 
 
 

                         Схема распределения скоростей массы в головке пресса  

    

    а — короткая   головка;

    б — длинная   головка;

    в — головка   оптимальной   длины   и конусности:  

    1 — кривая    скорости,    определяемая    шнеком;

    2 — кривая  скорости, определяемая   головкой; 

       3 — результативная   кривая   скоростей

Рис.11.

    Пластические  керамические массы являются дисперсными  системами, состоящими из твердой и  жидкой фаз и способны образовывать связанные пространственные структуры. По своим свойствам (прочность, связность, время релаксации и др.) они занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими веществами. Согласно учению Ребиндера, пластические массы относятся к коагуляционным структурам, в которых взаимодействие между твердыми частицами за счет Ван-дер-ваальсовых и электростатических сил осуществляется через разделяющие прослойки жидкости. Коагуляционным структурам присуща тиксотропность, т.е. они могут восстанавливать свою структуру после разрушения.

    Пластичность  коагуляционных структур обусловлена наличием подвижных связей, действующих через прослойки жидкости. Это позволяет массе деформироваться без разрушения и сохранять приобретенную форму после прекращения воздействия внешних усилий./7/ 

Водные  свойства глин 

     Водные  свойства характеризуют отношение глины к воде и являются определяющими в технологии подготовки массы и формования керамических изделий. Важнейшие водные свойства - влагоемкость, набухание, размокание и тиксотропное упрочнение.

     При взаимодействии глины с водой  вокруг элементарного глинистого зерна возникает гидратная оболочка. Комплекс глина - вода схематически изображен на рис.12. Зерно глинообразующего минерала, как правило, несет отрицательный электрический заряд, обусловленный изоморфным замещением катионов в кристаллической решетке и наличием нескомпенсированных связей. Под действием электрического поля, создаваемого зерном, молекулы воды приобретают полярность и окружают его поверхность, образуя последовательно мономолекулярный, полимолекулярный и диффузный слои. Каждый слой удерживается с разной силой, убывающей от поверхности зерна к периферии. Поэтому вода в диффузном слое обладает определенной степенью свободы. Состояние системы глина - вода можно характеризовать электрокинетическим потенциалом (ζ-потенциалом), представляющим разность потенциалов между неподвижным слоем ионов и жидкостью, которая соответствует его диффузному слою.

     В реальных суспензиях всегда есть растворимые  соли, в основном это соли кальция. Образовавшиеся при диссоциации солей положительные катионы могут адсорбироваться на поверхности глинистого зерна либо, окружив себя гидратной оболочкой, находиться в диффузном слое. Формируется так называемый сорбированный комплекс.