УДК 666.263.2

Туленбаев Ж. С.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, Казахстан

Кварцевая керамика с щелочными связками

Одним из средств регулирования состава связки является применение добавок окислов металлов, замедляющих или ускоряющих процесс образования стеклофазы. В работе приводится результаты экспериментального исследования влияния добавок окислов метал­лов на свойства кварцевых керамических материалов на силикатной связке. Окислы металлов выбирались как по принципу их особой роли в процессах стеклообразования, так и по принципу их наличия в применяемом сырье. Было исследовано влияние добавок содержащих окислов K2O, Na2O, CaO, MgO, Al2O3, Fe2O3 в количестве 1% и обжиге, 1000°C. В состав шихты вводились УКС dср =0,9мм – 68%, молотый песок (уд.пов.-3000см/г) – 28%. По результатам экспе­риментов можно сделать следующие выводы:

1. Применение добавок окислов СаО и MgO существенно снижает  прочность и химическую стойкость материала.

2. Отмечается существенное увеличение прочности образцов, снижение водопоглощения при сравнительно высокой кислотостойкости в случае применения добавок окислов  K2О и осо­бенно окисла Na2O. Эти окислы способствуют уплотнению черепка за счет увеличения количества стеклофазы, причем в существенно большей мере, чем применение тонкомолотой добавки.         Обычно определение состава шихты с целью получения высокой плотности либо других свойств материалов производят экспериментальным путём. Для сокращения количества экспериментов используются методы планирования экспериментов. Подход к решению задачи оптимизации в системе "состав - свойство", основанный на применении методов математического планирования экспериментов, является универсальным. И, как всякий универсальный подход, при определённых условиях может оказаться излишне трудоёмким.

         Так как изучаемый материал по макроструктуре представляет собой частицы из ФКС, связанные между собой остекло­ванными спайками либо из более сложных родст­венных соединений и по соображениям экономии связки удельная объёмная доля связки невелика, можно предполагать, что

а) усадка при обжиге будет малой,

б) плотность материала после обжига мало будет отличаться от дообжиговой.

         А поскольку шихта в основном состоит из твёрдых частиц кварцевых пород, смоченных связывающими мало сминающихся при прессовании, плотность материала в боль­шой степени определяется плотностью упаковки частиц в сухом виде. Закономерности упаковки сухих сыпучих тел неоднократно изуча­лись специалистами в области порошковой металлургии, керамики, в строительном деле. Наиболее изученными и дающими высокие плотности является смеси со ступенчатым зерновым составом с границами отдельных фракций, определяемыми размерами отверстий смеж­ных сит из стандартной шкалы сит.

         Для двухфракционных смесей, если в качестве меры соотношения фракций выбран коэффициент

   

где  – объемы грубой и мелкой монофракций;

        – коэффициенты заполнения объёма монофракций, и отношение средних диаметров частиц монофракции n>50, зависимость относительного объёма смеси  описывается выражением

  

здесь mн - аргумент точки минимума относительного объёма смеси

  

Определение mн, aмин, Kмакс может быть произведено при помо­щи известной графической процедуры.

         Для смесей при   n < 50 на основании изучения эксперимен­тальных кривых зависимости а от т   предложена аппроксимирую­щая функция с параметром, определяемый в зависимости от амин в свою очередь получаем из выражения  где Кмакс как это следует из работ Айера и Соппета, определится выражением.

.

         Здесь  A,B - коэффициенты, определённые экспериментально, зависящие от формы частиц смешиваемых фракций. Для сферических частиц А=1,16, В=0,201; для частиц округлой формы А=2,34, В=0,411. Громоздкость аппроксимирующей функции вызвала необходимость использования ЭЦВМ для расчета зависимости а от т. Разрабо­тана программа для, при помощи которой производится расчет 50 точек искомой кривой. В результате расчета легко определяется минимальный относительный объем смеси, оптимальный фракционный состав и допуски на фрак­ционный состав смеси. Автором был проведен ряд экспериментов по смешиванию монофракций и системе ФКС-молотый ФКС, резуль­таты которых хорошо согласуется с расчетными данными.

         Показано, что предложенная процедура расчета зависимости а от т может быть применена и для расчета диаграммы трехфракционной смеси. При этом для случая больших п1 и п можно также воспользоваться излагаемым в работе графическим методом построения диаграммы трехфракционной смеси. При малых соотношениях   n и n1 (n < 40, n1 < 8-10) рекомендуется воспользоваться упомянутым методом расчета на ЭЦВМ для двухфракпионной смеси вначале по границе диаграммы (линия грубая-средняя фракция), затем для группы точек на этой линии можно определить исходные данные для последую­щих расчетов для ряда двухфракционных смесей, одна из фракций которых представляет собой смесь грубой и средней монофракций, другая - мелкую монофракцию. При этом положение любой точки диаграммы (рисунок 2) удобно описывать парой коэффициентов m1 и m2, где m1 - доля средней фракции в смеси грубой и средней фрак­ций и m2 - доля мелкой фракции в трехфракционной смеси.

         Отношение среднего диаметра частиц смеси грубой и средней монофракций к среднему диаметру частиц мелкой монофракции, необходимое для расчетов диаграммы трехфракционной смеси определяется как  .

         По результатам расчетов на диаграмму наносятся линии уровня, по которым определяются оптимальный фракционный состав и относительный объём смеси, а также допуски на фракционный состав.

         Следует отметить, что погрешность расчетов, которая оценивается как вполне приемлемая, существенно возрастает при нестро­гим выполнении условий применимости предлагаемых методов в частности, мри расширении границ монофракций (приближение к непрерывному фракционному составу), при весьма малых отношениях сред­них диаметров частиц монофракций  В работе приведены примеры расчетов в том числе и используемые для разработанных составов шихты кислотостойкой кварцевой керамики на фосфатной связке.

         В известных работах, где изучались закономерности упаковки частиц, не затрагивался вопрос о выборе оптимального отношения средних диаметров частиц, о наличии которого можно судить на основании существования зависимости коэффициента заполнения объёма монофракций от абасалютных размеров частиц. Эта зависимость изучалась Айером и Соппетом и может быть описана выражением  

 где   С – коэффициент, определяемый экспериментально;

         n – отношение средних диаметров исходной и измельченной монофракций. С увеличением n условия упаковки улучшаются, а коэффициент заполнения мелкой фракции снижается, что при опи­сании коэффициента заполнения двухфракционной смеси выражением

 

позволяет найти экстремум при

   Для округлых частиц (A=2,34, B=0,411, C=0,0123, K=0,635, d1= 3мм) получено n=13,3, Ксм2 =0,854; причем максимум выражен слабо (при n=8, Kсм2=0,841; при n=18, Kсм2=0,850).

   Аналогичные исследования, проведенные для трехфракционной смеси на основании выражения

 

позволили на плоскости nn1 очертить области, где введение третьей промежуточной фракции целесообразно, то есть , а также позволили определить линии и точки экстремальных значений Ксм3. Анализ результатов расчета позволяет утверждать, что введение третьей промежуточной фракции целесообразно, если обеспечивается отношение средних диаметров частиц грубой и мелкой фракций свыше 25 для частиц сферической и свыше 20 для частиц округлой и угловатой формы;

 введение промежуточной фракция либо бесполезно, либо приводит к снижению коэффициента заполнения объёма трехфракционной смеси при .

         Оптимальное значение n1 для частиц различных форм в области n > 20 может быть определено как  

при d1 = 3мм максимальной плотности смеси соответствуют области  и  для угловатых частиц  и  для округлых частиц (Ксм3 =0,912). В смеси сферических частиц так как С=0, Ксм3 с повышением n и n1 асимптотически возрастает к максимальному значению Kсм3=0,954.

         Проведено изучение особенностей применяемого сырья, найдено, что частицы песка и молотого песка можно считать имеющими округлую форму. Изучено распределение частиц по размерам до и после помола. Проведены расчеты, демонстрирую­щие применение расчетных методов, и эксперименты с получением образцов кварцевых керамических материалов на фосфатной связке.

         Изучение результатов экспериментов позволяет отметить, что расчетная пористость близка, но всегда выше величины измеренного водопоглощения образцов, что объясняется наличием закрытых пор.  Различие между расчетной пористостью и водопоглошением обожжен­ного образца возрастает в случае применения нерассеянного песка, что также объясняется увеличением количества закрытых пор. Расчетные объёмные веса образцов отличались от измеренных на 2-3%, что может свидетельствовать как о погрешностях расчетов и измерений, так и о наличии усадки при обжиге.

         Таким образом, расчетные методы обеспечивают достаточную для практических  целей точность результатов, так как основаны на предварительном экспериментальном изучении законов смешивания частиц. Появление существенных ошибок может свидетельствовать о высокой степени усадки материала, приводящей к повышенной плот­ности. Этот механизм уплотнения не охватывается используемой математической моделью.

         На основании проведенных расчетов рекомендованы составы, обеспечивающие максимальную плотность кварцевых керамических материалов.

Литература

1.    Полубояринов Д.Н. Химическая технология керамики и огнеупоров. М., Стройиздат, 1972.

2.    Полубояринов Д.Н., Попильский Р.Я. Керамика из высокоогнеупорных оксилов М., Металлургия, 1977.