Устройство формования керамических изделий

Заявленное техническое решение относится к устройствам для формования керамических изделий путем центробежного литья, в частности из суспензий (шликеров).
Керамические изделия представляют собой изделия из искусственного материала, получаемые обжигом до спекания минерального (в основном глинистого) сырья, прошедшего специальную технологическую подготовку. Керамические изделия формуют различными способами. В частности одним из способов формования является литье из суспензий. Суспензиями для литья керамических изделий называют жидкость с взвешенными в ней мелкими твердыми частицами кристаллических и/или стекловидных компонентов. То есть суспензия представляет собой смесь твердой и жидкой фаз, из твердой фазы формируется изделие, а жидкая фаза удаляется в процессе формования. Шликер это частный случай суспензии, шликером в керамике, как правило, считается суспензия, содержащая глину в качестве компонента твердой (кристаллической) фазы. В процессе литья из шликеров (суспензий) получают керамические изделия, в основном, с использованием пористых форм. Данный метод применяется для изготовления тонкостенных заготовок, как правило, с толщиной стенок в пределах 3-5 мм. Шликерная технология литья отличается многими преимуществами, в частности, высоким качеством получаемых заготовок, стабильностью их формы, возможностью изготавливать заготовки с множеством тонких и мелких деталей, доступность и простота метода, эффективность. При этом шликерное литье в неподвижные пористые формы из-за длительного набора стенки изделием в форме является продолжительным процессом: оборот формы может составлять сутки, по этой причине это процесс, практически не поддающийся автоматизации и очень трудоемкий. Кроме того, ресурс гипсовой формы, как правило, составляет 50-300 циклов, после достижения максимально количества гипс начинает разрушаться, появляются сколы, форма теряет необходимую геометрию и непригодна к дальнейшему использованию, а также в процессе использования происходит снижение показателей впитываемости гипсовой формой (ухудшение фильтрации) влаги после каждого цикла по причине заполнения капилляров в структуре гипсовой формы тонкодисперсными частицами, содержащимися в керамическом шликере; т.е. после каждого цикла формования показатели гипсовой формы становятся чуть хуже.
Получение полуфабриката керамического изделия возможно не только литьем в неподвижные пористые формы, но и с вращением формы. Различают центробежное литье (литье с вращением формы) в пористые и плотные формы. В случае применения пористой формы центробежная сила увеличивает давление жидкости на стенку формы, ускоряя поглощение ею влаги и удаление жидкой фазы, тем самым сокращая время, необходимое на набор стенки полуфабрикатом изделия. А в случае применения плотной формы, не имеющей пор, в процессе центробежного литья образование стенки полуфабриката происходит за счет разделения фаз - частицы твердой фазы суспензии (шликера) под действие центробежных сил осаждаются на внутренней, относительно радиуса вращения, поверхности формы, а жидкость (в т.ч. содержащая некоторое количество тонкодисперсных частицы твердой фазы) остается в центральной части, слоем над твердыми частицами, уложенными в слой полуфабриката при вращении.
Из уровня техники известны различные технические решения, в которых раскрыты устройства для центробежного литья керамических изделий из суспензий (шликера).
Известно устройство для центробежного формования, описанное в документе Кварцевая керамика и огнеупоры т.1 / Ю. Е. Пивинский, Е. И. Суздальцев; под ред. Ю. Е. Пивинского. - Москва: Теплоэнергетик, 2008; ISBN 5-98385-010-5, содержащее валки вращения, на которые устанавливается металлическая форма с предварительно залитой суспензией. При вращении валков, происходит вращение формы и в ней происходит процесс осаждения твердой фазы на стенку и отжим жидкой фазы к центру. Такое устройство для формования позволяет использовать твердые формы вместо гипсовых, имеющих ограниченный ресурс, но характеризуется высокой трудоемкостью процесса из-за большого количества операций при установке - снятии формы, сложностью автоматизации процесса и ограничением однократной заливки суспензии (шликера) в форму до установки ее на станок, что не позволяет производить изделия с отверстием малого диаметра, а также невозможность формовать изделия сложной геометрии.
Известно также решение, в котором формование изделий производят во вращающихся формах. В патенте РФ на изобретение №2301212 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ» (МПК C04B 35/14, опубликован 20.06.2007) описан способ изготовления керамических изделий, который включает получение водной суспензии кварцевого стекла, формование шликерным литьем в гипсовой форме слоя керамической заготовки и носовую или донную часть изделия, а затем доформовку в той же форме центробежным литьем, после чего осуществляют сушку и термообработку изделий. Недостатками данного решения является использование гипсовых форм, что приводит к длительности процесса формования, а также низкая производительность, обусловленная сложностью автоматизации процесса, сложным процессом сборки формы и необходимостью перемещать формы в процессе формования.
В качестве ближайшего аналога выбрано решение по патенту США US2962790 «Method of centrifugally slip-casting ceramic materials» (МПК B28B21/08, опубликован 06.12.1960), из которого известно устройство для центробежного литья керамических изделий, которое включает корпус с горизонтальной осью вращения, жестко установленный в бабках токарного станка, в котором размещается гипсовая форма. Подача шликера (суспензии) в форму осуществляется через центральную трубу из заливочного устройства. Под действием центробежной силы в ходе вращения формы жидкая фаза шликера поглощается гипсовой формой, а твердая фаза формирует изделие, осаждаясь на стенках формы. Так как форма устанавливается на токарный станок, это предполагает большое количество операций по установке - снятию формы, что обуславливает низкую производительность операций снятия - установки форм. Недостатки известного устройства обусловлены также применением гипсовых форм, что приводит к дороговизне и низкой производительности процесса обусловленной ограниченной «ходимостью форм» (до 300 циклов) и необходимостью длительной сушки гипсовой формы после цикла (несколько часов).
Задачей заявляемого технического решения является создание устройства для формования керамических изделий путем центробежного литья из суспензий (шликеров), характеризующегося высокой производительностью, возможностью использования твердых форм, вместо гипсовых, и позволяющего автоматизировать процесс формования. Технический результат заключается в повышении производительности устройства для центробежного формования керамических изделий. При этом под производительностью устройства следует понимать отношение количества произведенной работы (выпущенного продукта) ко времени их выполнения (выпуска) или объем продукции (работы), производимой в единицу времени данным устройством. Производительность определяется, в частности и количеством операций, выполняемых вручную, и временем, затрачиваемым на операции, и возможностью применения автоматизации.
Поставленная задача решается и заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве формования керамических изделий путем центробежного литья, которое содержит барабан вращения для установки литьевой формы, установленный в опоре вращения и соединенный с приводом, для обеспечения его вращения, опора вращения выполнена с возможностью поворота барабана в плоскости, отличающейся от плоскости вращения барабана. Барабан вращения может содержать фиксаторы для закрепления литьевой формы. Опора вращения может быть закреплена с возможностью вращения на раме устройства и снабжена механизмом поворота барабана.
В целях понимания заявленного решения приняты следующие определения.
Плоскость вращения - плоскость, проходящая через вращаемую точку и перпендикулярная оси вращения (плоскость окружности, которую описывает точка при вращении).
Ось вращения - прямая, вокруг которой осуществляется вращение.
Использование барабана для установки литьевой формы позволяет использовать формы из различных материалов - полимеров, пластика, резины, металла, керамики и прочих твердых материалов. При этом одно устройство может быть использовано для нескольких форм, что повышает его производительность. Форма для центробежного формования из твердых материалов имеет ресурс от 3000 до 20000 циклов, в ходе формования не изнашивается, требует меньше операций при использовании в процессе формования, в частности, не требует высушивания, как гипсовая форма, и может быть использована в автоматизированном процессе, без риска ее повреждения. В барабан могут помещаться и фиксироваться формы разных размеров и конфигураций, что позволяет использовать устройство для формования различных типов изделий. Барабан вращения может быть установлен и закреплен на опоре с возможностью вращения различными способами. Например, с помощью роликов, подшипников, валов и т.д. С одной стороны барабана может быть выполнен вал и опорный подшипник, а с другой - опорные ролики, или барабан может быть закреплен на двух опорных подшипниках с каждой стороны, при этом для смены литьевой формы одна из торцевых стенок с подшипником может быть выполнена с возможностью откидываться в сторону и открывать доступ к форме. Для фиксации форм в барабане возможно использование различных элементов, например, пружинных фиксаторов, зажимов, управляемых пневмоцилиндрами, или в виде поворотных планок, крышки, которая закрепляется вручную, и т.п.
Опора вращения служит для вращения барабана и его поворота. При этом поворот барабана может быть выполнен в плоскости, отличающейся от плоскости вращения барабана, например, из горизонтального положения барабана - вверх и вниз, и/или в горизонтальной плоскости, с остановками в различных необходимых точках. Вращение барабана происходит посредством привода вращения. Привод вращения позволяет задавать, контролировать и изменять скорость вращения в зависимости от технологического процесса. Передача крутящего момента от привода к барабану может быть выполнена различными способами - через вал, ременные или цепочные передачи, муфты, шестерни и т.д., а в качестве источника крутящего момента могут быть электрические, гидравлические, пневматические и прочие устройства. При вращении барабана в процессе формования изделия из суспензий с необходимой угловой скоростью происходит разделение твердой и жидкой фаз шликера, твердые частицы, как правило, имеющие плотность от 2,4 до 6 гр./см.куб, под действием центробежной силы прижимаются к поверхности литьевой формы, формируя изделие, а жидкость (в том числе содержащая ультратонкодисперсные частицы), как правило, имеющая плотность 0,7-1,5 гр./см.куб, остается в центральной части, слоем над твердыми частицами. После завершения процесса формования и остановки вращения барабана в форме присутствуют две фазы, разделенные под действием центробежных сил: твердая, осевшая в виде слоя на стенках формы и жидкая, которую можно просто слить. Поворот барабана позволяет упростить заполнение суспензией формы и слив жидкости, что в целом способствует увеличению скорости процесса за счет исключения лишних операций при заливке формы в технологически удобном положении, снижению количества брака при формовке, возникающего от расслоения суспензии при ее заливке в форму задолго до начала процесса формования, либо от попадания комочков подсохшего материала, образованных на заливочных устройствах в форму с рабочей суспензией, и обеспечивает возможность многослойного формования изделий с толстой стенкой.
Для осуществления поворота барабана вращения, опора вращения может быть выполнена разными способами, в частности, закреплена с возможностью вращения на раме устройства. В предпочтительном варианте исполнения опора вращения снабжена механизмом поворота. В этом случае поворот барабана выполняют вместе с опорой вращения относительно рамы, станины или иной опоры, к которой опора закреплена с возможностью вращения. Возможность поворота барабана позволяет осуществлять заполнение суспензией (шликером) формы, установленной в барабан вращения, непосредственно перед началом цикла формования, путем поворота формы заливочным отверстием вверх и наполнения формы суспензией подаваемым гравитационным течением. При этом, например, один агрегат, дозирующий суспензию и подающий ее в формы, может обслуживать несколько формовочных устройств, перемещаясь в горизонтальной плоскости. Поворот формовочного барабана вниз позволяет сливать отжатую в ходе цикла формования жидкость сразу после выполнения цикла формования путем поворота барабана (формы) заливочным отверстием вниз. Изложенный порядок реализации процесса наполнения формы и слива жидкости достаточно легко автоматизируется, выполняется быстро, без дополнительных действий, что влечет за собой повышение производительности процесса. Возможность поворота барабана в горизонтальной плоскости (в стороны) позволяет ускорить процессы наполнения формы суспензией с применением давления и быстрое удаление жидкости после формования с помощью различных устройств, например, вакуумных. При этом, например, механизмы, используемые для установки и замены формы, могут находиться в одной плоскости, устройства, осуществляющие наполнение, в другой, а устройства, способствующие удалению жидкости - в третьей. При таком расположении эти дополнительные элементы, используемые в процессе работы заявляемого устройства, не мешают друг другу и могут быть задействованы для обеспечения работы нескольких формовочных агрегатов. А поворот опоры формовочного барабана обеспечивает доступ к каждому из них.
Заявляемое решение поясняется далее с помощью фигуры, на которой условно представлен один из возможных вариантов осуществления.
Цифрами на фигуре обозначены: барабан (1) вращения, привод (2) барабана вращения, опора (3) барабана вращения, механизм (4) поворота, рама (5) устройства.
Использование заявленного устройства осуществляется следующим образом. Барабан (1) вращения переводят в положение установки формы, в частности, посредством механизма (4) поворота опоры, закрепленной на раме (5) устройства. Форму устанавливают в барабан (1) и при необходимости фиксируют. В зависимости от используемой формы фиксаторы могут быть размещены как на ней, так и на барабане. Далее барабан (1) с установленной в нем формой с помощью механизма (4) поворота опоры размещают открытой стороной вверх и осуществляют заливку суспензии в форму гравитационным способом, либо путем внешнего нагнетания. При этом угол поворота барабана (1) выбирают, исходя из технологического процесса. Не обязательно устанавливать форму вертикально, достаточно установить ее под углом, обеспечивающим возможность заливки требуемого объема суспензии, например, 45 градусов. Основное формование, как правило, производят при вращении формы в горизонтальном положении, что позволяет исключить гравитационную составляющую, под действием которой возможно неравномерное распределение твердой фазы на стенках формы. При этом для предотвращения выливания суспензии из формы во время поворота барабана (1), привод (2) барабана начинает вращение с угловой скоростью, равной половине скорости начала формования, а механизм (4) поворота опоры плавно перемещает барабан (1) в горизонтальное положение. После перевода барабана (1) в положение формования, привод (2) начинает вращение барабана (1) со скоростью, необходимой для осаждения частиц твердой фазы суспензии по внутренней стенке формы и отжима воды к центру формы. По окончании процесса привод (2) прекращает вращение барабана (1), а механизм (4) поворота опоры поворачивает барабан (1) в положение слива жидкости, в котором происходит гравитационный слив или принудительная откачка отделенной жидкой фазы из формы. При необходимости цикл, описанный выше, повторяют заданное количество раз. По окончании набора стенки изделия необходимой толщины барабан (1) поворачивают в положение выемки формы. Форму извлекают из барабана.
Заявленное устройство может быть использовано для формования керамических изделий путем центробежного литья из суспензий (шликеров), например, для изготовления электроизоляторов, посуды, декоративных изделий, санитарно-технических изделий, керамических труб различного назначения, керамической черепицы и т.п.
Устройство с заявленной конструкцией позволяет:
уменьшить количество выполняемых действий для осуществления формования, за счет чего повысить производительность;
выполнять цикл формования изделия набором простых операций, легко поддающихся автоматизации;
обеспечить возможность формования толстостенных изделий и изделий сложной геометрии;
снизить количество брака неоднородности отливок, возникающего по причине расслоения суспензии за счет сокращения времени между заливкой формы и началом процесса формования;
снизить количество брака попадания включений подсушенной суспензии, возникающего за счет усыхания суспензии на открытых поверхностях литниковых систем.