ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЙ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ФИЛЬТР-ПРЕССАХ

СТРОЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ШЛИКЕРОВ

Строение и свойства сырьевых суспензий зависят от состава исходного сырья и способов его подготовки. Шламовые и шликерные суспензии состоят из пластичных компонентов (глин, каолинов), отощающих добавок (кварцевый песок, известняк, полевой шпат и др.) и дисперсионной среды (чаще всего вода). Твердая фаза является полидисперсным материалом с размерами частиц от 0,01 до 200 мкм. Наиболее высокодисперсными являются глинистые минералы, гидроксиды алюминия и железа, грубодисперсными – частицы известняка, кварца, полевых шпатов.

Поверхностные слои частиц глинистых материалов при взаимодействии с дисперсионной средой сольватируются. В дальнейшем происходит слабая поверхностная диссоциация сольватированных глинистых частиц, в результате которой последние приобретают отрицательный заряд, образуя «макро анионы». Диссоциация идет в основном в группах Al – O – H по связи кислорода с водородом.

Глинистые частицы имеют участки, способные также к адсорбции анионов и анионному обмену, однако этот обмен мало влияет на технологические свойства сырьевых шламов и литейных шликеров.

Ионы, адсорбированные частицами минералов по силе связи иона с минералом можно расположить в такой последовательности:

катионы H⁺ > Al³⁺ > Ba²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Cs⁺ > Rb⁺ > NH₄⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺; анионы OH^- > CO₃^2- > PO₄^3- > CNS^- > I^- > Br^- > Cl^- > NO₃^- > F^- > SO₄^2-.

Любой ион расположенный слева, может вытеснить при адсорбции ион, находящийся в ряду справа от него.

При взаимодействии с глинистыми частицами молекулы воды образуют гидратные оболочки вокруг них. Полярные молекулы воды, соприкасающиеся с поверхностью глинистой частицы, взаимодействуют с электрическими зарядами этой поверхности и ориентируются вокруг нее таким образом, что структура тонкого адсорбционного слоя воды приближается к структуре кристалла. Молекулы воды в адсорбционном слое находятся в ином физическом состоянии, чем капельножидкое, и называются прочно связанными. Толщина этого слоя изменяется в пределах 10^-3 – 10^-2 мкм, и он не способен повышать текучесть шламов и шликеров.

Вокруг адсорбционного слоя ориентированных молекул воды образуется диффузная оболочка, в которой ориентация молекул по толщине постепенно нарушается вследствие непрерывного теплового движения, а свойства приближаются к свойствам капельножидкой воды. Чем выше диффузный слой, тем выше подвижность суспензии. Избыточная (несвязанная) вода заполняет промежутки между гидратированными глинистыми частицами и называется свободной, или разжижающей водой.

Сырьевые шламы и литейные шликера можно рассматривать как системы, состоящие из мицелл-ассоциатов, находящихся в равновесии с дисперсионной средой.

Мицеллы глинистых суспензий представляют собой крупные гидратированные частицы, ядра которых состоят из зерен кварца, карбонатов кальция и магния, полевого шпата размерами 5 – 20 мкм. Поверхности ядер, имеющие отрицательный заряд, собирают из водного солевого раствора катионы металлов (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺), молекулы воды и мельчайшие положительно заряженные частицы гидроксидов железа, алюминия и других веществ. Вокруг первичного адсорбционного слоя образуется вторичный диффузный слой, который поддерживает общую электронейтральность и не имеет определенной ориентировки. В состав диффузного слоя входят мелкие кристаллы глинистых компонентов (менее 0,5 мкм), которые, в свою очередь являются очень сложными образованьями.

СПОСОБЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШЛИКЕРА

Дробление, измельчение и тонкий помол каменистых сырьевых материалов является одной из наиболее дорогостоящих и энергоемких операций в процессе массоприготовления. За рубежом осуществляется поставка на предприятия керамического производства заранее измельченных стандартизированных материалов. Это позволяет ликвидировать участки, где осуществляется грубое дробление.

Технология подготовки глинистых материалов сводится к следующему: после грубого измельчения в стругачах глинистые распускают в воде (в шаровых мельницах или в бассейнах с пропеллерными мешалками) с последующим перемешиванием с тонкомолотыми каменистыми компонентами массы. Такой способ позволяет обеспечить диспергирование глинистых до размеров частиц 3-10 мкм. При роспуске глинистых материалов в шаровых мельницах воду добавляют доводя влажность суспензии:

- для фарфора – до 55-60 %;

- для фаянса – до 65-70 %.

Продолжительность роспуска составляет от 40-50 мин до 1,5-2,5 ч при соотношении «материалы : шары : вода» = 1: 0,5 : 0,5. Пропеллерные мешалки заполняют на ¾ объема подогретой до 50-60 ^оС водой и глинистыми материалами с размерами кусков не более 20 мм. Количество воды зависит от пластичности и минералогического состава глинистых: для каолина – влажность суспензии 55-60 %, для более пластичных глин (содержащих монтмориллонит) – до 75 %. Предварительная добавка электролитов при роспуске глинистых материалов позволяет приготовить шликер, хорошей текучести при влажности 40 %.

Приготовление литейной шликерной массы можно осуществлять двумя способами:

1) беспрессовым;

2) фильтр-прессным.

Беспрессовый способ применяется при приготовлении шликера для изделий, изготавливаемых методом литья в гипсовые формы. При раздельном помоле пластичных и непластичных материалов, после роспуска глинистых и помола каменистых материалов получают шликер путем перемешивания суспензий. Затем шликер сливают в бассейны-сборники, где выдерживают в не менее 2 суток для улучшения литейных свойств, после чего подают в литейный цех на формование. В отдельных случаях шликер готовят путем совместного помола пластичных и непластичных материалов в шаровых мельницах. Сначала загружают каменистые материалы, 5-100 % глинистых материалов и электролиты. Помол совершают до остатка на сите 0071 – 6,5-8,0%. Затем (через 3-6 часов) загружают остальные пластичные материалы (согласно рецептуре массы) и продолжают совместный помол еще в течение 2-3 ч. Помол продолжают до остатка на сите 006 не более 2-10 % для фаянсовой массы, не более 6% для полуфарфоровой массы и в пределах 0,5-2,0 % для фарфоровой массы. Совместный помол по сравнению с раздельным позволяет получить шликер более высокого качества, однако увеличивает продолжительность операции на 30 %. Кроме того при совместном помоле мощность шаровых мельниц используется всего на 35-45 %. Однако при такой организации отпадает необходимость в мешалках для роспуска глинистых материалов. Совместный помол рекомендуется использовать в случае, когда используются монтмориллонит-содержащие глины, а также при использовании материалов, требующих дополнительного помола: крупнокристаллических каолинов, камнеподобных глин, трудноразмокающих отходов полуфабриката (сушья) с влажностью менее 8-10 % .

При фильтр-прессовом способе получения литейной шликерной массы ее распускают в воде дважды. Первый раз шликер получают описанным выше способом, после чего его частично обезвоживают на фильтр-прессах до влажность 20-22 %. Полученные коржи массы измельчают (например в стругаче), загружают в мешалку, куда предварительно добавляют воду и электролиты в соответствии с принятой на заводе рецептурой. Готовый шликер сливают в сборники, а затем подают на формование в литейный цех. Шликер, полученный таким способом, отличается более высокими показателями качества, стабильными реологическими свойствами и требует меньшего количества электролитов для разжижения. Причиной этого служит удаление в процессе обезвоживания вредных водорастворимых солей, содержащихся в глинистых материалах.

Следует отметить, что за рубежом на предприятиях фарфоро-фаянсовой промышленности для приготовления шликеров используют унифицированные составы масс в виде пресс-порошков, поставляемых в комплекте с разжижителями. Это позволяет исключить из технологии энергоемкие операции массоприготовления и расширить ассортимент изготавливаемой продукции.

ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЙ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ФИЛЬТР-ПРЕССАХ

Процессы фильтрования керамических суспензий широко распространены на заводах фарфоро-фаянсовой промышленности, где используются массы с влажностью 21-24 %, получаемые путем частичного обезвоживания шликеров. Зачастую процессы фильтрования в производственных условиях связаны с затруднениями, приводящими к экстенсивным методам повышения производительности фильтров. Основной причиной таких затруднений является чрезмерное сопротивление осадка и его малая критическая толщина, и, как следствие, низкая скорость фильтрации.

Использование специальных технологических приемов, как физико-механических, так и физико-химических, с целью регулирования свойств керамических шликеров, а также выбор оптимальных параметров фильтрования суспензий позволит ускорить процесс и существенно повысить производительность фильтрующего оборудования.

Для управления процессами фильтрования керамических шликеров с последующим получением пластичных масс необходимо знание особенностей поведения системы «глина- вода». Изучение процессов, сопровождающих тече-ние и деформацию вещества при обезвоживании шликера, а также определение путей интенсификации процесса фильтрования является актуальной техноло-гической задачей. Для технологического процесса фильтр-прессного получения пластической массы наиболее важными реологическими свойствами шликера являются его вязкость и загустеваемость(изменение вязкости во времени в состоянии покоя), а также концентрация и размеры частиц твердой фазы суспензии..

Фильтрование – это процессы разделения неоднородных систем при помощи твёрдых перегородок, которые задерживают одни фазы и пропускают другие. К этим процессам относятся разделение суспензий на чистую жидкость и влажный осадок, аэрозолей на чистый газ и сухой осадок, или на чистый газ и жидкость.

Фильтрование является гидродинамическим процессом, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки (движущая сила процесса), и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при её движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка. Скорость фильтрования непрерывно уменьшается вследствие возрастания толщины осадка и увеличения его сопротивления.

Разделение суспензии, состоящей из жидкости, в которой взвешены твердые частицы, производится при помощи фильтра, который представляет собой сосуд, разделенный не две части пористой перегородкой. Суспензию помещают в одну часть этого сосуда таким образом, чтобы она соприкасалась с фильтровальной перегородкой. В разделенных частях сосуда создается разность давлений, под действием которой жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, а твердые частицы задерживаются этой перегородкой. Таким образом, суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок.

При фильтрации жидкая фаза, протекая сквозь фильтрующую перегородку, преодолевает гидравлическое сопротивление. Однако величина пор фильтрующей перегородки и ее сопротивление имеют значение только в самом начале процесса фильтрации. В дальнейшем на поверхности фильтрующей перегородки отлагается слой осадка, который играет основную роль в последующем процессе, оказывая все возрастающее сопротивление протекающей жидкости и задерживая твердые частицы.

Операция обезвоживания на большинстве предприятий осуществляется на рамных фильтр-прессах. Закачку шликера осуществляют мембранным насосом при давлении 0,5-0,6 МПа, возрастающем к концу закачки до 1,0-1,2 МПа. В фильтр-прессе вода из шликера отфильтровывается сквозь полотна, зажатые между дисковыми рамами с перфорированными вкладышами. Отфильтрованная масса заполняет промежуток между полотнами. После окончания фильтр-прессования, определяемого по повышению давления в системе и прекращению вытекания воды из-под рам, подачу шликера прекращают, винтовой и гидравлический режим отпускают, рамы раздвигают и отпрессованную массу сбрасывают на находящийся под фильтр-прессом ленточный конвейер.

Керамические массы образуют осадок, оказывающий значительное сопротивление протекающей жидкости. Это сопротивление обратно пропорционально размеру частиц твердой фазы в шликере. Эти объясняется тот факт, что скорость фильтрации фаянсовых масс с большим содержанием пластичных глин в 2-3 раза ниже, чем у фарфоровых. Осадки, образующиеся на фильтровальной перегородке делятся на несжимаемые и сжимаемые.

Несжимаемыми называются такие осадки, пористость которых, и следовательно, сопротивление потоку жидкости остаются постоянными в процессе фильтрования. К практически несжимаемым осадкам можно отнести осадки состоящие из частиц неорганических веществ размером более 100 мкм.

Сжимаемыми называются такие осадки, пористость которых уменьшается, а сопротивление потоку жидкости возрастает при увеличении разности давлений в процессе фильтрования. Уравнения фильтрования для несжимаемых сред позволяют представить основные закономерности процесса в простом и наглядном виде.

Основное дифференциальное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой перегородке имеет вид:

где V – объем фильтрата, м³;

S – поверхность фильтрования, м²;

τ – продолжительность фильтования, сек;

ΔР – разность давлений, н·м^-2;

μ – вязкость жидкой фазы суспензии, н·сек·м^-2;

R_пф – сопротивление фильтровальной перегородки, м^-1;

r₀ – удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление,

оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка

толщиной 1 м), м^-1;

x₀ – отношение объема осадка к объему фильтрата, м³·м^-3.

В уравнениях фильтрования с образованием сжимаемого осадка величина х₀ зависит от разности давлений, уменьшаясь при её возрастании. При экспериментальном определении средней величины r₀ сжимаемого осадка необходимо учитывать следующее:

· В процессе фильтрования при постоянной разности давлений величина r₀ остается постоянной во времени.

· В процессе фильтрования при постоянной скорости r₀ увеличивается во времени в связи с возрастанием разности давлений.

Интенсификация процессов фильтрования может быть достигнута двумя различными путями. По первому пути, полученную и подлежащую разделению суспензию обрабатывают таким образом, чтобы в процессе фильтрования образовался осадок с возможно меньшим сопротивлением. Для этого к суспензии добавляют флокулянты и электролиты. По второму пути, в процессе получения суспензии создают такие условия, которые обеспечивают образование твердых частиц, дающих при фильтровании осадок с пониженным сопротивлением. Этого можно достигнуть, применяя более чистые исходные вещества, обеспечение более мягких условий технологического процесса с целью уменьшить возможность появления в суспензии смолистых, слизистых и коллоидных примесей.