Полусухое прессование.

При полусухом прессовании изделия изготавливают из масс, содержащих от 7 до 12 % воды, которая обеспечивает их достаточную пластичность и делает легко формуемыми. Масса сжимается прессом в вертикальном направлении с одной стороны (одностороннее давление) или с двух сторон (двухстороннее давление) непрерывно в течение времени прессования (одноступенчатое прессование) или с паузами (ступенчатое прессование). При полусухом прессовании развиваемые давления составляют 200 – 700 кГ/см². После окончания сжатия изделие (сырец) выталкивается из пресс-формы, и цикл прессования повторяется.

В результате прессования увеличиваются контактная поверхность между частицами и их сцепление. При прессовании снижается размер крупных пор и увеличивается общая удельная поверхность пор. Компоненты массы в процессе прессования частично перераспределяются. Это выражается в переориентации частиц, измельчении зерен, особенно продолговатой формы. Образуется анизотропия макроструктуры, которая после обжига и обуславливает анизотропию некоторых свойств изделий. Из оксидных масс уже при давлении 2 МПа удаляется 85- 95% воздуха, однако дальнейшее его удаление затруднено. Воздух запрессовывается (сжимается) особенно в тонкозернистых массах, что создает растягивающие усилия, и образуются разрывы в сырце. Удаление воздуха происходит во время паузы в конце прессования.

Вода при полусухом прессовании участвует в передаче давления. Максимальное уплотнение массы достигается тогда, когда объем массы равен сумме объемов твердых частиц и воды – критическая плотность. Давление, при котором наступает такая плотность, называют критическим. Если давление выше критического, наступает перепрессовка, сопровождающаяся образованием трещин в плоскостях, параллельной плоскости прессования. Значение критического давления резко снижается при избытке воды в массе. Однако это не выгодно, т.к. при последующей сушке вода уходит, оставляя поры. При полусухом прессовании применяют не только воду, но и различного вида растворы, смолы, парафин и т.д.

При полусухом прессовании объем получаемого изделия в 1,5 – 2 раза меньше объема свободно насыпанной массы. Зависимость между плотностью сырца и давлением прессования выражается формулой А.С.Бережнова:

П = а – b lgP (2)

где: П– общая пористость, %, а и b – эмпирические коэффициенты, Р – давление прессования.

Для многих масс коэффициенты а и b имеют следующие значения: а = 50, b = 15. В этом случае уравнение превращается в уравнение (3)

П = 50 – 15 lgP (3)

Как и при сухом прессовании, распределение давления по высоте изделия зависит от соотношения высота – диаметр и определяется формулой Баландина:

P_h = P₀ exp [- k (h/R_г)] (4)

где: P_h – давление на уровне h от прессующего штемпеля, P₀– давление у поверхности штемпеля, k– коэффициент трения, R_г – гидравлический радиус равный отношению площади сечения сырца к его периметру.

На основании уравнений Бережного и Баландина может быть выведено уравнение Попильского и Смоля:

П_h = П₀ + Ch/R_г (5)

из которого следует, что пропрессовка определяется не только высотой, но и соотношением h/R_г.С ростом высоты изделия должен пропорционально возрастать и гидравлический радиус.

Практически допускается разница в плотности между верхом и низом изделия не более 1-2 %. Применение двухстороннего давления, ПАВ, рационального зернового состава и подбор оптимальной влажности позволяют улучшить пропрессовку изделия.

Возможны два способа стабилизации свойств сырца. По первому – прессование ведут до тех пор, пока в прессующей системе не возникнет максимальное давление, которое затем сбрасывается после определенной выдержки. Если при этом изменяется толщина сырца, то регулируют глубину засыпки. Во втором случае прессование ведут до постоянного размера сырца, после чего давление сбрасывают. Если при этом значение давления отклоняется от заданного, регулируют засыпку. Различие этих способов заключается в следующем: при применении первого способа наблюдаются отклонения в размерах, при применении второго - в кажущейся плотности сырца. При производстве керамического ядерного топлива стандарты на размеры керамических таблеток более жесткие, чем стандарты по плотности. Допускаются отклонения не более 1 мкм на 1 мм длины. При ручном регулировании толщины сырца лишь 50% изделий удовлетворяют этому требованию.

Процесс прессования длится 3-10 секунд. На начальной стадии происходит сближение частиц. Эта стадия может быть высокоскоростной (100 мм/с). На второй стадии происходит зацепление частиц и их перемещение друг относительно друга. Допустимая скорость прессования 8-9 мм/с. На последней стадии происходит выравнивание напряжений и частичное разрушение зерен. Допустимая скорость прессования 2 мм/с.

При прессовании внешнее давление уравновешивается силами внутреннего трения массы, трения массы о стенки формы и упругими силами, возникающими на заключительной стадии прессования. При снятии внешнего давления упругие силы освобождаются и под их действием сырец стремиться расшириться. В упругое расширение вносят также вклад расширение запрессованного воздуха, капиллярные явления и упругая деформация пластин пресс-форм. Упругое расширение сырца сопровождается образованием трещин. Снижение упругого расширения сырца представляет собой сложную технологическую задачу. Для этого применяют ПАВ, паузу в конце прессования, кратковременную вибрацию массы в пресс-форме для удаления воздуха и т.д.

Прессы полусухого прессования в соответствии с современными требованиями должны обеспечить:

­ достаточное прессовое усилие;

­ регулируемое и автоматически поддерживаемое на постоянном заданном уровне прессовое давление;

­ автоматически поддерживаемое постоянство толщины изделий;

­ автоматический съем изделий при полном отсутствии ручного труда;

­ режимы прессования, позволяющие осуществлять паузу в конце прессования;

­ высокую производительность.