Строительніе статьи 1996

Некоторые особенности процесса горячего прессования стеклокомпозиций

Горячее прессование порошка применяется в технологии пластмасс, в порошковой металлургии, в техно­логии огнеупоров. Формование по­рошка стеклообразного материала ис­пользуется, в частности, при получе­нии кварцевой керамики. В работе [1] установлена зависимость (линейная) между давлением прессования и плот­ностью изделия при горячем прессо­вании монодисперсного порошка с удельной поверхностью 10000 см2/г.

В работе [2] прямо указано, что давление прессования и время вы­держки при максимальном давлении зависят от вязкости материала при данной температуре, но не зависят от его гранулометрического состава. Это и дает основание рассчитывать на возможность формования горячим прессованием изделий из гранулиро­ванного стекла, представляющего со­бой зернистый материал.

Нами подробно исследовано го­рячее формование гранулирован­ного стекла, в качестве которого использован фторсиликатный шлак следующего химического состава, мае. %: Si02 - 54,2; Na20 - 23,7; К20 - 1,4; А12Оз - 2,6; MgO - 5,3; Fe203 - 1.7; S03 - 2,1; P2Os

- 1,8; F - 4,1; CaO - 4,8.

Гранулометрический состав шлака после дробления

Фракция, мм Содержание, мае. %

TOC o "1-5" h z 5—10................................................... 21,1

2.5—5 ... ...................... 22,7

1,25—2,5 ............................................ 37,9

0,63—1,25. .......................... 12,3

0,316—0,63......................................... 8,4

0, 14—0,316 5,2

0—0,14................................................ 1,9

Степень связности кремнекисло­родного каркаса шлакового стекла Fsi = 0,338; показатель преломления стекла П = 1,456; плотность стекла /> = 2,66 г/см3; насыпная плотность стекла рон = 1,69 г/см3. В шлаке содержится менее 1 % кристалли­ческой фазы неопределенного со­става. Температура начала спекания Шлака составила (620 ± 10) °С.

Использовали пресс-форму из жаростойкой стали. Ее разогревали и муфельной печи до температуры на 150—200 °С выше той, при которой предполагали формовать. Ра­зогретую пресс-форму устанавливали на нижнюю плиту гидравлического пресса 2ПГ-5, обеспечивающего на­грузку до 5 тыс. кг. Для предотвра­щения быстрого остывания пресс - формы при соприкосновении с ме­таллическими частями пресса между пресс-формой и плитами пресса помещали асбестовые прокладки. Та­ким образом, потери теплоты пресс - формой происходили в основном через ее боковые поверхности, кон­тактирующие только с окружающим воздухом, что и дало возможность примерно установить скорость ох­лаждения пресс-формы. Контроль температуры пресс-формы осущест­вляли с помощью термопары ХА и потенциометра КС-4.

Шлак дозировали взвешиванием. Масса порции для одного образца составляла 15 г. Порцию шлака вручную засыпали в разогретую и установленную на плиту пресса фор­му, с помощью муфельных щипцов вводили в пресс-форму разогретый до той же температуры, что и форма, пуансон, затем опускали верхнюю шнпу пресса и с помощью гидрона­соса передавали нагрузку на образец. Величину нагрузки изменяли в соот­ветствии с целью эксперимента, из­меняли также время выдержки при заданной нагрузке и температуру пресс-формы. После окончания прес­сования с помощью муфельных щип­цов пресс-форму вместе с пуансоном переворачивали и выдавливали обра­зец вручную в выжимной цилиндр.

Изъяв образец из формы, его охлаждали до комнатной температу­ры, а затем испытывали. Приготовля­ли по три образца одного состава при идентичных условиях прессования. Образцы представляли собой цилин­дры диаметром и высотой 2 см.

На полученных образцах опреде­ляли следующие показатели: проч­ность при сжатии; плотность; пока­затель преломления стекла; количе­ство кристаллической фазы; темпе­ратуру кристаллизации.

Прочность при сжатии определя­ли испытанием образцов на гидрав­лическом прессе. Плотность опре­деляли пикнометрическим методом на обломках разрушенного образца. Показатель преломления определя­ли иммерсионным методом с по­мощью микроскопа МИН-8 в мик­ропрепаратах. В них же определяли количество кристаллической фазы на том же микроскопе с помощью окулярной линейки. Температуру кристаллизации определяли на об­ломках образцов методом кристал­лизации в градиентной печи, в лодочке. Целью экспериментов была оценка возможностей выбранного направления исследований и разра­ботанной методики их проведения. Эксперименты должны были отве­тить на следующие вопросы;

— каков должен быть температурный интервал, в котором возможно формование изделий из шлака;

— каков должен быть интервал дав­лений, обеспечивающих доста­точно высокую среднюю плот­ность изделий;

— будет ли в действительности про­исходить достаточно полная де­газация шлака, т. е. настолько полное удаление его, чтобы при кристаллизации выделение оста­точного газа не вызывало вспу­чивания образцов;

— вызывает ли горячее прессование изменение кристаллизационной способности шлакового стекла;

— не будет ли образец сильно прилипать к поверхности формы и при каком минимальном дав­лении возможно извлечение об-

Таблица 1

Разца из формы после снятия нагрузки;

— не влияют ли изменения грануло­метрического состава шлака в таком широком диапазоне, какой имеет место в нашем случае, на параметры прессования. Формуемость зернистых масс в значительной степени зависит от аг - регативной устойчивости измельчен­ного материала. В нашем случае агрегативная устойчивость связана с температурой материала, поскольку при слабо развитой поверхности раз­дела фаз агрегации заполнение меж - зерновых пустот может состояться лишь при наличии пластического течения материала. С этой точки -зрения давление прессования долж­но выступать как функция темпера­туры, так как именно от нее зависит вязкость материала. Поэтому началь­ная минимальная температура, при которой формование может проис­ходить, должна находиться в области температуры наибольшей скорости кристаллизации, когда спекание еще не происходит, но вязкость уже по­нижается от бесконечно высоких зна­чений до 1 10 Па с. Для исследуе­

Мого Шлака эта температура пример­но 510—530 °С. Она и была выбрана в качестве минимальной.

При - температуре 610—630 °С осуществляется спекание шлаково­го стекла при атмосферном давле­нии. Средняя плотность спекания при этом составляет 2,3—2,4 г/см3, т. е. происходит достаточно сильное самопроизвольное уплотнение ма­териала. В связи с изложенным выше, а также с тем, что при более высоких температурах происходит значительное прилипание формуе­мой массы к металлу' формы даже при атмосферном давлении., эта температура и была выбрана в качестве максимальной температу­ры прессования,

При выборе области давлений для проведения эксперимента каких-либо теоретических посылок не было. Ог­раничения здесь определены лишь возможностями пресса. Поэтому ре­шено было повышать давление в изотермических условиях до достиже­ния максимальной плотности образ­цов в минимально короткое время. При этом максимальной плотностью образцов должна быть плотность шла­кового стекла. В первых эксперимен­тах давление прессования повышали от образца к образцу с шагом 3 МЛа.

Теми же соображениями руко­водствовались и при выборе време­ни выдержки образца при макси­мальном давлении. Время формова­ния изменяли с шагом 5 мин.

Анализ результатов позволил от­метать следующее. При температуре 510 °С и времени прессования 15 мин плотность достигает макси­мума при давлении не менее 15 МПа. При температуре 560 °С для дости­жения той же плотности за такое же время требуется давление 12 МПа, а при 610 °С — всего 9 МПа. Как и следовало ожидать, при постоянном времени прессрвания давление уменьшается с ростом температуры.

Однако время 15 мин не является оптимальным. При прессовании в течение 20 мин при 510 °С и давлении 15 МПа можно получить более высо­кую плотность образцов. Максималь­ная плотность при 15-минутном прес­совании составила 2,53, а при 20-ми - нутном — 2,61. Наиболее высокая плотность достигается при прессова­нии под давлением 15 МПа при температуре 610 °С в течение 20 мин. Эта плотность была 2,69, т. е. выше, чем У исходного стекла.

Причина такого парадокса была установлена при изучении степени кристаллизации образцов. Оказа­лось, что при прессовании при 610 °С и давлении 15 МПа проис­ходит кристаллизация стекла по типу ситальной. Степень кристаллизации тем выше, чем больше время вы­держки в исследуемом интервале времени. Степень кристаллизации при 510 °С не превышает 5 % Независимо от давления и времени выдержки. При 560 °С степень кристаллизации достигает 25 % при давлении 15 МПа и выдержке 20 мин, но в дальнейшем не растет. При 610 °С степень кристаллизации может возрастать до 80 % и,

Возможно, более при давлении

15 МПа. При давлении 9 МПа при вс^х температурах и временных интервалах степень кристаллизации не превышает 1—2 %.

Установление факта ситальной кристаллизации фторсиликатного шлака при горячем прессовании яв­ляется весьма важным обстоятельст­вом. На основании этого наблюдения может быть разработана принципи­ально новая технология получения ситала, исключающая кристаллиза­цию изделий после формования.

Гранулометрический состав прак­тически не влияет ни на температуру прессования, ни на давление. Однако при увеличении количества крупных зерен увеличивается время прессова­ния, необходимое для получения за­данной плотности образца. Этот при­рост времени не велик и измеряется в минутах.

Данные экспериментов были ис­пользованы при получении ситало- композитов.

Композит получали следующим образом. Сырьевая смесь состояла из боя листового оконного стекла, кирпичного боя (II фаза) и катали­затора кристаллизации (СиО, РеЗО.:, СоБО^). Составы сырьевых смесей приведены в табл. 1.

Эксперимент проводили следую­щим образом. Сырьевую смесь насы­пали на металлическую пластину, по­мещали в муфель, разогретый до 700—750 °С, и выдерживали при этой температуре. Предварительно было ус­тановлено. что время полного разогре­ва смеси зависит от толщины слоя и составляет 2 мин на каждый сантиметр толщины. При этом смесь дает значи­тельную усадку. Величина этой усадки различна в разных направлениях: по толщине слоя — максимальная; по ширине насыпки слоя (в горизонталь­ном направлении) у поверхности кон­такта смеси и подложки — минималь­ная; по касательной к поверхности слоя

— средняя. Максимальная усадка со­ставляет около 30 %, минимальная — около 15 *%.

Разогретую смесь подвергали прессованию холодным штампом при давлении 5 МПа, выдерживая при этом давлении в течение 2 мин. После прессования образцы охлаж­дали на воздухе. Результаты испы­тании образцов, полученных мето­дом агломерации сырьевой смеси приведены в табл. 2.

Проведенные эксперименты по­казали, что получение ситалоком- позитов путем предварительной агломерации смеси и последующе­го горячего прессования ее не только принципиально возможно, но существенно снижает темпера­туру и время кристаллизации си­тальной матрицы, не ухудшая стро­ительных свойств полученного ма­териала.

Список литературы

1. Будников П. П., Пивинский Ю. Е. Исследования спекания керамики из плавленого кварца // Журнал при­кладной химии. 1968. Т. 41. № 5.

С. 957-964.

2. Пивинский Ю. Е., Ромашин А. Г. ТЛвар'Цсвай таргатАта. ЪА. Мллъадур - гия. 1974. 210 с.

ЭФ

А Н МОКРУШИН, канд. техн. наук, директор научно-технического центра АО «Альфа-цемент», В. А. ГОЛУБЕВ, канд. техн наук, доцент Пермского Г ТУ, Л А ОБОДОВСКАЯ, инженер, В. А. ВАЛЬЦИФЕР, канд. техн. наук института технической химии Уральского отделения РАН