Способ изготовления гипсовых форм для литья керамических изделий
METHOD FOR MAKING GYPSUM MOULDS FOR CASTING CERAMIC PRODUCTS

Изобретение относится к технологии производства гипсовых изделий и может быть использовано в керамической промышленности для изготовления пористых форм.
Известен способ изготовления гипсовых форм, используемых в производстве тонкой керамики, включающий подготовку капов, приготовление гипсового раствора из формовочного гипса (на основеβ-полугидрата сульфата кальция) и воды комнатной температуры, заливку раствора в капы, извлечение рабочих форм из капов и их сушку. Приготовление гипсового раствора осуществляют следующим образом: воду заливают в сосуд, затем туда же засыпают гипс, равномерно распределяя его по всей поверхности воды, после выдержки в течение 0,5-1,0 мин смесь перемешивают в течение 1,0-1,5 мин, приготовленный раствор сразу заливают в капы (Оскотский Г.А., Батулинский Н.Н., Булатов В.В. Технология моделей и форм в производстве тонкой керамики/ Г.А.Окотский, и т.д. – М.: Легпромбытиздат, 1986. – 112 с.).
Недостатком данного способа является то, что при приготовлении гипсового раствора смесь перемешивают достаточно непродолжительное время (в течение 1,0-1,5 мин). Такое время перемешивания не подходит для приготовления больших объемов гипсового раствора. При изготовлении крупногабаритных форм расходуется от 25 до 100 кг гипса. Короткий диапазон времени для засыпки и перемешивания такого количества гипса не обеспечивает гомогенизацию раствора, что в результате отрицательно сказывается на свойствах готового изделия.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ изготовления гипсовых форм, используемых для изготовления фарфоро-фаянсовых изделий, включающий изготовление и подготовку рабочих капов, приготовление гипсового раствора из формовочного гипса (на основе β-полугидрата сульфата кальция) и воды, подогретой до температуры 35-40 °С, заливку раствора в капы, извлечение рабочих форм из капов, их сушку и калибровку по заданным размерам. Приготовление гипсового раствора осуществляют следующим образом: подогретую воду заливают в мешалку, затем туда же засыпают формовочный гипс и через 0,5-1,0 мин смесь перемешивают в течение 2,0-3,0 мин, приготовленный раствор немедленно заливают в матричные формы или капы (Мороз И.И. Технология фарфоро-фаянсовых изделий: Учебник для техникумов/ И.И.Мороз. – М.: Стройиздат, 1984. – 334 с. (с. 111)).
К недостаткам этого способа следует отнести то, что гипсовый раствор, приготовленный с использованием воды, подогретой до температуры           35-40 °С, имеет ускоренные сроки схватывания. Быстрое схватывание (начало – менее 15 мин) нежелательно при изготовлении крупногабаритных форм высотой до 1500 мм, так как затрудняет своевременную заливку раствора в полость между металлическим каркасом формы и моделью, что в результате приводит к различию свойств (плотности, пористости, водопоглощения) материала по высоте или появлению дефектов поверхности (растрескиванию). Стоит также отметить, что при большой вязкости гипсового раствора вовлеченный при перемешивании и заливке воздух, удерживается в материале и проявляется на рабочей поверхности форм в виде крупных раковин. Наличие локальных дефектов приводит к быстрому ухудшению качества рабочей поверхности форм и необходимости их частой замены (перегипсовки).
Недостатками обоих способов изготовления гипсовых форм является то, что в качестве исходного материала используют гипс на основеβ-полугидрата сульфата кальция, уступающий по прочностным характеристикам гипсу на основе α-полугидрата сульфата кальция (α-ПГ). Низкий запас прочности исходного материала при повышении водогипсового соотношения для получения требуемых значений пористости и водопоглощения (от 40 до 55 %) снижается еще больше, что приводит к низкому сроку службы форм.
Задачей настоящего изобретения является увеличение срока службы крупногабаритных гипсовых форм для изготовления керамических изделий.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ изготовления гипсовых форм для литья керамических изделий, включающий подготовку формового комплекта, приготовление гипсового раствора путем заливки воды и засыпки гипса в мешалку, выдержки и перемешивания смеси, заливку гипсового раствора в формовой комплект, выдержку материала, разборку формового комплекта и сушку изготовленной формы, отличающийся тем, что при приготовлении гипсового раствора используют гипс на основе α-полугидрата сульфата кальция, температура воды составляет 10-20 °С, водогипсовое соотношение составляет 0,75-0,90, засыпку гипса осуществляют в течение 1,0 - 2,5 мин, выдержку смеси для насыщения частиц гипса водой - в течение 1,0 - 2,0 мин, перемешивание – в течение 2,0 - 5,0 мин.
Авторами установлено, что использование гипса на основе α-полугидрата сульфата кальция в качестве исходного материала для изготовления крупногабаритных форм для литья керамических изделий из водных шликеров при определенных условиях приготовления раствора позволяет увеличить срок их службы на 233 %. Благодаря изначальному запасу прочности α-полугидрата и подбору оптимальных значений температуры воды затворения, водогипсового соотношения, времени засыпки гипса в воду, выдержки и перемешивания представляется возможным получение материала с удлиненными сроками схватывания, высоким уровнем прочности и водопоглощения.
Экспериментально установлено, что при температуре воды менее 10 °С сроки схватывания гипсового раствора сильно замедляются, что приводит к увеличению времени операции изготовления гипсовой формы, соответственно, снижению производительности. Увеличение температуры воды более 20 °С приводит к сокращению сроков схватывания, что нежелательно при изготовлении крупногабаритной формы, так как в данном случае возникает риск не успеть залить раствор в каркас формы до начала схватывания материала.
Для изготовления керамических изделий методом шликерного литья необходимо, чтобы уровень водопоглощающей способности пористой формы находился в диапазоне от 40 до 55 %. Снижение водогипсового соотношения менее 0,75 не обеспечивает достаточного уровня водопоглощения, а также показывает короткие сроки схватывания. Повышение водогипсового соотношения более 0,90 сильно снижает прочность материала и срок службы формы.
Засыпка гипса массой более 25 кг в течение менее 1,0 мин является слишком быстрой и неэффективной, так как приводит к образованию комков непрореагировавшего с водой гипса и отбраковке изделия. Увеличение времени засыпки более 2,5 мин и времени перемешивания более 5,0 мин приводит к явлению омолаживания гипса и резкому снижению прочности материала.
Изобретение поясняется следующими примерами.
Пример 1. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ при водогипсовом соотношении В/Г = 0,8: заливают воду температурой 5 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,5 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,5 мин. Полученный раствор заливают в коническое кольцо и определяют сроки схватывания на приборе Вика.
Пример 2. Приготавливают несколько партий гипсового раствора на основе α-ПГ при водогипсовом соотношении В/Г = 0,8: заливают воду температурой 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,5 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,5 мин. Полученные партии раствора заливают в коническое кольцо и определяют сроки схватывания на приборе Вика.
Полученные в примерах 1-2 данные о сроках схватывания гипсового раствора при различной температуре воды затворения сведены в таблицу 1.
Таблица 1
№ образца
Температура воды, °С
Сроки схватывания, мин
начало
конец
1
5
20,0
25,0
2
10
17,5
22,0
3
15
17,5
21,5
4
20
17,5
21,5
5
25
14,5
18,0
6
30
14,5
18,5
7
35
13,5
17,0
8
40
14,0
17,5
Пример 3. Приготавливают несколько партий гипсового раствора на основе α-ПГ при водогипсовом соотношении В/Г = 0,70; 0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,5 мин. Полученный раствор заливают в коническое кольцо для определения сроков схватывания, а также в форму для изготовления образцов-балочек размерами 40×40×160 мм для определения прочности и водопоглощения материала.
Полученные в примере 3 данные о сроках схватывания, пределе прочности при изгибе и при сжатии, водопоглощении образцов при различном водогипсовом соотношении сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Свойство
Образец
1
2
3
4
5
6
Водогипсовое соотношение (В/Г)
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
Сроки схватывания, мин:началоконец
16,522,0
17,022,5
17,522,5
18,523,0
19,526,0
22,030,5
Предел прочности, МПа:при изгибепри сжатии
2,14,6
2,04,5
1,94,3
1,84,0
1,73,7
1,53,1
Водопоглощение, %
39
42
45
48
53
59
Пример 4. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ при водогипсовом соотношении В/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,0 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,0 мин. Полученный раствор заливают в коническое кольцо для определения сроков схватывания, а также в форму для изготовления образцов-балочек размерами 40×40×160 мм для определения прочности материала.
Пример 5. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ при В/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 2,5 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
Пример 6. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,0 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 2,0 мин, затем перемешивают в течение 2,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
Пример 7. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,0 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 5,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
Пример 8. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 2,5 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 2,0 мин, затем перемешивают в течение 2,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
Пример 9. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,0 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 2,0 мин, затем перемешивают в течение 5,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
Пример 10. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 2,5 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 5,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
Пример 11. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 2,5 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 2,0 мин, затем перемешивают в течение 5,0 мин. Полученный раствор заливают в формы для проведения испытаний, описанные в примере 4.
сж.
Полученные в примерах 4-11 данные о сроках схватывания гипсового раствора и прочности при сжатии σ образцов при различном времени засыпки, насыщения и перемешивания сведены в таблицу 3.
Таблица 3
№ образца
Время засыпки, мин
Время выдержки, мин
Время переме-шивания, мин
Общее время, мин
Сроки схватывания, мин
[σ<sub>сж.</sub>], МПа
начало
конец
1
1,0
1,0
2,0
4,0
18,5
24,0
4,1
2
2,5
1,0
2,0
5,5
18,0
23,0
4,3
3
1,0
2,0
2,0
5,0
18,0
23,5
4,3
4
1,0
1,0
5,0
7,0
17,0
22,5
4,5
5
2,5
2,0
2,0
6,5
17,5
22,5
4,4
6
1,0
2,0
5,0
8,0
16,0
21,0
4,1
7
2,5
1,0
5,0
8,5
16,0
20,5
4,0
8
2,5
2,0
5,0
9,5
15,5
20,0
3,9
Пример 12. Приготавливают гипсовый раствор на основе β-ПГ приВ/Г = 1,10: заливают воду температурой 35 °С в мешалку, засыпают туда же гипс, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,5 мин. Полученный раствор заливают в каркас формы для изготовления керамических изделий, а также в формы для изготовления образцов-балочек и конус для определения сроков схватывания. Проводят испытания по определению сроков схватывания, прочности и водопоглощения образцов. После схватывания материала форму для изготовления изделий разбирают и сушат до постоянной массы.
Пример 13. Приготавливают гипсовый раствор на основе α-ПГ приВ/Г = 0,80: заливают воду температурой 20 °С в мешалку, засыпают туда же гипс в течение 1,0 мин, выдерживают смесь для насыщения частиц гипса водой в течение 1,0 мин, затем перемешивают в течение 2,5 мин. Полученный раствор заливают в каркас формы для изготовления керамических изделий, а также в формы для изготовления образцов-балочек и конус для определения сроков схватывания. Проводят испытания по определению сроков схватывания, прочности и водопоглощения образцов. После схватывания материала форму для изготовления изделий разбирают и сушат до постоянной массы.
Полученные в примерах 12-13 данные о сроках схватывания, прочности, водопоглощении W образцов, сроке службы форм сведены в таблицу 4.
Таблица 4
Состав гипсового вяжущего
В/Г
Сроки схватывания, мин
Предел прочности, МПа
W, %
Срок службы формы (количество циклов)
начало
конец
при изгибе
при сжатии
β-ПГ (прототип)
1,10
10,0
14,0
1,1
2,2
70
12
α-ПГ
0,80
18,0
23,5
2,0
4,3
45
40
Из полученных результатов видно, что при предложенном способе изготовления гипсовой формы удалось получить материал с удовлетворительными сроками схватывания, обеспечивающими беспрепятственную заливку гипсового материала в каркас формы. Кроме того, материал, по сравнению с прототипом, имеет прочность выше в 2 раза, при этом уровень водопоглощения полностью соответствует требованиям технологии изготовления керамических изделий методом шликерного литья. Совокупность составляющих, а именно, состава и параметров процесса приготовления гипсового раствора, согласно предложенному способу изготовления обеспечивает увеличение срока службы формы на 233 % по сравнению с прототипом.
Таким образом, предложенный способ изготовления гипсовой формы из α-полугидрата сульфата кальция при определенном водогипсовом соотношении (0,75-0,90), времени засыпки гипса (1,0-2,5 мин), выдержки гипса в воде (1,0-2,0 мин) и перемешивании смеси (2,0-5,0 мин) позволяет повысить срок службы формы на 233 %.