ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

ПОЛУСУХОЕ ПРЕССОВАНЙЕ

Полусухое прессование первое время применяли для получения изделий простых форм. В настоящее время способом полусухого прессования изготовляют изделия и сложных форм.

Сущность способа заключается в следующем.

В прессформу засыпают определенное количество увлажненной порошкообразной массы, состоящей из сме­си различных по форме и величине твердых частиц, на­ходящихся друг с другом в слабом контакте под дейст­вием собственной массы, капиллярных сил воды и клея­щих веществ. Затем массу в прессформе сжимают верх­ним штемпелем (пуансоном) с одной стороны (односто­роннее давление) или с противоположных сторон двумя пуансонами (двустороннее давление). Прессовое давле­ние может воздействовать на массу непрерывно в тече­ние всего периода прессования (одноступенчатое прессо­вание), или с паузами (ступенчатое прессование). Паузы (секунды и доли секунд) способствуют выравниванию давления и удалению воздуха из прессуемой массы. Пос­ле окончания прессования изделие выталкивается из прессформы, и цикл прессования заканчивается. Вытал­кивание изделия происходит в сжатом состоянии или ког­да верхний штамп несколько отходит от верхней плоско­сти сырца.

Уплотнение массы достигает некоторого предела, называемого критической плотностью, когда объем твердых частиц и жидкости составляет 100%, так как твердые частицы и вода при прессовании не сжимают­ся. Давление, при котором наступает критическая плот­ность, называют критическим.

Возможная величина прессового давления, скорость нарастания давления, продолжительность и паузы прес­сования зависят от конструкции пресса. Уплотнение сьірца зависит от свойств массы, усилия прессования, конструкции пресса и формы прессуемого изделия (форма и размеры изделий определяются конфигура­цией и размерами прессформы).

Поскольку при дальнейшей обработке материала (при сушке и обжиге) размеры спрессованных изделий обычно изменяются (вследствие роста или усадки изде­лий), то размеры прессформы рассчитывают соответст­венно с этими изменениями. Данные для этих расчетов
получают опытным путем. Для облегчения выталкивана изделий прессформы выполняют с небольшой (до 1 Мй конусностью в направлении выталкивания (технолог ческая конусность).

В результате прессования увеличиваются контак ная поверхность между частицами и их сцепление. Пр прессовании уменьшаются пористость, размер крупны пор и увеличивается общая удельная поверхность по* При недостаточном давлении в грубозернистых масса образуются поры, заклинивания, своды.

Компоненты массы в процессе прессования частичн перераспределяются. Это выражается в переориентаци частиц, причем широкие сечения частиц и пор распол гаются в плоскостях, параллельных плоскости пресс вания.

Образуется анизотропия структуры, которая остает ся и после обжига и обусловливает анизотропию неко торых свойств.

Одним словом, при прессовании формируется текс тура огнеупорных изделий. В табл. IV.5 показано изме нение показателей текстуры в зависимости от увеличе ния прессового давления.

Таблица IV.

Изменение свойств сырца при повышении давления прессования от 30 до 200 МПа

Динасовый.... Магнезитохромитовый Магнезитовый. . . Шамотный....

При давлении выше критического получается брак - перепрессовка, выражающаяся в расслоении и образо­вании характерных трещин в изделии.

Воздух, содержащийся в массе, особенно при прес­совании тонкодисперсных масс, обладающих малой га* зопроницаемостью, сжимается. Сжатый воздух, расшиб ряясь, создает растягивающие усилия, ослабляет сцеп­ление между частицами и тем самым обусловливает образование разрывов в сырце. Из шамотных масс уЩ

При давлении 2 МПа удаляется 85—95% воздуха, одна­ко дальнейшее удаление воздуха затруднено. При давлении даже ниже критического давление запрессован­ного воздуха доходит до 980—1475 кПа, а при критиче­ском давлении до 9800 кПа. Поэтому из массы целесо­образно удалять воздух, что достигается применением паузы в конце прессования. При полусухом прессова­нии объем получаемого изделия обычно в 1,5—2 раза меньше объема свободно насыпанной массы.

Вода при прессовании участвует в передаче давле­ния. Величина критического давления резко уменьша­ется при повышении влажности. Но нужно иметь в ви­ду, что, хотя у влажных масс уплотнение и достигается при значительно меньших давлениях, увеличение количе­ства воды в массе сверх некоторого оптимального коли­чества недопустимо, так как удаляемая при сушке вла­га увеличивает пористость сырца. Массы с излишней влажностью при известных давлениях прессования ве­дут себя как упругое тело, объем которого после сня­тия приложенного давления восстанавливается, по­этому переувлажненные массы легко перепрессовыва - ются.

Давление Робщ, необходимое для получения при прессовании сырца определенной кажущейся плотности, складывается из следующих основных частей:

1) давления pi, требуемого для уплотнения массы до заданной пористости изделия при равномерном распре­делении давления и при отсутствии потерь на трение частиц о стенки формы;

2) потери давления р2 на трение массы о стенки прессформы;

3) избыточного давления рз, вызываемого неодина­ковым воздействием давления в отдельных участках на прессуемую массу вследствие неравномерной ее влаж­ности, неоднородности зернового состава и различной загрузки прессформ.

Следовательно, р,0бщ=рі+р2+рз.

Определить эти значения расчетным путем затруд­нительно. Давление р0бЩ зависит от состава массы, ее зернистости, влажности, а также от формы и разме­ров изделий и определяется приближенно опытным путем.

При давлении прессования в интервале 10—200 МПа (До появления упругой «отдачи» сырца) зависимость
между пористостью сырца и давлением прессования по Бережному выражается формулой

Е = a — blgp, (IV, 23)

Где є — истинная пористость, %; а, Ь — постоянные константы; р — давление прессования.

На рис. IV. И пока-

Зана зависимость ис­тинной пористост спрессованных брик тов от величины пре сового давления.

Отношение alb п казывает способност массы к уплотнени" Это отношение зав - сит от свойств массы ее зернового состав влажности, ПАВ твердости. При боле мелком зерновом со ставе повышаютс значения обеих посто янных.

С целью получени сырца с минимально пористостью при дан ном давлении находя опытным путем такой состав массы и способ ее пере - работки, при которых значение отношения alb будет наименьшим.

Для определения постоянных указанного уравнения в каждом конкретном случае в опытном порядке прессуют одну и ту же массу при двух различных (желательно с - отношением 1:5) давлениях. Определив из опытов вели­чину давления и истинную пористость, решают систем" уравнений и находят значения постоянных.

Распределение давления по вертикали, т. е. парал­лельно направлению прессового давления, подчиняется уравнению Баландина:

(IV.24)

Ph = PQe

Где Ph — удельное давление на уровне h от прессующего штемпеля; ро — удельное давление у поверхности штеМ'
целя, h = 0; k — коэффициент трения, равный fig2 (45°—

_ ф/2), где f' — коэффициент внешнего трения массы о

Стенки формы; ср — угол естественного откоса (коэффи­циент внутреннего трения); h — расстояние от прессую­щего штемпеля, в пределе — толщина сырца; Rr — гид­равлический радиус.

Из выражения (IV. 24) получаем:

$=Рн! ро = е-т'*г (IV.25)

Где р — степень неоднородности сырца, (3<1.

Степень неоднородности, или пропрессовка, зависит от внутреннего и внешнего трения и геометрии сырца[8]. Это существенный недостаток полусухого прессования, не позволяющий получать равномерное по пористости изделие большой высоты.

Для получения двух сырцов с одинаковой степенью пропрессовки необходимо, чтобы

H1/R1 = h2/R2> или hjhb = RJR%. (IV.26)

Напишем формулу Бережного для верха и низа прес­совки: е0=а—bgpQ и eh = a—bgph. Подставим в послед­нее уравнение значение ph из формулы (IV. 24): zh = a— —big. (pQe~ll(hlRr))=a—bgp0 + bk(hlRT)ge. Заменив а— —bgp0 = E0 и обозначив постоянные через С, получим уравнение Попильского и Смоля:

Eft=e0 + Ch/Rr, av.27)

Где Rr — гидравлический радиус RT=2F/U (F—площадь сечения, U—периметр).

Формулы справедливы при h/R<i6; они позволяют сделать важные для технологии выводы.

Одинаковая кажущаяся плотность спрессованных из­делий, т. е. пропрессовка их, обусловливается в основном отношением h/Rr, а не только высотой изделия. Следова­тельно, во всех случаях высота прессуемых изделий мо­жет быть увеличена без всякого ущерба для пропрессов­ки, если одновременно плошадь прессования возрастет в той же пропорции.

Практически допускается разница плотности сырца Между верхом и низом в пределах 1—2%.

Неравномерность пористости наблюдается и в гори - зонтальных сечениях сырца. Наибольшая плотность в верхних горизонтальных сечениях сырца получается у стенок прессформы; она уменьшается в направлении к центру. В нижних горизонтальных сечениях, наоборот, у стенок плотность меньше, чем в центре. Такое распреде­ление плотности обусловлено действием сил внешнего трения.

Углы и ребра в верхней части сырца более плотны и прочны, чем в нижней, в средней по высоте части созда­ется зона равнопрочности. Радикальным средством сни­жения неоднородности плотности является двустороннее давление.

Введение в состав масс некоторых пластификаторов и ПАВ улучшает пропрессовку изделий. Более крупный зерновой состав порошка и до известного предела боль­шая влажность улучшают пропрессовку.

При прессовании изделий разной высоты и с выступ ми (клиновых, фасонных) происходит перераспределени массы между различными частями сырца, следовательн пропрессовка зависит от его конфигурации.

В механических прессах расстояния между штемпеля ми при их максимальном сближении постоянны, поэтом; и толщина изделий получается постоянной. Кажущаяс плотность спрессованного сырца зависит только о свойств массы и глубины засыпки прессформы, а не о времени прессования.

Время прессования в этом случае влияет на выравни вание напряжений в сырце и частично на удаление воз духа.

При этом кажущаяся плотность изделий ркаж линейно изменяется с увеличением глубины загрузки к:

Ркаж = Bh-A, (IV. 28)

Где А и В — постоянные.

От постоянства засыпки прессформы зависит и посто­янство свойств изделий. В конструкциях современных прессов предусматриваются автоматические схемы, обес­печивающие постоянство толщины сырца.

Возможны два способа стабилизации толщины сыр­ца. По первому из них прессование ведется до тех пор. пока в прессующей системе не создается максимальное давление, которое сбрасывается после определенной вьг держки. При отклонении толщины сырца от заданной ве-

Лйчины производится регулирование засыпки. Второй способ заключается в том, что прессование ведется до по­лучения постоянного размера сырца, после чего осуществ­ляется сброс давления. Если при этом величина давления отклоняется от заданного, производится регу­лирование засыпки.

Оба способа применимы для гидравлических прессов, второй способ применим и для коленно-рычажных.

Принципиальная разница в способах заключается в следующем: при прессовании до постоянного давления некоторое количество прессовок может иметь отклонения по размеру; при прессовании до постоянного размера мо­гут наблюдаться отклонения по кажущейся плотности. Возникает вопрос, какие отклонения более допустимы в службе огнеупоров?

Ответ зависит от условий службы и требований ГОСТов. Что касается стандартов, то требования по раз­мерам более жестки, чем по кажущейся плотности. На­пример, по стандартам отклонения по размерам допу­скается не более 1 мм при измерении 100 мм. Это очень жесткое требование. При ручном регулировании толщи­ны лишь примерно 50% изделий удовлетворяют этому требованию.

При прессовании на гидропрессах, работающих от ак­кумулятора давления, кажущаяся плотность сырца зави­сит от величины давления, свойств массы и времени дей­ствия прессового давления, а не от глубины загрузки прессформы.

При этом зависимость р=f(r) выражается формулой Р = Ро + Ag(Bx+ 1). ' (IV. 29)

Определив опытным путем начальную кажущуюся плотность ро. каж при т0 и р при различных значениях т, находят постоянные А и В, и из графика p = f (т) опреде­ляют необходимое время. Поэтому для получения изделий с одинаковыми свойствами на гидравлических прессах необходимо обеспечить постоянное время прессования.

Во всех случаях кажущаяся плотность свежесформо - ванного сырца может служить характерным показа­телем эффективности процесса прессования.

При прессовании внешнее давление уравновешивает­ся внутренним напряжением. Внутренние упругие силы действуют в основном в направлении, обратном прило-

Женному давлению пресса, а в боковом со стороны сте­нок они уравновешиваются реакцией последних.

При снятии давления внутренние упругие силы осво­бождаются, и под их действием сырец стремится расши­риться. Примером может служить тот факт, что стопор­ные и литниковые трубки, а также и другие подобной формы изделия легко снимаются с внутренних стержней.

Поскольку внутренние упругие силы имеют большее значение в направлении прессового давления, именно в этом направлении происходит более заметное расшире­ние сырца после прессования. Упругое расширение со­ставляет (по высоте) от 1—2 до 7—8%. Причиной упру­гого расширения, кроме упругих сил твердого тела, как уже отмечалось, является расширение запрессованного воздуха. В упругом расширении проявляется также дей­ствие капиллярных явлений второго рода. Поэтому, если твердые частицы покрыть гидрофобным ПАВ, то упру­гое расширение сырца заметно уменьшается.

Упругая деформация пластин прессформ также вы­зывает упругое расширение сырца и образование трещин при выталкивании сырца из формы.

Неравномерное упругое расширение и недостаточная прочность сырца приводят к образованию трещин на из­делиях, расположенных в плоскостях, перпендикуляр­ных направлению прессового давления. На величину упругого расширения оказывает влияние скорость сня­тия давления.

Опытным путем установлено, что зависимость проч­ности сырца а из одной и той же массы от величины дав­ления прессования р выражается формулой

А = Ар (IV.30)

Где А и b — константы.

Предел прочности при сжатии обожженных изделий во многих случаях пропорционален приблизительно кор­ню квадратному из давления прессования.

На прочность сырца влияет не только прессовое дав­ление, но и зацепление частиц, адгезия, заклинивание и т. п. Прочность сырца увеличивается с ростом размера и количества крупной фракции. Крупные фракции (1—- 3 мм) лучше передают давление (пропрессовка), препят­ствуют образованию трещин в плоскости, перпендику­лярной действию прессового давления, так как по круп­ным зернам в одной плоскости трещине пройти труднее

Однако крупные фракции в дальнейшем при обжиге труднее спекаются. Поэтому применяют так называемый ложный зерновой состав. В этом случае крупные зерна состоят из мелких частиц, прочно сцементированных тем или другим методом.

С помощью полусухого прессования обычно получают сырец с пористостью около 20%. Давление прессования при этом достигает 100 МПа. Для получения сырца с по-

Таблица IV.6

Измельчение материала при прессовании

Относительное увеличение удельной

Поверхности,

%

Ристостью 10% потребовалось бы по формуле (VI. 23) давление lg /7=50—10 : 6,6 = 6, р= 1000 МПа (а = 50, &=6,6). Прессов, развивающих такое давление, в тех­нологии огнеупоров не применяют. Большие давления по­лучаются при прессовании методом взрыва. Например, порошки оксида магния размером 45 мкм при взрыве под давлением 42 ГПа уплотняются до плотности 96 и 95%.

Обычно применяемое давление прессования значитель­но ниже предела прочности при сжатии прессуемого ма­териала. Но на площадке контакта зерен оно может быть и выше, поэтому при полусухом прессовании про­исходит измельчение материала (табл. IV. 6).

В некоторых случаях применяют двойное прессова­ние. Суть заключается в следующем. При первом прес­совании мелкозернистой массы при высоком давлении, естественно, сырец получается с перепрессовочными тре­щинами. Затем сырец переталкивают на этом же прессе в другую прессформу, несколько большую по длине и ши­рине, но равного объема с первой прессформой, и прес­суют (второй раз); сырец при этом распрессовывается,

Ш

Трещины уничтожаются. Метод позволяет прессовать мелкозернистые массы, что улучшает их спекание; про­изводительность пресса при этом уменьшается в два раза.,

В гидравлических прессах давление прессования из­меряют манометрами, показывающими давление в гид-: росистеме. Давление прессования в этом случае со­ответствует показанию манометра, умноженному на пло­щадь поршня пресса и деленному на площадь прессуемо-, го изделия.

Давление в механических прессах определяют посред­ством гидравлических месдоз с манометрами, которыми снабжаются некоторые прессы.

Для исследования распределения давлений внутри, прессуемого изделия используют электрические месдозы и крешеры.

Прессы, предназначенные для полусухого прессова­ния огнеупорных изделий, в соответствии с современны­ми требованиями должны обеспечивать:

J) достаточное прессовое усилие;

2) регулируемое и автоматически поддерживаемое; (на неизменном уровне) прессовое давление;

3) автоматически поддерживаемое постоянство тол щины изделия (в пределах допуска);

4) автоматический съем спрессованных изделий;

5) режим прессования, позволяющий осуществлять паузы во время прессования;

6) достаточно высокую производительность.

Из прессового оборудования действующих огнеупор ных производств длительное время будут эксплуатиро-^ ваться: коленно-рычажные прессы СМ-143А, ПК-630, СМ-1085 и КО-741; гидравлические многопозиционные усилием 10, 15 и 16 МН; фрикционные 4 пф-200 Чимкент­ского машиностроительного завода, гидравлические од - нопозиционные усилием 2 и З МН для прессования стек - лобруса и фасонных изделий, а также усилием 6,3 МН

Конструкции коленно-рычажных прессов должны обес печивать определенную скорость нарастания давления В начальном периоде скорость движения штемпелей до пускается до 100 мм/с, во втором периоде прессовани (заполнение пустот между зернами) 8—9 мм/с. Поел этих двух периодов упругого расширения сырца еще н происходит. На заключительном периоде, когда происхо дят зацепление частиц, их хрупкая и упругая деформа ция, штемпеля должны двигаться со скоростью не боле
1 мм/с. Выдержка (пауза) прессования после второй стадии при прессовании обычных грубозернистых масс не дает эффекта. Выдержка после третьей стадии вырав­нивает давление и уменьшает упругое расширение.

Опыт показывает, что прессование при низких скоро­стях не улучшает плотности сырца.

Сравнение работы прессов различных конструкций показывает, что для прессования массовыхизделий (втом

Числе и магнезитовых) наиболее эффективны коленно - рычажные прессы.

В дальнейшем получат развитие методы импульсно­го прессования изделий: электрогидродинамический, магнитноимпульсный и взрывной.

Съем изделий с пресса и укладка на печные вагонет­ки трудно поддаются механизации. На этих операциях при выполнении их вручную занято более трети рабочих огнеупорного завода.

В настоящее время найдены пути механизации, и ог­неупорная промышленность успешно их осваивает. Ме­ханизация съема с пресса и укладки сырца на печные вагонетки осуществляется по различным схемам. При расположении печных вагонеток непосредственно вблизи прессов и при прессовании однотипных изделий приме-

8-298
няются укладчики Семилукского огнеупорного завода и укладчики конструкции ПКТИ (г. Днепропетровск).

При отдаленном расположении садочных мест изде­лия со стола пресса снимаются механически с помощью присоса и формируются в укрупненный элемент садки (ряд, столбик, слой); укрупненный элемент транспор­тируется к садочным местам, где манипулятором укла-

Дывается на печную вагонетку. Схема конструкции агре­гата набора ряда изображена на рис. IV. 12.

Сформированные изделия снимаются съемником 1 и перекладываются при помощи приемного стола 2 на при­емный ленточный конвейер 3, который перемещает изде­лия к квантователю 4.

Лопасти квантователя подхватывают изделия и по одному перекладывают их на ребро на конвейер набор­щика ряда 5. Здесь с помощью перекладчика 6 форми­руются элементы двухъярусного ряда, затем с помощью стола — сближателя 7 — элементы смыкаются в сплош­ной двухъярусный ряд.

Переносчик ряда 8 захватывает ряд за нижний ярус и устанавливает его на поддон, лежащий на контейне­ре 9. Ряды устанавливаются в столбики на поддоне по заданной программе. На поддоне набираются четыре столбика, каждый из них состоит из двухъярусных ря­дов, уложенных один на другой. Заполненный поддо", подается на формирование садки на вагонетке садоч
ijbiM манипулятором, на его место йз магазйна поддо­нов поступает порожний.

Манипулятор (рис. IV. 13) представляет собой пор­тал 1, по обеим сторонам которого расположены два ленточных конвейера 2 с магазинами поддонов.

По порталу передвигается тележка 3 с захватом 4, укрепленным на направляющих штангах 5. Захват име­ет вертикальное перемещение, осуществляемое электро­приводом 6. Погрузка изделий на вагонетку произво­дится следующим образом. Под манипулятор подается реечная вагонетка так, что в зоне действия захвата ока­зывается половина ее. Поддон с уложенным на нем ук­рупненным элементом садки поступает по пластинчато­му конвейеру из прессованного цеха на конвейер мани­пулятора, который подает его в зону действия захвата. Захват забирает два ряда (4 столбика, 120 изделий) и переносит их на вагонетку. Таким образом половина садки комплектуется за 8 операций манипулятора.

После установки половины садки вагонетка передви­гается для комплектования второй половины. Манипу­лятор может работать в автоматическом режиме.