Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Формовочные глины

04.11.2018

Формовочные глины - горные породы, состоящие из тонкодисперсных частиц. Основными минералами в них являются водные алюмосиликаты, обладающие связующей способностью. Глины содержат не менее 50 % глинистой составляющей (совокупность всех частиц любой природы размером менее 22 мкм). Содержание глинистой составляющей отвечает общему глиносодержанию. Собственно глинистые минералы, содержащиеся в глинистой составляющей, называются активной глиной.

По происхождению формовочные глины делят на первичные и вторичные.

Первичные глины образовались в результате разложения кристаллических пород и выпадения из водных растворов, содержащих кремнезем и глинозем. Они располагаются на месте их образования.

Вторичные глины образовались из водных растворов и были перенесены с места своего образования в район добычи.

Минералогический и зерновой состав глин. Основными минералами в глинах являются каолинит и монтмориллонит.

Химический состав каолинита Al2O3*2SiO2*2Н2O. Это водный алюмосиликат, имеющий плотность 2,58-2,60 г/см и температуру плавления 1750-1787 °С. При нагревании каолинит претерпевает следующие превращения. При температуре 100-140 °C удаляется гигроскопическая влага, а при температуре 350-580 °C - конституционная влага, входящая в состав молекулы. Каолинит необратимо переходит в метакаолинит (Al2O3*2SiO2), и глина теряет связующие свойства. Этот процесс называется, как отмечено выше, шамотизацией глины. При 900-1050 °C метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3 и SiO2, а при 1200-1280 °C снова образуется минерал Al2O3*2SiO2.

Монтмориллонит Al2O3*4SiO2*nН2O имеет температуру плавления 1250-1300 °С. Его состав не постоянен. В кристаллической решетке монтмориллонита часть ионов Al может быть заменена на ионы Mg+2, а часть ионов Si+4 - на ионы Al+3. При этом частицы глины приобретают электрический заряд. Кристаллическая решетка монтмориллонита способна поглощать влагу, расширяясь в направлении одной из кристаллических осей. При нагревании из монтмориллонита выделяется свободная влага, а в интервале температур 500-700 °C - конституционная влага. При 600 °C монтмориллонит утрачивает способность к набуханию. При 735-900 °C его кристаллическая решетка разрушается.

По минералогическому составу формовочные глины делят на три группы: каолиновые (обозначаются буквой К), бентонитовые (Б) и полиминеральные (П). В каолиновых глинах основной минерал - каолинит или каолинит с гидрослюдой, в бентонитовых глинах - монтмориллонит. Полиминеральные глины содержат любой глинистый минерал. Кроме основных минералов в глинах присутствуют кварц, полевой шпат, гидраты оксидов железа, а также карбонаты, которые являются вредными примесями.

Зерновой состав глин определяют отмучиванием (так же, как это делают для песков). О дисперсности глины судят по ее коллоидальности, которую определяют в соответствии с ГОСТ 3594.10-77.

Навеску глины массой 1 г помещают в пробирку диаметром 15 мм и высотой около 150 мм, заливают 15 мл воды и взбалтывают до получения однородной суспензии. К ней добавляют 0,1 г MgO и снова взбалтывают в течение 1 мин. Полученную суспензию отстаивают в течение 24 ч. После отстаивания замеряют высоту столба осадка. Коллоидальность выражают по отношению высоты столба осадка к общей высоте глины и воды, выраженному в процентах.

По коллоидальности глины классифицируются на группы: В - высококоллоидальные (коллоидальность бентонитовых глин не менее 90 %, а каолиновых - не менее 60 %); С - среднеколлоидальные (коллоидальность бентонитовых глин не менее 50 %, а каолиновых - не менее 30 %); H - низкоколлоидальные (коллоидальность бентонитовых глин не менее 25 %, для каолиновых глин она не нормируется).

По содержанию вредных примесей глины классифицируются на группы T1, T2 и T3 (соответственно с низким, средним и высоким содержанием примесей).

Физико-химические свойства глин. Для понимания механизма формирования прочности важно ознакомиться с физико-химическими свойствами глин. Формовочные глины представляют собой дисперсную коллоидную систему с сильно развитой поверхностью. При смешивании глины с водой в глинистых суспензиях образуется коллоидный раствор. Коллоидные частицы (мицеллы) имеют вид, показанный на рис. 5.5. Около ядра мицеллы 7, т. е. глинистой частицы, располагаются ионы и образуются адсорбционный (а) и диффузионный (б) слои. Вместе они создают двойной электрический слой (в). Противоионы 3, 4 находятся под действием электрического поля заряженной частицы и теплового движения жидкой фазы. Это приводит к динамическому распределению противоионов подобно облаку, плотность которого убывает по мере удаления от заряженной поверхности. Ионы располагаются вокруг внешних структурных единиц поверхности глины на ненасыщенных валентностях атомов кислорода в дефектных местах.

Все глины имеют в кристаллической решетке два элемента (рис. 5.6). Один толщиной 0,5 мм состоит из двух слоев гидроксилов (или ионов кислорода). Между ними на одинаковом расстоянии от шести ионов кислорода (или гидроксилов) в октаэдрической координации расположены ионы алюминия, железа или магния. Другой элемент толщиной 0,49 мм состоит из кремнекислородных тетраэдров. Расположенный в центре тетраэдра ион кремния (Si+4) окружен находящимися в вершинах тетраэдра четырьмя ионами кислорода. Тетраэдры образуют повторяющуюся гексагональную сетку (рис. 5.7), из которой формируются слои состава Si4O6(OH)4. Все вершины тетраэдра повернуты в одну сторону, а основания лежат в одной и той же плоскости. В зависимости от способа соединения структурных элементов (октаэдров и тетраэдров) и их числа в элементарной ячейке глинистые минералы подразделяют на два типа.

В минералах первого типа (к ним относится каолинит) число слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмосиликатных октаэдров одинаково (см. рис. 5.7, а). В минералах второго типа, к которым относятся монтмориллонит и гидрослюды, в элементарной ячейке имеются три слоя: два слоя тетраэдров с расположенным между ними слоем октаэдров. Эти комбинации слоев образуют пакеты. Энергия взаимодействия между слоями составляет 0,45-0,61 Дж/м для каолинита и 0,10-0,13 Дж/м для монтмориллонита. Проникновение влаги в межслоевое пространство каолинита невозможно. Соседние пакеты в каолините имеют слабые связи. При увлажнении глин происходит их набухание за счет расположения влаги по краям пакетов у каолинита и между пакетами (внутрикристаллическое набухание) у монтмориллонита. Содержание влаги в монтмориллоните может достигать 30 %, а иногда и 500 %.

Прочность концентрированной глинистой суспензии имеет коагуляционную природу и реализуется через водородные связи и электростатическое взаимодействие воды с ненасыщенными атомами и гидроксилами глинистых материалов. Вода, находящаяся на поверхности структурных элементов глин в пределах 3-10 молекулярных слоев (0,8-2,3 нм), под влиянием электрического поля ионов кислорода и гидроксильных групп решетки приобретает некоторую упорядоченность, или ориентированную структуру. Эта вода называется жесткой. Она усиливает связь между слоями, осуществляя мостиковую связь между пакетами.

Водные оболочки, расположенные на поверхности частиц глины и находящиеся в поле действия электростатических сил, осуществляют поверхностную связь пакетов. Этот вид влаги называется жидкой водой.

Вклад поверхностных связей в формирование прочности больше, так как они действуют по большой поверхности. Мостиковая связь особенно проявляет себя в монтмориллонитовых глинах. Они способны сорбировать некоторые катионы и удерживать их в обменном состоянии. Обменными катионами могут быть Ca2+, Mg2+, К+, NH+, H+, Na+. Они замещают в пределах адсорбционного слоя ионы Al3+. Количество обменных ионов тем больше, чем дисперсией глина. Поэтому монтмориллонитовые глины обладают более высокими значениями обменных катионов, чем каолинитовые.

При обмене одних ионов на другие свойства глин изменяются. Поэтому свойства глин можно изменять их химической обработкой. Например, при обработке глин содой ионы Ca2+ заменяются ионами Na+. Согласно ГОСТ 3594.7-77 и ГОСТ 3594.12-77 формовочные глины подвергаются испытаниям для определения химического состава (SiO2, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, S), влажности и гранулометрического состава.

По отношению SiO2/Al2O3 различают жирные (SiO2/Al2O3 < 2,65) и отощенные (SiO2/Al2O3 > 2,65) глины. В смесях, предназначенных для формовки по-сырому целесообразно использовать жирные глины, а для формовки по-сухому - отощенные.

По сумме обменных катионов глины делят на три группы: с высокой суммой катионов (не менее 80 мг-экв на 100 г сухой глины для бентонитовых глин и не менее 35 мг-экв для каолиновых), средней суммой катионов (не менее 50 и 20 мг-экв соответственно для бентонитовых и каолиновых глин) и низкой суммой катионов (не менее 30 мг-экв для бентонитовых глин).

Механические свойства глин. При приготовлении формовочных смесей глинистая суспензия обволакивает зерна песка. При этом между связующим и песком возникает сцепление за счет сил дисперсионного и химического взаимодействия. Чем больше удельная поверхность песка, тем выше прочность сцепления зерен при условии сохранения удельного содержания связующего на единицу поверхности. Взаимодействие связующего с песком осуществляется за счет гидроксильных групп решетки глины (рис. 5.8).

Одно из важнейших свойств глин - прочность. Так как прочность наполнителя больше прочности связующего, прочность смеси будет определяться прочностью глинистой оболочки. По мере увеличения влажности от нуля до некоторого оптимального значения прочность смеси возрастает, а затем падает, снижаясь до нуля при влажности, превышающей в 3 раза оптимальное значение. В пределах влажности ниже оптимального значения прочность обеспечивается за счет поверхностных связей. Прочность глин, содержащих обменные ионы, при увеличении влажности выше ее оптимального значения возрастает за счет появления мостиковых связей. Прочность за счет мостиковых связей достигает максимума при трехкратном превышении оптимального значения влажности. Эта прочность является наивысшей для глин с одновалентными катионами. Характер влияния влажности на прочность смесей показан на рис. 5.9.

При сушке песчано-глинистых смесей при 350-450 °C из глины полностью удаляется связанная влага, и прочность обеспечивается межслоевыми электростатическими и водородными связями. С увеличением начальной влажности повышается и прочность после сушки, так как при снижении концентрации глинистой суспензии она более изотропна и дисперсна, поэтому после сушки межслоевые связи реализуются полнее.

Для определения прочности глин во влажном состоянии 1800 г песка и 200 г глины перемешивают в бегунах в течение 2 мин, затем добавляют воду: для бентонитовых глин 60 (3 %), 70 (3,5 %) и 80 (4 %) мл, а для каолиновых глин 2,5; 3,0 и 3,5 % (соответственно 50, 60 и 70 мл). Далее смесь перемешивают еще 8 мин. Испытание на сжатие проводят на цилиндрических образцах диаметром и высотой 50 мм, уплотненных тремя ударами копра. Влажность, при которой прочность будет наибольшей, называется оптимальной.

Для определения прочности глин в сухом состоянии приготовляют смесь, содержащую 1900 г песка и 100 г глины. Влажность обеспечивается на уровнях 6,5; 7,0; 7,5; 8,0 % для бентонитовых и 6,5; 7,0 % для каолиновых глин. Испытания на сжатие проводят на стандартных цилиндрических образцах после их сушки при 150 °C в течение 1,5 ч.

По пределу прочности на сжатие в сыром и сухом состояниях глины делятся на следующие подгруппы: прочносвязующие, среднесвязующие и малосвязующие. Для прочности в сыром состоянии эти группы обозначаются соответственно буквами В, С и П, а для прочности в сухом состоянии - цифрами 1, 2 и 3. Прочность бентонитовых глин выше прочности каолиновых. Это позволяет снизить глиносодержание смесей при применении бентонитовых глин.

Долговечность - свойство, характеризующее сохранение связующих свойств глины при ее многократном использовании. Долговечность определяют как отношение прочности при сжатии образцов после третьего нагрева к пределу прочности при сжатии образцов из свежеприготовленной смеси. Для определения долговечности из смеси песка с 10 % глины и 4 % воды изготовляют 11-12 стандартных образцов. Их помещают в нагретую печь и прокаливают при 500 °С. Далее часть образцов испытывают на сжатие, а остальные охлаждают до 20 °C и разрушают. Комья разрушенных образцов перемешивают в бегунах в течение 2 мин и добавляют воду до влажности 4,5 %. Из полученной смеси снова изготовляют стандартные образцы, которые прокаливают, размельчают и снова готовят смесь. Этот цикл повторяют 3 раза. После третьего прокаливания образцы испытывают на сжатие.

Важной характеристикой глины является ее пластичность, которая непосредственно определяет формуемость смесей. Максимальная пластичность глин достигается в определенных диапазонах влажности суспензии. При этом большие значения пластичности бентонитовых глин по сравнению с каолиновыми достигаются при меньших количествах влаги.

Пластичность глин определяют по ГОСТ 21216.1-81. По числу пластичности (ГОСТ 3226-77) глины делят на четыре группы: высокопластичные, среднепластичные, умеренно пластичные и малопластичные. В маркировку глины входит обозначение ее минералогического состава (К или Б), группы прочности во влажном и сухом состояниях и термохимической устойчивости, определяемой содержанием вредных примесей (Т1 - высокая, T2 - средняя и T3 - низкая термохимическая устойчивость). Например, глина КС2Т1 - каолиновая глина, среднесвязующая во влажном и сухом состояниях, с высокой термохимической устойчивостью.

Применение глин. Чем больше температура заливки, толщина стенки и масса отливки, тем выше должны быть прочность и термохимическая устойчивость глины.

Для формовки по-сухому стальных и чугунных отливок применяют глины 1-й, 2-й групп прочности в сухом состоянии, групп T1-T3. При формовке по-сырому используют глины групп T1 и T2, а для толстостенных отливок - глины группы T1. В массовом производстве при формовке по-сырому бентонитовые глины применяются чаще, чем каолиновые. Наилучшие результаты достигаются при использовании бентонитов, обработанных содой.

Глину вводят в бегуны при приготовлении смесей в виде сухого порошка или глинистой водной суспензии. Тонкое измельчение глины осуществляется в шаровых мельницах после ее сушки. При приготовлении водной суспензии глину предварительно доводят в специальном баке до состояния пасты, а затем загружают в мешалку, добавляя воду из расчета получения 30-50 %-й (в пересчете на сухую глину) водной суспензии. Применение суспензии исключает пылевыделение при смешивании, но при этом усложняется процесс регулирования влажности смесей.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: