Вопрос №9 Формовочные глины,классификации минирологический состав глины.

Формовочные глины - горные породы, состоящие из глинистых минералов, формовочные глины подразделяют на виды, сорта, классы и группы в соответствии с приведенными в табл. 69-72 признаками классификации.

Виды формовочной глины

Каолинитовая

Каолинит (Al2О3 *2SiO2 *2H2O) имеет белый цвет, в сухом виде хорошо поглощает влагу, образуя пластичную тестообразную массу; является основной частью большинства глин, применяемых в литейных цехах

Гидрослюдистая

Гидрослюда - промежуточный продукт разложения от слюды к каолиниту

Монтмориллонитовая (бентонитова

Монтмориллонит n (Ca, Mg)*O*Аl2O3 X (4-5) X SiO2*n*H2O мягкий минерал белого, розового, синеватого, зеленоватого цветов; впитывает влагу не только поверхностью частиц, но и внутренними слоями, обусловливая высокую клейкость; относится в основном к I сорту глины

Полиминеральные и прочие мономинеральные

Не выявляется или при выявлении не относится ни к одному из трех видов

Сорта и классы формовочных глин

во влажном состоянии в высушенном состоянии.

Прочносвязующая сорт I класс 1 >1,1 >5,5

Среднесвязующая сорт II класс 2 0,79-1,1 3,5-5,5

Малосвязующая сорт III класс 3 0,50-0,80 <3,5

Группы глин по термохимической устойчивостиГруппа

T1 С высокой термохимической устойчивостью <=0,2 <2,5 1,5 <=2

T2 Со средней термохимической устойчивостью <=0,2 2,5-4,5 2,5-3,0 <=3

T3 С низкой термохимической устойчивостью <=0,2 Не нормируется <=10

Группы глин по пластичности

Высокопластичная >30-число пластичности

Среднепластичная 20-30-число пластичности

Умереннопластичная 10-20-число пластичности

Малопластичная <10

Глинистые минералы. В формовочных песках встречается не-

сколько глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды. Все примеси в формовочных песках снижают его огнеупорность, физико-механические и технологические свойства, увеличивают пригар на отливках. В связи с этим в последнее время все больше применяют обогащенные формовочные пески с минимальным содержанием примесей

 

Глины состоят из одного или нескольких минералов, в состав которых входят глинозем — Аl2O3, зерна кварца SiO2 и небольшое количество примесей некоторых минералов, не содержащих глинозем. Глины весьма широко распространены в природе, а их добычу производят так же, как и песка — в карьерах, присваивая им названия, соответствующие географическому наименованию места расположения карьера.

Классифицируют глины (ГОСТ 3226—69) по следующим признакам: по минералогическому составу, по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии, по пределу прочности при сжатии в высушенном состоянии, по сумме обменных оснований, по содержанию сульфидной серы, Fe2O3, Na2O + K2O, CaO + MgO и по пластичности.

По минералогическому составу глины подразделяются:

К — каолинитовая,

I — гидрослюдистая,

М — монтмориллонитовая и

П — полиминеральные и прочие мономинеральные.

Классификация глин по пределам прочности при сжатии во влажном и в высушенном состояниях приведена в табл. 3.

Таблица 3 Классификация глин по пределам прочности при сжатииНаименование глины Во влажном состоянии В высушенном состоянии

обозначение сорта глины предел прочности при сжатии, кгс/см2 обозначение класса глины предел прочности при сжатии, кгс/см2

Прочносвязующая I >1,1 1 >5,5

Средне связующая II 0,79—1,10 2 3,5-5,5

Малосвязующая III 0,50—0,80 3 <3,5

Классификация глин по содержанию сульфидной серы, Fe2O3, Na2O + K2O, CaO + MgO приведена в табл. 4.

Таблица 4 Классификация глин по содержанию сульфидной серы и других компонентовОбозначение группы глины Наименование группы глины Содержание примесей, %

сульфидная сера Fе2O8 Na2O + K2O CaO+MgO

Т1 С высокой термохимческой устойчивостью 0,2 2,5 1,5 <=2

Т2 Со средней термохимической устойчивостью <=0,2 2,5-4,5 1,5-3,0, <=3

Т3 С низкой термохимической устойчивостью <=0,2 Не нормируется <=10

Литейными формовочными глинами называются горные породы,

состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью и термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных условиях образовывать прочные и не пригорающие к отливке формовочные смеси.По своему происхождению глины подразделяются на первичные и

вторичные.

Первичные – остаточные глины разложения – образовались в результате разложения кристаллических горных пород или выпадения

из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались на месте образования.

Вторичные глины образовались путем выпадения из водных растворов и перенесения с места своего образования в районы залегания.

Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, характеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой

среде (рН<7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН>7) –

монтмориллонитовые глины.

Формовочные глины являются минеральным связующим в формовочных смесях.

4.2. Минералогический состав формовочных

глин

Минералогический состав глин определяют с помощью рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа.

Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих

Al2O3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые.

К первой группе относятся глины, содержащие в основном минерал каолинит Al2O3•2SiO2•2H2O, его плотность 2,580–2,600 кг/м3,температура плавления 1750–1787°С. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100–140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400–700°С теряется конституционная (химически связанная)

вода и наблюдается эндотермический эффект. Каолинит переходит в

метакаолинит (Al2O3•2SiO2), и глина теряет связующую способность.

При 900–1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3

и SiO2. При 1200–1280°С из свободного глинозема и кремнезема об-

разуется минерал 3Al2O3⋅2SiO2 (муллит), что сопровождается также

эндотермическим эффектом.Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном

производстве и особенно для отливок стальных и чугунных деталей.Каолинитогидрослюдные глины представляют собой промежуточные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему химическому составу и физическому состоянию эти минералы непостоянны.

Химический состав слюд К2О⋅3Al2O3⋅6SiO2⋅2H2O с температурой

плавления 1150–1400°С.

В зависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся

к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент

(до 30%) каолинитовых глин.

Основой бентонитовых глин является минерал монтмориллонит

Al2O3⋅4SiO2⋅H2O⋅nH2O. В нем возможна замена некоторой части Al3+

на Mg2+, а Si4+ – на Al3+.

Особенностью монтмориллонита является способность расши-

ряться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти

свойства позволяют проникать ионам Н+ и ОН– внутрь кристаллической решетки, что ведет к увеличению набухания глины. Температура плавления монтмориллонита – 1250–1300°С. Он способен отдавать или поглощать влагу из воздуха.

При нагревании до 100–150°С из него удаляется гигроскопическая, а также межслойная вода (Н2О); при 600°С он теряет способность набухать в воде. При температуре 735–900°С происходит разрушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение

его в аморфное вещество.В глинах обычно присутствует кварц (SiO2), от нескольких долей

до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую способность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость.Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, карбонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, которые являются вредными примесями.

 

Каолиновые глины

К каолинитовым относятся глины, содержащие в основном минерал каолинит Al2O3∙2SiО2∙2Н2О, его плотность 2,580-2,600 кг/м3, температура плавления 1750-1787°С. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100-140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400-700°С теряется конституционная (химически связанная) вода. Каолинит переходит в метакаолинит (Al2O3∙2SiО2) и глина теряет связующую способность. Данный процесс называется «шамотизацией глины». При 900-1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3 и SiО2. При 1200-1280°С из свободного глинозема и кремнезема образуется минерал 3Al2O3∙2SiО2 (муллит), не обладающий связующей способностью и являющийся огнеупорным материалом. Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном производстве и особенно для отливок стальных и чугунных деталей.

Пакет каолинита состоит из слоя кремнекислородной тетраэдрической упаковки с атомами кислорода в вершинах и кремния в центре, а также гидроксильнях групп, в которых в виде октаэдрической упаковки расположены атомы алюминия. Межплоскостное расстояние составляет (7,13-7,20)∙10-4 мкм. Пакеты-соседи удерживаются водородными связями, возникающими между кислородом тетраэдров и водородом внешних ОН-групп.

Каолинитогидрослюдные глины представляют собой промежуточные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему химическому составу и физическому состоянию эти минералы непостоянны. Химический состав слюд K2O∙3Al2O3∙SiO2∙2H2O температурой плавления 1150-1400°С. В зависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент (до 30%) каолинитовых глин.

Структура глинистых минералов имеет сложное слоистое строение. Глинистые минералы состоят из октаэдрических образований в виде пластинок толщиной 5⋅10−10м. Элементом октаэдрического образования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гидроксилов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния (рис. 4.1,а). Элементом тетраэдрического образования является тетраэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра расположены атомы кремния (см. рис. 4.1,б).

Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих так называемый “пакет” (см. рис. 4.1,в). Ввиду того, что отдельные пакеты каолиновой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кислорода и гидроксилов), они образуют достаточно прочную, так называемую водородную связь. При увлажнении каолиновой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют. Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолиновой глины составляет около 2⋅10−10м, а радиус молекул воды – 1,45⋅10-10м, вследствие чего проникновение в межпакетный зазор и расщепление пакета затруднено.

11. Монтмориллонит (бентонит) Al₂0₃*4Si0₂8Н₂0 nH₂0 имеет непостоянный химический ростав, так как в его кристалличе­ской решетке некоторая часть А1³⁺ может быть замещена Mg²⁺, a Si⁴⁺—А1³⁺. Кристаллическая решетка бентонита способна расши­ряться в направлении одной из своих осей. Благодаря этому бен­тонит способен в большей мере, чем каолинит, поглощать воду — набухать. Это улучшает его связующую способность. Температура плавления бентонита 1250—1300 °С.

 

 

12. Физико-химические свойства глин

Формовочные глины состоят из мелкодисперсных частиц, ко­торые образуют систему, обладающую сильно развитой поверх­ностью. Формовочные глины имеют свойства коллоидной системы.

Структура глин определяется строением кристаллической ре­шетки. Основной геометрической составляющей решетки алюмо­силиката являются ионы кислорода О^2-, имеющие максимальный радиус (рис. 25). Между крупными ионами располагаются ионы Si⁴+, Al³⁺, Mg²⁺, в результате чего образуются тетраэдры первого слоя, являющиеся основой решетки алюмосиликата (рис. 26). Второй слой образуется ионами ОН^-, которые совместно с ионами О^2- первого слоя образуют октаэдры, внутри которых распола­гаются ионы либо А1³⁺, либо Mg²+. В каолинитовых глинах эти два слоя образуют замкнутый «пакет». Остальные слои находятся по высоте на определенном расстоянии друг от друга с небольшим смещением в сторону. Расстояние между слоями (пакетами) яв­ляется характерным для данного сорта глины.

В монтмориллонитовых глинах на слое октаэдров располагает­ся третий слой тетраэдров Si⁴⁺ и О^2-, и только после этого обра­зуется межпакетный промежуток (рис. 27).

Ионный обмен. Особенность алюмосиликатов в том. что их основные составляющие могут быть частично замещены другими ионами. Если ионы имеют примерно одинаковый радиус, напри­мер А1³+ (0,57 А), Fe³+(0,67A), Ti⁴+(0,64A°) и т. д., то такое за­мещение будет изоморфным. Если радиусы ионов будут различ­ные, то кристаллическая решетка изменяется или деформируется.

Замещаемые ионы могут иметь не одинаковые заряды, напри­мер Si⁴⁺ замещается А1³+. Для уравновешивания необходимо или встраивать в решетку другие ионы, или размещать их на поверхности. К числу обменных ионов относятся К⁺, Na+, Mg²^, Са^ Способность глин к обмену ионами выражается миллиэквивалентами на 100 г глины.

При обмене одних ионов на другие свойства глин изменяются в зависимости от того, какой ион входит в состав кристалличе­ской решетки. Вследствие этого свойства глин можно изменять химической обработкой. Например, ионы Са²⁺ могут быть заме­нены ионами Na+ при обработке глин содой.

Количество обменных ионов тем больше, чем более дисперсны частицы глины, поэтому монтмориллонитовые глины обладают высокими значениями суммы обменных оснований, чем каолинитовые. Преобладание в структуре тех или иных ионов, строение кристаллической решетки глины может быть установле­но с помощью рентгеноструктурного анализа.

Набухаемость глин. В отдельных слоях пакетов кристалли­ческой решетки глин ионы прочно связаны, но пакеты между собой имеют только слабые валентные связи. Вследствие того, что поверхности пакета заряжены отрицательно, а промежутки между ними больше (~2А —каолинитовые и 20 А монтмориллонитовые глины) отдельные молекулы, группы молекул, например воды (радиус 1 ,45А) или других жидкостей могут проникать в он промежутки. Чаще всего в каолинитах молекулы воды располагаются по краям пакетов, а в монтмориллонитах вода про­никает между пакетами. Поэтому набухаемость монтмориллонита значительно большая, чем каолинитов. Содержание воды в них может возрасти с 6 до 30%, а иногда до 500%.

Вязкость и пластичность глин. В процессе набухания глин полная пленка обволакивает частицы глины, что уменьшает силы когезии между ними. В результате глина приобретает способность пластически деформироваться под действием нагрузки. Пластичность глины зависит от толщины водной пленки и размеров части ц глины. Чем меньше размер частиц глины и больше содер­жите воды в пленке, тем выше пластические свойства глины. Однако вязкость ее при этом будет достаточно высокой. С дальнейшимувеличением содержания воды вязкость уменьшается.

Тиксотропия глин. В спокойном состоянии суспензия глины но истечении определенного времени образует гель, который обладаетопределенной структурой и прочностью. Структурнрованная система может быть возвращена вновь в состояние золя-суспен зии. Этот процесс превращения при механическом воздействии золя в гель и обратно называется тиксотропией.

Указанные свойства глин значительно влияют на прочность и пластичность формовочных смесей.

13.(а)химически1 состав глины, месторождение глины,

Происхождение. Слово «глина» имеет два значения. Глинами называют определенные виды горных пород и тонкодисперсные (пылеватые) фракции глинистой породы. Во втором случае проводят различие между собственно глинистой частью породы и включениями, которые входят в состав глинистой горной породы. Глинистым сырьем служат тонкообломочные горные породы различного химико-минералогического состава, встречающиеся в природе в рыхлом, пастообразном или уплотненном состоянии.

При обжиге до соответствующей температуры они теряют химически связанную воду и при дальнейшем повышении температуры приобретают механическую прочность, свойственную камню.

Глина представляет собой продукт разложения и выветривания полевошпатовых и некоторых других горных пород. В результате многолетних изменений температуры, действия солнечных лучей, мороза, дождей, ветра кристаллические горные породы растрескивались и разрушались. При химическом взаимодействии горных пород с углекислым газом воздуха, водой, породы постепенно превращались в глинистые минералы, карбонаты и кварц.

Образовавшиеся глинистые минералы в зависимости от местных условий либо оставались на месте образования, либо переносились водой, льдом или ветром в другие места. В первом слу­чае глины называют остаточными или первичными (или элювиальными), во втором - осадочными или вторичными. Остаточные (первичные) глины обычно характеризуются непостоянством состава. Их зерновой состав, как правило, изменяется от тонкодисперсных (пылевидных) разновидностей в верхней части залежи до грубодисперсных (зернистых) — в нижней, еще ниже остаточные глины постепенно переходят в неразложившееся материнские (полевошпатовые) породы. Осадочные (вторичные) глины обычно более равномерны по составу и свойствам. Различают делювиальные, ледниковые и лёссовидные осадочные глины. Делювиальные глины были перенесены дождевыми или снеговыми водами обычно недалеко от мест их происхождения. Для месторождений этих глин характерны слоистые, напластования, неоднородный состав и засоренность мелкими примесями. Ледниковые глины были перенесены ледником, который в далеком прошлом покрывал значительную часть земной поверхности. Эти глины залегают обычно линзами, бывают сильно засорены каменистыми включениями от крупных валунов до мелкой щебенки. Лёссовидные глины были перенесены ветром, они располагаются преимущественно на границе бывших пустынь, где ветры значительно меняли свою скорость.

Такие глины характеризуются однородностью состава, высокой дисперсностью (пылеватостью) и сильно пористым строением.

Отложенные глинистые породы с течением времени уплотнялись, пропитывались различными растворимыми в воде солями и клеящими веществами (например, продуктами гниения и разложения растительности) и таким образом происходила цементация частиц глин в отдельные агрегаты (группы) и целиком в глинистую породу. При этом образованные глинистые породы в зависимости от свойств цементирующих пленок могут легко рас­пускаться в воде или быть водостойкими.

Глины характеризуют вещественным, зерновым и химическим составом.

Химический состав. Химический состав глин в значительной мере характеризует их пригодность для производства изделии определенных видов. При сопоставлении химического состава различных глин обычно рассматривают количество оксидов разных химических элементов, из которых состоят все соединения глин. Химический состав глин представляют следующими основными оксидами.

Кремнезем SIO2 находится в глинах в связанном и свободном состояниях. Связанный кремнезем входит в состав глинообразующих минералов, свободный представлен примесями кварцевого песка. Общее содержание кремнезема в глинах 50—65 %, в запесоченных 80—85 %. В зависимости от содержания свободного кварца глины бывают: с низким (10%), средним (свыше 10 до 25%) и высоким (свыше 25%) содержанием.

Оксид алюминия AL2O3 находится в глинах в связанном состоянии, в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Он является наиболее тугоплавким оксидом, с повышением его содержания в них оксидов алюминия подразделяют на высокоглиноземистые (свыше 45%), высокоосновные (свыше 38-45%), основные (от 28 до 38%), полукислые (менее 28 до 14%) и кислые (менее 14%).

Оксиды щелочноземельных металлов, - оксид кальция CaO, оксид магния MgO входят обычно в состав карбонатов — кальцита и доломита, а в небольших количествах - в состав не­которых глинистых минералов. В небольших количествах (до 3— 4%) оксиды щелочноземельных металлов способствуют спеканию керамических масс, при больших количествах - приводит к повышению пористости черепка. Обычно содержание оксида кальция в глинах составляет несколько процентов и лишь в отдельных разновидностях достигает 20-25%. Содержание оксида магния не превышает 2--3 %.

Щелочные оксиды - оксид натрия Na2O и оксид калия K2O- входят и состав некоторых глинообразующих минералов, но могут присутствовать в примесях в виде растворимых солей и полевошпатных песках. Их содержание достигает в некоторых глинах 5-6 %. Они снижают влагопоглощение обожженных изделий.

Оксиды железа Fe2O3 присутствуют в глинах главным образом в составе примесей. Содержание их в глинах колеблется от долей процента до 8—10 %,

Оксид титана TiO2 содержится в примесях, его количество не превышает 1,5%. Эта примесь придает обожженному черепку зеленоватую окраску

Формовочные пески и глины добываются в специальных карьерах, например Люберецком, Гусаровском, Ореховском, Кичигинском и других карьерах. Разработка месторождений песков и глины ведется открытым способом. Если песок содержит примеси или имеет неоднородный зерновой состав, то одновременно с разработкой карьеров осуществляется обогащение песка.

 

 

14.(б)маркировка глин по ГОСТ применение глин.

В соответствии с ГОСТ 3226–93 и ГОСТ 28177–89 формовочные глины делятся в зависимости от минералогического состава на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые.

Каолинитовые и каолинитогидрослюдистые глины делятся на марки в зависимости от предела прочности во влажном состоянии (табл. 4.2).

Таблица 4.2