Ćwiczenie I

Przygotowanie mas ogniotrwałych i zaformowanie próbek

1. Cel ćwiczenia

Przygotowanie mas ogniotrwałych, sposoby ich formowania oraz oznaczenie

wybranych właściwości otrzymanych próbek.

2. Wprowadzenie - definicje i pojęcia

Pierwszą, podstawową czynnością przy przygotowaniu mas jest ich zestawienie, czyli

odpowiednie dobranie jej składników. Dokonujemy tego w oparciu o dwa kryteria: skład

chemiczny i skład ziarnowy surowców.

• skład chemiczny surowców - podaje procentową zawartość głównych składników tlenkowych oraz domieszek.

Znając skład chemiczny poszczególnych surowców tak dobieramy ich proporcje ilościowe, aby w procesach zachodzących podczas wypalania otrzymać fazy mineralne, które chcemy uzyskać w gotowym wyrobie, gdyż to właśnie skład fazowy warunkuje uzyskanie odpowiednich właściwości wypalonego materiału.

• skład surowcowy mas - podaje procentowe udziały poszczególnych surowców.

• skład fazowy - określa rodzaj oraz ilość faz występujących w gotowym wyrobie.

Drugim ważnym kryterium jest skład ziarnowy surowców, który ma bezpośredni wpływ na zwartość wypalonego tworzywa.

• skład ziarnowy surowców - określa wielkość ziaren oraz udziały procentowe poszczególnych frakcji ziarnowych.

Uziarnienie mas kształtuje możliwość zagęszczenia wyrobów podczas dalszych operacji takich jak: formowanie, suszenie, wypalanie. W zależności od rodzaju masy na wyroby ogniotrwałe oraz ich przeznaczenia rozmiary ziaren największych mogą w nich sięgać nawet 8÷10 mm. Dla mas gruboziarnistych dobór właściwych frakcji oraz ich proporcji ilościowych decyduje o porowatości tworzywa oraz wszystkich innych parametrach charakteryzujących jego porowatą teksturę, co w konsekwencji ma wpływ na zależne od nich właściwości użytkowe, jak np. wytrzymałość na różne rodzaje naprężeń mechanicznych czy odporność korozyjną. Monofrakcyjny materiał po nasypaniu do formy zawiera 25÷50% pustek. Pustki te mogą być wypełnione ziarnami drobniejszymi. Porowatość układu monoziarnowego można zmniejszyć przez dodanie ziaren drobniejszych, które wypełniać będą pustki pomiędzy ziarnami grubymi (rys.1). Masy na wyroby zwarte zestawia się z szeregu, zwykle z co najmniej trzech, frakcji ziarnowych: grubej, średniej i drobnej. Inaczej jest w przypadku niektórych porowatych tworzyw, od których wymaga się dobrej przepuszczalności dla gazów. Masy takie zwykle zestawia się z jednej wąskiej frakcji ziarnowej, a wielkość uziarnienia zależy od przeznaczenia wyrobu. Stosowanie zróżnicowanych frakcji ziarnowych wynika także i z innych powodów. Grube ziarna zapobiegają nadmiernej skurczliwości materiału podczas suszenia i wypalania, pozwalając uzyskać wyroby o stałych wymiarach, co jest niezwykle ważne z punktu widzenia użytkownika.

Rys.1. Diagram teoretycznych objętości mieszanin dwu frakcji cząstek kulistych.

W postaci grubych ziaren wprowadzamy często do materiału składnik lub składniki, które nadają tworzywu odporność na działanie chemiczne, czyli odporność korozyjną. Ponadto, ziarna te stanowiąc jakby szkielet tworzywa, nadają mu większą wytrzymałość mechaniczną. Z drugiej strony najdrobniejsze ziarna są najbardziej reaktywne, a więc podczas wypalania zachodzące w nich procesy fizykochemiczne osiągają najwyższy stopień zagęszczenia, a nawet dochodzą do stanu bliskiego równowagi termodynamicznej. Z tych najdrobniejszych frakcji surowcowych właśnie często też powstaje faza ciekła, przyspieszająca zachodzenie przemian fizykochemicznych, takich jak reakcje syntezy minerałów, przemiany polimorficzne czy spiekanie. Ponadto, po zastygnięciu w postaci masy szklistej, faza ta stanowi spoiwo większych agregatów ziarnowych, wpływając na wytrzymałość mechaniczną tworzywa.

• zestawienie masy - odmierzenie odpowiednich ilości składników masy w sposób wagowy lub objętościowy. Przy stosowaniu namiaru wagowego surowce muszą mieć ściśle określoną i dobrze znaną wilgotność.

• homogenizację masy - przeprowadza się przez mieszanie, mając na celu uzyskanie jednorodności masy.

Podstawowym warunkiem prawidłowego przygotowania masy jest uzyskanie jej jednorodności, zarówno pod względem składu surowcowego, uziarnienia jak i wilgotności. Zasadniczo rozróżniamy dwa rodzaje mieszania materiałów sypkich: samoczynne i wymuszone.

• mieszanie samoczynne - opiera się na ruchu własnym materiału pod wpływem sił ciężkości oraz sił odśrodkowych w pojemniku rotacyjnym.

• mieszanie wymuszone - najczęściej stosowane, polega na zastosowaniu ruchomych

elementów mieszających (łopatki, ślimaki, koła bieżne czy zgarniacze).

Odpowiedni dobór tych urządzeń pozwala na uzyskanie dobrej homogenizacji masy nie doprowadzając do zaburzenia założonego składu ziarnowego ( bez domielenia grubszych ziaren). W przypadku mas gruboziarnistych frakcję najdrobniejszą (gliny surowe, kaolin) wprowadza się do mieszadeł w postaci gęstwy, to jest wodnej zawiesiny. Dodaje się ją po wstępnym wymieszaniu frakcji grubszych. Taki sposób postępowania powoduje, że gęstwa pokrywa cienką błonką poszczególne ziarna, co zapewnia równomierne rozprowadzenie najdrobniejszych ziaren w masie. W ten sposób eliminuje się też możliwość tworzenia się granul z tych najdrobniejszych ziaren w zetknięciu z wilgocią, jaka występuje gdy podawane są one w postaci suchej. Wiele dodatków, takich jak topniki czy mineralizatory także wprowadza się w postaci zawiesin lub roztworów wodnych, które należy wstępnie przygotować. Masy ceramiczne, przygotowane do formowania w zależności od ich wilgotności można podzielić na trzy zasadnicze rodzaje:

• masy lejne, zawierające 15÷ 35% H₂O,

• masy plastyczne, o zawartości 15÷ 22% H₂O,

• masy sypkie, zawierające do 12% H₂O.

Jest to podział tradycyjny, obecnie przy zastosowaniu odpowiednich upłynniaczy możemy przy tej samej, nawet niewielkiej zawartości wody, uzyskać masy o właściwościach odpowiednich do przyjętej metody formowania. Niektóre masy formuje się bez użycia wody, stosując odpowiednie plastyfikatory np. smołę bezwodną czy żywicę, a także parafinę i woski (przy formowaniu termoplastycznym). Zjawiska zachodzące przy formowaniu mas ogniotrwałych o różnej konsystencji i wilgotności można rozpatrywać jako układ cząstek stałych - wody (inna ciecz lub plastyfikator) - powietrza, znajdujący się pod niewielkim naciskiem jednostkowym, co odpowiada warunkom formowania z mas plastycznych (diagram Nortona, rys. 2). Całkowitą objętość wyjściową suchej masy, stanowi objętość cząstek stałych i objętość powietrza wypełniającego pory pomiędzy ziarnami (pkt. A -objętość suchej masy). W miarę wprowadzania wody do układu (zarabiania masy), powietrze w porach jest stopniowo zastępowane przez wodę; całkowita objętość masy (gruba linia na rys.2) ulega zmniejszeniu dzięki bardziej ścisłemu ułożeniu ziaren (woda zmniejsza wzajemne tarcie). W punkcie B zwanym krytycznym, pory są całkowicie wypełnione wodą; masa osiąga minimum objętości pod danym ciśnieniem. Dalsze dodawanie wody powoduje tworzenie się otoczek wodnych wokół ziaren (wzrost objętości masy) aż do pkt. nasycenia C, poza którym otoczki uzyskują maksymalną grubość dla danego ciśnienia; wilgotność ta zwana jest górną granicą plastyczności. Dalsze dodawanie wody powoduje, że masa zachowuje się jak ciecz o dużej lepkości - masa staje się lejną. Na diagramie Nortona masy sypkie (suche i półsuche) mają składy leżące na linii A-B, co oznacza, że pory są częściowo wypełnione powietrzem i wilgocią. Zakres B - C odpowiada przedziałowi właściwości plastycznych, w którym masa nadaje się do formowania. Przy zastosowaniu wyższych ciśnień formowania dzięki bardziej zwartemu ułożeniu ziaren zmniejsza się objętość porów: pkt. A, pkt. krytyczny B jak i pkt. nasycenia C, ulega przesunięciu w lewo do pozycji: A', B', C', ku mniejszej zawartości wody zarobowej.

Rys. 2. Diagram: cząstki stałe - woda - powietrze.

Zasadniczą funkcją operacji formowania z mas plastycznych jest uzyskanie wyrobu o określonym kształcie i wymiarach. W przypadku wyrobów z mas sypkich, zawierających niewielką ilość wody, dodatkowym celem operacji formowania jest dążenie do maksymalnego zagęszczenia tworzywa. W tym celu stosuje się odpowiednio wysokie naciski na formowaną masę, powodując przemieszczanie się ziaren i lepsze ich upakowanie. Istnieje wiele metod formowania, a wybór najwłaściwszej z nich zależy od rodzaju masy oraz od jej wilgotności ( tabela 1).

Tabela 1. Metody formowania wyrobów ceramicznych

Rodzaj masy	Sposób formowania	Kształt wyrobów	Rodzaj wyrobów
Sypka: półsucha, sucha	Prasowanie ciśnieniowe	prosty	kształtki ogniotrwałe, płytki: ścienne i posadzkowe
				skomplikowany	porcelana elektro- i radiotechniczna
		Prasowanie izostatyczne	dowolne	ogniotrwałe i techniczne wyroby specjalne
		Ubijanie	prosty	materiały ogniotrwałe, prefabrykaty budowlane
		Wibrowanie	prosty skomplikowany	materiały ogniotrwałe, prefabrykaty budowlane
	Plastyczna	Wyciskanie (ciągnienie)	dowolny profil poprzeczny	cegła budowlana, płyty, rury, pręty ceramiczne
		Dotłaczanie	prosty lub mało skomplikowany	kształtki ogniotrwałe, cegły budowlane, dachówki, kafle, izolatory
		Wtłaczanie (wtryskiwanie)	prosty lub skomplikowany	ceramika techniczna z mas termoplastycznych
		Ręczne ( różne sposoby)	skomplikowany i duże formaty	skomplikowane kształtki ogniotrwałe, duże formaty, wyroby kwasoodporne - sanitarne i dla przemysłu chemicznego o skomplikowanym lub dużym kształcie (np. zbiorniki, parownice)
		Toczenie lub obtaczanie	regularny, obrotowy	naczynia stołowe, cylindry, doniczki, tygle itp.
Ciekła ( lejna)	Odlewanie	dowolny	naczynia stołowe, ceramika sanitarna, elektrotechniczna i laboratoryjna

3. Przebieg ćwiczenia

W oparciu o skład chemiczny oraz ziarnowy surowców zestawiamy masy ogniotrwałe: szamotowe, wysokoglinowe, magnezjowe o tak dobranych proporcjach ilościowych surowców aby uzyskać wyroby o założonym składzie fazowym i zwartości.

Urządzenia wykorzystane przy pomiarach: naczynia pomiarowe, miski plastykowe, waga laboratoryjna, cylinder miarowy, mieszadło laboratoryjne, stalowe formy do formowania próbek prostokątnych i walców, suwmiarka, suszarka laboratoryjna, eksykator.

1. Masa szamotowa plastyczna.

Surowce:

• glina ogniotrwała w gatunku G1 o uziarnieniu < 0,06 mm,

• palonka szamotowa (szamot) o uziarnieniu < 2 mm,

Przygotowanie masy:

Surowce odmierzamy w stosunku 1:1 objętościowo. W naczyniu pomiarowym, odmierzamy kolejno jedną objętość palonki szamotowej (1/4 litra) oraz jedną objętość gliny ogniotrwałej (1/4 litra), które wsypujemy do miski i mieszamy ze sobą łyżką porcelanową ruchem okrężnym aż do czasu uzyskania jednolitego koloru suchej masy. Do ujednorodnionej mieszaniny surowców stopniowo dodajemy z cylindra miarowego wodę i wyrabiamy ręcznie masę, tak aby nastąpiło dokładne rozprowadzenie wody w masie i nie było grudek oraz zbrylowanych cząstek, zapisując ilość dodanej wody. Dozowanie wody prowadzimy aż do uzyskania odpowiedniej wilgotności oraz plastyczności masy, to jest do momentu gdy masa łatwo zmienia swój kształt pod niewielkim naciskiem, nie zmienia kształtu pod wpływem siły ciężkości. Plastyczność zarobionej masy zwiększamy przez uderzanie jej o stół laboratoryjny.

Formowanie próbek z mas plastycznych:

Próbki formujemy ręcznie w kształcie płytek o wymiarach 100 x 50 x 20 mm lub walców o średnicy i wysokości równej 50 mm. Odpowiednią ilość masy umieszczamy w prostokątnych formach wysmarowanych olejem formierskim a następnie dłonią wypełniamy dokładnie całą formę. Powierzchnie przykrywamy wilgotnym płótnem i uderzamy 10-krotnie młotkiem gumowym w celu dokładnego wypełnienia formy przez masę. Po zaformowaniu ścinamy cykliną nadmiar masy i wygładzamy jej powierzchnie. Próbkę wyciskamy stemplem i następnie oznaczamy wzdłuż przekątnych odcinki 10 cm za pomocą szablonu metalowego. Walce formujemy ręcznie najpierw wstępnie nadając masie kształt walca o mniejszej średnicy niż forma, który wkładamy do wysmarowanej olejem formy i wkładamy stempel do formy uderzając 10 razy młotkiem gumowym o górną podstawę stempla, następnie wyjmujemy zaformowany walec z formy, mierzymy suwmiarką jego średnicę i wysokość a następnie suszymy w suszarce w temp. 105 -110°C.

2. Masa szamotowa sypka

Surowce:

• glina ogniotrwała w gatunku G1 o uziarnieniu < 0,06 mm

• palonka szamotowa o uziarnieniu poniżej 2 mm,

Przygotowanie masy:

Surowce: glinę ogniotrwałą i szamot odmierza się objętościowo w stosunku ( ½ l szamotu i 1/8 l gliny). Do miski wsypujemy całość szamotu. Natomiast z połowy ilości pobranej gliny (1/16 l) przygotowuje się tzw. gęstwę dodając stopniowo wodę aż do uzyskania wodnej zawiesiny o konsystencji gęstej śmietany, którą dodaje się do misy z szamotem i rozprowadza równomiernie na powierzchni ziaren składnika schudzającego. Po ujednorodnieniu dodaje się resztę zmielonej gliny (1/16 l), rozprowadzając ją równomiernie na powierzchni szamotu nawilżonego gęstwą. Właściwie przygotowana masa sypka ściśnięta w dłoni wykazuje dość dobrą zwartość, a po podrzuceniu ma się rozsypać.

Formowanie próbek z sypkich mas szamotowych:

Próbki formujemy mechaniczne na prasie hydraulicznej w formach stalowych w postaci walców. Odpowiednią ilość masy zasypujemy do formy stalowej posmarowanej olejem formierskim. Zakładamy stempel górny i 3-krotnie uderzamy w celu wstępnego zagęszczenia. Następnie formę ustawiamy centrycznie na podstawie dolnego tłoka prasy i dokręcamy górny tłok aż do zetknięcia z górnym stemplem formy. W pierwszej kolejności formujemy w ten sposób walec próbny dobierając nacisk główny tak aby końcowe ciśnienie jednostkowe wynosiło 50 MPa z szybkością wzrostu ciśnienia około 0,5 MPa/s i wstępnym odpowietrzeniem próbki po 20% założonego ciśnienia prasowania. Z walca tego obliczamy potrzebną ilość masy do otrzymania próbek o średnicy i wysokości równej 50 mm. Następnie formujemy próbki przy założonym ciśnieniu z jednoczesnym ich odpowietrzeniem. Mierzymy wysokość i średnicę zaformowanych próbek i suszymy w suszarce w temperaturze 105 -110°C.

3. Masa magnezjowa.

Surowce:

• klinkier magnezjowy,

• ług posiarczynowy, woda

Sporządzenie masy należy wykonać z klinkieru magnezjowego o zawartości następujących frakcji ziarnowych:

• 28 % poniżej 0,01mm,

• 37% frakcji ziarnowej 0 ÷ 2,0 mm,

• 35% frakcji ziarnowej 2,0 ÷ 4,0 mm.

Przygotowanie masy:

Frakcje ziarnowe odważamy w odpowiednich proporcjach na wadze laboratoryjnej. Odważone składniki miesza się w mieszadle laboratoryjnym przez okres 10 ÷ 30 min w następującej kolejności;

• frakcje 2 ÷ 4,0 i 0 ÷ 2,0 mm miesza się przez okres 10 min.

• zwilżamy masę wodą w ilości 2% i mieszamy 2 min,

• dodajemy 1,5% ługu posiarczynowego i ponownie mieszamy 5 min.

• Po tym czasie, dodajemy frakcję najdrobniejszą poniżej 0,01 mm i mieszamy ÷ 15 min.

Formowanie próbek z masy magnezjowej:

Z przygotowanej masy formuje się na prasie hydraulicznej próbki w kształcie walców o wysokości i średnicy równej 50 mm, stosując nacisk 100 MPa. Formowanie przebiega dwustopniowo:

I etap - dwukrotne odpowietrzenie próbek - po uzyskaniu 1/5 i 1/3 końcowego nacisku,

II etap - właściwy nacisk - stosując ciśnienie 100 MPa.

Po zaformowaniu mierzymy wysokość i średnicę zaformowanych próbek, które następnie suszy się w temp. 105-110°C.

1. Masa wysokoglinowa.

Surowce:

• boksyt spiekany,

• glina surowa G1,

• ług posiarczynowy, woda.

Sporządzenie masy należy wykonać z surowców o następującej zawartości frakcji ziarnowych:

• 45 % boksytu o uziarnieniu 1,0÷ 3,0 mm, poniżej 0,01mm,

• 20 % boksytu o uziarnieniu 0 ÷ 1,0 mm frakcji ziarnowej 0 ÷ 2,0 mm,

• 30 % boksytu o uziarnieniu o uziarnieniu < 0,1 mm,

• 5% gliny surowej G1 < 0,1 mm.

Przygotowanie masy:

Frakcje ziarnowe surowców w odpowiednich proporcjach odważamy na wadze laboratoryjnej . Odważone składniki miesza się na sucho w mieszadle laboratoryjnym przez okres 30 min. W pierwszej kolejności miesza się:

• frakcje gruboziarniste o uziarnieniu 0 -1,0 mm i 1,0 -3,0 mm przez okres 10 min,

• następnie zwilża się masę wodą w ilości 2% i miesza przez okres 2 min,

• dodaje się 1,5% ługu posiarczynowego i ponownie miesza przez 3 min,

• dodaje drobnoziarnistą frakcję boksytu oraz gliny surowej i miesza przez 10 ÷15 min.

Formowanie próbek z masy wysokoglinowej:

Z przygotowanej masy formuje się na prasie hydraulicznej próbki w kształcie walców o wysokości i średnicy równej 50 mm, stosując nacisk 80 MPa.

Formowanie przebiega dwustopniowo:

I etap - dwukrotne odpowietrzenie próbek , po uzyskaniu 1/5 i 1/3 końcowego nacisku,

II etap - właściwy nacisk , stosując ciśnienie 80 MPa.

Po zaformowaniu mierzymy wysokość i średnicę próbek, które następnie suszy się w temp. 105-110°C.

Oznaczenie wybranych właściwości mas i próbek:

● Oznaczenie ciężaru nasypowego polega na zważeniu cylindra pomiarowego o objętości 1l oraz zważeniu określonej objętości surowca, luźno nasypanego z wysokości 10 cm do cylindra pomiarowego.

● ciężar nasypowy obliczamy z zależności:

, [kg/m³]

gdzie: a - masa cylindra pomiarowego [kg],

b - masa surowca wraz z cylindrem pomiarowym [kg],

V - objętość cylindra pomiarowego [m³],

c = b - a, masa surowca [kg],

● Wodę zarobową obliczamy z zależności:

, [%]

gdzie: a - masa próbki po zaformowaniu [g],

b - masa próbki po wysuszeniu [g],

● Skurczliwość suszenia obliczmy z zależności:

, [%]

gdzie: l_p - średnica, wysokość walca lub długość odcinka zaznaczonego na przekątnej płytki (po zaformowaniu),

l_s - średnica, wysokość walca lub długość odcinka zaznaczonego na przekątnej płytki (po wysuszeniu)

IV. Opracowanie wyników.

Otrzymane wyniki oznaczeń należy zestawić w tabelach 2 i 3. Tabela 2 należy wykonać oddzielnie dla poszczególnych mas, czyli dla szamotowej masy plastycznej, szamotowej masy sypkiej, magnezjowej, wysokoglinowej

Tabela 2 Właściwości próbek po zaformowaniu, po suszeniu i po wypaleniu

Pomiar

Skurczliwość

1

2

3

4

5

Średnia z pomiarów

po wysuszeniu

po wypaleniu

Woda zarobowa

Wymiary i masa próbek po zaformowaniu

płytka

Przekątna [mm]

Masa [g]

walec

Średnica [mm]

Wysokość [mm]

Masa [g]

Wymiary i masa próbek po suszeniu

płytka

Przekątna [mm]

Masa [g]

walec

Średnica [mm]

Wysokość [mm]

Masa [g]

Wymiary i masa próbek po wypaleniu

płytka

Przekątna [mm]

Masa [g]

walec

Średnica [mm]

Wysokość [mm]

Masa [g]

Tabela 3 Oznaczenie masy nasypowej surowców

	Oznaczenie masy nasypowej surowców
		Masa surowców [kg/m^3]
		a [kg]	b [kg]	v [L]	G [kg/m^3]
Szamot
Glina surowa
Klinkier magnezjowy
Boksyt

Literatura

[1] F. Nadachowski, „Zarys technologii materiałów ogniotrwałych” Ślaskie Wydawnictwo Naukowe Katowice 1995

---