ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ОТДОЗИРОВАННЫХ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ

Для большинства технологий перемешивание отдозированных материалов является главной операцией, предопределяющей качест­во смеси (массы) и готовой отформованной продукции. В смесите­льных аппаратах, особенно при производстве безрбжиговых конг­ломератов, возникают, развиваются, а иногда и почти полностью завершаются основные процессы структурообразования вяжущей части, в частности, микрослоев. Но возможно, что перемешива­ние — всего лишь обычная разновидность подготовительной рабо­ты, например при изготовлении шихты с последующим нагреванием ее до расплава при производстве обжиговых изделий.

Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей — роторные принудительного действия. Механическое перемешивание осуществляется в две стадии: 1) пред­варительное смешение сухих компонентов; 2) смешение с жидко­стью, принятой как обязательный компонент изготовляемой смеси (массы) безобжиговых ИСК или как возникающих из легкоплавких веществ при изготовлении обжиговых ИСК.

Нередко перемешивание отдозированных компонентов и доба­вок к ним производится и без предварительного получения сухой смеси, т.е. в один этап. При перемешивании сухих материалов (хо­лодных, подогретых или горячих) происходит самопроизвольное выравнивание температур с переходом теплоты от тел, обладающих более высокой температурой, к телам с более низкой температурой до полного выравнивания их температур и до максимального значе­ния суммарной энтропии взаимодействующих тел. При этом проис­ходит разрушение начальных связей между частицами с обеспечени­ем их подвижности, равномерное распределение частиц в общей смеси с заполнением межзерновых пор более мелкими фракциями заполняющего материала. Порошкообразные материалы заполняют тонкие поры зернистой части смеси, а некоторая доля наиболее тонкодисперсных частиц порошка механически задерживается или осаждается и фиксируется на поверхности зерен крупного мате­риала.

При введении в смесь жидкого компонента дальнейший процесс механического перемешивания основывается на закономерности об­текания твердых частиц дисперсной фазы потоком дисперсионной среды (жидкости). В зависимости от скорости движения частиц фазы в среде возникают ламинарные потоки или турбулентные завихре­ния. В последнем случае происходит отрыв пограничных слоев сре­ды от поверхности твердых частиц. При ламинарном режиме (критерий Рейнольдса Rе>30) перемешиваются в основном только те слои, которые непосредственно примыкают к лопастям и участвуют во вращении вместе с ними. При турбулентном режиме (критерий Рейнольдса Rе>10²) происходит более интенсивное перемешивание слоев жидкости с отрывом их от лопастей мешалки. При высокораз­витой турбулентности (критерий Рейнольдса Rе>10⁵) часто затраты на дополнительную мощность для увеличения частоты вращения вала мешалки не соответствуют получаемому эффекту перемешивания, например по величине коэффициентов тепло- и массоотдачи.

Более точные и рациональные пределы критериев Рейнольдса обусловлены конструкциями смесительных аппаратов, их геометри­ческими размерами, но предел эффективности турбулентного режи­ма практически имеется во всех аппаратах. В частности, при турбу­лентности Rе>10⁵ можно достичь большего эффекта перемешивания и активизации при использовании в качестве энергоносителей газа, воздуха, пара или паровоздушной смеси, электрического поля, гра­витационного фактора и др. С этой целью используют смесители роторные непрерывного действия, струйные с электронно-ионным устройством или без него и др. В некоторых смесителях обеспечива­ется не только быстрое получение однородной смеси, но и ее нагре­вание, что при необходимости позволяет воспользоваться горячим формованием изделий без специальной термообработки на последу­ющих технологических стадиях.

При перемешивании в один этап жидкую среду подают в смеси­тельный аппарат одновременно с твердыми компонентами смеси. Поверхность твердых частиц смачивается, а температура смеси вы­равнивается по всему объему, так как компоненты были приняты с неодинаковой температурой, кроме того, и процесс смачивания -экзотермический. Количество выделяемой теплоты смачивания мо­жет быть измерено микрокалориметрами или другими аналогичны­ми приборами в лабораторных условиях. Оно характеризует сте­пень интенсивности взаимодействия компонентов. Если, например, в поверхностном слое превалируют отрицательные гидроксильные ионы, то смачиваемость водой полная, количество выделяемой теп­лоты большое, а поверхность частиц относится к гидрофильной.

Если превалируют положительные ионы тяжелых[5] металлов, то вы­сокая смачиваемость обеспечивается при контакте с маслом, и тогда поверхность твердых частиц относится к олеофильной. При полном смачивании в других жидкостях частицы характеризуются как лиофильные, причем независимо от разновидности жидкой среды пол­ное смачивание указывает на способность твердых частиц к раство­римости в ней с образованием истинных (молекулярных) растворов, как гомогенных (однородных) систем. Следовательно, лиофильность связана с малым межфазным натяжением, устойчивостью по­верхностей к взаимному слипанию и растворимости.

Более характерным процессом при перемешивании компонентов является формирование гетерогенной системы, которая отличается от гомогенной (однородной) наличием двух или большего количест­ва фаз[6], контактирующих между собой по поверхностям раздела.

Многие твердые Естества, как компоненты общей смеси, обла­дают поверхностью с различным сочетанием на ней положительных и отрицательных ионов. Поэтому они смачиваются как водой, так и маслом, хотя их смачиваемость хуже, чем гидрофильных или олео-фильных.

Характер поверхности твердых тел можно существенно изме­нить добавлением поверхностно-активных веществ, когда, напри­мер, гидрофильная поверхность может стать гидрофобной (процесс гидрофобизации) или гидрофобная поверхность — гидрофильной (процесс гидрофилизации). Вводимые в жидкую среду поверхност­но-активные вещества широко используют для повышения смачива­емости поверхности твердых тел, что основано на снижении разно­сти полярностей между поверхностью частиц твердого тела и жидкостью. В смесительном аппарате возникает своеобразный про­цесс выравнивания составов, поверхностного и внутреннего слоев. Скорость этого выравнивания зависит от интенсивности перемеши­вания, конструкции смесителя и других факторов. Когда механиче­ское перемешивание не применяется или оно было отключено преж­девременно, то процесс выравнивания происходит сравнительно медленно за счет диффузии, разности в плотности веществ или под влиянием тепловых конвекционных токов.

Важнейшим законом гетерогенного равновесия, открытого Гиббсом, является правило фаз: Ф=(К-С)+2, где Ф — количество фаз системы; С — число степеней свободы, т.е. наибольшее число усло­вий (температура, давление, концентрация вещества), которые мож­но изменять, не нарушая равновесия системы; оно всегда больше или равно нулю, поэтому Ф=К+2, где К — количество компонентов или. химически индивидуальных частей системы.

С увеличением интенсивности принудительного перемешивания уменьшается толщина диффузионного слоя, в пределах которого протекают процессы самопроизвольного выравнивания концентра­ций, ускоряется образование гетерогенной системы в целом. Эта скорость возрастает при непрерывном обновлении поверхности контакта и при возрастании поверхности твердой -или жидкой фазы, например, при перемешивании по принципу противотока, к тому же нередко совмещаемого с дополнительной диспергацией твердого компонента (например, при перемешивании на бегунах, в дезинтеграторах и некоторых других аппаратах) или «кипящем слое» (принцип псевдокипения).

Гетерогенный процесс часто сопровождается возникновением и накапливанием в смеси новой фазы в результате выделения раство­ренного вещества из пересыщенного раствора (зародышевые крис­таллики), протекания химических, в частности, топохимических, реакций с образованием соответствующих соединений (новообразо­ваний), формирования пузырьков газа или пара и др. Наибольшее количество новообразований возникает под влиянием вводимых в смесь катализаторов. Для замедления реакций пользуются не поло­жительными катализаторами, ускоряющими реакцию, а отрицате­льными (ингибиторами).

Среди гетерогенных процессов немалое значение в структурооб-разовании конгломератов имеют физическое (сорбционное) погло­щение (адсорбция и абсорбция) и химическая — хемосорбция. Из окружающей среды сорбируются (поглощаются) те вещества, кото­рые способны уменьшить поверхностную энергию, что соответству­ет так называемой адсорбции. Возможен и обратный процесс — уве­личение энергии, например величины поверхностного натяжения, за счет частичной десорбции, что означает отрицательную адсорбцию. Повышение температуры и понижение' давления, а также снижение концентрации адсорбируемого вещества (адсорбата) способствуют десорбции ингредиента, ранее физически поглощенного адсорбен­том.

Рис. 2.5. Изотерма адсорбции Г(с) и поверхностного натяжения σ(с) при температуре T=const

Структурообразование с участием поверхностно-активных ве­ществ (ПАВ) происходит с предварительным образованием на по­верхности моно- и полимолекулярных слоев. Эти слои обладают по­вышенной плотностью, а их свойства резко отличаются (иногда ста­новятся прямо противоположными) от свойств вещества внутренней части тела. На поверхности адсорбента возникает поле сорбционных сил — электростатических и электрокинетических, активно участвующих в структурообразовании. Прочность фиксации адсорбционного слоя обусловлена величиной поверхностной энергии, природой адсорбента, но не величиной его поверхности. Последняя же предопределяет количество вещества, адсорбируемого из раствора. Но повер­хность может не полностью покрывать­ся адсорбционным слоем. Степень на­сыщения ее адсорбатом при данной температуре Т зависит от концентра­ции адсорбируемого вещества в окру­жающей среде. С повышением концент­рации С (рис. 2.5) увеличивается коли­чество Г адсорбируемого вещества. За­висимость Г=f(с) называется изотермой адсорбции и выражается аналитиче­ской формулой Лангмюра

(2.1)

где Г_∞— количество адсорбированного вещества при предельном на­сыщении; 1/α — постоянная величина, характеризующая адсорбци­онную активность адсорбента; имеет ту же размерность, что и 1/С. Она пропорциональна начальной поверхностной активности go при С=0. Чем больше эта величина, тем выше адсорбционная активность, круче подъем изотермы адсорбции при данной температуре. Величи­на g₀=-dσ/dC, т.е. вещество понижает поверхностное натяжение. Тог­да адсорбция положительна (Г>0) и такие вещества называются поверхностно-активными. К ним относятся многие органические ве­щества, растворенные в воде. В противоположном случае адсорбция отрицательна: Г<0, а вещество в растворе является поверхностно-инактивным, оно повышает поверхностное натяжение.

Адсорбционные слои различных веществ способствуют устойчи­вости (стабилизации) системы тем больше, чем ближе адсорбция на­ходится к своему предельному насыщению (Г_∞).

Эмпирическое уравнение адсорбции из растворов было получе­но Фрейндлихом: , где а — количество адсорбированного ве­щества; С — концентрация растворенного вещества в растворе; k и n — эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и растворенного вещества при данной температуре. В случае адсорб­ции газа вместо концентрации С в формулу вносится давление газа Р, а постоянная k — максимальное количество газа, которое способ­но адсорбироваться данным количеством адсорбента.

С увеличением молекулярной массы адсорбента возрастает его способность к физической адсорбции. Из растворов лучше адсор­бируются вещества с меньшей растворимостью в данной среде. Как правило, величину адсорбции выражают в микромолях на квадрат­ный метр, а у пористых тел — в микромолях на единицу массы (ки­лограмм). Процессу адсорбции благоприятствует понижение температуры. Однако адсорбция может быть значительной при высокой температуре и усиливается с дальнейшим ее повышением. В этом случае адсорбция называется активированной; она связана с проте­канием химических реакций (хемосорбцией), возрастанием концент­рации реагирующих молекул.

Адсорбция из сложных молекулярных растворов находится в зависимости от скорости диффузии или от времени поступления к поверхности адсорбента свободных молекул поверхностно-активно­го вещества под влиянием диффузии. Но скорость диффузии тем ме­ньше, чем больше размеры диффундирующих частиц, поэтому вна­чале может произойти оттеснение с поверхности адсорбента молекул растворителя менее активным веществом и только на позд­ней стадии внутренних процессов в системе произойдет вторичное оттеснение слабо ориентированных молекул более сильным поверх­ностно-активным веществом.

Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика: количество вещества dM, продиффундировавшего за время dτ через поверхность F (нормальную, к направлению диффузии), пропорцио­нально градиенту концентрации dC/dh этого вещества:

(2.2)

где D — коэффициент диффузии, показывающий количество вещест­ва, диффундируемого в единицу времени (1с) через единицу поверх­ности (1 см²) при градиенте концентрации, равном 1.

Рис. 2.6. Диффузный слой в пограничной зоне А—Б:

а — двойной электрический слой; б — адсорбционно-сольватный слой; в — ионно-адсорбционный слой; г — изменение механической прочности (вязкости, предельного напряжения сдвига и др.) в диффузионном слое; 1 — условная толщина диффузион­ного слоя; 2 — логарифм вязкости (прочности) объемной (свободной) среды; 3 — логарифм вязкости, проч­ности и т.д. в пристенном (плотном) слое; 4 — кривая изменения вязкости в пределах диффузионного слоя среды

Скорость диффузии возрастает с повышением температуры (примерно на 1—3 % на 1° С), особенно, если при этом еще понижа­ется вязкость среды η и уменьшается размер r частиц, так как уста­новлено, что D=RT/N_A∙1/6πηr, где N_A — универсальная постоянная (число Авогадро), равная 6,02 ∙ 10²³.

Наряду с поглощением нейтральных молекул и, следовательно, обратимой молекулярной адсорбцией может происходить ионная адсорбция, которая сопровождается обычно явлением обмена иона­ми между адсорбентом и растворенным веществом. По существу возникает химическая (обменная) реакция с образованием в поверх­ностном слое нового соединения, а поверхность частиц твердого тела покрывается слоем продукта реакции. На поверхности твердо­го тела почти всегда один из ионов адсорбируется преимуществен­но, т.е. избирательно.

Избирательно адсорбируются ионы, которые имеют общую атом­ную группировку с данной поверхностью твердого вещества, но про­тивоположный знак заряда. Образующееся в результате такой хемосорбции на поверхности новое соединение имеет пониженную растворимость или полную нерастворимость в контактируемой среде. Это означает, что полная адсорбция в большинстве случаев необратима, разбавление раствора не вызывает десорбции. Вместе с тем она придает по­верхности иные природу и свойства, тогда как состав и свойства внутренних слоев твердой фазы не изменяются.

Образование адсорбционных слоев вокруг частиц дисперсной фазы имеет непосредственное отношение к устой­чивости гетерогенной, а точнее — мик­рогетерогенной системы. Адсорбцион­ные слои (пленки) не только понижают (как отмечалось выше) поверхностное натяжение на границах раздела фаз, но и обладают значительной прочностью на разрыв. Иногда называемые соль-ватными оболочками они имеют повы­шенную упругость, что способствует предохранению дисперсных частиц от взаимослипания или сцепления.

В повышении агрегативной устой­чивости дисперсной системы значимы также электрические заряды, перерас­пределяемые на поверхности раздела фаз с образованием двойного электри­ческого слоя. Между фазами устанавливается определенная разность потенци­алов, которая может изменяться под влиянием избирательной адсорбции ионов из раствора. В пределах толщины двойного слоя происходит постепенное убывание концентрации избыточных ионов по направлению от плотного слоя у поверхности твердого тела (частиц дисперсной фазы) до равновесной кон­центрации в свободной части среды. Та­кое убывание плотности или концентра­ции электрического потенциала, а так­же аналогичное убывание адсорбцион­ных сил при молекулярной адсорбции поверхностно-активного вещества ха­рактеризует диффузное строение. В пре­делах диффузного слоя многие свойства (например, прочностные, вязкость и др.) могут изменяться в значительных размерах (рис. 2.6). В смесительном аппарате при перемешивании смеси возможны и реже встречающиеся процессы и явления. Так, может возникнуть самопроизвольное уплот­нение гелеобразной части вяжущего вещества с поглощением синере-зируемой[7] среды пористым и лиофильным заполнителем. Возможны явления кантаминации, заключающиеся в загрязнении смеси случай­но или преднамеренно оставленными инородными примесями в ис­ходных подготовленных материалах-компонентах, например присут­ствие глинистых, органических или иных примесей в строительном пе­ске при изготовлении бетона. Возможны также явления тиксотропии (восстановления разрушенной структуры), если в ходе перемешивания возникает вынужденная остановка смесительного аппарата с последу­ющим возобновлением прерванного перемешивания. Эти и другие по­добные малопредвиденные явления влияют на структурообразование и особенно формирование структуры микрослоев вокруг частиц и зе­рен заполняющего материала, структуры вяжущего вещества, распре­деляющегося в межзерновых порах и пустотах.

Под влиянием сложного комплекса физико-химических процессов и химических реакций, протекающих при перемешивании в смесите­льных аппаратах, подготовленные и отдозированные сырьевые мате­риалы — компоненты теряют (обратимо или необратимо) свои индивидуальные свойства, особенно в поверхностных слоях, т. е. по границам контактирования компонентов и новообразований. К мо­менту выхода из смесительного аппарата процессы микроструктуро-образования в одних системах в основном завершаются, в других — эти процессы в смесителях только начинаются, но не доходят до лавин­ного развития, а поэтому с большей или меньшей интенсивностью продолжаются на последующих стадиях технологического цикла. Об эффективности перемешивания нередко судят по качественным из­менениям главных (ключевых) исходных компонентов, или по количе­ственному выходу продуктов новообразований, по прочности ИСК, сформованного из смеси. Впрочем, увеличение прочности нередко связано с эффектом механо-химической активации под влиянием до­полнительного измельчения частиц при их взаимном столкновении или ударах о лопасти и стенки смесительного аппарата.

Критерием оценки качества смеси служит ее однородность, определяемая статистическими методами — по дисперсии, средне­квадратичному отклонению, различным коэффициентам. Обычно вычисления проводят по меньшему компоненту, называемому клю­чевым. Так, по А.М. Ластовцеву, коэффициент неоднородности определяют по формуле

(2.3)

где С_i — значение концентрации ключевого компонента в пробах; C₀ — значение концентрации ключевого компонента при идеальном перемешивании; n_i — количество проб с концентрацией С_i; N — об­щее количество проб; i — количество групп проб.

Нередко процесс перемешивания описывают критериальным уравнением: , где , — центробежные критерии Рейнольдса и Фруда; т — время перемешивания, мин; п — угловая скорость вращения рабочего органа мешалки, об/мин; С' - коэф­фициент пропорциональности; А, В — показатели степенной функ­ции. В области развитого турбулентного движения смеси в аппарате это уравнение переходит в более удобное: τn = const.

Приготовленная смесь (масса) обладает определенными качест­венными характеристиками, оцениваемыми по показателям свойств. Последние выражают способность вещества реагировать на внешние и внутренние факторы (механические, тепловые, гра­витационные и др.). Главным свойством приготовленной смеси (массы) является ее способность к технологической обработке -распределению слоя заданной толщины, уплотнению, формованию с уплотнением. Такую способность смеси называют удобообрабатываемостью, удобоформуемостью, подвижностью и относят к группе структурно-механических или реологических[8] свойств. У грубозернистых смесей они измеряются с помощью условных методов и приборов, а у тонкодисперсных — инвариантными с ис­пытанием на чистый однородный сдвиг (в вискозиметрах и подоб­ных им приборах). Если смесь обладает истинной (ньютоновской) вязкостью, то ее течение соответствует уравнению Р=η(∆u/∆x), где Р — напряжение; ∆u — разность скоростей течения в двух параллельных слоях; ∆х — расстояние между слоями; ∆u/∆х — градиент скорости течения, с^-1; η — динамическая вязкость (Па∙с), являюща­яся в уравнении коэффициентом пропорциональности. Видно, что в ньютоновском (вязком) течении уже при самых малых напряже­ниях возникает деформация со скоростью, прямо пропорциональ­ной величине напряжения или приложенной к телу силе. Однако смеси с ньютоновской вязкостью в практике строительных матери­алов встречаются редко.

Рис. 2.7. Реологическая кривая, или кривая течения в системе координат «напряжение (P) сдвига – градиент скорости (du/dx) деформации»

Более часто приготовляют и используют смеси, не обладающие истинной вязкостью и деформируемостью со скоростью, пропорци­ональной напряжению (или приложенному усилию). Они пластич­ны, менее подвижны и являются структурированными. Течение структурированной смеси начинается только тогда, когда под дей­ствием некоторого напряжения Р_к, называемого пределом текуче­сти, структура постепенно начинает разрушаться. Такое пластическое течение удовлетворяет уравнению Р=Р_к+ η_пл(∆u/∆x), где η_пл — бингамовская (по имени Бингами, изучавшего ее) вязкость смеси. При возраста­нии напряжения Р (или гради­ента скорости) процесс разру­шения структуры нарастает (рис. 2.7), а при достижении на­пряжения Р_т структура полно­стью разрушается. Вместе с тем прекращается и непрерывное снижение бингамовской вязко­сти. При дальнейшем увеличе­нии напряжения вязкость η практически остается постоян­ной, а структура — полностью разрушенной. Однако характер дви­жения может измениться с ламинарного (участок А—В) на турбу­лентное (участок выше В). На кривой течения (реологической кривой) вязкость снижается от напряжения, равного Р_К1 как услов­ного статического предела текучести до точки А, соответствующей началу полностью разрушенной структуры с наименьшей вязкостью η_m. На этой кривой отмечаются еще точка Рк₂ — динамический пре­дел текучести и ранее отмечавшаяся точка Р_к — предел текучести, или предельное напряжение сдвига. Значение этих реологических характеристик состоит в том, что возможно предусмотреть допусти­мые напряжения без нарушения сплошности изделий при формова­нии их из смеси (массы).

2.2.3. ФОРМОВАНИЕ И УПЛОТНЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СМЕСИ

Свежеприготовленная смесь (масса) обладает определенной удобообрабатываемостью, что выражается в ее реальной способности воспринимать технологические операции по формованию и уплот­нению изделий.

Смеси с весьма малой вязкостью (называемые литыми) практи­чески не требуют уплотнения при формовании изделий или покры­тий, что составляет значительное технологическое удобство. Для воспроизведения литьевой технологии в смесь вводят нередко соот­ветствующие пластификаторы или даже суперпластификаторы. Вве­денные даже в малых количествах они способствуют резкому пони­жению вязкости смеси, облегчая формование изделий и в том случае, когда их очертания отличаются повышенной сложностью. Той же цели достигают дополнительным увеличением количества жидкостной среды в смеси (массе), что должно быть каждый раз обосновано с общих позиций оптимизации структуры и требований к конкретным видам оптимальных структур.

При использовании смесей с повышенной вязкостью, обладаю­щих на реологической кривой условным динамическим пределом текучести и предельным напряжением сдвига, важно не допустить при формовании напряжений, способных разрушить сплошность из­делия. Так, например, в некоторых случаях отмечается образование дефектов структуры (свилей), если допустить напряжение в массе, превышающее Р_К2 (см. рис. 2.7). Опыт показывает, что для хорошо формующихся смесей величина отношения р_к1/η должна быть не ниже 2∙10^-6 с^-1. Конкретные и точные пределы реологических харак­теристик зависят от разновидности смеси и технологического спосо­ба формования — пластичного, вибрационного без пригруза или с пригрузом и т. п.

Формование изделий сопряжено, как правило, с плотной укладкой смеси, зернистых или другого вида заполнителей. Наи­большее значение плотности стремятся получить еще на стадии подготовки сырья — порошков, суспензий, грубозернистых сме­сей и других формовочных систем, особенно при производстве обжиговых ИСК. Предварительное уплотнение смеси уменьшает разобщенность частиц, переводя связи из точечных в межфазные по границам контакта. На последующих стадиях технологии (на­пример, при обжиге) сокращается расход тепловой ^энергии за счет снижения температуры и уменьшения продолжительности выдержки.

В зависимости от разновидности смеси (массы) формование про­изводится с использованием укладчиков, прессов (например, лен­точных), экструдеров, каландров и других машин. Выбор оптималь­ного способа формования и уплотнения зависит от характера исходного сырья и массовости производства, требуемых свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить связность и начальную прочность изделий с последующим упрочнением их на других стадиях обработки. Начальная связность возникает под вли­янием молекулярных (ван-дер-ваальсовых) сил. Они имеют электри­ческую природу и способны развивать притяжение частиц при их сближении. Силу взаимодействия двух частиц (условно принимая их сферическими) рассчитывают по формуле

(2.4)

где r₁ и r₂ — соответственно радиусы двух соседствующих частиц; σ — поверхностная энергия на границе раздела фаз.

С приближением частиц на очень малые расстояния возникают и возрастают силы отталкивания. В конечном итоге действует резуль­тирующая сила, которая при некотором оптимальном расстоянии частиц друг от друга обеспечивает начальную связность сырца изде­лия.

Уплотнение формуемых или отформованных изделий является важным этапом образования макроструктуры, поскольку в этот пе­риод в среде вяжущего вещества сравнительно устойчиво фиксиру­ются зернистые и другие компоненты заполняющей части конгломе­рата. Фиксация может происходить как непосредственным примыканием компонентов, в том числе с возможным срастанием (например, кристаллов), так и через прослойки полностью отвердев­шего или постепенно отвердевающего вяжущего вещества. Контакт через прослойки на стадии уплотнения более типичен в конгломе­ратных материалах, чем непосредственное контактирование или срастание частиц под влиянием поверхностной энергии, химических связей или других, в том числе комплексных, факторов.

Вследствие сближения частиц смеси (массы) происходит перерас­пределение и выравнивание молекулярного силового поля, тепло- и массообмен, в частности, миграция среды в зоны меньших напряже­ний. Объем смеси (массы) как при уплотнении, так и после него уме­ньшается, а полидисперсная система постепенно переходит в состоя­ние относительно устойчивого равновесия при заданном условии формования изделий. В зависимости от удобообрабатываемости го­товой смеси (массы) возможны и некоторые специфические особен­ности формования макроструктуры ИСК. Так, при высокопластич­ных и подвижных смесях (массах) макроструктура устанавливается весьма быстро и практически без приложения уплотняющих усилий, но под влиянием гравитации или текучести (при наливных или лить­евых способах производства). При уплотнении малоподвижных и жестких смесей, содержащих, как правило, пониженное количество вяжущего вещества или уменьшенное количество жидкой среды в нем, затрачивается значительно большая работа, чем при уплотне­нии пластичных, подвижных или литых смесей (масс). Разными приемами приходится принудительно сближать полидисперсные зерна, вытесняя часть вяжущего вещества в межзерновые поры и пу­стоты или в поры и пазы зерен заполнителя. Большая часть запол­нителя в объеме монолита контактирует через тонкие или тончай­шие прослойки вяжущего вещества. При недостаточном количестве вяжущего вещества прослойки становятся дискретными, что увели­чивает пористость и содержание воздуха (или другой газовой фазы) в ИСК.

В обжиговых конгломератах распространенными являются спо­собы полусухого гидростатического прессования; виброформова­ния, а также горячего прессования.

Для достижения необходимой плотности применяют различные способы снижения реологического сопротивления формуемой сме­си: введение поверхностно-активных веществ, пластификаторов и суперпластификаторов; предварительный нагрев; вибрационное воздействие; вакуумирование и др. При особо интенсивном уплот­нении целесообразно повысить реологическое сопротивление до максимума. При оптимальной технологии каждой консистенции смеси (массы) соответствуют определенные параметры механиче­ского уплотнения. Каждому способу и каждой интенсивности меха­нического уплотнения также соответствует своя определенная кон­систенция, и тогда размещение частиц твердой фазы в результате уплотнения смеси становится компактным.

Во многих технологиях формование и уплотнение смеси совме­щаются в одну операцию, в результате чего химические и физи­ко-химические процессы, обеспечивающие структурообразование на микро- и макроуровнях, протекают также одновременно. К ним относятся тиксотропное разжижение и упрочнение, массо- и тепло­обмен, перемещение заполняющей и вяжущей частей относительно друг друга с образованием плотной структуры к концу выполне­ния такой совмещенной операции. Естественно, что в этот период не прекращаются (хотя и замедляются) главные структурообразую­щие процессы — сорбционные, растворения и другие, которые по­добно тому, как это было на стадии перемешивания смеси, завер­шаются возникновением новых соединений и фаз, хотя и в сравнительно ограниченных количествах. Гораздо в больших раз­мерах они выделяются на последующих стадиях технологии, на­пример при тепловой обработке отформованных и уплотненных изделий.

В некоторых технологиях используется прерывистое, ступен­чатое уплотнение, например с интервалом времени между двумя вибрациями или прессованиями. Повторное уплотнение способст­вует как бы вторичному — пластическому деформированию кон­гломерата с отжатием среды из его микро- и макропор, а в ко­нечном итоге — дополнительному уплотнению в условиях, когда количество вяжущего вещества продолжает оставаться в пределах допустимых отклонений от рекомендуемого. Повторное уплотне­ние, особенно при вибрационных способах формования, способ­ствует релаксации напряжений, возникающих при структурообразовании, уменьшает размеры и концентрацию структурных дефектов.

От формования и уплотнения в определенной мере зависят не то­лько характер структурообразования при сохранении одинаковой компактности укладки частиц, но и текстурные особенности изде­лия. Например, возможна переориентация частиц, в результате ко­торой широкое сечение частиц и пор нередко располагается в плос­костях, параллельных плоскости прессования, с появлением анизотропии. Возможно также частичное доизмельчение зерен про­долговатой формы или изменение (уменьшение) объема.

При полусухом прессовании объем получаемого изделия может оказаться в 1,5—2 раза меньше объема свободно насыпанной смеси (массы). Естественно, что тогда сокращается и пористость. Так, из формулы А.С. Бережного П = а - в ∙lg р (где П — общая пористость, %; а, в — постоянные коэффициенты, причем постоянная а как по­ристость исходной массы перед прессованием составляет 50%, а в отражает способность массы к уплотнению; р — давление прессова­ния, МПа) следует, что при p ≈ 100 МПа, во многих случаях в = 15 и П ≈20%, т. е. пористость сократилась в 2,5 раза (50:20). Распределе­ние давления по вертикали снижается от штампа, что приводит к не­однородности в пористости отформованного сырого изделия (сыр­ца). Неоднородность зависит не только от высоты изделия, но и от гидравлического радиуса R = 2F/И, где F — площадь; И — пери­метр изделия. Неравномерность пористости фиксируется и в гори­зонтальных сечениях: наибольшая плотность образуется в верхних горизонтальных сечениях сырца у стенок пресс-формы, уменьшаясь к центру. В нижних сечениях наблюдается обратное явление, а в средних по высоте сечениях — зона равнопористости. Тип пресса тоже имеет значение, но плотность сырца всегда зависит от величи­ны давления, технологических свойств массы и времени действия давления пресса; иногда важно обусловить также и скорость нарас­тания максимального давления при уплотнении.

Кроме обычных прессов (механических, гидравлических) в неко­торых технологиях используют прессование методом взрыва с обра­зованием сверхвысоких давлений мгновенного действия с изменени­ем кристаллохимического строения вещества. При способе пласти­ческого формования уплотнение осуществляется в ленточных прес­сах (чаще всего вакуумных) с последующей допрессовкой.

Изделия из пластических масс имеют повышенную пористость по сравнению с изделиями полусухого прессования. Свойства такой массы оцениваются методами реологии. Как уже отмечалось, основ­ными параметрами пластичности служат: 1) вязкость наибольшей неразрушенной структуры (η₀), структурная вязкость (η), вязкость наименьшая при полностью разрушенной структуре (η_m). Поэтому η₀ > η > η_m; 2) предел текучести: условный статический р_к1, услов­ный динамический р_к2,предел текучести р_к (см. рис 2.7). Имеются и другие характеристики реологических свойств массы в ее пластиче­ском состоянии — мгновенный модуль упругости, эластичный мо­дуль упругости, период релаксации и др. Комплекс таких характе­ристик позволяет устанавливать величину допустимых напряжений в процессе формования и уплотнения. Например, необходимо, что­бы напряжение сдвига в массе не превысило р_к2, при котором еще отсутствует полное разрушение структуры, так как это приведет в ленточном прессе к разрыву ленты массы, что в случае пластичной глины дает дефект в структуре, лишая ее оптимальности по этому критерию.

Рис. 2.8. Зависимость коэффициента внутреннего трения вибрируемой массы от средней скорости перемещения частиц, см/с: ν=А2f, где А – амплитуда колебаний; f – частота колебаний, Гц

Самым характерным в тех­нологиях с вибрационным формованием является придание скоростей и ускорений ча­стицам массы и, как следствие, ослабление сил внутреннего трения и молекулярных связей, а также тиксотропное разру­шение первичных структур (рис. 2.8). Частицы перемеща­ются относительно друг друга с плотной укладкой. Исполь­зуют поверхностные, навесные, глубинные вибраторы, вибростолы, вибротрамбователи и т. д. Интенсивность вибрации выражают по­средством виброускорения W, см/с:

W=Aω²=A∙4π²f², (2.5)

где А — амплитуда колебаний (половина наибольшего размаха); ω — угловая скорость, рад/с; f — частота колебаний, Гц.

Произведение величин А и со дает среднюю скорость движения частиц при вибрации. Имеются оптимальные значения амплитуды, виброускорения, что зависит от глубины проработки слоя массы. Вибрирование с ускорением, превышающим оптимальное, сопро­вождается разрыхлением и дифференциацией частиц по крупности. Разрыхление устраняют путем пригруза при вибрации, например, до 8—10 МПа. Оптимальное время вибрирования определяют опыт­ным путем.

При вибрационном прессовании достигается заданная порис­тость изделий при значительно меньших затратах энергии, чем при статическом прессовании. Кроме того, возрастает качество изделий, отсутствует анизотропия свойств, формуется более равномерная структура. Эффективность вибропрессования в ряде технологий по­вышается путем совмещения с вакуумированием.

В технологии обжиговых ИСК широко используют так называе­мое шликерное литье для получения тонкостенных изделий или из­делий большого размера и сложной формы. Шликер — водная сус­пензия глин, каолинов, других тугоплавких веществ с частицами размером около 10^{-4 см, несущих определенный ионный потенциал ИП =} Z/r, где Z — заряд катиона; r — его ионный радиус. При зна­чениях ИП = 65—100 (суспензия из кислых материалов) получают повышенные значения плотности отливок, т. е. с относительной плотностью, равной 0,8—0,9[9]. Способ шликерного литья является более зависимым от природы сырья, чем другие способы уплотне­ния.

При формовании и уплотнении нередко применяют торкрети­рование с переносом смеси к поверхности с помощью сжатого воз­духа. Такой способ позволяет получать весьма плотный слой фор­муемого вещества. Однако следует учитывать, что при этом происходит неизбежная потеря используемой смеси в связи с от­скоком частиц.