Технические науки/3.Отраслевое машиностроение.

Ахметов Жанболат Елемесович

Павлодарский государственный университет, Республика Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ НОВОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ТРОТУАРНЫХ ПЛИТ ПОЛУСУХИМ СПОСОБОМ

1 Обзор способов получения тротуарных плит

В настоящее время производство тротуарных плит (брусчаток) в зависимости от их вида и типа сырья осуществляется тремя способами: пластическим, полусухим (сухим) и шликерным. Наибольшее распространение получили пластический и полусухой способы формования.

При пластическом способе прессование осуществляется из пластичных глиняных масс влажностью 18-24%, преимущественно на ленточных; шнековых безвакуумных и вакуумных прессах. Приготовленная пластичная масса содержит до 10% воздуха, что снижает плотность, прочность и формовочные свойства массы. Вакуумирование (разрежение 90-98 кПа) позволяет получить пластичную массу более высокого качества. Из глиносмесителя масса продавливается через перфорированную решетку в вакуум-камеру, предварительно разрезанная ножами и падает на формующий шнек пресса. Для формования пустотелых изделий используют мундштуки с кернами, благодаря которым в глиняном брусе образуются пустот, учитывающие воздушную и огневую усадку сырца. Производительность ленточных прессов достигает 10 тыс. шт. кирпича-сырца в месяц.

Формование изделий способом литья (шликерный способ) менее распространено в технологии строительных материалов и используется в основном при производстве санитарно-строительных изделий (умывальники, мойки, унитазы). Способ менее производителен, чем пластический или полусухой, но позволяет изготавливать изделий любой сложной конфигурации.

При полусухом и сухом способах прессования используют пресс-порошки влажностью соответственно 8-12 и 2-8%. Эти способы позволяют применять глины пониженной пластичности. Полусухим способом формуют в основном изделия, имеющие простую геометрическую форму и небольшую толщину (кирпич, клинкерный кирпич, фасадные плитки, плитки для полов, тротуарные плиты для внутренних помещений и др.). Формуют керамические строительные изделия из пресс-порошков на механических (коленно-рычажных, ротационных, фрикционных) и гидравлических прессах. Наибольшее распространение получили коленно-рычажные прессы производительностью от 2-10 тыс. шт. кирпича в месяц.

Основным преимуществом метода полусухого прессования, это обеспечение четкой формы, точных размеров, прочных углов и ребер. Однако этим способом нельзя отформовать изделия сложной формы, с пустотами.

Температура обжига должна быть на 50-800С выше, чем для изделий пластического формования.

Все разнообразие тротуарных плит производится в принципе по однотипной схеме, включающей в себя переделы: добычу сырьевых материалов, подготовку сырьевой массы, формование изделий, сушку и обжиг.

1.1 Полусухой способ формования тротуарных плит

Как выше было сказано, полусухим способом прессования можно изготовить тротуарную плиту из малопластичных глин, что расширяет сырьевую базу. Кроме того, существенное преимущество полусухого способа формования по сравнению с пластическим способом - применение глиняной массы с меньшей влажностью (8-12%), что значительно сокращает или даже исключает сушку сырца, в зависимости от сырья.

В настоящее время при полусухом способе каждое изделие формуют отдельно на прессах, в основном обеспечивающих двустороннее прессование под давлением 150 кгс/см2.

Данный метод иногда предусматривает подсушку глины в сушильном барабане в течение 10-15 минут, после чего глина измельчается стержневым смесителем в порошок с фракцией 0,5-5 мм и формуется в кирпич коленно-рычажными прессами.

Отличие технологии полусухого прессования от традиционного пластического формования заключается в упрощенной схеме приготовления сырьевой смеси. Кроме того, оборудование для оснащения линии подготовки пресс-порошка менее энерго-, и металлоемко.

2 Исследования процесса прессования

Тротуарная плита по своим качественным показателям не уступает традиционным тротуарным плитам пластического формования. Благодаря простоте технологии и оборудования себестоимость тротуарной плиты полусухого прессования на 15-20% ниже себестоимости тротуарной плиты  пластического формования.

Теория полусухого прессования изучает закономерности, определяющие свойства спрессованного сырца (прессовок) в зависимости от свойств пресс-порошка и условий его прессования.

Начало прессования готовой смеси сопровождается его уплотнением за счет смещения частиц относительно друг друга и их сближения. Это является первой стадией уплотнения. При этом происходит ча­стичное удаление воздуха из системы.

В процессе прессования смеси происходят сложные явления механического и молекулярного характера. В начале процесса сжатия смеси более крупные частицы, перемещаясь, сближаются между собой, а мелкие занимают пространство между крупными частицами. На этой стадии воздух, находящийся в смеси, интенсивно вытесняется, через зазоры между частицами из формы. При дальнейшем сжатии смеси происходят пластическая, хрупкая и упругая деформации твердых частиц с разрушением отдельных контактных поверхностей, и воздухопроводящие каналы закрываются. Запрессованный воздух сжимается в свободных от воды порах и частично растворяется в жидкой фазе, которая вытесняется из мест контакта в пространство между частицами.

Воздух, находящийся в смеси, при полусухом способе формования изделий всегда отрицательно влияет на качество отформованного изделия. Содержание воздуха в глиняной массе в зависимости от плотности укладки твердых частиц и количества жидких добавок, которые достигают 40-50 % [1]. Запрессованный воздух создает дополнительную упругую силу, вызывающую, наряду с остаточным напряжением, упругое расширение изделия после снятия усилия прессования. Для устранения отрицательного влияния запрессованного воздуха на качество отформованного изделия в процессе полусухого формования используются такие методы, как вакуумирование смеси, многоступенчатое прессование и регулирование скорости прессования.

Следующая (вторая) стадия уплотнения характеризуется пластической необратимой деформацией частиц. При этом увеличивается контактная поверхность между частицами. Одновременно с этим уплотнение каждой элементарной частицы сопровождается выжиманием влаги из ее глубинных слоев на контактную поверхность частицы. Оба эти фактора обусловливают возрастание сцепления между частицами. Вода вместе с содержащимися в ней глинистыми коллоидами цементирует крупные частицы прессовки, а с увеличением контактной поверхности возрастает эффект такой цементации. В этой стадии уплотнения может иметь место защемление и упругое сжатие воздуха, который не успел удалиться из порошка.

В настоящее время при производстве тротуарных плит полусухим способом формования в качестве технологической связки, в основном, используется вода.

Увеличение влажности порошка повышает внутреннее давление запрессованного в нем воздуха. Давление его внутри прессовки (при W=10-12%) достигает почти 10 МПа, в то время как при влажности порошка 6-8% давление запрессованного воздуха не превышает 2 МПа. Высокое давление воздуха во влажных порошках приводит к возникновению в прессовках растягивающих напряжений и как следствие к образованию трещин расслаивания. В связи с этим некоторые специалисты рекомендуют прессовать тротуарные плиты из порошков пониженной влажности (7-8%), но при более высоких давлениях - 40МПа.

В зависимости от характеристики глиняной массы и технологических требований при производстве отдельных изделий в качестве увлажняющих и пластифицирующих добавок применяются специальные растворы и эмульсии. Последние, характеризующие влажность смеси, обволакивают твердые частицы и образуют влажные контакты между ними. При этом за счет снижения силы трения между частицами и повышения пластичности смеси, улучшается пропрессовываемость смеси, что, в свою очередь, способствует получению изделия с большей первоначальной прочностью. В то же время, избыток жидкой фазы в смеси отрицательно влияет на процесс прессования. При прессовании смеси с избытком влаги пленочная вода вытесняется из мест контакта частиц в поры. Закупоренная в порах, как в капсулах, несжимаемая вода препятствует сближению частиц в процессе прессования смеси, увеличивает долю упругой деформации массы, а при снятии усилия прессования за счет расклинивающего действия образуется перепрессовочные трещины и расслоение изделия. Поэтому для каждой смеси, при фиксированном удельном давлении прессования, существует оптимальная влажность, при которой достигается максимальная первоначальная прочность изделия [1].

Наряду с влажностью на степень уплотнения изделий существенное влияние оказывает гранулометрический состав прессуемой смеси. Требования к гранулометрическому составу смеси чрезвычайно многосторонни и определяются, в основном, требованиями, предъявляемыми к изготавливаемому изделию, и последующей областью его применения. При прочих равных условиях пористость отформованного изделия определяется гранулометрическим составом смеси. Результаты ряда исследований [1,2,3] свидетельствуют о том, что по сравнению с изделием из монофракционной смеси, пористость изделия из полифракционной смеси значительно ниже, а плотность изделия выше.

В третьей стадии уплотнения наступает упругая деформация частиц. Такие деформации наиболее вероятны для тонких удлиненных частиц в виде игл и пластинок, которые могут изгибаться по схеме зажатой консоли или балки, опирающейся на две опоры.

Последняя стадия уплотнения сопровождается хрупким разрушением частиц, при котором прессовка получает наибольшее уплотнение и наибольшее сцепление вследствие сильного дальнейшего развития контактной поверхности. Для осуществления хрупких деформаций требуется очень большое давление, которое при полусухом прессовании большинства керамических изделий практически не достигается.

После прекращения действия прессующего усилия и освобождения изделия из формы происходит его упругое расширение, достигающее в отдельных случаях до 8%. Упругое расширение не дает возможности получать прессовки с максимальной плотностью и является причи­ной образования других пороков изделий, спрессованных из порошков.

Причинами упругого расширения могут быть обратимые деформации твердых частиц, расширение запрессованного воздуха, а также адсорбционное расклинивание контактов влагой, выжатой при прессовании из контактных поверхностей в более крупные поры.

Разницу между высотой засыпанного в форму порошка и высотой полученной прессовки называют «осадкой».

По мере возрастания давления осадка сначала интенсивно развивается, затем начинает затухать и при достижении некоторого давления, характерного для каждого порошка, почти полностью прекращается. Это указывает на то, что для каждого порошка с присущими ему прессовочными свойствами существует определенное давление, превышать которое не имеет смысла, так как за его пределами дальнейшего уплотнения прессовки почти не происходит.

Прессовое давление, приложенное к форме, затухает в направлении толщины изделия. Перепады давления и плотности по толщине прессовки могут быть снижены пластификацией порошков повышением технологической влажности (технологической связки), введением ПАВ, смазывающих веществ и подогревом пресс-формы. Эти же мероприятия снижают неравноплотность в горизонтальных направлениях.

Для изделий, спрессованных из порошков, характерными являются так называемые трещины расслаивания. Они возникают на боковых поверхностях прессовки, перпендикулярно направлению прессующего усилия, и выводят изделия в брак. В производственном обиходе их возникновение объясняют обычно «перепрессовкой» изделия, что указывает на чрезмерно большое прессовое давление, которое якобы и является причиной их возникновения. Однако в действительности механизм их возникновения гораздо сложней. Непосредственной, ближайшей причиной возникновения трещин расслаивания является упругое расширение прессовки. Расширение является деформацией, а всякая деформация происходит в результате действия каких-то сил. Природа этих сил, возникающих в спрессованном изделии и вызывающих его упругое расширение, объясняется отдельными авторами по-разному. Чаще всего их возникновение объясняют упругим расширением запрессованного воздуха (первый фактор) и упругим сжатием самой формы (второй фактор), в которой прессуется изделие. Оба эти фактора, несомненно, играют определенную роль в возникновении трещин расслаивания. Но, кроме того, серией оригинальных опытов было доказано, что в действительности отдельные участки прессуемого изделия при одном и том же коэффициенте сжатия и при одном и том же общем прессовом давлении получают неодинаковое уплотнение и стараются сместиться в отношении друг друга. В силу этого в изделии возникает «барический рельеф» (третий фактор), соответствующий различным давлениям и смещениям, которые испытывали отдельные участки изделия во время его прессования. Напряжения этих смещений и являются зародышами трещин расслаивания.

В соответствии с изложенными представлениями для предотвращения трещин расслаивания рекомендуется применять порошки с возможно большей однородностью зерен по их крупности и, во всяком случае, с удалением из порошка более крупных зерен, оказывающих наибольшее сопротивление сжатию. Повышение влажностной однородности порошка также будет снижать его склонность к образованию трещин расслаивания, так как сопротивление порошка сжатию зависит не только от его гранулометрического состава, но и от его влажности.

Грубозернистые отощенные порошки обладают меньшим Кз.в=0,303- 0,57; интервал давлений, в которых происходит вытеснение воздуха, растянут у них до 10МПа, упругое расширение у них ниже - не превышает 4,5%. Поэтому упругое расширение в момент снятия давления у таких порошков почти не происходит и, сле­довательно, процесса расслаивания не наблюдается.

В процессе прессования сырца сначала сближаются отдельные агрегированные частицы глины, затем наступает их деформация, а в последней стадии прессования более твердые частицы глины вдавливаются в более мягкие. Более сухие частицы глины проникают в мягкие увлажненные частицы. Точно так же и твердые зерна кварца вдавливаются в более мягкие агрегированные частицы глины. Возникающие при этом большие силы трения обусловливают прочное сцепление отдельных глиняных частиц в единый агрегированный сросток. Однако в нем отдельные частицы глины все же имеют между собой поверхности раздела, что коренным образом отличает эту структуру от структуры сырца пластического прессования, имеющего сплошную массу «коллоидального вяжущего». При полусухом прессовании «массив» сырца образуется механическим сближением отдельных зерен керамического порошка, в котором каждое зерно имеет структуру, аналогичную пластичному тесту, а в сырце между ними остаются существовать поверхности раздела, несмотря на кажущееся сильное взаимодействие между зернами порошка при его прессовании.

В сырце полусухого прессования существенно изменяется роль коллоидной фракции. Она действует главным образом не на контактных поверхностях частиц, а внутри самих частиц и агрегирует первичные зерна минералов в глинистую частицу, а не цементирует спрессованные частицы друг с другом.

При таком размещении коллоидной фракции жидкая фаза при обжиге развивается в первую очередь не на контактных поверхностях глиняных агрегатов, а внутри их. На контактных поверхностях глинистых агрегатов возникает относительно небольшое количество жидкой фазы. Оно не обеспечивает сплошной цементации контактных поверхностей. Цементация носит в этом случае характер контактного спекания аналогично «точечной сварке». Этим объясняется пониженной сопротивляемостью изделий полусухого прессования изгибу.

При медленном прессовании запрессованный воздух более равномерно распределяется в прессуемом порошке, в результате чего предотвращается образование отдельных, более опасных зон, в которых усилия превышают прочность прессовки в момент конца ее сжатия.

3 Анализ существующего производства

В настоящее время для полусухого прессования тротуарных плит серийно изготовляют пресс СМК 491, коленно-рычажного типа с двухсторонним прессованием. Усилие прессование пресса составляет 6,3 МН.

На заводах полусухого прессования, построенных до 1950 г., сушка сырца в обособленных искусственных сушилках отсутствовала. На этих заводах он досушивался в зоне подготов­ки кольцевой печи. В них процесс досушки практически нерегулируем, что приводит к снижению качества тротуарной плиты и к повышенному выходу брака. На заводах, по­строенных в 1950-1955 гг., спрессованный сырец сушат в туннельных сушилках на печных вагонетках. Длительность сушки 16-24ч. Конечная влажность 4-6%. Теплоносителями являются горячий воздух, отбираемый из зоны остывания туннельных печей, а также их отходящие газы. Где начальная температура теплоносителя 120-150°С.

4 Обзор способов полусухого пресования изделий и область их применения

Качество отформованного изделия зависит не только от параметров прессуемой смеси, но и от технологических параметров процесса прессования, а также от геометрических размеров изделия и его формы. К технологическим параметрам относятся: удельное давление прессования, определяемое как отношение усилия прессования к площади прессующего пуансона, скорость прессования, равная скорости деформации смеси и способ прессования.

В настоящее время практическое применение получили следующие: статическое прессование, изостатическое прессование, вибрационное прессование, роликовое прессование и динамическое прессование. Последнее включает разновидности: ударное прессование, взрывное прессование (газоимпульсное прессование) и гидродинамическое прессование [1].

4.1 Динамическое прессование

Такой способ прессования смеси основан на принципе свободного падения рабочего органа (подвижного пуансона). Последний, обладающий некоторой массой, падает с определенной высоты, и накопленная энергия в момент соударения со смесью расходуется на прессование смеси в матрице. Схема простого ударного способа полусухого прессования изделий показана на рисунке 1.

При ударе подвижного пуансона о смесь в матрице скорость пуансона с максимального значения за очень малый промежуток времени изменяется до некоторой конечной величины. Поэтому удар пуансона о смесь можно хτарактеризовать как импульс, который определяется выражением [4]

                                       (1.1)

где ρ - сила удара; τ - время удара.

1–форма, 2–ударный механизм

Рисунок 1–Схема ударного способа прессования

В то же время удар подвижного пуансона о смесь в матрице можно представить как произведение массы пуансона на разность его скоростей до и после удара:

,                           (1.2)

где m - масса подвижного пуансона; ν1 и ν2  - соответственно скорости подвижного пуансона до и после удара.

Если пренебречь потерями в направляющих, скорость подвижного пуансона в момент соприкосновения со смесью будет определяться высотой свободного падения

,                             (1.3)

где g - ускорение свободного падения; h- высота падения подвижного пуансона.

Приравняв уравнения (1.1) и (1.3) между собой и принимая удар подвижного пуансона о смесь в матрице абсолютно неупругим, получим

,                                    (1.4)

Максимальное значение силы удара подвижного пуансона о смесь в матрице можно приближенно определить, используя теорему о среднем

 

,                                     (1.5)

откуда

,                                                                 (1.6)

Соответственно, удельное давление прессования в момент удара пуансона на поверхности смеси будет определяться выражением

,                                   (1.7)

Анализ зависимости (1.7) показывает, что даже при небольшой массе  подвижного пуансона и высоте его падения за счет малости значения времени удара удельное давление прессования достигает значительной величины.

Поэтому, с точки зрения энергоемкости и проведенного анализа существующих прессов для полусухого прессования различных изделий показывает, что при формовании таких изделий, как строительный кирпич и тротуарная плита основным условием получения качественного изделия является уменьшение времени прессования с требуемым удельным давлением, которая зависит от физики смеси.  При малой скорости прессования происходит разрушение игольчатых и пластинчатых зерен смеси, что отражается в нехватке связующих и в случае скопления таких зерен появлению такого дефекта как расслоение изделий. С этой точки зрения, ударный способ прессования имеет определенные преимущества по сравнению с другими способами. В то же время такие технологические требования прессования, как ступенчатость, скорость деформации смеси в процессе прессования и равноплотность изделия ограничивают широкое применение ударного способа прессования [1,2,3,5,6].

Применительно к формованию керамических масс способ взрывного прессования в настоящее время находится на стадии лабораторных исследований. Сущность такого способа прессования заключается в том, что процесс уплотнения смеси происходит в результате динамического воздействия газа, образующегося при взрыве взрывчатых веществ. При взрывном прессовании под действием ударной волны температура  формуемой смеси в условиях адиабатического сжатия может достигать 800- 1000°С, хотя время воздействия давления составляет сотые и даже тысячные доли секунды. Процесс уплотнения смеси при повышенных температурах способствует упрочнению отформованного изделия и исключает необходимость введения временной связки.

Выводы

Полусухое прессование упроздняет (исключает) одну из наиболее сложных и длительных стадий технологического процесса – сушку. Получаемое изделие имеет более четкие грани и углы, что позволяет использовать его как лицевой материал.

Следовательно: не требуются затраты на энергоносители для сушки, не требуется ввод в глину добавок для улучшения сушильных свойств кирпича, даже при наличии в глине солей, они не выступают на поверхности кирпича, технологическое оборудование более простое и потребляет значительно меньше электроэнергии.

Одновременно снижаются затраты на строительство завода, так как: оборудование для полусухого прессования стоит в несколько раз дешевле, размеры здания значительно меньше, отсутствует отделение для сушки тротуарной плиты, которое обычно занимает довольно большое пространство.

В связи с этим, предлагаю применение в производстве тротуарных плит из полусухой смеси прессов с большей скоростью прессования.

Отсутствие прессовых машин, отвечающих перечисленным требованиям, недостаточная изученность технологии прессования изделий полусухим способом, на наш взгляд, являются основной причиной их невостребованности производством.

Отмеченные обстоятельства выдвигают актуальную проблему разработки научно обоснованной теории построения и проектирования прессовых машин с применением энергосберегающей технологии полусухого прессования. В решении рассматриваемой проблемы имеются определенные сдвиги, тем не менее, потребность в развитии теоретических и прикладных основ создания машин для формования изделий полусухим способом возрастает [7,8].

В настоящее время в научно-исследовательских лабораториях Павлодарского государственного университета согласно госбюджетной программе «Инновационные технологии»  проводится разработка импульсного прессового оборудования, работающего по принципу взрыва газовоздушной смеси, и не имеющего аналогов в данной отрасли строительства и обосновании его основных параметров.

Список литературы:

1. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. − М.: Металлургия, 1983. – 176 с.

2. Оборудоване и технлогия производства строительного кирпича полусухим прессованием из местных глин и побочных продуктов промышленности./ Асанов А.А., Караханиди С.Г., Джылкичиев А.И. и др. Бишкек: Кыргыз НИИНТИ, 1992. – 336 с.

3. Попильский Р.Я.,Кондрашов Ф.В. Прессование керамических порошков. − М.: Металлургия, 1968. – 272 с.

4. Джылкичиев А.И. Гидравлические прессы для производства изделий полусухим способом прессования. Бишкек. 1996. − 118 с.

5. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. М.: Стройиздат, 1982. – 384 с.

6. Хвостенков С. И, Золотухин А А. Влияние удельной работы прессования на физико-механические свойства силикатного кирпича и пустотелых камней. Сборник трудов ВНИИстрома, вып. 42 (70). М., 1978.

7. Ахметов Ж.Е., Богомолов.А.В., Сембаев Н.С., Қуанов Ғ.Ғ. Қазақстанда ұнтақ металлургиясының даму перспективалары (Павлодар аймағы негізінде). Павлодар мелекеттік университетінің «Қазақстан ғылымы мен техникасы» - «Наука и техника Казахстана» ғылыми журналы. − 2005. – №2. – С. 61-66.

8.         Рохваргер Е.Л., Белопольский М.С., Добужинский В.И. и др. Новая технология керамических плиток. − М.: Стройиздат, 1977.−  232 с.