bài giảng vật liệu silicat chương 4 tạo hình

TẠO HÌNH2 Các phương pháp tạo hình vật liệu ceramic cơ bản: 1- Tạo hình trước khi nung các sản phẩm gốm, sứ : bán thành phẩm được tạo hình từ nguyên liệu dạng bột, sấy, rồi đem nung tạo

CHƯƠNG 4: TẠO HÌNH

TẠO HÌNH

2 Các phương pháp tạo hình vật liệu ceramic cơ bản:

1- Tạo hình trước khi nung (các sản phẩm gốm, sứ) :

bán thành phẩm được tạo hình từ nguyên liệu dạng bột, sấy, rồi đem nung tạo độ bền cần thiết cho sản phẩm

2- Tạo hình sau khi nung (Các sản phẩm VLCL đúc

rót, răng sứ, gốm thủy tinh) : quá trình tạo hình được thực hiện

khi thủy tinh nóng đang giảm dần nhiệt độ và độ nhớt (nhiệt độ tạo hình tương đối cao 900 ÷ 1100oC, thủy tinh ở trạng thái biến mềm)

3- Tạo hình kiểu đúc bê tông: hỗn hợp chảy được đổ

vào khuôn, sản phẩm được tách khỏi khuôn sau quá trình đóng rắn Đây là quá trình tạo hình đặc trưng cho các sản phẩm xi măng nhưng cũng được dùng tạo hình sản phẩm gốm đặc biệt, chất kết dính thường dùng là chất hữu cơ

TẠO HÌNH

3

1- Tạo hình từ huyền phù đổ rót

- Từ huyền phù 40 ÷ 50% nước (vào khuôn có lỗ xốp, như thạch cao hoặc chất dẻo ).

- Từ hỗn hợp với chất kết dính nhiệt dẻo (vào khuôn kim loại): đổ rót nóng với áp suất 0,4 ÷0,6MPa; hoặc phun với áp suất 20÷80MPa.

2- Tạo hình dẻo với độ ẩm 25÷ 30% nước hoặc chất tạo dẻo hữu cơ

- Đùn (hoặc nén) trên máy, áp suất 1,5 ÷3MPa

- Xoay (23 ÷ 27% nước): xoay tay hoặc xoay máy.

- Thổi ép hoặc ép rung

Cắt gọt bán sản phẩm (mài, phay, tiện): do các gốm rất dòn và cứng, nên các

phương pháp này ít dùng.

Theo mức độ đồng nhất (thành phần,

độ ẩm, mật độ và cấu trúc) do các phương pháp tạo hình đạt được thì tổng quát có thể sắp xếp theo thứ tự sau:

- Đổ rót sản phẩm rỗng (hồ thừa)

- Đổ rót sản phẩm đặc (rót hồ đầy)

- Xây trên máy (loại đầu nén)

- Xây trên máy (loại dao bản) và kể cả vuốt, gắn ráp bằng tay

- Ép bán khô

- Ép dẻo

- Nện đập thủ công

Cơ sở để lựa chọn phương pháp tạo hình bao gồm nhiều yếu tố song tổng quát là các điều chủ yếu sau:

- Hình dạng và các tính chất đặc trưng của các loại sản phẩm.

- Tính chất kỹ thuật của phối liệu.

- Năng suất và giá thành (phụ).

Phối liệu có độ dẻo cao: có thể xây trên

máy, ép dẻo hay tiện dẻo Phối liệu dẻo vừa: ép dẻo, đổ rót.

Phối liệu kém dẻo nhưng độ đồng nhất cao: ép bán khô, nện đập thủ côngcác sản phẩm

hình dạng đơn giản.

Khi phối liệu có thể thỏa mãn nhiều phương pháp tạo hình thì chọn phương pháp nào có năng suất cao nhất nếu hình dáng sản phẩm cho phép

Chuẩn bị phối liệu tạo hình

6

Đất sét và cao lanh làm nguyên liệu

dẻo:

- Phân loại sơ bộ theo màu sắc

-Lọc lại trước khi sử dụng

Nguyên liệu không có tính dẻo:

Nguyên liệu không có tính dẻo: Cát

-Gia công bằng cách sàng, rửa

-Nung từ 900 – 1000oC rồi làm nguội

nhanh

Gia công cơ học: nghiền

7

Mục đích:

Tăng bề mặt tiếp xúc giữa các hạt phối liệu

Tăng mật độ phối liệu

Tăng hoạt tính

Tăng tính đồng đều

Cải thiện độ dẻo phối liệu

Khi nghiền ướt, thường cho thêm phụ gia vào nhằm nâng cao tính linh động của hồ thường ở dạng bột với hàm lượng khoảng dưới 1%, tính theo khối lượng nguyên liệu khô

Gia công cơ học: nghiền

Có thể nghiền bằng máy đập hoặc nghiền bi.

Phổ biến nhất trong công nghệ là nghiền ướt trong máy nghiền bi.

Với một số quá trình, sử dụng máy nghiền và bi bằng chính vật liệu cần nghiền

Các thiết bị đập nghiền nguyên liệu

Máy nghiền bi

Độ mịn cần thiết cho

nguyên liệu sau khi

nghiền thường được

xác định bằng lượng

sót sàng (%)

Lượng sót sàng thông

thường đối với phối

liệu mộc là 3-5%,

phối liệu men là

0-2% sàng 10.000

lỗ/cm2

Hồ sau khi ra khỏi

máy nghiền bi sẽ

được sàng, khử từ, ủ

Cơ chế nghiền

12

Khi máy quay, bi trong bình nghiền cũng chuyển động theo máy và tự quay trong thùng nghiền tạo ra lực chà xát giữa

bi với bi và giữa bi với tấm lót của máy nghiền làm vỡ các hạt liệu nằm ở giữa Đồng thời khi tốc độ máy nghiền đủ lớn, bi được chuyển lên cao, khi rơi xuống sẽ gây

ra lực va đập Chà xát và va đập là cơ chế nghiền chủ yếu trong máy nghiền bi

Quá trình phối liệu

13

Là công đoạn tạo hỗn hợp nguyên liệu

có thành phần cần thiết, toàn khối trở nên đồng nhất, bề mặt hạt vật liệu tiếp xúc với nhau nhiều nhất.

Phối liệu cần có nhiều cỡ hạt.

Ví dụ: phẩm sứ (porcelain) cổ điển có thành

phần thông thường là 50% đất sét và caolanh,

25 ÷ 30% tràng thạch, 20 ÷ 25% cát

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào tính dẻo của nguyên liệu, phối liệu (tức là của đất sét và cao lanh).

Các sản phẩm gốm được tạo hình dễ dàng nhờ tính dẻo của đất sét Sản phẩm sau khi tạo hình từ phối liệu đất sét dẻo gọi là mộc

Phối liệu phải đồng nhất hóa Sau khi tách nước từ máy ép khung bản được luyện trộn trong các máy lento, đôi khi kết hợp hút chân không để tăng độ đồng nhất.

Sau khi đẩy ra khỏi máy, đất được cắt thành

ngày) rồi dùng tạo hình.

Người thợ dùng tay vuốt khối đất dẻo trên bàn xoay tạo hình dạng mong muốn

Khắc phục nhược điểm của tạo hình bằng phương pháp đổ rĩt và dẻo

Thường dùng với các sản phẩm có dạng phẳng, đều, tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính không lớn quá

Khuôn ép bằng thép hoặc các hợp kim đặc biệt, hoặc các loại gốm có độ bền cơ cao

Hỗn hợp nguyên liệu với độ ẩm thích hợp nén ở áp suất 20 ÷ 60MPa Các gốm kỹ

thuật có thể ép ở áp suất cao hơn.

Để đơn giản, chúng ta thừa nhận hổn hợp của đất sét và cao lanh hay phối liệu gốm sứ (dạng phân tán dẻo), nghĩa là khi có tác dụng của lực bên ngoài vật thể sẽ đàn hồi, phương trình lưu biến sẽ chịu sự chi phối của định luật Huk và định luật Newton.

Người ta chia biến dạng ra làm ba loại :

- Biến dạng đàn hồi tức thời (10-10 - 10-3 s)

- Biến dạng đàn hồi chậm (sau 3 - 10 s)

- Biến dạng dẻo: hoàn toàn không thuận nghịch.

Vai trò của nước trong hổn hợp chứa đất sét, tùy hàm lượng nước mà đặc tính của hổn hợp đất sét rất khác nhau Đối với phối liệu dẻo lượng nước vừa đủ để các hạt sét hydrat hóa hoàn toàn thì hổn hợp sẽ có độ dẻo cực đại Màng nước hấp phụ mỏng bao quanh các hạt sét đóng vai trò bôi trơn, quyết định độ linh động và ảnh hưởng đến lực Van-der-Walls, hiện tượng đóng sánh, khả năng keo tụ của hổn hợp đất sét -nước

Lượng nước ứng với trạng thái phối liệu có độ bền dẻo cực đại chính là lượng nước tạo hình thích hợp

Là phương pháp thích hợp với hầu hết các sản phẩm đất sét

Yêu cầu của hồ đổ rĩt:

- Lượng nước ít để giảm thời gian đổ rót và thời gian sấy ngắn

- Độ lưu động của hồ cao tức là độ nhớt nhỏ để việc vận chuyển trong đường ống dễ dàng và đảm bảo chảy vào những vị trí phức tạp của khuôn

- Hồ phải bền, ít bị lắng, không bị sánh, khơng cĩ bọt khí, độ nhớt của hồ ổn định

- Tốc độ bám khuôn tốt

- Dễ tháo khuôn, ít khuyết tật tạo hình, mật độ sản phẩm đều, bề mặt nhẵn

2 Tạo hình bằng phương pháp đổ rĩt

Có thể tạo hình bằng hai cách:

-Rót hồ thừa ra khỏi khuôn

-Để nguyên cho tới khi tạo thành mộc

Huyền phù bị hút nước tạo lớp mộc bền vững ở trạng thái dẻo, khô dần và có thể tách ra khỏi khuôn

Sau khi sử dụng, cần sấy khuôn để

sử dụng lại

Nếu gọi chiều dầy của lớp mộc bám vào khuôn

là x, trong một đơn vị thời gian dt, lớp mộc tăng được

dx, dx sẽ giảm dần khi chiều dày lớp mộc tăng vì khả năng hút nước của thạch cao giảm dần ( a là hằng số)

Lúc bắt đầu

Sau một thời gian đổ rót

Với hồ gồm 42.5% vật chất sét, 18.5 % trường thạch, 33%

quăc, quan hệ giữa chiều dày lớp mộc và thời gian như cho trong

hình

- Độ linh động của hồ tốt có nghĩa là độ nhớt bé

để đảm bảo vận chuyển trong

Phương pháp tạo hình đổ rót

(Source: From Modern Ceramic Engineering, by D.W

Richerson, p 462, Fig 10-34 Copyright © 1992 Marcel Dekker Reprinted by permission.)

Các dạng khuyết tật ở phương pháp tạo hình dẻo: nứt, biến hình, vết xước ở mặt trong hay mặt ngoài,

thành dày hay mỏng không đều, mật độ mộc ở các vị trí khác nhau trên cùng một sản phẩm chênh lệch nhau v.v

Các dạng khuyết tật ở phương pháp đổ rót : khuyết

tật ở khâu thoát khuôn, sửa, sấy và cả ở khâu nung

Nguyên nhân:

- Tính chất của hồ đổ rót trong quá trình tạo hình thay đổi nhiều hơn so với phối liệu dẻo nhất là lúc rót phần hồ thừa (sử dụng lượng hồ thừa chung với hồ mới nghiền) dễ làm thay đổi tỷ trọng của hồ

- Tính chất của khuôn thạch cao trong cùng một ca sản xuất cũng thay đổi rất mạmh: độ ẩm của khuôn kéo theo là khả năng hút nước của khuôn thay đổi rất đáng kể, nhất là các khuôn đã dùng lâu

- Khi đổ rót các loại sản phẩm kích thước lớn, hình dáng lại phức tạp thường phải rót hồ vào khuôn nhiều lần (rót hồ bổ sung), thời gian đổ rót dài do đó sự thay đổi tính chất của hồ có thể xảy ra ngay trong cùng một sản phẩm (hồ dễ lắng, đóng sánh)

Pp ép đùn và pp xoay

Figure 11.26 (a) Extruding and (b) jiggering operations Source: R F Stoops.

Ép tạo hình gạch ốp lát

• Ép lần 1 : Tốc độ ép tương đối nhanh nhằm đẩy không khí giữa các hạt phối liệu ra ngoài Áp lực ép khoảng 10 bar

• Ép lần 2 : Với áp lực ép lớn để ổn định hình dạng gạch và tạo độ bền , độ chặt cần thiết cho gạch mộc Áp lực ép 100- 600bar

Máy ép thuỷ tĩnh

• PH 2090 • Kích thước gạch ép 425x425mm

• Độ dày gạch ép 8,6 – 9,2mm

• Aùp suất dầu 248bar

• Aùp suất phục vụ 347bar

• Lực ép max 2000T n ấ

• Số m2 gạch trong 1 phút 31.2m2

• Số chu kỳ ép trong 1 phút 11,9

CHƯƠNG 5: SẤY SẢN PHẨM

Mục đích:

Quá trình sấy là loại bỏ nước liên kết lý học

(còn gọi là nước tự do, nằm ở các lổ trống giữa

các hạt vật liệu) hay nước liên kết hoá lý (bao

gồm nước hấp phụ, nước hydrat hoá và ở các loại khoáng sét ba lớp silicat là nước trương nở).

Sản phẩm gốm sứ nói chung là khá dày, lúc sấy nước ở bề mặt dễ bốc hơi gây nên chênh lệch hàm ẩm ở trên bề mặt và trong lòng sản phẩm,

do đó nước ở trong lòng sẽ khuyếch tán ra ngoài

bề mặt và tiếp tục bốc hơi Như vậy tốc độ sấy chẳng những phụ thuộc vào khả năng bốc hơi trên mặt sản phẩm mà còn phụ thuộc vào tốc độ khuyếch tán nước từ bên trong ra bên ngoài.

+ giai đoạn giảm tốc độ s y ấ khi các hạt vật liệu bắt đầu tiếp xúc với nhau Lúc này tốc độ bay hơi từ bề mặt lớn hơn tốc độ dẫn ẩm từ trong lòng vật liệu, nhiệt độ vật liệu bắt đầu tăng bề mặt khô hơn, co lại, trong lòng vật liệu ẩm hơn, chưa co Sự co không đồng đều làm xuất hiện ứng suất cơ.

Các đường cong sấy

Độ co không khí

- Nước thoát ra hầu như ở cả toàn bộ thời gian sấy.

- Độ co thể tích đạt đến giá trị cao nhất sau 70 h.

- Độ co bắt đầu ngay ở giai đoạn 1 cùng với việc bốc hơi bao phủ quanh hạt sét và

độ co tỉ lệ thuận với tốc độ thoát ẩm.

- Giai đoạn 2 sản phẩm tiếp tục co và bắt đầu xuất hiện lổ xốp.

- Giai đoạn 3 tiếp tục bay hơi lượng nước tự do và nước hấp phụ, thể tích ngay sau khi bước sang giai đoạn 3 là không đổi, sản phẩm chỉ co ở 2 giai đoạn đầu, lượng nước bay ra ở 2 giai đoạn này đạt gần 1/2

Cuối giai đoạn 2 sản phẩm đã bắt đầu mất tính dẻo chuyển sang trạng thái dòn Như vậy sự co không đều ở giai đoạn này gây nên biến dạng (biến dạng dẻo) Cuối giai đoạn 2 vật thể chuyển sang trạng thái dòn khi co không đều sẽ dẫn đến hiện tượng nứt nếu ứng suất vượt quá cường độ phá

vỡ của mộc.

K THU T S Y Ỹ Ậ Ấ

- Tốc độ sấy lớn nhất cho phép song vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm.

- Tiêu tốn nhiệt năng riêng ít.

- Sấy đảm bảo đồng đều.

- Cuờng độ bốc hơi ẩm trên một đơn vị (m3 ) thiết bị lớn

- Dễ điều chỉnh các thông số của động lực sấy

- Cơ giới hoá việc bốc dỡ, vận chuyển sản phẩm và đạt điều kiện vệ sinh.

Trong thực tế kỹ thuật sấy cần lưu ý:

40

-Tốc độ bay hơi nước ngay ở giai đoạn đầu không phải

như tốc độ bay hơi nước từ bề mặt tự do, các lỗ xốp bề mặt tạo

lực mao dẫn làm giảm tốc độ bay hơi rất nhiều

- Sự co xảy ra ở giai đoạn đầu không phải luôn luôn có

điểm tới hạn rõ ràng như trên hình vẽ và tốc độ thoát ẩm trong

giai đoạn này không phải là không đổi

- Quá trình dẫn ẩm trong các r t ấ mao dẫn phức t p ạ

h n nh hình v ơ ư ẽ

- Sản phẩm bị biến dạng, nứt vỡ còn do nhiều nguyên

nhân khác

Lò sấy

Lị s y ấ

Phương pháp sấy phun hoặc sấy tạo bụi ly

Nhiệt độ sấy trong thiết bị khoảng 450 ÷ 500oC

Do dòng xoáy trong xyclon, đất tạo thành những viên

nhỏ hình cầu khoảng 1 ÷ 10mm, thoát khỏi máy với độ

ẩm đạt yêu cầu công nghệ

Máy sấy phun

Các thông số của máy sấy phun Sacmi ATM 36

+ Lượng bốc hơi ẩm tối đa : 3600 l/h

+ Tổng công suất động cơ : 108 kW

+ Khối lượng : 41000 kg

+ Nhiệt năng : 3.000.000 kcal/h + Công suất động cơ quạt : 5.5 kW

+ Nhiệt độ không khí nóng : 500 – 620 oC

Chế độ sấy tối ưu

44

Là chế độ sấy mẫu có tốc độ sấy cao nhất mà không bị cong vênh hoặc nứt vỡ

Thường được xác định bằng thực nghiệm:

Liên kết của các sản phẩm sấy từ đất sét là liên kết giữa các hạt bởi lực Van-der Van, các hạt mịn cĩ bề mặt tiếp xúc lớn hơn sẽ bền hơn.

Để tăng cường quá trình sấy, người ta cĩ thể dùng các phương thức sấy khác như: bức xạ hồng ngoại, sấy bằng dịng cao tần…vv

Phủ men: với các sản phẩm tráng men nung một lần, sau khi sấy là tới cơng đoạn tráng men

CHƯƠNG 6: NUNG

45

Nung là khâu quan trọng nhất trong kỹ thuật sản xuất gốm sứ Nĩ ảnh hưởng quyết định đến chất lượng và giá thành

Nung là toàn bộ quá trình gia nhiệt sản phẩm gốm sứ với chế độ thích hợp, từ nhiệt độ thường cho tới nhiệt độ cao nhất (nhiệt độ nung) và sau đó làm nguội trong môi trường nung cần thiết

Thành phần pha trước và sau khi nung có thể thay đổi một phần hoặc thay đổi hoàn toàn, nếu xảy ra các phản ứng hóa học đồng thời quá trình kết khối (ở trạng thái rắn hoặc có pha lỏng); hoặc cũng có thể không thay đổi, vật liệu rắn chắc nhờ quá trình kết khối thuần túy

Quá trinh nung không những là điều kiện để hình thành nên vật liệu mới, mà ngay trong chính bản thân quá trình cũng chứa đựng nguy cơ: có thể làm cho sản phẩm bị biến dạng hay thậm chí phá hoại sự nguyên vẹn của nó, tức là làm cho sản phẩm

có thể bị cong vênh hay thậm chí nứt, vỡ Điều này đặc biệt dễ xảy ra khi dùng những nguyên liệu đất sét rất nhạy khi nung.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH NUNG

Sản phẩm gốm sứ chỉ được nung đến kết khối, quá trình nung là không thuận nghịch và hầu như không đạt được cân bằng pha (không thực hiện đến cùng).

Kết khối là quá trình giảm bề mặt (bên trong

và bên ngoài hay ở chổ tiếp xúc với nhau) của các phần tử vật chất do xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các hạt, do sự biến mất của lổ xốp trong vật liệu để hình thành một khối thể với thể tích bé nhất

Thuyết khuyếch tán của Kingery

Coi hai hạt vật thể là có dạng tròn, khi nung chúng sẽ có quá trình khuyếch tán vật chất vào nhau

Tuỳ thuộc vào nhiệt độ mà hiện tượng khuyếch tán xảy ra ở ranh giới bề mặt hay trong thể tích vật thể mà có sự khác nhau về trị số của hệ

số khuyếch tán

Trường hợp xảy ra khuyếch tán thể tích mối tương quan giữa chúng có thể biểu diễn bằng phương trình sau

(K = 1,38.10 -23 J / K = 8,617(15).10 -5 eV /K)