Keramika
Aliuminio oksido keramika yra atspari dilimui, korozijai ir didelio stiprumo keraminė medžiaga. Ji plačiai naudojama ir šiuo metu yra plačiausiai naudojama aukštos temperatūros konstrukcinės keramikos kategorija. Norint formuoti masinę gamybą ir atitikti taisyklingos gaminio išvaizdos, mažo malimo kiekio ir lengvo smulkaus malimo reikalavimus, labai svarbu pasirinkti sauso presavimo formavimo būdą. Presavimo būdu ruošinys turi būti tam tikros gradacijos milteliai, kuriuose būtų mažiau drėgmės ir rišiklio. Todėl po rutulinio malimo ir smulkaus susmulkinimo gauta įmaiša turi būti džiovinama ir granuliuojama, kad būtų gauti geresnio takumo ir didesnio tūrio milteliai. Purškiamasis džiovinimas granuliuojant tapo pagrindiniu statybinės keramikos ir naujos keramikos gamybos metodu. Šiuo būdu paruošti milteliai pasižymi geru takumu, tam tikru didelių ir mažų dalelių santykiu ir geru tūrio tankiu. Todėl purškiamas džiovinimas yra efektyviausias sauso presavimo miltelių paruošimo būdas.
Purškiamasis džiovinimas – tai procesas, kurio metu skystos medžiagos (įskaitant suspensiją) yra purškiamos, o po to karštoje džiovinimo terpėje paverčiamos sausais milteliais. Medžiagos purškiamos į itin smulkius sferinius rūko lašelius, nes rūko lašeliai yra labai smulkūs, o paviršiaus ploto ir tūrio santykis yra labai didelis, drėgmė greitai išgaruoja, o džiovinimo ir granuliavimo procesai užbaigiami akimirksniu. Medžiagų dalelių dydį, drėgmės kiekį ir tūrinį tankį galima kontroliuoti reguliuojant džiovinimo parametrus. Naudojant purškiamojo džiovinimo technologiją, galima gauti vienodos kokybės ir gero pakartojamumo sferinius miltelius, taip sutrumpinant miltelių gamybos procesą, palengvinant automatinę ir nepertraukiamą gamybą, ir tai yra efektyvus būdas didelio masto smulkių aliuminio oksido keraminių sausų miltelių gamybai.
2.1.1 Srutų paruošimas
Pirmos klasės pramoninis aliuminio oksidas, kurio grynumas yra 99 %, pridedamas su maždaug 5 % priedų, kad būtų gauta 95 % porceliano medžiaga, o rutulinis malimas atliekamas pagal medžiagos: rutulio: vandens santykį = 1: 2: 1, o rišiklis, deflokuliantas ir atitinkamas vandens kiekis pridedami, kad būtų gauta stabili suspensijos sruta. Santykinė klampa matuojama paprastu srauto matuokliu, siekiant nustatyti tinkamą purvo kietosios medžiagos kiekį, deflokulianto tipą ir dozę.
2.1.2 Purškimo džiovinimo procesas
Pagrindiniai purškiamojo džiovinimo proceso valdymo proceso parametrai yra šie: a). Džiovintuvo išleidimo temperatūra. Paprastai kontroliuojama 110 ℃. b). Vidinis purkštuko skersmuo. Naudojama 0,16 mm arba 0,8 mm diafragma. c). Cikloninis separatorius, slėgio skirtumas, valdomas 220 Pa.
2.1.3 Miltelių eksploatacinių savybių patikrinimas po purškiamojo džiovinimo
Drėgmės nustatymas atliekamas pagal įprastus keramikos drėgmės nustatymo metodus. DaleliųMorfologija ir dalelių dydis buvo stebimi mikroskopu. Miltelių takumas ir tūrinis tankis buvo tiriami pagal ASTM eksperimentinius metalo miltelių takumo ir tūrinio tankio standartus. Metodas yra toks: be vibracijos 50 g miltelių (0,01 g tikslumu) praeina per 6 mm skersmens ir 3 mm ilgio stiklinį piltuvėlio kaklelį, kurio takumas yra nustatytas; be vibracijos milteliai praeina per tą patį stiklinį piltuvą ir iš to paties stiklinio piltuvo patenka į 25 mm aukščio indą. Nevibruojantis tankis yra laisvas pakavimo tankis.
3.1.1 Srutų paruošimas
Naudojant purškiamojo džiovinimo granuliavimo procesą, labai svarbus yra suspensijos paruošimas. Kietosios dalelės kiekis, purvo smulkumas ir takumas tiesiogiai paveiks sausų miltelių išeigą ir dalelių dydį.
Kadangi šio aliuminio oksido porceliano milteliai yra nevaisingi, norint pagerinti ruošinio formavimo savybes, būtina pridėti tinkamą rišiklio kiekį. Dažniausiai naudojamos organinės medžiagos, tokios kaip dekstrinas, polivinilo alkoholis, karboksimetilceliuliozė, polistirenas ir kt. Šiame eksperimente buvo pasirinktas vandenyje tirpus rišiklis – polivinilo alkoholis (PVA). Jis yra jautresnis aplinkos drėgmei, o aplinkos drėgmės pokyčiai labai paveiks sausų miltelių savybes.
Polivinilo alkoholis yra įvairių rūšių, turintis skirtingą hidrolizės ir polimerizacijos laipsnį, kuris turės įtakos purškiamojo džiovinimo procesui. Bendras jo hidrolizės ir polimerizacijos laipsnis turės įtakos purškiamojo džiovinimo procesui. Paprastai jo dozė yra 0,14–0,15 % (masės). Per didelis jo kiekis sukels kietų sausų miltelių dalelių susidarymą iš purškiamų granuliuotų medžiagų, kurios nedeformuos dalelių presavimo metu. Jei dalelių savybių nepavyks pašalinti presavimo metu, šie defektai bus kaupiami žaliame kūne ir jų nebus galima pašalinti po degimo, o tai turės įtakos galutinio produkto kokybei. Per mažas rišiklio kiekis padidins eksploatacinius nuostolius. Eksperimentas rodo, kad pridėjus tinkamą rišiklio kiekį, mikroskopu galima stebėti žalio ruošinio skerspjūvį. Matyti, kad padidinus slėgį nuo 3 MPa iki 6 MPa, skerspjūvis didėja tolygiai ir lieka nedaug sferinių dalelių. Kai slėgis yra 9 MPa, pjūvis yra lygus ir iš esmės nėra sferinių dalelių, tačiau dėl aukšto slėgio žali ruošiniai stratifikuojasi. PVA atidaromas maždaug 200 ℃ temperatūroje.
Pradėkite degti ir nusausinkite maždaug 360 ℃ temperatūroje. Norint ištirpinti organinį rišiklį ir sudrėkinti ruošinio daleles, tarp dalelių suformuojamas skystas tarpsluoksnis, pagerinamas ruošinio plastiškumas, sumažinama trintis tarp dalelių ir tarp medžiagų bei formos, skatinamas presuoto ruošinio tankio padidėjimas ir slėgio pasiskirstymo homogenizavimas, taip pat pridedamas tinkamas plastifikatoriaus kiekis, dažniausiai naudojami glicerinas, etilo oksalo rūgštis ir kt.
Kadangi rišiklis yra organinis makromolekulinis polimeras, labai svarbus ir rišiklio įmaišymo į suspensiją būdas. Geriausia paruoštą rišiklį įmaišyti į vienalytę suspensiją su reikiamu kietųjų dalelių kiekiu. Tokiu būdu galima išvengti neištirpusių ir nedispersinių organinių medžiagų patekimo į suspensiją ir sumažinti galimus defektus po degimo. Įdėjus rišiklį, suspensija lengvai susidaro malant rutuliniu malūnu arba maišant. Į lašelį įvyniotas oras yra sausuose milteliuose, todėl sausos dalelės tampa tuščiavidurės ir sumažėja tūrio tankis. Siekiant išspręsti šią problemą, galima pridėti putojimo slopintuvų.
Dėl ekonominių ir techninių reikalavimų reikalingas didelis sausųjų medžiagų kiekis. Kadangi džiovyklės gamybos pajėgumas nurodo per valandą išgaruojantį vandenį, srutos su dideliu sausųjų medžiagų kiekiu žymiai padidins sausų miltelių išeigą. Kai kietųjų medžiagų kiekis padidėja nuo 50 % iki 75 %, džiovyklės našumas padidėja dvigubai.
Mažas kietųjų dalelių kiekis yra pagrindinė tuščiavidurių dalelių susidarymo priežastis. Džiūvimo metu vanduo migruoja į lašelio paviršių ir perneša kietąsias daleles, todėl vidinė lašelio dalis tampa tuščiavidurė; jei aplink lašelį susidaro mažo pralaidumo elastinga plėvelė, dėl mažo garavimo greičio lašelio temperatūra pakyla, o vanduo išgaruoja iš vidinės dalies, todėl lašelis išsipučia. Abiem atvejais dalelių rutulio forma bus sunaikinta ir susidarys tuščiavidurės žiedo, obuolio arba kriaušės formos dalelės, o tai sumažins sausų miltelių takumą ir tūrinį tankį. Be to, srutos su dideliu kietųjų dalelių kiekiu gali sumažinti...
Trumpo džiovinimo proceso metu džiovinimo proceso sutrumpinimas gali sumažinti klijų kiekį, pernešamą į dalelių paviršių kartu su vandeniu, kad rišiklio koncentracija dalelių paviršiuje nebūtų didesnė nei centre, kad dalelės turėtų kietą paviršių, o presavimo ir formavimo metu dalelės nedeformuotųsi ir nesutraiškytų, taip sumažinant ruošinio kūno masę. Todėl norint gauti aukštos kokybės sausus miltelius, reikia padidinti kietosios medžiagos kiekį suspensijoje.
Purškiamajam džiovinimui naudojama suspensija turi būti pakankamai skysta ir kuo mažiau drėgna. Jei suspensijos klampumas sumažinamas įpilant daugiau vandens, ne tik padidėja džiovinimo energijos sąnaudos, bet ir sumažėja produkto tūrinis tankis. Todėl suspensijos klampumą būtina sumažinti koaguliantu. Išdžiovinta suspensija sudaryta iš kelių mikronų ar mažesnių dalelių, kurias galima laikyti koloidine dispersine sistema. Koloidinio stabilumo teorija rodo, kad suspensijos daleles veikia dvi jėgos: van der Valso jėga (Kulombo jėga) ir elektrostatinė stūmos jėga. Jei jėga daugiausia yra gravitacija, įvyks aglomeracija ir flokuliacija. Bendra dalelių sąveikos potencialinė energija (VT) yra susijusi su jų atstumu, kurio metu VT tam tikru momentu yra gravitacinės energijos VA ir stūmos energijos VR suma. Kai VT tarp dalelių turi didžiausią teigiamą potencialinę energiją, tai yra depolimerizacijos sistema. Duotoje suspensijoje VA yra neabejotina, todėl sistemos stabilumas priklauso nuo VR kontroliuojančių funkcijų: dalelių paviršiaus krūvio ir dvigubų elektrinių sluoksnių storio. Dvisluoksnio storis yra atvirkščiai proporcingas valentinės jungties kvadratinei šakniai ir pusiausvyros jonų koncentracijai. Dvisluoksnio suspaudimas gali sumažinti flokuliacijos potencialinį barjerą, todėl valentinė jungtis ir pusiausvyros jonų koncentracija tirpale turi būti maža. Dažniausiai naudojami deemulgatoriai yra HCI, HNO3, NaOH, (CH3)3noh (ketvirtinis aminas), GA ir kt.
Kadangi vandeninė 95 aliuminio oksido keramikos miltelių suspensija yra neutrali ir šarminė, daugelis koaguliantų, kurie gerai skiedžia kitas keramikos suspensijas, praranda savo funkciją. Todėl labai sunku paruošti suspensiją su dideliu kietųjų dalelių kiekiu ir geru takumu. Bevaisė aliuminio oksido suspensija, priklausanti amfoteriniam oksidui, rūgštinėje arba šarminėje terpėje vyksta skirtingai, todėl susidaro skirtingos sudėties ir struktūros micelės. Suspensijos pH vertė tiesiogiai paveiks disociacijos ir adsorbcijos laipsnį, todėl pasikeis ζ potencialas ir atitinkamai vyks flokuliacija arba disociacija.
Aliuminio oksido suspensija turi didžiausią teigiamo ir neigiamo ζ potencialo vertę rūgštinėje arba šarminėje terpėje. Šiuo metu suspensijos klampumas yra žemiausioje dekoaguliacijos būsenos vertėje, o neutralioje būsenoje jos klampumas padidėja ir vyksta flokuliacija. Nustatyta, kad pridėjus tinkamo deemulsiklio, suspensijos takumas labai pagerėja, o klampumas sumažėja, kad jos klampumo vertė būtų artima vandens klampumo vertei. Vandens takumas, matuojamas paprastu viskozimetru, yra 3 sekundės / 100 ml, o suspensijos takumas – 4 sekundės / 100 ml. Sumažėjus suspensijos klampumui, kietųjų dalelių kiekis suspensijoje gali padidėti iki 60 % ir susidaryti stabili pakuotė. Kadangi džiovyklės gamybos pajėgumas reiškia vandens išgaravimą per valandą, todėl susidaro suspensija.
3.1.2 Pagrindinių purškiamojo džiovinimo proceso parametrų valdymas
Džiovinimo bokšto oro srauto modelis turi įtakos lašelių džiovinimo laikui, sulaikymo laikui, likusiam vandeniui ir sienelių prilipimui. Šiame eksperimente lašelių oro maišymo procesas yra mišrus srautas, t. y. karštos dujos patenka į džiovinimo bokštą iš viršaus, o purškimo antgalis yra sumontuotas džiovinimo bokšto apačioje, sudarydamas fontano purškimą, o lašelis yra parabolės formos, todėl lašelis maišosi su oru priešpriešiniu srautu, ir kai lašelis pasiekia eigos viršūnę, jis tampa pasroviui tekėjusiu srautu ir purškia kūgio formą. Kai tik lašelis patenka į džiovinimo bokštą, jis netrukus pasiekia maksimalų džiovinimo greitį ir pereina į pastovaus greičio džiovinimo etapą. Pastovaus greičio džiovinimo etapo trukmė priklauso nuo lašelio drėgmės kiekio, purvo klampumo, sauso oro temperatūros ir drėgmės. Ribinis taškas C nuo pastovaus greičio džiovinimo etapo iki greito džiovinimo etapo vadinamas kritiniu tašku. Šiuo metu lašelio paviršius nebegali išlaikyti prisotintos būsenos dėl vandens migracijos. Mažėjant garavimo greičiui, lašelių temperatūra didėja, o lašelių paviršius taške D prisotinamas, sudarydamas kieto apvalkalo sluoksnį. Garavimas juda į vidų, o džiūvimo greitis toliau mažėja. Tolesnis vandens pašalinimas yra susijęs su kietojo apvalkalo drėgmės pralaidumu. Todėl būtina kontroliuoti tinkamus veikimo parametrus.
Sausų miltelių drėgmės kiekį daugiausia lemia purškiamojo džiovintuvo išleidimo temperatūra. Drėgmės kiekis turi įtakos sausų miltelių tūriniam tankiui ir takumui, taip pat lemia presuoto ruošinio kokybę. PVA yra jautrus drėgmei. Esant skirtingoms drėgmės sąlygoms, tas pats PVA kiekis gali sukelti skirtingą sausų miltelių dalelių paviršiaus sluoksnio kietumą, todėl presavimo proceso metu slėgio nustatymas svyruoja, o gamybos kokybė nestabili. Todėl išleidimo temperatūra turi būti griežtai kontroliuojama, kad būtų užtikrintas sausų miltelių drėgmės kiekis. Paprastai išleidimo temperatūra turi būti kontroliuojama ties 110 ℃, o įleidimo temperatūra turi būti atitinkamai reguliuojama. Įleidimo temperatūra neturi būti aukštesnė kaip 400 ℃, paprastai kontroliuojama apie 380 ℃. Jei įleidimo temperatūra per aukšta, karšto oro temperatūra bokšto viršuje perkais. Kai rūko lašai pakyla iki aukščiausio taško ir susiduria su perkaitusiu oru, keraminių miltelių, kuriuose yra rišiklio, poveikis sumažėja ir galiausiai paveikiamas sausų miltelių presavimo efektyvumas. Antra, jei įleidimo temperatūra per aukšta, tai paveikia ir šildytuvo tarnavimo laiką, šildytuvo apvalkalas nukris ir karštu oru pateks į džiovinimo bokštą, užteršdamas sausus miltelius. Jei įleidimo ir išleidimo temperatūros iš esmės nustatomos, išleidimo temperatūrą taip pat galima reguliuoti tiekimo siurblio slėgiu, cikloninio separatoriaus slėgio skirtumu, kietųjų dalelių kiekiu srutoje ir kitais veiksniais.
Cikloninio separatoriaus slėgio skirtumas. Cikloninio separatoriaus slėgio skirtumas yra didelis, todėl padidės išleidimo temperatūra, padidės smulkių dalelių surinkimas ir sumažės džiovyklės našumas.
3.1.3 Purškiamo džiovinimo miltelių savybės
Purškiamojo džiovinimo būdu paruoštų aliuminio oksido keramikos miltelių takumas ir pakavimo tankis paprastai yra geresni nei įprastu būdu paruoštų. Rankiniu būdu granuliuoti milteliai negali tekėti per detektoriaus įrenginį be vibracijos, o purškiamojo granuliavimo milteliai tai gali visiškai padaryti. Remiantis ASTM standartu, skirtu metalo miltelių takumui ir tūriniam tankiui tikrinti, buvo išmatuotas purškiamojo džiovinimo būdu gautų dalelių tūrinis tankis ir takumas esant skirtingoms vandens kiekio sąlygoms. Žr. 1 lentelę.
1 lentelė. Purškiamuoju būdu džiovintų miltelių pavidalo tankis ir takumas
1 lentelė. Miltelių tankis ir srauto greitis
| Drėgmės kiekis (%) | 1.0 | 1.6 | 2.0 | 2.2 | 4.0 |
| Sandarumo tankis (g/cm3) | 1.15 | 1.14 | 1.16 | 1.18 | 1.15 |
| Likvidumas (-ai) | 5.3 | 4.7 | 4.6 | 4.9 | 4.5 |
Purškiamo džiovinimo miltelių drėgmės kiekis paprastai kontroliuojamas 1–3 % ribose. Šiuo metu miltelių sklandumas yra geras, o tai gali atitikti presavimo formavimo reikalavimus.
DG1 yra rankų darbo granuliavimo miltelių tankis, o DG2 – purškiamo granuliavimo miltelių tankis.
Rankomis granuliuoti milteliai paruošiami malant rutuliniu malūnėliu, džiovinant, sijojant ir granuliuojant.
2 lentelė. Rankinio ir purškiamojo granuliavimo būdu suformuotų presuotų miltelių tankis.
2 lentelė. Žaliojo kūno tankis
| Slėgis (MPA) | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
| DG1 (g/cm²3) | 2.32 | 2.32 | 2.32 | 2.33 | 2.36 | 2.4 |
| DG2 (g/cm²3) | 2.36 | 2.46 | 2.53 | 2.56 | 2,59 | 2,59 |
Miltelių dalelių dydis ir morfologija buvo stebimi mikroskopu. Matyti, kad dalelės iš esmės yra kietos, sferinės, su skaidria sąsaja ir lygiu paviršiumi. Kai kurios dalelės yra obuolio, kriaušės arba tiltelio formos ir sudaro 3 % visų dalelių. Dalelių dydžio pasiskirstymas yra toks: didžiausias dalelių dydis yra 200 μm (< 1 %), mažiausias dalelių dydis yra 20 μm (atskiros), dauguma dalelių yra apie 100 μm (50 %), o dauguma dalelių yra apie 50 μm (20 %). Purškiamo džiovinimo būdu gauti milteliai yra sukepinami 1650 laipsnių temperatūroje, o tankis yra 3170 g/cm³.3.
(1) 95 aliuminio oksido suspensiją su 60 % sausosios medžiagos kiekiu galima gauti naudojant PVA kaip rišiklį, pridedant tinkamo koagulianto ir tepalo.
(2) tinkamai kontroliuojant purškiamojo džiovinimo veikimo parametrus, galima gauti idealius sausus miltelius.
(3) purškiamojo džiovinimo būdu galima pagaminti 95 aliuminio oksido miltelius, tinkamus sausam presavimui. Jų birusis tankis yra apie 1,1 g/cm³.3ir sukepinimo tankis yra 3170 g/cm³3.
