Введение к работе
Актуальность. Спрос на керамический кирпич высокого качества в ледине годы вырос. В то же время возросла конкуренция на потребитель-м рынке в связи с участием в нем иностранных фирм. Многие отечествен-: предприятия, выпускающие продукцию недостаточно высокого качества, запись в трудном экономическом положении. Поэтому проблема повыше-качества продукции для многих предприятий стала наиболее актуальной, эующей незамедлительного разрешения.
Выносимая на зашиту диссертация как раз и посвящена вопросам по-иения качества керамического кирпича, снижению энергозатрат на фор-ание, повышению ресурса работы прессового оборудования и, таким об-эм, полностью отвечает критерию оптимальности. Актуальность работы ливается тем, что она ориентирована на метод полусухого прессования, орый на сегодняшний день является в отечественном производстве доми-ующим.
Среди работ аналогичном направленное ти она отличается тем, что ьшипство из решаемых в ней вопросов рассматривается сквозь призму тренних сил влажных дисперсных систем, к которым с полным основанн-можно отнести глнносодержащне формовочные массы. Как следует из семенных положений физической и коллоидной химии, физико-химической аники (по П.А. Ребиидеру), теории дисперсных систем, других фундамен-ьных научных дисциплин, формование керамическою кирпича можно ор-нзовать таким образом, что внутренние силы в максимальной степени бу-способствовать процессу структурообразования, создавая тем самым дпосылки для получения изделий высокого качества.
Целью работы является исследование процессов раннего (на стадиях іготовки формовочной массы и формования изделий) структурообразова-[ с учетом потенциала внутренних сил на примере технологии керамиче-го кирпича полусухого прессования и отработка практических вопросов іавления структурообразованием.
В соответствии с основной целью диссертационной работы определены дуюшие ее задачи:
-
Рассмотреть особенности структуры керамических материалов, оп-іелить критерии качества структуры, обосновать факторы управления уктурой, в первую очередь - на ранней стадии ее формирования.
-
На основе положений физико-химической механики дисперсных сис-[, учения о поверхностных энергиях и межфазных взаимодействиях, сфор-шровать научную концепцию исследований, определить методологиче-іе и методические подхбды к исследованию.
-
Выявить влияние минералогического и зернового состава глинистого эья, его влажности на проявление внугренних сил на этапах нодгоговки рмовочных масс и формования изделий, на структурные изменения в сыр-керамнческого кирпича; соответственно полученным результатам опрелс-
4 лить пути повышения качества кирпича, снижения энергозатрат, повышения
ресурса работы прессового оборудования.
4. Исследовать технологические факторы управления процессом прессформования изделий и обосновать практические приемы реализации управления этими процессами; оценить технико-экономическую эффективность научно-технических предложений.
Научная новизна работы состоит в том, что, используя современные представления физической и коллоидной химии о поверхностной энергии, поверхностном натяжении на границах фаз, об особом состоянии воды в адсорбционных и поверхностных слоях, о конкурирующем взаимодействии пленочной и капиллярной воды, об электростатических взаимодействиях в дисперсных системах, которые в комплексе приводят к самоуплотнению или саморазуплотнению дисперсных систем, автор диссертации показал, что все отмеченные аспекты формирования структуры дисперсных систем справедливы и для глинистого сырья, применяемого в технологии керамического кирпича. Целенаправленное использование дополнительных механизмов структурообразования позволяет получить сырец кирпича наивысшей для рассматриваемой технологии плотности и соответственно, с самыми высокими другими определяющими качественными характеристиками.
Установлены особенности проявления в керамических формовочных массах действия внутренних сил с минералогическим составом и дисперсностью глинистой составляющей в применяемом сырье, с влажностью формовочной массы.
Обоснованы подходы к целенаправленному использованию внутренних сил в процессах формования керамического кирпича, позволяющие компенсировать значительную часть внешней энергии прессформования в виде прессового давления.
Показано, что чем выше прессовое давление, используемое при формовании кирпича.тем менее заметно влияние внутренних сил непосредственно в процессе прессования, но тем более заметно это влияние в отпрессованном сырце: при оптимальной влажности сырца стягивающее капиллярное давление фиксирует достигнутые значения плотности, препятствует обратным деформациям сырца, вызывающим его разуплотнение.
Доказано существование предельного прессового давления, превышение которого способствует незначительному повышению плотности сырца, но создает в нем высокие внутренние напряжения, являющиеся причиной дефектной структуры.
Разработаны предложения по совершенствованию процесса прессформования кирпича и по усовершенствованию механического пресса ПМК-630 с целью реализации режима двухстороннего прессования, который позволяет исключить вероятность проявления эффекта «перепрессовки» и ухудшения структуры кирпича.
Разработан алгоритм автоматизированного управления процессом прессформования кирпича, обеспечивающий протекание процесса в оптимальном режиме.
Практическое значите работы определяется возможностями решения на основе полученных результатов прикладных задач, относящихся к совершенствованию технологии кирпича полусухого формования, в т.ч. к определению оптимальных составов формовочных шихт, оптимальных режимов формования, совершенствованию конструкции прессового оборудования.
Выполненными исследованиями показано, что для глинистого сырья Семилукского КСМ наиболее совершенная структура керамического «черепка» обеспечивается при влажности формовочной массы (12±1) % и удельном давлении прессования в 10... 15 МПа. Показано, что в обратном деформировании сырца кирпича после снятия прессового давления, участие принимают не только упругие деформацгл расширения сжатых воздуха и твердых частиц, но и перераспределение воды между пленками и капиллярами, что в конечном итоге способствует повышению прочности сырца.
Полученная в процессе исследований зависимость плотности формовочной массы и сырца от В/Т- фактора и величины прессового давления, другие зависимости создали основу для разработки алгоритма автоматизированного управления работой формующего оборудования, а также предпосылки для усовершенствования отдельных узлов коленорычажного пресса марки ПМК-бЗО.Вьшолненные исследования явились основой для двух изобретений, на которые получены патенты.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований нашли отражение в 2-х редакциях «Технологического регламента производства керамического кирпича полусухого прессования в АО «Семилукский комбинат строительных материалов».
Положения диссертации прошли промышленную проверку и внедрены в производство на Семилукском КСМ в виде оптимального состава формовочной шихты, оптимального режима преесформования кирпича, модернизированного пресса марки ПМК-630, в виде алгоритма автоматизированного управления работой пресса.
Отмеченный комплекс мероприятий позволил за период с 1990г. по 1999 г. повысить марочность кирпича с М-75 до М-200, процент кирпича высоких марок возрос с 5 % до 25 %, наладить выпуск лицевого кирпича.
Технико-экономический эффект за 10 последних лет составил 2033,739 тыс. руб. (в ценах 1998г.)
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на трех международных конференциях по проблемам материаловедения (Белгород - 1997г, Пенза -1998г., Волгоград - 1998г.), на трех внутри вузовских (ВГАСА - 1996,1997,1999г.г.) научно-технических конференциях, межкафедральном (ВГАСА) семинаре.
Автор защищает: - теоретические представления о структурообразо-вании во влажных глиносодержащих материалах, в котором значительное место занимают внутренние силы, обусловленные избыточной поверхностной энергией на границах твердой, жидкой и газовой фаз и представляемых в виде пленочного расклинивающего и капиллярного стягивающего давлений жидкой фазы, электростатическими межчастичными взаимодействиями, ко-
( торые в глиносодержащих дисперсных композициях проявляются весьма
сложным образом, что связано со слоистой структурой глинообразуюидо минералов, их склонностью к внутренней адсорбции воды и самодиспергиро-ванию; в процессах прессформования внутренние силы усиливают или ослабляют действие внешних сил, изменяют прессуемость керамической шихты, свойства отпрессованного сырца и готового кирпича;
научные и экспериментальные результаты в виде зависимостей плотности формовочной шихты от ее влажности, плотности сырца от влажности формовочной шихты, величины прессового давления при заданной плотности сырца от влажности формовочной шихты, величины плотности сырца от величины прессового давления, величины обратных деформаций сырца при снятии прессовой нагрузки от совокупности технологических факторов; выявленную связь технологических факторов со структурой сырца, зависимость влажностной усадки сырца кирпича от совокупности технологических факторов, количественную связь между плотностью сырца, огневой усадкой, плотностью и свойствами обожженного «черепка»;
практические данные, отражающие влияние вышеперечисленных технологических факторов на формуемость кирпича, работу прессов, свойства готового кирпича;
практические рекомендации и апробированные решения по модернизации коленорычажных прессов ПМК-630 и по совершенствованию технологии кирпича полусухого прессформования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, содержит 192 страницы компьютерного текста, 48 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 110 источников, 3-х приложений в виде актов испытания и внедрения.
