Приготовление литейной массы (шликеров)

Свойства шликеров. Шликером называют устойчивую суспензию, состоящую из тонкодисперсной (твердой), дисперсионной (жидкой) и газообразной фаз. Шликер предназначен для изготовления изделий литьем в гипсо­вых формах. Он должен удовлетворять следующим требованиям: иметь заданный химический и минерало­гический состав, обладать необходимой подвижностью (текучестью) при минимальном содержании воды, иметь минимальную загустеваемость, не содержать га­зовых пузырьков и не вспениваться при отливке; быть устойчивым против расслаивания при длительном хра­нении; отличаться высокой фильтрующей способностью для быстрого образования стенки изделия на поверх­ности гипсовой формы; обеспечивать достаточную проч­ность изделий после отливки и сушки; иметь усадку, необходимую для выемки изделий из формы в макси­мально короткий срок, без растрескивания.

Твердая часть шликера находится во взвешенном состоянии в жидкой среде. В такой системе связь меж­ду частицами осуществляется действием ван-дер-вааль-совых молекулярных сил и сил поверхностных зарядов частиц, действующих через тончайшие пленки воды, по­крывающей их поверхность. При этих условиях свойства водных пленок определяют структурно-механические свойства шликеров. От состояния связи воды с части­цами твердой фазы и адсорбционных свойств последних зависят такие свойства шликеров, как текучесть, ста­бильность, водосодержание и др.

Поверхность частиц твердой фазы является электри­чески активной, способной притягивать, а затем адсор­бировать из дисперсионной среды ионы. Глинистая ча­стица проявляет наибольшую активность. Имея отри­цательный заряд на своей поверхности, создающий вокруг нее силовое поле, глинистая частица в чистой воде адсорбирует ее молекулы, которые своими положи­тельными сторонами ориентируются в силовом поле по направлению к отрицательному заряду поверхности гли­нистой частицы. Так образуется мономолекулярный, а затем и полимолекулярный слой ориентированных моле­кул воды (сольватная оболочка). Эта вода удерживает­ся у поверхности глинистых частиц под воздействием ее электрического поля и называется прочносвязанной во­дой. В слое толщиной до 5 мкм она не подчиняется законам гидростатики, ее плотность достигает 1, 28— 1, 4 г/см3 (у каолинов 1, 065, у глин 1, 114 г/см3) ввиду того, что вода находится в сжатом состоянии под дав­лением до 300 МПа. Теплоемкость прочносвязанной воды составляет всего 29, 3 кДж/кг-град, а температура замерзания понижается до —70° С. Прочносвязанная вода не растворяет вводимые в шликер вещества, не об­ладает электропроводностью.

В реальных условиях в системе глина — вода послед­няя всегда имеет ионы растворенных солей, катионы ко­торых, имея свои водные оболочки, способны замещать ионы водорода сольватных оболочек глинистых частиц, образуя вокруг последних сорбированный комплекс. Ко­личество сорбированных катионов зависит от природы глин, являясь для каждой глины постоянной величиной, и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г сухой глины (у каолина около 6, огнеупорных глин около 14, бентонитов около 60). По степени активности в процессах обменной адсорбции катионы располагают­ся в ряд:

Zi+ > Na+ > К+ > Mg2+ > Са2+ > А13+.

Адсорбированные анионы также удерживаются с раз­личной силой глинистой частицей:

ОН" > СО§- > СН3СООН- > о|- > СГ.

Водные оболочки катионов тем больше, чем меньше радиус катиона (Li—120, Na —66, К—16 молекул воды).

По мере удаления от поверхности глинистой частицы влияние ее электрического поля ослабевает, молекулы воды, приобретают возможность некоторого перемеще­ния. Так образуется диффузный слой, в котором вода является рыхлосвязанной с глинистой частицей. Чем ак­тивнее ионы, тем больше диффузные водные оболочки, тем больше воды поглощают они из шликера. Образо­вавшиеся водные оболочки вокруг глинистых частиц шликера и их электрический заряд препятствуют слипа­нию (коагуляции) частиц.

Регулируя толщину водных оболочек, можно, не из­меняя влажности, разжижать или коагулировать шли­кер. Вода, не связанная глинистыми частицами и запол­няющая объем между ними, называется свободной — во­да разжижения. Она подчиняется законам гидростати­ки. Таким образом, в шликере будет вода: сольватных оболочек, диффузных оболочек, свободная.

Регулируя соотношение этих форм воды в шликере, воздействуют на его вязкость и другие важнейшие свой­ства путем добавления электролитов в количестве 0, 02—0, 5% по сухой массе: растворимое стекло, сода, дубильный экстракт, танин, пирофосфорно-кислый нат­рий и другие, а также комбинированные.

Влияние электролитов на состояние шликера воз­можно в трех направлениях. Стабилизация суспензии достигается в том случае, когда электролит введен в количестве меньшем, чем требуется для полного насы­щения адсорбционного комплекса, т. е. полного заме­щения поглощенных катионов на катионы натрня элект­ролита. Происходит дефлокуляция, 'часть воды, механи­чески захваченной глинистыми агрегатами, высвобож­дается, количество рыхлосвязанной воды увеличивается, хотя разжижения еще не наступает. На этом этапе электролиты способствуют стабилизации суспензии.

Разжижение шликера наступает при дальнейшем до­бавлении электролита за счет уменьшения диссоциации поглощенного натрия. Толщина диффузных оболочек уменьшается и часть рыхлосвязанной воды переходит в воду свободную, которая разжижает шликер.

Загустевание шликера наступает при дальнейшем увеличении количества электролита в шликере ввиду то­го, что утонченные водные оболочки не могут препятст­вовать сближению глинистых частиц. Образующиеся аг­регаты захватывают часть свободной воды и вязкость шликера повышается. Каждому электролиту присуща своя точка перегиба на кривой разжижения. При вводе электролита в количествах немного меньших, чем это необходимо для максимального разжижения, шликер приобретает наилучшие технологические свойства.

Приготовленный шликер при выдерживании в спо-' койном состоянии, загустевает, а при встряхивании или интенсивном перемешивании, а также при вибрации, воздействии ультразвука вновь разжижается (без до­бавления воды). Такое загустевание называется тиксо-тропным упрочнением. Оно объясняется тем, что коли­чество, напримр катионов Са2+ и Mg2+, не вступивших в соединение с анионами электролитов, накапливается в системе, отбирает часть свободной.воды в свои гидрат-ные оболочки, вызывая загустевание шликера. При этом катион Na+ со своими сольватными оболочками присо­единяется к глинистой частице, способствуя уменьше­нию ее подвижности.

При увеличении оболочки рыхлосвязанной воды ча­стицы контактируют друг с другом только верхними слоями водных оболочек и шликер загустевает.

Способность глинистой суспензии самопроизвольно восстанавливать нарушенную структуру и упрочняться без изменения влажности является важным свойством шликера. Способность вновь разжижаться указывает на то, что частицы не укрупняются, как при коагуляции, а только слипаются друг с другом.

Вязкость шликера должна обеспечить полное запол­нение гипсовой формы, давать быстрый набор массы на ее стенках.

Вязкость шликера регулируется соотношением дис­персной и дисперсионной фаз (Т: Ж), характером вводимых добавок, температурой. При увеличении соотноше­ния Т: Ж вязкость шликера растет медленно, а по дости­жении определенной величины значение ее резко возрас­тает.

Для обеспечения возможно большего диапазона ми­нимальной вязкости шликера и стабилизации свойств к нему добавляют смесь электролитов — каустическую со­ду (0, 1—0, 3%) и жидкое стекло (0, 3—0, 5%).

Текучесть является обратной величиной вязкости. Величину текучести определяют вискозиметром, имею­щим сливное отверстие длиной 10 мм с верхним диа­метром 8 и нижним 6 мм. Текучесть определяется вре­менем, за которое через отверстие пройдет 100 мл шли­кера.

Применение электролитов-разжижителей освобожда­ет значительное количество диффузной воды и перево­дит ее в свободную воду. Это повышает подвижность, текучесть и литейные свойства шликера при понижен­ной влажности. Высокая разжижающая способность ра­створимого стекла (Na2Si03-H20) также обусловлена еще и образованием коллоидной кремнекислоты вслед­ствие гидролитического распада ее в воде. Коллоидная кремнекислота адсорбируется поверхностью глинистых частиц, а высвобождающаяся при этом значительная часть воды разжижает шликер.

Предел текучести и коэффициент тиксотропии нахо­дятся в прямой зависимости от концентрации электро­лита. Для предела текучести характерен ряд Zr4+> > Al3+> Ca2+> Mg2+> Ba2+> Na+, для коэффициента тиксотропии — Na+> Ba2+> Ca2+> Mg2+> Al3+> Zr4+.

Для сохранения текучести при пониженной влажно­сти, например, фаянсового шликера рекомендуется в ка­честве разжижителя использовать смесь жидкого стекла, триполифосфата натрия и кремнийорганической жидко­сти, вводимых соответственно в следующих количествах: 0, 035—0, 06; 0, 065—0, 035 и < 0, 05%.сухой массы шликера (в пересчете по массе на Na20).

Для снижения водосодержания шликера, улучшения процесса гидратации и повышения прочности отливок почти на 30—50% в шликер рекомендуется добавлять 0, 1—0, 5% раствора КМЦ, ПАВ и др. Ввод добавок (особенно ССБ) может вызвать вспенивание шликера. -Пенистые шликеры плохо транспортируются по трубо­проводам, удлиняется время набора массы на стенке гипсовой формы, а набранная масса пориста и непроч­на. В качестве пеногасителей рекомендуется использо­вать кремнийорганические полимеры (полиметилсйликон и др.) в небольших количествах — 0, 001—0, 003% массы сухих компонентов шликера. Пеногасители лучше вво­дить в шликер до введения ПАВ.- -

Дисперсность частиц, регулируемая режимом рабо­ты шаровых мельниц, определяет устойчивость, теку­честь шликера и влияет на плотность отливок. Увеличе­ние тонины помола шликера до величины выше опти­мальной ухудшает его свойства, так как замедляется набор черепка, увеличивается усадка и склонность к растрескиванию изделий в процессе сушки и др.

Форма частиц твердой фазы также оказывает влия­ние на свойства шликера. Наилучшая упаковка в отлив­ках достигается при сферической форме частиц.

Реологические свойства литейного шликера зависят-не только от состава и дисперсности твердой фазы и формы твердых частиц, но и от качества жидкой фазы. К жидкой фазе шликера предъявляются следующие тре­бования: отсутствие химического взаимодействия с твердой фазой, нерастворимость в ней твердой фазы, малая вязкость, способность растворять добавки, улуч­шающие ее свойства и отливку изделий, не содержать примесей, понижающих качество отливки. В керамиче­ских шликерах таким требованиям удовлетворяет вода.

От вязкости, плотности, диэлектрической постоянной, дипольного момента молекул воды, характера взаимо­действия воды с твердой фазой зависят линейные свой­ства шликера. Жесткость воды для приготовления шли­кера не должна превышать 5° (немецких). По возмож­ности лучше использовать конденсат, что обеспечивает большее снижение влажности шликера при сохранении высокой его подвижности.

Вредные примеси, снижающие качество шликера, — растворимые сульфаты, гипс, попадающие в него как с компонентами массы, так и с гипсовых форм (с отхо­дами литейного цеха). Отливки из такого шликера дела­ются хрупкими и разрушаются при оправке. Отходы литья (около 5% боя и брака при литье и 2% при суш­ке), которые снова распускают с добавлением жидкого стекла, добавляют в литейный шликер. Это иногда пре­пятствует его разжижению, что объясняется присутст­вием гипса, несущего ионы кальция и SO2, -, ускоряющих коагуляцию шликера. Воздух в шликере также оказывает отрицательное влияние на его свойства. В шликере воздух (2—2, 5% объема) подразделяется на адсорбированный твердыми частицами, удерживаемый гидрофобными участками твердой фазы (микродисперс­ный воздух) и механически захваченный при приготов­лении шликера и перемешивании (макродисперсный воздух), растворенный в жидкой фазе. Вакуумирование шликера способствует удалению из него воздуха. Ваку-умируют шликер при разрежении от 40 до 61, 2 МПа.

Способ отливки изделий также учитывают при под­готовке шликеров. Так, для фаянсовых масс при отлив­ке изделий сливным способом содержание частиц < 1 мкм должно находиться в пределах 28—32%. Для масс с большим содержанием глинистых, например в массах для стендового литья, содержание частиц < 1 мкм должно находиться в пределах 36—40%. Ве­личина удельной поверхности массы для конвейерного литья 20—22 мг/г, для стендовых масс — 25^—27 м2/г. В зависимости от способа отливки изделий изменяются требования к шликерам.

Наилучшие отливки получают при использовании шликеров наименьшей вязкости и влажности. В области максимальной текучести получают отливки наибольшей плотности. Характеристика шликеров, используемых отдельными фарфоро-фаянсовыми заводами, приведена в табл. 6.

В производстве изделии на поточных автоматизиро­ванных линиях используют быстрофильтруювдиеся шли­керы, получаемые за счет снижения содержания глини­стых и повышения содержания отощающих материалов, главным образом, обожженного боя изделий. Быстро-фильтрующийся шликер имеет текучесть (через 30 с) 8—10 мл, коэффициент загустеваемости (отношение вязкости через 30 мин к вязкости через 30 с после при­готовления) 1, 6—2, 1 при влажности 31, 2—31, 6% -

Приготовление шликера. Литьевой шликер приготов­ляют двумя способами: прессовым и беспрессовым с со­вместным или раздельным помолом компонентов массы.

Прессовый способ обеспечивает более высокое каче­ство шликера, в особенности если фильтр-прессные кор­жи до роспуска в воде выдерживались в подвалах не менее 1 мес. Однако он более трудоемок и сложен по сравнению с беспрессовым.

В производстве фарфоровых и фаянсовых изделий используют прессовый способ приготовления литейного шликера при раздельном помоле сырьевых материалов (рис. 27).

Фильтр-прессные коржи распускают в воде в про­пеллерных мешалках, пропуская через сито № 016 (1480 отв/см2), электромагнитные сепараторы и посто­янные магниты, и подают в сборную мешалку для со­зревания в течение 48 ч при постоянном перемешива­нии. При необходимости шликер вакуумируют в ваку­умных резервуарах, куда его подают в виде тонких струй. Обработка шликера вибрацией или ультразву­ком сокращает время приготовления, понижает его структурную вязкость и улучшает диспергацию глини­стых частиц.

Беспрессовый способ приготовления литьевого шли­кера применяют в производстве изделий строительной и реже в производстве бытовой керамики.

В шаровую мельницу загружают каменистые мате­риалы, воду и электролиты (по рецепту) и размалыва­ют в течение 3—6 ч. Затем добавляют к ним глинистые материалы и дополнительно размалывают еще 2—5 ч. Тонина помола характеризуется остатком на сите № 606 (10 000 отв/см2) не более 2%. Далее шликер сливают в мешалку для созревания, откуда подают на участок ли­тья изделий.

Качество шликера независимо от способов его приго­товления повышается в результате выстаивания (созре­вания) в течение 1—3 сут перед подачей на отливку, вакуумирования (20—40 мин) в герметически закрытых сосудах с величиной разрежения от 40 до 61, 3 кН/м; подогрева до температуры 30—35° С.

Оценивая качество шликеров, обращают внимание на величину рН (концентрация водородных ионов), кото­рая составляет для суспензий каолина 8, 44—8, 57, бен­тонита около 7, 9. Присутствие в каолине мокрого обога­щения остаточных электролитов (ионы Na+ и Са2+) ухудшает литьевые свойства шликеров. Нейтрализуют их вредное действие добавлением соляной кислоты или хлорида кальция.

Вопросы для самопроверки

Каким требоваииим должен удовлетворять шликер?

Охарактеризуйте взаимодействие электролитов со шликером.

Основные свойства шликеров и способы " их регулировании.

Прессовый способ получения шликеров, его преимущества и не­достатки.

Беспрессовый способ получения шликеров, его преимущества и недостатки.