Подготовка пластичных глиняных масс

Подготовка пластичной массы заключается в выделении из глины каменистых включений, достижении однородности по структуре, составу, влажности и придании ей требуемых формовочных свойств. Качество обработки влияет на сушильные свойства и формирование структуры керамики в обжиге. Различают три метода обработки: естественная, механическая и физико-химическая.

Естественные методы используют погодно-климатические факторы и фактор времени для изменения свойств глиняной массы. К этим методам относятся вымораживание и вылеживание глины в замоченном состоянии. Вымораживание глины технологически наиболее эффективно: никакие методы механической обработки не дают такого эффекта, какой достигается вымораживанием. Сущность его заключается в том, что добытую глину в замоченном состоянии подвергают примерно годичному вылеживанию на открытом воздухе. Под влиянием многократных циклов замораживания и оттаивания вода, замерзая в мелких капиллярах глиняных частиц и увеличиваясь в объеме на 9%, разрушает связи между ними, диспергируя частицы глины на элементарные зерна. Поэтому возрастает удельная поверхность глины и количество связанной воды, более полно завершаются процессы набухания, повышается пластичность и сцепление глиняного теста, улучшаются формовочные и сушильные свойства.

На заводах с небольшим годовым расходом глины (кирпичные или черепичные заводы малой мощности) ее укладывают для вымораживания в гряды высотой, равной глубине промерзания грунта в данной местности, и заливают водой. Для заводов большой мощности оправдал себя способ внутрикотлованных взрывов. Для этого на участке, освобожденном от вскрышного слоя, бурят скважины и взрывают аммонитом пласт глины без выброса. Разрыхленную глину оставляют на вылеживание и промораживание в течение года.

Зумпфование – это вылеживание глины в замоченном состоянии. В отличие от вымораживания при этом не происходит полного диспергирования глинистых частиц, но процессы набухания глины, переход части воды из свободных форм в связанные, переориентация глинистых минералов с увеличением пластичности протекают полностью. Улучшаются формовочные и сушильные свойства глины, снижается брак при формовании, сушке и обжиге изделий. Зумпфованию можно подвергать как добытую в карьере глину, так и массу после обработки.

Вылеживание глины в летнее время в карьере можно совмещать с процессом добычи. Для этого фронт забоя делят на 5…6 частей по длительности вылеживания в сутках. Добытую глину на данном участке оставляют на месте и заливают в конце дня водой. Вылеживание замоченной глины в течение нескольких суток повышает ее качество, а в сочетании с прогревом ускоряет набухание.

Механическими методами обработки достигается улучшение свойств керамической массы за счет механического воздействия рабочих органов глинообрабатывающих машин. При этом из нее выделяют каменистые включения, разрушая текстуру, производят гомогенизацию для повышения пластичности.

Для выделения из глины каменистых включений существуют и специальные машины: дезинтеграторные ребристые вальцы СМ-150А, винтовые камневыделительные вальцы СМ-416А и глиноочистители СМ-472.

Дезинтеграторные вальцы выделяют камни величиной более 10 мм, а камни меньших размеров проходят через зазор между вальцами. Ребра вальцев подвержены быстрому износу, и поэтому необходим тщательный надзор за их состоянием и своевременный ремонт. Вследствие этого дезинтеграторные вальцы применяются чаще в качестве машины для грубого дробления глины, а не для выделения камней. Созданы также винтовые камневыделительные вальцы СМ-416А, которые выделяют более мелкие камни. Легче всего удаляются камни при гидравлическом обогащении, когда глина распускается в воде до консистенции молока и пропускается через решетку, задерживающую камни.

Грубое дробление необходимо для первичного измельчения крупных кусков глины, поступающих из карьера, чтобы облегчить работу последующих перерабатывающих машин и обеспечить требуемую эффективность их работы. Первой стадией грубого дробления является рыхление кусков глины специальной машиной – глинорыхлителем СМ-1031. Он представляет собой самоходную тележку, совершающую возвратно-поступательное движение над ящичньнм подавателем. Рабочий орган – вращающийся вал с 14-ю фрезами. Привод и мотор установлены на тележке. Фрезы размещены в прорезях решетки, перекрывающей ящичный подаватель. Машина может рыхлить даже твердые породы. Производительность рыхлителя 30 м³/ч, мощность электродвигателя – 20 кВт. Вторая стадия грубого дробления – измельчение глины до размеров 10…15 мм. Сухие хрупкие и мерзлые глины без каменистых включений дробят на стругачах и валково-зубчатых дробилках, являющихся машинами режущего типа. Их в большинстве случаев применяют для дробления огнеупорных и тугоплавких глин. Вязкие пластичные глины дробят на гладких дифференциальных вальцах грубого помола СМ-369А, производительностью 32 м³/ч. Глины с каменистыми включениями дробят дезинтеграторными вальцами СМ-150.

Тонкое измельчение пастообразной глины сводится к ее перетиранию. Целью этого процесса является разрушение водных оболочек, цементирующих зерна глинистых минералов, частичное разрушение зерен и освобождение связей, за счет которых глина будет гидратироваться, присоединяя большее количество связанной воды. От этого зависит сцепление и пластичность массы.

Разрушение водных оболочек, окружающих зерна глинистых минералов, существенно улучшает сушильные свойства глины. Наличие водопрочных неразрушенных оболочек мешает развитию этих связей и понижает трещиностойкость изделий в сушке. Эффективность обработки глины гладкими вальцами зависит от зазора между валками, соотношения чисел оборотов валков и влажности обрабатываемой глины. При зазоре свыше 9 мм обработка на вальцах неощутима. Исследования влияния величины зазора вальцов на прочность при сжатии обожженных образцов дали такие результаты: при величине зазора между вальцами 3, 2, 1 и 0,5 мм прочность при сжатии составила 10, 15, 27 и 35 МПа соответственно. Значит, надо выбирать минимальный зазор с учетом обеспечения требуемой производительности машины. Практически зазор не должен быть больше 2…3 мм. Число оборотов валков должно давать соотношение окружных скоростей, обеспечивающее максимальную деформацию сдвига S в пределах от 5 до 10 см.

При выборе S нужно исходить из условия, что оно должно возрастать с увеличением пластической прочности глиняной массы. С повышением влажности глины при переработке в вальцах, возрастает степень ее измельчения и прочность сухих образцов, изготовленных из такой глины. Поэтому переработка в вальцах должна осуществляться при формовочной влажности.

Дырчатые вальцы СМ-369А отличаются от вальцов тонкого помола отсутствием зазора между валками и наличием отверстий в обечайках валков. Исследования эффективности обработки глиняной массы на дырчатых вальцах показали, что прочность высушенных образцов, сформованных из такой массы, возрастает примерно в 1,5 раза, но степень размягчения массы незначительна.

Бегуны мокрого помола являются наиболее эффективной машиной для тонкого измельчения пластичных глиняных масс: при обработке кусочки глины многократно раздавливаются и истираются тяжелыми катками, что и обеспечивает тонкое измельчение глины. Исследования эффективности такой обработки показали, что пластическая прочность массы после бегунной обработки при W < W_ф возрастает за счет уплотнения, а при W ≥ W_ф (где – W_ф формовочная влажность) пластическая прочность понижается – масса становится более подвижной. Поэтому на бегунах также надо обрабатывать глину с влажностью, близкой к формовочной. Прочность сырца, из глины, обработанной на бегунах, возрастает более чем в два раза. Однородность массы контролируется по стабильности прочности сырца, оцениваемой коэффициентом вариации КВ. Исследования показали, что при W < W_ф величина К_вр практически не меняется, а при W ≥ W_ф снижается в два раза. Производительность бегунов снижается с уменьшением влажности глины.

Приготовление глиняного теста после переработки в машинах требуется для образования сплошной массы с приданием ей формовочной влажности. Для этого глину перерабатывают в открытых глиномялках СМ-447А с водяным орошением или СМ-246 с паровым увлажнением. Более глубокая переработка достигается в полузакрытых глиномялках с коническим корпусом и шнеком либо на ленточных прессах.

Физико-химическая обработка глиняной массы позволяет изменять соотношения и условия взаимодействия между отдельными фазами глиняной массы. Условия взаимодействия между ее фазами можно регулировать, меняя физические свойства массы (температуру и давление) либо вводя химические реагенты. Важнейшими методами такой обработки являются увлажнение, подогрев, вакуумирование и ввод химических добавок.

Увлажнение производят водой или паром. Оно может быть одно- или многоступенчатым. Однократное увлажнение глиняной массы при ее механической обработке достигается подачей в глиномялку распыленной воды. Длительность пребывания массы в глиномялке составляет несколько минут, а набухание глин длится от 0,5 до 4 ч [40] и более. Поэтому однократное увлажнение в глиномялке сводится лишь к поверхностному орошению частиц глины, а не к полному усвоению воды. Неоднородность массы по влажности при однократном увлажнении возрастает. Двукратное увлажнение, когда глина увлажняется первый раз до поступления в глиномялку, а второй - перед формованием, удлиняет период взаимодействия глины с водой. Переработка предварительно увлажненной глины обнажает новые поверхности глинистых частиц для взаимодействия с водой и ускоряет процесс. При двукратном увлажнении повышается однородность массы по влажности, улучшаются пластичность и прочность. Паровое увлажнение массы по сравнению с водяным существенно улучшает ее технологические свойства. Водяной пар не только конденсируется на поверхности куска глины, но проникает в его мельчайшие поры и, конденсируясь в них, вовлекает большие поверхности в этот процесс. Экспериментально установлено, что капиллярная конденсация пара частично вытесняет из глины воздух. Повышение температуры массы при паровом увлажнении ускоряет взаимодействие глины с влагой, при этом возрастает пластичность. Обычно используют пар низкого давления 0,05…0,07 МПа. Воздух находится в глине в виде пузырьков, окруженных водной пленкой. Условия его удаления:

δ_кр = ∆P r / 2R_P, (2)

где δ_кр – критическая толщина глиняной пленки, которую может прорвать пузырек воздуха, см; ∆Р – перепад давлений, МПа; r – внутренний радиус пузырька, см; R_P – прочность глиняной пленки при разрыве, МПа.

Эта формула показывает, что с понижением глубины вакуума степень измельчения глины возрастает. Глубину вакуума надо увеличивать для тонкодисперсных глин с малым значением r, а прочные глины подвергать более тонкому помолу. Полнота удаления воздуха из глины зависит и от длительности воздействия вакуума. Растворимость воздуха в воде уменьшается с повышением температуры, поэтому при подогреве глины воздух удаляется легче, но температура глины должна быть не выше точки кипения воды при данном разряжении в вакуум-камере. Эти соотношения таковы:

∆P вакуума, мм рт ст Температура кипения воды, °С

– 100

570 65

722 33

Наличие воздуха в глине снижает связность и пластичность, замедляет усвоение влаги, вызывает неравномерное уплотнение при формовании и упругое последействие с образованием микротрещин при прессовании изделий. Поэтому часто применяют вакуумирование массы для улучшения ее формовочных и прочностных свойств. Прочность изделий повышается в 2…3 раза после формования и в 1,5 раза после сушки, плотность увеличивается на 3…4%, а водопоглощение снижается на 10…15%. Недостатком вакуумирования является понижение влагопроводности глины, что замедляет сушку, но не снижает качество изделий за счет роста их прочности и снижения усадки. Тонкокерамические массы вакуумируют в специальных вакуум-мялках, а кирпич формуют в ленточных вакуум-прессах.

Ввод химических реагентов дает возможность улучшения свойств глин при их взаимодействии с электролитами. Но для пластичных масс этот прием оказался неэффективным из-за невозможности равномерно распределить в пластичной массе малые дозы электролитов (0,15…0,25%). Для снижения влажности глин в них добавляют молотую негашеную известь. Благоприятное влияние оказывает ввод ПАВ. Так, добавка 0,2…0,4% лигносульфоната натрия (ЛСТ) резко снижает формовочную влажность и энергозатраты на сушку, повышает производительность пресса, удваивает прочность сырца. Добавка CaCl₂ до 0,5% ускоряет сушку, а NaCl замедляет.