ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗОЛЯТОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

2020-11-16 07:39:49

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ


Исходные или сырьевые материалы для изготовления фарфора обычно делят на три основные группы: пластичные материалы; отощающие материалы; стеклообразующие материалы (стеклообразующие компоненты в сырой фарфоровой массе тоже являются отощающими материалами).

Кроме основных материалов следует еще дополнить этот список красителями, входящими в состав цветных глазурей,  которыми покрывают изоляторы.
Группу пластичных материалов составляют глинистые вещества: каолины и различные огнеупорные глины.



Основной особенностью их является пластичность. Это ценное свойство глинистых веществ заключается в том, что по затворении водой они образуют мягкую, тестообразную массу, которая легко воспринимает любую форму под действием внешних усилий, а после снятия усилий сохраняет приданную форму. Пластичностью глинистых материалов широко пользуются при изготовлении керамических изделий методами пластичной формовки из тестообразной массы. Глинистое вещество приобретает пластичность только при определенном соотношении воды и глинистого вещества. При введении в глинистое вещество очень большого количества воды (50—60%) образуется жидкая текучая масса — глинистая суспензия, при введении же очень малого количества воды глинистое вещество остается в твердом состоянии.

Другим важным свойством пластичных глинистых материалов является их способность под действием высоких температур образовывать плотное камнеподобное тело — черепок. Таким образом, керамические изделия могли бы получаться из одних глинистых материалов, но при этом исходная масса, состоящая из одних глин, сильно прилипала бы к формам, инструменту. Этим уже вносился бы ряд затруднений в производство керамических изделий. Главный же недостаток такой массы заключается, во-первых, в том, что изделия, изготовленные из нее, очень плохо отдают влагу и неравномерно высыхают, давая трещины; во-вторых, изделия, изготовленные из одних глинистых материалов, обладают большой объемной усадкой, т. е. в сильной степени сокращают свой первоначальный объем после сушки и обжига в печах (при этом было бы весьма затруднительно выдержать первоначально заданные размеры изоляторов); в-третьих, изделия, выполненные из одних пластичных глин, требуют для обжига весьма высоких температур (1 600—1700°С).
Для того чтобы устранить липкость (липкопластичное состояние) массы, приготовленной из одних глинистых материалов, а также с целью уменьшения объемной усадки изделий, изготовленных из этой массы, в нее вводят отощающие материалы. В качестве последних применяют кварц и фарфоровый череп (фарфоровый бой). Эти материалы иногда называют еще каменистыми материалами из-за их большой твердости. Жильный природный кварц или чистые кварцевые пески и фарфоровый череп предварительно измельчаются до тонкодисперсного состояния. Частицы этих материалов после процессов их измельчения проходят через сито 10 000 отв/см2 (остаток на сите 1-2%).

Введя в исходную массу измельченные кварц и фарфоровый череп, необходимо производить обжиг изделий еще при значительно высоких температурах (1 500—1 600° С), чтобы получить достаточно плотное тело (черепок) изделий.

Для понижения температуры обжига и получения монолитного фарфорового черепка необходимо в исходную фарфоровую массу ввести еще стеклообразующие материалы.

К стеклообразующим компонентам фарфоровой массы относятся полевой шпат и пегматит. Это — твердые (каменистые) материалы, представляющие собой природные минералы. Они тоже вводятся в измельченном состоянии и в сырой фарфоровой массе играют роль отощающих материалов.

Обладая сравнительно низкой температурой плавления (1 100—1 170°С), стеклообразующие материалы позволяют понизить температуру обжига фарфора.  Расплавляясь в процессе обжига, эти материалы образуют в фарфоре стекловидную массу (полевошпатовое стекло). В последней растворяются зерна кварца и протекают реакции с глинистыми веществами, в результате которых образуются кристаллы муллита, начиная с температуры 1 200° С и выше.

Заполняя поры между образовавшимися кристаллами муллита и нерасплавившимися зернами кварца, стекло¬видная масса обеспечивает монолитность, негигроскопич- ность материала — фарфора.

ПЛАСТИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К пластичным материалам относятся первичные глины или каолины и вторичные или осадочные глины. Как первые, так и вторые образовались в процессе естественного разрушения горных пород: гранитов, гнейсов, порфиров, пегматитов и др. Первичные глины находят в местах расположения горных пород, образовавших эти глины при разрушении. Вторичные же глины находят далеко от мест их первоначального образования, куда они были перенесены проточными водами. Естественно, что в процессе такого переноса частички вторичных глин претерпевали взаимное трение и измельчались. Кроме того, по пути перенесения водой наиболее крупные частицы глинистого вещества оседали на дно протоков, водой же уносились наиболее мелкие частицы.

Если в первичных глинах (каолинах) мы наблюдаем остатки горных пород, еще не прошедших процесса природного измельчения, то во вторичных, осадочных глинах эти обломки горных пород отсутствуют. Зато вторичные глины содержат большое количество органических и неорганических примесей, захваченных ими во время перенесения водой. Поэтому цвет вторичных глин весьма различен. Он изменяется от серого до черного, от желтого до розового и красного. Первичные же глины менее разнятся по цвету, большей частью их цвет белый или серый. Часто в глинах можно встретить отдельные участки, окрашенные в коричневые и красно-бурые цвета. Это вызвано присутствием таких нежелательных примесей, как окислы железа.

Рис. 2 - Каолин

Отметим еще, что вторичные глины, состоящие из частиц с большей степенью раздробленности, обладают большей пластичностью по сравнению с первичными.

Как уже указывалось выше, первичные глины (каолины) содержат значительное количество примесей — остатков горных пород: кварца, слюды, полевого шпата, и не могут быть употреблены непосредственно для приготовления фарфоровой массы. С целью освобождения от сравнительно крупных частиц разрушенных минералов первичные глины проходят предварительный процесс пере¬работки на каолиновых заводах. На этих заводах добытый из карьеров каолин подвергается отмучиванию. При этом он освобождается от остатков горных пород и песка. Для получения однородного глинистого вещества каолин, распущенный в воде и прошедший процесс отмучивания, подается насосом в фильтр-пресс, откуда получается в виде коржей—пластин, применяющихся для изготовления фарфоровой массы.

Свойства каолинов и глин определяются их химическим и минералогическим составами, а также дисперсностью частиц. Главной составной частью каолинов и  
глин является каолинит — минерал белого цвета с характерным блеском. В глинистых материалах каолинит находится в виде мелких кристалликов и их обломков. Каолиниты обусловливают большую огнеупорность глин, а после произведенного обжига придают белую окраску получившемуся черепку фарфора.

Глинистые материалы состоят из частичек различной дисперсности (степень раздробленности), которая лежит в пределах от 0,005 до 0,0005 мм и меньше. Гранулометрический состав глинистых материалов определяет многие свойства последних: пластичность, объемную усадку, механическую прочность в сухом состоянии. Известно, что повышенное содержание наиболее мелких частиц (осадочные глины) обусловливает высокую пластичность глин и одновременно их большую объемную усадку. Наряду с этим увеличивается механическая прочность глин по высыхании. Повышенное содержание более крупных частиц (в каолинах) приводит к уменьшению пластичности материала, но такой глинистый материал легче отдает воду, т. е. быстрей высыхает. При этом наблюдается меньшая объемная усадка при высыхании материала.

Электроизоляторное производство потребляет большое количество глин и каолинов различных месторождений.

ОТОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

В качестве отощающих материалов для фарфоровой массы наибольшее применение имеют чистые кварцевые пески и жильный кусковой кварц. По своему химическому составу эти материалы представляют собой главным образом окись кремния, или кремнезем, содержание которого в этих материалах колеблется в пределах 98—99%. Кварц представляет собой полупрозрачный минерал, окрашенный в различные цвета: молочный, розовый, желтый и др., и часто встречается как составная часть других горных пород, например пегматита, где он залегает вместе с другим минералом — полевым шпатом, тоже широко применяющимся при изготовлении фарфора.

В производстве фарфоровых изоляторов применяются наиболее чистые разновидности жильного кварца с содержанием окиси кремния не менее 99%. В прокаленном состоянии (огневая проба) он имеет молочно-белый цвет без каких-либо окрашенных включений. Жильный кварц добывают в виде довольно больших кусков и перед употреблением предварительно обжигают, а затем измельчают до порошкообразного состояния. Чтобы избежать этого трудоемкого процесса, на изоляторных заводах применяют преимущественно чистые кварцевые пески, являющиеся почти готовым материалом с высокой степенью раздробленности частиц.

Рис. 3 - Жильный кварц

В изоляторном производстве используются кварцевые материалы с содержанием окислов железа не выше 0,2%. Они употребляются не только в фарфоровых массах, но также в глазурях, которыми покрывают изоляторы.

Кроме кварца и кварцевого песка, в качестве отощающих материалов применяют «фарфоровый череп» — куски разбитых изоляторов, которые почти всегда имеются в производстве в виде бракованных изделий. Перед употреблением фарфоровый череп измельчают до тонкодисперсного состояния и в таком виде вводят в исходную фарфоровую массу.

СТЕКЛООБРАЗУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Выше было указано, что стеклообразующие компоненты в фарфоре снижают температуру обжига фарфоровых изделий и придают монолитность фарфоровому телу — черепку.

В качестве стеклообразующего компонента в производстве применяется калиевый полевой шпат (ортоклаз, микроклин).

Полевой шпат — природный минерал пластинчатого строения делится на пластинки при раскалывании по слоям. Цвет калиевого полевого шпата обычно красный или розовый.

Рис. 4 - Полевой шпат

У этого минерала наблюдаются также и другие окраски: белая, желтая и серая. Химический состав калиевых полевых шпатов — ортоклаза и микроклина. Главными составными частями полевого шпата являются: SIO2 (64,7%), Al2O3 (18,4%), К2О (16,9%). Это — теоретический состав полевого шпата. В природных полевых шпатах содержание указанных окислов колеблется в довольно широких пределах. В состав полевых шпатов входят еще МgО, Na2O, СаО и Fe2O3, но в небольших количествах. Микроклин очень мало отличается от ортоклаза по внешнему виду. Эта разновидность калиевого полевого шпата чаще всего встречается в пегматите, который теперь широко применяется в электроизоляторном производстве.

При температуре 1100—1200° С полевой шпат плавится, превращаясь в полупрозрачное стекло, обладающее довольно высокой вязкостью, и образуя густую полупрозрачную жидкость. Это свойство полевого шпата, называемое густоплавкостью, обеспечивает стойкость фарфоровых изделий к деформациям во время обжига.

Химически однородные, чистые полевые шпаты в природе встречаются очень редко. Они по большей части представляют собой смесь нескольких разновидностей с преобладающим содержанием одного из них.

В производстве фарфора употребляются полевые шпаты с преимущественным содержанием калиевых, в которых натриевый шпат составляет не более 10—20%. В полевых шпатах, входящих в состав электрофарфоровых масс, содержание окислов железа не должно превосходить 0,5 %.

Ввиду ограниченности запасов чистые полевые шпаты стараются использовать главным образом для глазурей. В фарфоровых же массах применяют другой минерал — пегматит, в котором содержатся одновременно кварц и полевой шпат.

Рис. 5 - Пегматит

Помимо кварца и полевого шпата, в пегматите присутствуют еще такие минералы, как слюда, магнетит, гематит, гранат и др. Присутствие их в пегматите нежелательно, так как они содержат значительное количество различных окислов железа, загрязняющих фарфоровую массу и окрашивающих ее (в процессе обжига) в желтый цвет. Кроме того, содержание в фарфоре окислов железа приводит к снижению его диэлектрических характеристик, т. е. ухудшает электроизоляционные свойства фарфора. Что же касается содержания в пегматите кварца, то это не создает препятствий для использования пегматита в производстве электротехнического фарфора, так как кварц тоже является одним из компонентов исходной фарфоровой массы. Обычно кристаллы кварца и полевого шпата находятся в пегматите в сросшемся состоянии. Иногда большие образования кристаллов кварца можно отделить от больших кристаллов полевого шпата в виде отдельных кусков. Цвет пегматитов большей частью светло-розовый. В производстве фарфоровых изоляторов применяются пегматиты разных месторождений.

Ввиду непостоянства состава пегматита, даже добываемого из карьеров одного месторождения, в производстве требуется систематический и тщательный контроль состава этого минерала. Минералогический состав пегматитов характеризуется следующим содержанием основных компонентов: кварца от 22,2 до 30,1%, полевого шпата от 68,5 до 70,0%' и слюды от 1,1 до 2,7%.

В качестве дополнительных стеклообразующих компонентов (флюсы) в глазурях применяют доломит, магнезит и др. Доломит представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция; он залегает в виде больших массивов. Цвет доломитов белый или желтый. Кроме основных составляющих, доломит содержит примеси: глинистые вещества, песок и окислы железа. Магнезит может быть кристаллическим и аморфным. Для глазурей применяется кристаллический магнезит (магнезиальный шпат). Цвет магнезита изменяется от белого до голубого и черного с характерным стеклянным блеском.

Рис. 6 - Доломит

Мел представляет собой легко распадающуюся, мягкую горную породу, состоящую преимущественно из углекислого кальция с небольшим содержанием углекислого магния и окислов железа.

Для глазурей применяются наиболее чистые сорта перечисленных выше минералов.

В процессе обжига фарфоровых изделий доломит, магнезит и мел претерпевают распад. Продукты распада (СаО, МgО) оказывают флюсующее действие на стеклообразующие компоненты глазури и тем самым способствуют хорошему розливу глазури на изделиях. Кроме того, получающиеся окись кальция и окись магния вместе с другими составляющими глазури повышают ее прочность и придают ей характерную белизну и блеск.

КРАСИТЕЛИ ДЛЯ ГЛАЗУРЕЙ

Красители — материалы, которые вводятся в глазури Для придания им после обжига какой-либо окраски, чаще всего коричневой. Нормальный же цвет глазури без введенных в нее красителей молочно-белый.

Изоляторы покрывают цветной глазурью для некоторой маскировки при работе на линиях электропередач, в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах.

В качестве красителей, вводимых в глазурь, обычно применяют окислы металлов: железа, марганца, хрома и др.

В наших отечественных глазурях в качестве красителей чаще всего применяются хромистый железняк, марганцевая руда и пиролюзит. Красители в глазурь вводят в различных соотношениях с целью получения на изоляторах глазурного покрытия темно-коричневого цвета. Общее содержание красителей в глазурях колеблется в пределах 8—13% по отношению к сумме других компонентов глазурей (пегматит, глинистые материалы, фарфоровый череп и др.).




назад к статьям