Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. - Кварцевая керамика, страница 6

В связи с тем что исходный порошок ЯОз является исключительно тонкодисперсным, монофракционным (со средним диаметром частиц 0,012 мкм) и, как следствие, нетехнологичным; была применена специальная технология для получения из него гранул для даль- 26 нейшего мокрого измельчения при получении литейных суспензий. Для получения кварцевой керамики на основе кристаллического ЯОй в качестве исходного материала применяли чистый кварцевый песок с содержанием ЯОз не менее 99,6вчв [191. Для уменьшения количества примесей кварцевый песок о~брабатывали,12сьчной соляной кислотой. ,В ряде случаев к исходному сырьевому ~материалу вводили добавки для улучшения условий спекания или свойств материала.

Например, известно введение небольших добавок СгзОз с целью повышения степени .черноты кварцевой керамики и, соответственно, температуры ее применения [32, 361. Известны следующие методы формования кварцевой керамики: шликерное литье из водных суспензий, прес- сование, термопластичное прессование (с применением кремнийорганических смол), термопластичное литье, электрофоретическое формование.

При получении кварцевой керамики к отформованному полуфабрикату предъявляются повышенные требования в отношении его плотности. Обусловлено это тем, что в случае высокой плотности полуфабриката требуются не только пониженная температура (или продолжительность спекания), но и создается меньшая поверхность раздела, благоприятствующая протеканию опекания без кристаллизации, Особенно существенно это при получении высокоплот.

ной керамики. Указанные требования достигаются в случае формования методом шликерного литья или электрофореза из высококоицен*рированиых суспензий [731. Прп, этом. для шликернога питья .могут применяться как. танкозерииса, тые суспензии, так и с зернистым наполпитепем..З.

цо-". 28. следнем случае эффективным может оказаться применение вибрации, так называемое «вибролитье» [88]. В работе [16] описан способ шликерного литья кварцевой керамики с добавкой в суспензию водорастворимой смолы (3 — 10$). После сушки (при 150 — 200'С) смола отверждается и прочность отливок при изгибе достигает 490 кгс/смз, что аозволяет производить их механическую обработку до обжига. Недостаточная плотность полуфабриката (сырца) до обжига в ряде работ служила причиной низкой прочности и плотности кварцевой керамики вследствие недостаточного спекания и кристаллизации [20, 38, 42].

Режимы обжига кварцевой керамики выбирают таким образом, чтобы обеспечить высокую скорость спекания без появления существенного количества кристобалита [47, 48, 51]. Спекание ~кварцевой керамики проводилось в среде воздуха (силитовые печи), газовых печах [37, 76] и вакууме [67]. Интервал температур спекания кварцевой керамики сравнительно узок и поэтому существенную роль играет равномерность температурного поля в печи обжига. Режимы обжига изделий из кварцевой керамики выбирают таким образом, чтобы при температуре 1000— ИОО'С (область возможной кристаллизации) обеспечивалась сравнительно высокая скорость нагрева (200— 500 град). 3 связи с тем что в целом ряде работ не были достигнуты высокие показатели по плотности и прочности кварцевой керамики ввиду ее кристаллизации при спекании, проводились исследования по пропитке материала [16].

В качестве пропиточных веществ опробованы: гндролизованный этилсиликат [16, 19], хлористый алюминий [16], кремнийорганические смолы [42]. В работе [42], например, посредстврм пропитки кремнийорганической смолой удалось понизить пористость изделий с 18 до 12$, предел прочности при сжатии с 600 до 1000 кгс/см', изгибе — со 170 до 250 кгс/см'. Для герметизации поверхности кварцевой керамики применяли поверхностное оплавление плазменной горелкой, а также гидрофобные .покрытия [16]. В случае применения изделий из кварцевой керамики в объектах, требующих высокой точности размеров, производится ее механическая обработка, например алмадноешлифованне.

сухов изивльчвиии квдгцивого ствклд Получение порошков кварцевого стекла с определенной дисперсностью и зерновым распределением является одним из основных процессов при получении кварцевой керамики. Только при одностадийном методе подготовки суспензий [61, 73] измельчение происходит непосредственно в процессе их получения. Процесс сухо-' го измельчения кварцевого стекла осуществляется, как,.' правило, в шаровых мельницах с футеровкой и!непрозрачного кварцевого стекла с применением мелющих тел из кварцевого стекла или корунда. В работах [30, 31, 34] сухое измельченнеосуществлялось в вибромельнице как с последующей отмывкой от железа„так и без нее. При этом в зависимости от дисперсности (5=3000 —:10000 смз/г) продолжительность измельчения составила 15 — 180 мин и намол железа 0,3— 0,45'$.

Отмывку от железа предварительно измельченного кварцевого стекла производили и в работе [42]. Применение для измельчения кварцевого стекла агрегатов с металлическими рабочими органами представляется нежелательным. Обусловлено это не только дополнительными технологическими трудностями (связанными с отмывкой), но и ухудшением свойств суспеязий, полученных на основе таких порошков. В работе [62] кварцевое стекло измельчали в шаровой,мельнице с кварцевой футеровкой (У вЂ” !75 л, Н,— 560 м~м, 1 — 720 мм, и — 46 об~ми~и).

~Отношение по масс'. между загружаемым материалом и мелющими телами принималось 1:! (по 60 кг). Кварцевое стекло применяли в виде высушенного боя трубок (с диаметром 10— 20 мм, толщиной стенки 1 — 2 мм и длиной 20 — 100 мм). Мелющие тела представляли собой окатанные стержни из кварцевого стекла (с диаметром 20 — 40 мм, длиной 40 — 80 мм, средней массой одного стержня 70 — 80 г). Насыпная объемная масса мелющих тел составляла 1,36 кг/дм' (плотность упаковки 62а/а).

Учитывая сравнительно крупнокусковую загрузку материала, в широкой мельнице осуществлялось как дробление, так и тонкое измельчение. Кинетика измельчения кварцевого стекла показана на рис. 5. Резкий рост удельной поверхности продукта измельчения наблюдается в первые 80 ч, после чего идет ' замедление н превращение измельчения (в области ве- 29 Ъ1' "1 ПО дг 40 .. ь 100 ч' 00 40 ст. 70 0 70 00 00 00 ст'.

мкуу Рнс. й. Интетральные нрнвме верновосо расмределевая порошков ярн Раалн жой продопжпюльностн немельченвв; 1-Ейг ч: г-сй ч; г-З! ч; Е-йб ч; б-1 ч вместе с тем величину сречнеповерхностного размера частиц дср. Существует определенная зависимость вери- ЧИНЫ НаСЫПНОй, ПЛОтНОСтИ ПОРОШКа От б(ср, И ЕСЛИ У ТОНКО- дисперсных оиа составляет 0,6 — 0,9 г/см', то для сравни' '.30 личины удельной поверхности 14000 смй/г). На том же рисунке кривой 2 показана зависимость.насыпной плотности р порошка от продолжительности измельчения. Из полученных данных видно, что насыпная плотность в области указанной дисперсности отличается более чем в два раза, а пористость 00 17ИИ (пус воти ость) порошка изменяется от 36 до 70то.

Это явление согласуется '"„0000 с известныч !09, 100! по- ' т.-' 7 ложением о том, что с зав уменьшением раемеров зерен усиливается роль 00 00 00 170 100 их слипания, способст- Ич вующая образованию Рнс. б. Замыммость удельной по- арок, пустот и тем самым веркностн (П н насыпной массы от продолжнтельностн сткото ятмельчення кварцевою стекла КОВКИ. С УМЕНЬШЕНИЕМ размера частиц число контактов между ними в единице объема возрастаег, а масса каждой частицы уменьшается, Насыпная плотность полидиспзрсных порошков зависит в о.новпом от содержащихся в них мелких фракций, определяющих тельно крупных даже монофракций (50 — 63; 63 — 100; 100 — 160; 160 — 200; 200 — 3!5 мкм) она находится после утряски в пределах 1,30 — 1,32 г/смв. У монофракций же 1 — 1,2 мм, 1,2 — 1,5 мм, 1,5 — 2,5 мм насыпная плотность после утряски повышается до 1,38 — 1,40 г/смв (пустот- ность 37 — 38П/р ).

Существенный рост насыпной плотности крупных монофракций обусловлен сравнительно большой массой каждой частицы при меньшем числе контактов между ними в единице объема и меньшей шероховатостью зерен. На рис. 6 показаны полные (для тонких порошков) и частичные (для крупных порошков) кривые зернового распределения порошков с различной продолжительностью измельчения. Из всех 000 ПРИВЕДЕННЫХ КР1ИВЫХ ВИД- на полидисперсность из- .

00 мельченного материала. '- О Порошки с продолжи- а тЕЛЬИОСтЬЮ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ь- 00 л 6 1 до 15 ч характеризуются большим числом фракций размером выше 0,1 мм. На рис. 7 показано 70 00 00 00 100 170 МП ИЗМЕНЕНИЕ СОдЕржаНИя В Рнс.

7, Ивмевенне содержанвя равлнч. ПрпцЕССЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ От нык орупв Фрвнцнй в вввнснмоста от нродолжнтваьвоотн нвмельчеяяя; ДЕЛЬНЫХ ГРУПП фРаКЦИй, 1 — до Ю 1 г — 1й-бй; г— тонкой — до 10 мкм (кри- и 1йп """: е "рт вая 1), средних от 10 до 60 мкм, от 60 до 100 1мкм (кривые 2 и 3) и крупной— свыше !ОО ~мкм (кривая 4). Если 1в начальной стадии измельчения преобладающи1ми являются зерна круп~нее ЙО мкм, то в дальнейшем их удельное содержание резко уменьшается, а фракция~!ЮО мим и вовсе отсутствует. В ряде случаев 11011 для характеристики дисперсности порошков применяют практику выбора отверстия сита, через которое проходит 80% материала (йвв).

В табл. 2 приведены показатели коэффициента поли- йво 1 дисперсности(й„= — '1 для порошков различной сте- йтс / пени измельчения. Из данных табл. 2 следует, что полидисперсность имеет большие показатели для грубодисперсных порошков (продолжительность измельчения 7 и 15 ч). Для по- Рззмер франции, мкм, соотзетстзующиз Продок и я тек ь. ность измезьчеиия, ч Прсдодмнтекьяость измекьчеиия, ч Изсмпизя плотность, г7смз О и, об/мяи 1Г) 42 45 51' 0,39 0,46 0,55 0,67 1,40 1,10 0,84 0,65 7 15 31 175 Гидрззднческн зкзяззкеятима дкзметр чзстиц, ики Класс чкстнц по сито.

ному зизлнзу, мкм миннмкзьнмз ~ мккснмздьима 50 — 63 63 — 1 00 100 — 160 160 — 200 315-400 48 54 80 110 180 70 100 1'50 180' 260 3 зкк. зш 32 Т з блице 2. Показатели конффицнеита подиднглерсиостк (як) дди порошков рззднчноз степени нзмедьчення рошков с удельной поверхностью 6000 смз/г н выше (продолжительность измельчения более 30 ч) не отмечается существенной разницы в показателях /гп. При получении процесса сухого измельчения кварцевого стекла было отмечено [62], что коэффициент объемной загрузки мельницы ф изменяется по мере измельчения материала.

Если объем мелющих тел в процессе помола можно условно считать постоянным, то обз1ем, занимаемый измельчаемым материалом, существенно изменяется ввиду непостоянства его насыпной плотности, что было показано на рис. 5. Между тем известно [1012), что гр является одним из факторов, определяющих оптимальное число оборотов мельницы и ее производительность, что следует нз уравнения: и = (54+ 2), (1) ~~ ~б где гг — число оборотов мельницы, об/мин; 1)б — внутренний диаметр, барабана мельницы, м; ~р — коэффициент загрузки мельницы. Следовательно, с изменением гр в процессе измельчения оптимальное число оборотов мельницы должно изменяться, Но поскольку число оборотов мельницы обычно постоянно, оно на различных стадиях помола может отличаться от оптимального.

В табл. 3 показана зависимость оптимального значения и от продолжительности измельчения, Как следует из данных табл. 3, принятые в указанном исследовании о~бороты мельницы (48 об/мин) являлись заниженными на стадии измельчения с длительностью более 30 ч. Оптимальными для формования кварцевой керамики являются порошки с продолжительностью помола 40— 80 ч.