9.1.2. Теоретичні основи пресування

Глиняна керамічна маса, що застосо­вується у виробництві будівельних мате­ріалів пластичним пресуванням, є плас­тичною. Для неї характерний проміжний стан між крихким і рідким.

Поведінка керамічних мас у процесі формування залежить від особливостей їхньої структури.

Пластична керамічна маса — напівдисперсна система з чітко виражени­ми пластичними властивостями, що скла­дається з частинок глини, які обволіка­ються молекулярно зв'язаною водою. У проміжках між частинками утворюють­ся пори 4, в яких є вільна вода 3 та інерт­ний матеріал 5 (рис. 9.4). Окремі час­тинки маси зчіплюються переважно че­рез фізико-хімічну природу зв'язку між оболонками зв'язаної води 2 (адсорбцій­ної) і структурованого гелю, що утворив­ся на їхній поверхні внаслідок поверхне­вого диспергування дрібних глиняних час­тинок.

Фізико-механічні властивості пластич­них мас залежать від факторів, що обу­мовлюють їхню структуру, а саме: форми і розмірів частинок, дисперсної фази, її абсорбційної здатності й взаєморозміщення частинок у просторі.

У процесі ущільнення маси відстань між частинками глини зменшується і з неї по­ступово видавлюється вільна вода. Якщо зовнішній тиск на частинки маси збільшу­ватиметься, то вода буде віджиматися і настане такий момент, коли плівка води, що залишилася, і глина в цілому мати­муть певні пружні властивості.

Деформованість і зв'язаність глиняних частинок пластичної керамічної маси бу­дуть різні залежно від форми зв'язку з поверхнею частинок води, що є в ній.

Форма зв'язку води з глиняною час­тинкою дуже впливає на деформацію гли­няної маси в процесі її формування і знач­ною мірою — на утворення структури маси, що формується. Зв'язана (адсорб­ційна) вода — це вода, що утримується на поверхні частинок глини електроста­тичними силами. Вона є псевдотвердим тілом, що переміщується повільно. До складу адсорбційної води належить гігро­скопічна вода, що поглинається глиною безпосередньо з повітря. Гігроскопічна вода міцно зв'язана з поверхнею частинок глини і за своїми властивостями

Рис. 9.3. Технологічний процес виробництва:

а — труб; б — стрічкової і штампувальної черепиці

Рис. 9.4. Структура глиняних мас:

а — пластичних; б — менш пластичних

наближається до твердого тіла .

Вільна (капілярна) вода, що міститься в місцях контактів між частинками маси, надходить у масу й утримується в ній капілярними силами. Капілярна вода є одним із факторів зв'язаності маси. Вміст її в масі в процесі оброблення може змі­нюватися залежно від тиску.

Формування виробів із пластичної кера­мічної маси полягає у створенні умов, які забезпечують потрібне рівномірне ущіль­нення частинок маси, що пресується, а та­кож зчеплення їх для збереження форми виробу.

Рис. 9.5. Схема ущільнення керамічної маси в шнековому пресі

Добре формується керамічна маса, що має максимальну молекулярну вологість, оскільки при цьому забезпечується кра­ще зчеплення частинок маси. Максималь­ну молекулярну вологість мають плас­тичні керамічні маси, з яких під тиском видалено переважну частину капілярної води, що міститься в норах і капілярах частинок маси. При цьому в системі за­лишається тільки зв'язана вода і частина капілярної води, яка міститься в місцях контактів частинок. Вологість, що відпові­дає такому стану, називають оптимальною вологістю ф глиняних мас при форму­ванні будівельних виробів. Для більшості глин вона має таку залежність:

_ф  (1,7...1,8) W,

де W— абсолютна вологість глини, %;  — коефіцієнт тертя частинок глини об твер­ду поверхню (об головку преса).

Під час стиснення керамічної пластичної маси видаляється капілярна вода і повіт­ря, частинки інертного матеріалу щільніше обволікаються структурованим гелем гли­нистих частинок і частинки маси переорієн­товуються в щільніший і стійкіший стан.

Фізико-механічні властивості глиняних мас залежать від їхньої консистенції, во­логості, ступеня вакуумування, кількості та якості інертного матеріалу, мінерало­гічного складу, а також від умов їхньої деформації, зумовлених значенням і на­прямом прикладених сил. Отже, струк­турою і механічними властивостями ке­рамічних мас у процесі їхнього утворен­ня можна керувати за допомогою раціо­нального складання шихти, введення до­бавок і способів механічної обробки.

Під час формування виробів із плас­тичної керамічної маси на стрічкових пре­сах як гвинтового (шнекового), так і безшнековго типів відбувається деформація стиску з одночасним зрушенням маси в процесі її ущільнення.

Маса в циліндрі стрічкового преса ущіль­нюється за рахунок переміщення частинок під дією тиску р нагнітача, що діє пара­лельно осі преса, і бічного тиску q0, напрямленого до стінки преса (рис. 9.5).

Бічний тиск визначають за формулою

q₀  p

де  — коефіцієнт бічного тиску; р — тиск, що діє по осі преса.

Значення коефіцієнта  залежить від фізико-механічних властивостей маси, що пресується. Бічний тиск, у свою чергу, спричинює появу тертя маси об стінки циліндра 1 (див. рис. 9.5), пресувальної головки 2 і мундштука 3 преса. Вплив тертя завдяки наявності в масі внутріш­нього тертя та тертя між частинками роз­поділяється по всьому його об'єму.

У гвинтових (шнекових) стрічкових пресах глиняна маса під дією лопатевого гвинта здійснює складний рух, що скла­дається з обертального руху навколо осі гвинта і поступального — вздовж осі гвин­та (шнека). Швидкість обертального руху (колова швидкість) частинки А становить:

v₁ r2 rn (9.1)

де  — кутова швидкість частинки А, рад/с; r — відстань від частинки А до осі гвинта, м; п — частота обертання гвин­та (шнека), об/с.

Поступальна швидкість руху частин­ки A ^v2 визначають за формулою

v₂ = tn, (9.2)

де t — крок гвинта, м.

Визначивши частоту обертання гвинта із рівняння (9.1) n = 2 і підставивши це значення у формулу (9.2), дістанемо

v₂ t/2

Рівняння (9.1) і (9.2) доводять, що зі збільшенням відстані від частинки до осі обертання колова швидкість її зростає, а поступальна залишається незмінною.

Результуюча швидкість руху частинки А дорівнює геометричній сумі швидкостей:

У міру віддалення від осі результуюча швидкість руху частинки зростає і на зовнішній кромці гвинтової лопаті гвин­та має найбільше значення. Якщо пресо­вана маса утримується від обертання си­лами тертя її об внутрішню поверхню корпусу преса, то обертання гвинта спри­чинює тільки поступальний рух маси і відбувається відносне ковзання маси по гвинтовій поверхні — максимальне на периферії і мінімальне біля осі преса.

З наближенням гвинтового вала до цент­ра гальмівна дія внутрішньої поверхні корпусу зменшується через недостатній опір маси зрушенню, внаслідок чого шари маси зрушуються. Момент тертя між ма­сою і внутрішньою поверхнею корпусу, що утримує її від прокручування, як пра­вило, менший від моменту тертя між ма­сою і лопатями гвинта, в результаті чого вона здійснює певний обертальний рух.

Щоб зменшити швидкість обертально­го руху, яка є «шкідливою» складовою результуючої швидкості, у циліндрі вста­новлюють контрножі або зменшують жи­вий переріз робочого простору збільшен­ням діаметра маточини гвинта (шнека). Тоді сила тертя маси об внутрішню по­верхню корпусу передаватиметься через менший шар керамічної маси.

Простежимо технологічний процес пре­сування пластичної керамічної маси в стріч­ковому шнековому пресі (див. рис. 9.5). Маса, що надходить у приймальну части­ну, захоплюється лопатями шнека і транс­портується через циліндр до головки пре­са. У приймальній частині преса простір між витками заповнюється масою на 30.. .40 % переважно у фронтальній части­ні лопаті. Тильна частина лопаті завжди залишається вільною.

У міру просування маси до середньої частини корпусу циліндра преса обертання її зменшується, а в середній її частині — зовсім немає, оскільки об'єм між витками майже цілком заповнюється глиною. Маса між витками рухається не по всьому пе­рерізу, а утворює природний канал, переріз якого має вигляд параболи (рис.9.6). У корпусі (циліндрі) стрічкового преса маса транспортується і ущільнюється, утворюється суцільний рухомий потік. Пери­ферійні шари, що є в корпусі преса, руха­ються швидше і деформуються більше. У напрямі до маточини гвинта рух маси сповільнюється і деформація зменшується.

Пресує масу останній виток шнеково­го вала, який називають віджимним (або випірною лопаттю), а інші витки є транс­портувальними й у пресуванні беруть участь обмежено. їхнє завдання — забез­печити безперервність потоку маси, що фор­мується. Краще ущільнення маси в зоні транспортувальних витків матимуть гвин­ти (шнеки) зі змінним кроком, що змен­шується до вихідної частини корпусу, а також у конічному корпусі преса.

Головка і мундштук є основними робо­чими органами стрічкового преса. Кінце­ва (віджимна) лопать гвинта виштовхує масу з циліндра з різними по перерізу швидкостями і у вигляді спіралей подає її до головки преса. Віджимна лопать не тільки проштовхує масу, а й частково по­вертає її.

Під час подавання маси гвинтовим ва­лом у головку преса відбувається пуль­сація (поштовхи) маси, що подається при її просуванні, внаслідок чого структура маси в пресі має вигляд послідовного на­шарування порожніх конусів, укладених один в один. Це явище пояснюється тим, що випірні лопаті шнека видавлюють масу в головку преса по кривій, що відповідає профілю гвинта шнека. У результаті цього пульсуючий тиск передається на масу в