Badanie właściwości próbek ceramicznych formowanych metodą prasowania

TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH – LABORATORIUM

2010/2011

Ewa Bulaga, Katarzyna Plebanek, Monika Proszowska, Karolina Wach, Mateusz Ryba, Krzysztof Szpak, Krzysztof Kowaleczko, Dariusz Gałek

Rok

III

Grupa 2

Numer

Ćwiczenia

2

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI PRÓBEK TWORZYW CERAMICZNYCH FORMOWANYCH METODĄ PRASOWANIA

Ocena


Charakterystyka metody prasowania


Metoda formowania przez prasowanie znajduje się w przemyśle ceramicznym bardzo szerokie zastosowanie. W przemyśle ceramicznych materiałów budowlanych według tej metody produkuje się klinkier drogowy i cegłę wapienno-piaskową. W metodzie tej otrzymuje się uformowane i zagęszczone wypraski z masy sypkiej o wilgotności 6-8%, w wyniku jedno- lub stopniowego działania obciążenia ściskającego. Metoda ta wykazuje wiele zalet. Daje możliwość uzyskania wysokiego stopnia zagęszczenia wyprasek, umożliwia formowanie kształtek z mas nieplastycznych, daje wyroby o dobrych właściwościach technologicznych: znacznej wytrzymałości, dużej dokładności wymiarów i ostrości krawędzi. Półprodukt posiada niską wilgotność, co w wielu przypadkach pozwala na wyeliminowanie procesu suszenia. Prasowanie jest metodą formowania charakteryzującą się duża wydajnością, z równocześnie mała ilością powstających odpadów.

Proces formowania przez prasowanie pozwala na szerokie wprowadzenie mechanizacji i automatyzacji. Niedogodnością prasowania są ograniczenia w kształtach formowanych wyrobów. Możliwe jest prasowanie prostych kształtów cylindrycznych, pryzmatycznych i prostopadłościennych, które mogą zawierać wycięcia i otwory o ściankach równoległych do kierunku prasowania. Niemożliwe, ze względu na konstrukcję form, jest prasowanie wyrobów o urozmaiconym kształcie, o zmiennych przekrojach, podcięciach, przewężeniach i otworach nierównoległych do kierunku prasowania. Drugą niedogodnością tej metody formowania jest nierównomierność zagęszczania kształtek wzdłuż kierunku działania siły prasowania. Niedogodność ta narzuca ograniczenia w kształtach i wielkościach wyprasek, szczególnie w stosunku do wymiarów ich wysokości i średnicy. Prasowanie prowadzi się w metalowych formach o bardzo gładkich ściankach. Stosowane są wysokie ciśnienia prasowania, zwykle 20-30 MPa a niekiedy nawet i 100 MPa. Do tego celu służą różnego rodzaju prasy hydrauliczne i mechaniczne.

O prowadzeniu procesu formowania przez prasowanie w znacznym stopniu decyduje kształt i wielkość ziarn proszku. Bardzo drobny proszek trudno się formuje, a w wyrobie występują bardzo często błędy teksturalne. Użycie do prasowania masy złożonej z ziarn grubszych (granul), pozbawionej frakcji najdrobniejszej, znakomicie zapobiega wystąpieniu pęknięć. Wynika stąd konieczność wprowadzenia zabiegi granulowania surowców, zwanego także grudkowaniem, w celu uzyskania masy o pożądanej wielkości, gęstości i kształcie granul. Zależnie od rodzaju surowca wyjściowego i jego pierwotnego rozdrobnienia, można stosować różne metody przygotowania granulatu. Najprostszym sposobem przygotowania granulowanej masy przeznaczonej do prasowania jest jej nawilżenie, a następnie przetarcie w przecieraku sitowym. W miejsce przecieraka może być stosowany gniotownik z perforowaną misą. W obu przypadkach otrzymuje się granulat o szerokim zakresie wielkości grudek, nieznacznej zawartości pyłu i nieregularnych kształtach granul.


Formowanie metodą prasowania

Formowanie przez prasowanie można zdefiniować jako zagęszczenie ziarnistego granulatu, proszku lub innego materia!u ceramicznego, bądź metalicznego za pomoc działania jednokierunkowych lub wielokierunkowych sił zewnętrznych w sztywnych formach, najczęściej stalowych.

Metoda ta pozwala na uzyskanie stopnia zagęszczenia kształtek (z reguły do 60% gęstości teoretycznej), charakteryzujących się dokładnymi wymiarami i symetrycznymi kształtami przy odpowiedniej wytrzyma!o+ci mechanicznej w stanie surowym. Ponadto jest to metoda ekonomiczna ze względu na dużą wydajność i stosunkowo niewielką ilość odpadów w trakcie realizacji procesu. Podczas prasowania występuje wiele zjawisk fizykochemicznych, których mechanizmy nie są jeszcze w pełni poznane, a które w zależności od warunków prowadzenia procesu wpływają na stopień zagęszczenia wyprasek. Jednym z tych powszechnie występujących zjawisk są znaczne siły tarcia wpływające na małe zagęszczenie kształtek. Dlatego też w celu zminimalizowania występowania tarcia w układzie, zwiększenia gęstości i wytrzymałości mechanicznej wyprasek niezbędne jest zastosowanie odpowiednich rozwiązań. Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów wytwarzania wyrobów ceramicznych i zależy ono od wielu czynników tj. rodzaj materiału i wyrobu, kształt i wielkości wyrobu, wilgotności masy ceramicznej, aspekty ekonomiczne itp. W celu uzyskania dużej gęstości wyrobu po procesie spiekania, konieczne jest dobranie odpowiedniego ciśnienia prasowania, zapewniającego stosunkowo jednorodny rozkład gęstości w całej objętości kształtki. Należy zwrócić uwag na rozkład porów w wyprasce, który powinien by rozkładem jednomodalny z niewielkim rozrzutem wielkości porów. Proszki ceramiczne są przeważnie aglomeratami i bardzo często obserwuje się rozkład bimodalny. Dlatego też, aby zmienić niekorzystny rozkład dwumodalny stosuje się duże ciśnienia, które powoduj niszczenie aglomeratów. Prasowaniu poddaje się masy ziarniste, których wilgotność z reguły nie przekracza 15%, w związku z tym można dokonać podziału na prasowanie na „sucho” oraz prasowanie na „mokro”.

W przypadku prasowania na „sucho” stosuje się proszki, których zawartość wilgoci jest nie większa niż 8%, dlatego niezbędne jest dokładne dozowanie granulatu. W technice tej występują stosunkowo duże siły tarcia, dlatego stosuje się ciśnienia prasowania większe niż 30MPa i może by ono realizowane jednostronnie, dwustronnie lub izostatycznie (ciśnienie wywierane jest na granulat ze wszystkich stron jednocześnie). Z kolei w prasowaniu na „mokro” wilgotność masy ceramicznej waha się w przedziale 8-15%, przez co metoda jest w pewnym sensie jedną z technik formowania plastycznego. Ponieważ występujące w układzie siły tarcia są na ogół mniejsze niż w przypadku prasowania na „sucho” stosuje się mniejsze ciśnienia prasowania uwarunkowane między innymi wilgotnością masy. W tym przypadku przeważnie stosuje si prasowanie jednostronne.



Prasowanie jednoosiowe

Prasowanie odbywa się w sztywnych formach składających si z matrycy i stempli, które wywieraj nacisk na granulat przekształcając go w kształtkę. W zależności od sposobu przykładania siły można rozróżnić prasowanie jednostronne (gdy siła prasująca przykładana jest z jednej strony) i dwustronne (nacisk odbywa się z obu stron).

W przypadku prasowania jednoosiowego praktycznie stosuje się ciśnienia nieprzekraczające 350 MPa. Zjawisko występowania gradientu gęstości wzdłuż wyprasowanej kształtki związane jest ze zjawiskiem tarcia występującym pomiędzy ściankami matrycy, a ziarnami proszku.

Im dalej od powierzchni prasowania tym gęstość wypraski jest mniejsza. Dlatego też prasowanie dwustronne jest metod bardziej efektywną. Niedostatki prasowania można zredukować poprzez dobór odpowiednich materiałów na formy do prasowania (zapewniających dużą gładkość ścianek wewnętrznych), zastosowanie odpowiednich parametrów prasowania (ciśnienie prasowania, szybkość prasowania, itd.) oraz poprzez optymalizację właściwości reologicznych formowanych proszków ceramicznych. Zmian właściwości reologicznych proszków granulatów ceramicznych można osiągnąć przez zastosowanie środków poślizgowych (np. stearynian cynku), które dodawane są w oddzielnym etapie technologicznym, co wydłuża czas trwania procesu. Inną metodą jest zastosowanie spoiw polimerowych o ściśle określonej budowie chemicznej [tj. Dyspersje poli(akrylowo-styrenowe), poliuretanowe itd.] i w odpowiedniej ilości.



Rys. 1. Schemat prasowania wraz z uwzględnieniem rozkładu ciśnienia i gęstości względnej: a) jednostronnego i b) dwustronnego.


W przemyśle często stosuje się oba rozwiązania, co powoduje zwiększenie ilości substancji organicznych w masie, wzrost kosztów procesu i wydzielanie się stosunkowo dużych ilości gazów podczas spiekania, co może spowodować występowanie defektów w gotowych wyrobach. Stopień zagęszczenia wyprasek zależy ponadto od stosunku ich wysokości (h) do średnicy (O). Dlatego zarówno w prasowaniu jedno- jak i dwustronnym stosunek h/O jest mniejsza niż 3, a kształtki jednorodne uzyskujemy, gdy h/O < 0,8; co jest sporym ograniczeniem tej metody. Wyrób przed procesem spiekania ma kształt odpowiadający kształtowi, jaki powinien mieć wyrób końcowy jest jednak od niego na ogół proporcjonalnie większy (wyjątkiem jest tzw. spiekanie reakcyjne gdzie materiał ulega spiekaniu bez skurczu). Ponadto jest on stosunkowo słaby mechanicznie i może ulec zniszczeniu wskutek transportu, działania cieczy czy wilgotnej atmosfery.




Przygotowanie mas do prasowania


Do produkcji wyrobów budowlanych formowanych z mas półsuchych metodą prasowania, najodpowiedniejszymi surowcami są mało plastyczne lessy. Czasami stosuje się również gliny wysokoplastyczne w połączeniu z dużą ilością surowca schudzającego, jakim jest często popiół lotny z węgla kamiennego. Ilość wprowadzonego do masy popiołu lotnego może czasami dochodzić nawet do %. Ilość ta zależy od charakteru surowca ilastego. Przy odpowiednio dużej zawartości popiołu lotnego w masie spełnia on rolę surowca podstawowego, natomiast surowiec ilasty pełni funkcję plastyfikatora. W celu określenia optymalnej ilości popiołu wprowadzonego do masy, należy przygotować szereg mieszanek o zmiennej zawartości popiołu, uformować z nich próbki, następnie je wysuszyć i wypalić, a na koniec przeprowadzić badanie podstawowych własności otrzymanego tworzywa. Za optymalną zawartość popiołu należy przyjąć maksymalna. jego ilość wprowadzona, do masy, która gwarantuje otrzymanie pełnowartościowych wyrobów danego asortymentu. Z udziałem surowców ilastych plastycznych i wysokoplastycznych przygotowuje się, masy wieloskładnikowe z dodatkami popiołu lotnego, których składy mogą być następujące:


Powyższe składy są wyrażone w procentach objętościowych. Odmierzanie wymaganej ilości danego składnika masy sposobem objętościowym jest dość kłopotliwe, dlatego wygodniej jest to wykonywać sposobem wagowym. W tym celu należy wyrazić skład mieszanki w procentach wagowych. W pierwszej kolejności musimy obliczyć masę jednego litra mieszaniny o danym składzie. Niezbędna do tego celu jest znajomość ciężaru nasypowego wszystkich składników masy. Wielkość tą należy wcześniej określić doświadczalnie. Przykładowe obliczenia zostaną przeprowadzone dla masy M0 o podanym wyżej składzie.



Suszenie i wypalanie próbek


Próbki otrzymane metoda prasowania z mas półsuchych, ze względu na mała zawartość wilgoci, można poddać przyspieszonemu procesowi suszenia. W tym celu próbki w stanie surowym (bezpośrednio po prasowaniu) należy umieścić w pomieszczeniu z dobra wymiana powietrza, w temperaturze około 25ºC. W takich warunkach próbki powinny przebywać do uzyskania stanu powietrzno-suchego charakteryzującego się tym, ze masa próbki nie ulega większym zmianom, niezależnie od czasu jej przebywania na powietrzu. Próbki wysuszone w temperaturze 105ºC służą do oznaczenia skurczliwości suszenia. W tym celu należy wybrać z każdej masy po trzy walce nie wykazujące widocznych wad i przy pomocy suwmiarki należy zmierzyć ich średnicę z dokładnością do 0.1 mm. Następnie należy obliczyć skurczliwość suszenia S, według następującego wzoru:

gdzie:

Ss – skurczliwość suszenia [%]

dpl – średnica próbki w stanie surowym (średnica wewnętrzna formy), [mm]

ds – średnica próbki w stanie powietrzno-suchym, [mm]


Oznaczenie nasiąkliwości metodą gotowania. Próbki wyrobów przeznaczonych do badania należy wysuszyć do stałej masy w temperaturze 105±5°C i następnie zważyć z dokładnością do 0.01 g. Próbki następnie przenosi się do naczynia i ustawia na podstawkach w taki sposób, aby nie stykały się, ze sobą. Naczynie i podstawki winny być wykonane z materiałów nie ulegających korozji. Ustawione w naczyniu próbki zalewa się wodą o temperaturze pokojowej tak, aby powierzchnia lustra wody znajdowała się stale co najmniej 5 cm nad próbkami. Następnie wodę należy podgrzewać z taką szybkością, aby w ciągu jednej godziny doprowadzić ją do wrzenia i w tym stanie utrzymywać przez następne 4 godziny.


m10 = 673,2g

%

%

%

%



Wnioski


W próbkach przygotowanych metodą prasowania zawierających 100% surowca ilastego odnotowano ubytki masy podczas procesu suszenia, a następnie podczas procesu wypalania. Spadek ten związany jest z malejącą zawartością wody w próbkach. Po wypaleniu próbki stały się nieplastyczne oraz miały jednolitą barwę. Brak jakichkolwiek pęknięć oraz uszkodzeń mechanicznych świadczy o poprawności wypalenia oraz wcześniejszego przygotowania próbek. Gęstość próbek waha się w granicy 1,8 g/cm3 ale nie zaobserwowano wyraźnych odstępstw od podanej wartości.

Próbki 1-4 został poddane sprawdzeniu wytrzymałości na ściskanie. Wyniki mają różne, w stosunkowo zbliżone do siebie wartości w zakresie od kN. Próbki miały wysoką średnią wytrzymałość, co daje zadowalające wyniki.

Próbki 5-6 zostały poddane absorpcji na zimno, natomiast 7-8 absorpcji na gorąco. Okazuje się że podczas wchłaniania na gorąco większa ilość wody zostaje zaabsorbowana do wnętrza próbki. Jednakże różnica nie jest bardzo wysoka wynosi około 3%

Próbki 9 oraz 10 zostały użyte do sprawdzenia szkodliwego wpływu soli rozpuszczalnych. Obydwie próbki wykazały wynik dodatni gdyż nie zaobserwowano ich uszkodzeń pojawił się jedynie drobny nalot na spodzie próbki 9.

Nr próbki

wf [%]

V [cm3]

ρ [g/cm3]

Sw [%]

Fc [kN]

fB [MPa]

Cwz [%]

Cwg [%]

1

8.99

32.44

1.8

4.25

76.2

81.79

-

-

2

9.08

31.16

1.84

5.09

58.39

63.78

-

-

3

9.35

32.49

1.76

3.09

65.06

68.16

-

-

4

9.29

33.53

1.71

2.86

86.2

89.9

-

-

5

9.23

31.21

1.83

-

-

-

5.2

-

6

9.33

30.59

1.88

-

-

-

6.73

-

7

9.47

29.91

1.92

-

-

-

-

6.36

8

9.5

29.96

1.92

-

-

-

-

9.09

9

9.65

30.56

1.89

-

-

-

-

-

10

9.61

31.5

1.83

-

-

-

-

-

Wartość

średnia

9.35

31.34

1.84

3.82

71.46

75.91

5.97

7.72

Tabela 1. Zestawienie wyników


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron