УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2001 года по МПК B28B3/12 B28B11/16 

Изобретение относится к устройствам для формования керамических изделий и преимущественно к устройствам и аппаратам для формования керамического кирпича с рельефным рисунком на лицевой поверхности.

Современная кирпичная промышленность использует множество автоматов для экструзии, резки и формования обычных прямоугольных кирпичей и пустотелых керамических камней, имеющих геометрическую конфигурацию, близкую к параллелепипеду. В последнее время широко используются керамические кирпичи, имеющие рельефный рисунок на лицевой поверхности. Рельефный рисунок может иметь либо декоративное значение, либо использоваться для улучшения сцепления слоя штукатурки с кирпичной стеной. Для выдавливания/тиснения рельефного рисунка на поверхности пластического материала преимущественно используются вращающиеся рельефные ролики или движущиеся ленты (см. описания к патентам США N 3790362, B 29 D 7/02, 1974; N 4108586, B 28 B 3/12, 1978; N 4147491, B 28 B 11/08, 1979). В ряде случаев для этого используют расслаивание пластического бруса керамического материала водой под давлением (см. описание к патенту США N 4342719, B 28 B 11/16, 1982) и специальные ножи, щетки и гребенки (см. описание к а. с. СССР N 1208496, B 28 B 11/08, 1984). Недостаток известных способов создания рельефного рисунка заключается в прилипании влажной керамической массы к поверхности роликов или других используемых инструментов.

Известны технические решения, в соответствии с которыми во избежание прилипания влажной керамической массы к поверхности инструментов их покрывают фторопластом (см. описание к а.с. N 159441, B 28 B 11/08, 1969). Но так как керамические массы содержат твердые частицы с острыми кромками, например, частицы кварца или шамота, то такие мягкие материалы, как фторопласт, резина и другие полимеры быстро изнашиваются.

Известны устройства, в которых поверхность металлического инструмента для обработки поверхности также смазывают нефтяными маслами или подают на поверхность керамической массы кварцевый песок или огнеупорный порошок (см. описание к патенту США N 4068922, B 28 B 11/00, 1978). Однако жидкие нефтяные масла или частицы порошка легко выдавливаются с места контакта выступающих элементов инструмента, и глина налипает на его поверхность.

Наиболее близким к предлагаемому решению является известное устройство для формования керамических изделий (см. описание к заявке ЕПВ N 244714, B 28 B 3/26, 1987), включающее мундштук пресса с кернами для формования керамической массы. В этом техническом решении сопло мундштука и керны электрически изолированы и соединены с выводами источника постоянного тока. В электрическом поле влага двигается от анода к катоду. Если керн соединен с анодом, а сопло мундштука с катодом, то влага движется наружу из керамической массы к поверхности сопла мундштука. Трение керамической массы с поверхностью формующего сопла снижается из-за создания разделительного слоя между керамической массой и металлом.

Техническим результатом, достигаемым при использовании известного технического решения, является снижение потерь на трении и уменьшение абразивного износа металлических деталей.

Недостатком известного технического решения является невозможность получения сложного рельефного рисунка на поверхности керамического кирпича или калибровки геометрических размеров керамического изделия для получения на ребре изделия малого радиуса кривизны поверхности, например, менее 2 мм. Другим недостатком известного технического решения является раскрытие капилляров на лицевой поверхности керамических изделий. Действительно, поскольку вязкое сопротивление движению влаги уменьшается при увеличении размера капилляров, то действие осмотического давления приводит, в частности, к коллапсу диффузионного потока влаги в струи. Если электрический ток протекает во влажной керамической массе время, которое больше характерного времени диффузии (перераспределения) влаги t из соотношения t ≈ d²/ χ, где d - расстояние между капиллярами [мм], χ- коэффициент влагопроводности в единицах [мм²/с], то осмотическое давление приводит к раскрытию капилляров. Оценка времени перераспределения влаги t дает порядок величины - 10 с. Дополнительно раскрытию капилляров способствует растяжение поверхностного слоя изделий сразу после выхода из мундштука. Действительно, торможение пластического потока трением о внутреннюю поверхность формующего сопла мундштука снижает скорость движения во внешних слоях потока. После выхода из формующего сопла при очевидном отсутствии трения распределение скорости должно стать равномерным по сечению бруса. Таким образом, после выхода из формующего сопла происходит ускорение внешних слоев пластического бруса. Ускорение движения материала соответствует растяжению поверхностного слоя. Раскрытие капилляров увеличивает количество сушильных трещин и снижает прочность керамического изделия.

Заявляемое в качестве изобретения устройство для формования керамических изделий направлено на уменьшение дефектов лицевой поверхности изделий и увеличение прочности.

Указанный результат достигается тем, что устройство для формования керамических изделий включает мундштук пресса с соплом и кернами или вставкой, закрепленными внутри сопла мундштука с возможностью продавливания влажной керамической массы между ними наружу в форме бруса, и содержит источник постоянного тока, электрические выводы противоположной полярности которого соединены с двумя другими элементами устройства, электрически изолированными друг от друга, при этом по меньшей мере один керн или вставка выполнены выступающими от торца сопла мундштука по направлению движения керамической массы на расстояние L, которое выбирают не менее 2T, где T - минимальный зазор между соплом мундштука и выступающей вставкой, и устройство дополнительно оборудовано по меньшей мере одним инструментом для обработки внешней поверхности бруса, установленным от торца сопла мундштука на расстоянии М, которое выбирают из диапазона от 2T до L + 2T, причем упомянутый инструмент и выступающая вставка сделаны из токопроводящего материала, выполнены электрически изолированными и соединены с выводами источника постоянного тока противоположной полярности.

Указанный результат достигается также тем, что часть вставки, выступающая из сопла мундштука, выполнена с постоянным поперечным сечением.

Указанный результат достигается также тем, что вставка соединена с анодом, а инструмент - с катодом источника постоянного тока.

Указанный результат достигается также тем, что источник постоянного тока выполнен регулируемым.

Указанный результат достигается также тем, что инструмент для обработки поверхности выполнен в виде металлического ролика, закрепленного на оси с возможностью вращения.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- выполнение по меньшей мере одного керна или вставки выступающей от торца сопла мундштука по направлению движения керамической массы на расстояние L, которое выбирают не менее 2T, где T - минимальный зазор между соплом мундштука и выступающей вставкой, и устройство дополнительно оборудовано по меньшей мере одним инструментом для обработки внешней поверхности бруса, установленным от торца сопла мундштука на расстоянии M, которое выбирают из диапазона от 2T до L + 2T, причем упомянутый инструмент и выступающая вставка сделаны из токопроводящего материала, выполнены электрически изолированными и соединены с выводами источника постоянного тока противоположной полярности;
- выполнение части вставки, выступающей из сопла мундштука, с постоянным поперечным сечением;
- соединение вставки с анодом, а инструмента - с катодом источника постоянного тока;
- выполнение источника постоянного тока с возможностью регулирования напряжения;
- выполнение инструмента для обработки поверхности в виде металлического ролика, закрепленного на оси с возможностью вращения.

Если через влажную керамическую массу пропускают электрический ток, то осмотическим давлением влага переносится из керамической массы от анода к катоду, например, по направлению от вставки к стенкам сопла мундштука, когда вставка и сопло находятся в контакте с брусом. Слой воды на токопроводящих поверхностях, имеющих отрицательный относительно вставки электрический потенциал, образует разделительный слой. Электролиз воды обеспечивает выделение свободного водорода на поверхностях деталей, соединенных с катодом, и выделение кислорода на поверхностях деталей, соединенных с анодом. Разделительный слой между керамической массой и токопроводящими поверхностями препятствует прилипанию глины к поверхности и уменьшает потери энергии на трение. При очень большом напряжении электроосмотическое давление становится таким большим, что образуются каверны/каналы и происходит коллапс потока влаги в эти каналы. То есть вода дрейфует под действием электроосмотического давления. При большом перепаде давления, которое будет при большом электрическом поле, поток воды в глине неустойчив к образованию каналов. Каналы дают начало трещинам при сушке и поэтому нежелательно повышать напряжение выше 48 В. Обработка поверхности, например выдавливание рифленого рисунка, уплотняет поверхностный слой и закрывает капилляры на лицевых поверхностях кирпича. Выходящий из мундштука брус пластического материала скользит по направляющей вставке постоянного поперечного сечения. Допустимы локальные изменения поперечного сечения вставки в пределах 5%, возникшие, например, в результате абразивного износа вставки.

Торможение бруса пластического материала на выступающей вставке подавляет раскрытие капилляров на поверхности изделия после выхода его из сопла мундштука и после прохождения точки клиренса (минимального сечения потока) в месте контакта вращающегося ролика или инструмента для обработки поверхности с поверхностью керамической массы. Инструмент для обработки поверхности может быть использован как для нанесения рельефного рисунка на поверхность керамических изделий, так и для калибровки геометрических размеров керамического изделия. Вращающийся ролик или другой инструмент для обработки поверхности находится в контакте с поверхностью малое (менее 1 секунды) время, которое меньше характерного времени диффузии влаги. Поэтому влага не успевает перераспределиться в приповерхностном слое материала и раскрытие капилляров не происходит. Количество сушильных трещин по сравнению с прототипом уменьшается.

Нами была обнаружена также возможность подавления дефектов поверхности при экструзии пластичного материала через сопло мундштука с вставкой, выступающей от торца сопла на расстояние более 2T. А именно подавление дефектов поверхности при формовании достигается уплотнением керамической массы за счет торможения на выступающей вставке. Обработка поверхности вращающимся роликом - это частный случай экструзии пластичного материала. Трение поверхности пластичного материала с роликом и прилипание пластичного материала к поверхности роликов приводит к напряжениям растяжения и к возникновению дефектов поверхности. Если вставка выступает от торца сопла мундштука на расстояние больше 4T, а от точки клиренса на расстояние более 2T, т.е. ролики расположены на расстоянии M в пределах от 2T до L - 2T, то торможение материала на вставке позволяет дополнительно уплотнить поверхностный слой керамической массы.

Итак, достигаемый технический эффект - уменьшение дефектов лицевой поверхности керамических кирпичей и пустотелых камней, возможность нанесения сложного рельефного рисунка.

Сущность заявляемого устройства поясняется примерами его реализации и графическими материалами. На фиг. 1 показан в разрезе общий вид устройства в наиболее предпочтительном варианте реализации; на фиг. 2 показан в разрезе общий вид устройства, выбранного за прототип; на фиг. 3 показан в разрезе общий вид устройства в наиболее простом варианте реализации.

Пример 1.

Предлагаемое устройство схематически показано на фиг. 1 со следующими обозначениями:
1 - формующая головка экструзионного пресса,
2 - сопло мундштука экструзионного пресса, соединенное с формующей головкой,
3 - керн/вставка, закрепленная механически внутри формующей головки,
4 - инструмент для обработки поверхности изделия (например, ролики для нанесения рельефного рисунка на поверхность керамического изделия или для калибровки геометрических размеров керамического изделия), закрепленный на оси с возможностью вращения,
5 - ось крепления ролика,
6 - резак, закрепленный с возможностью перемещения в вертикальной плоскости,
7 - ленточный транспортер,
8 - источник постоянного тока.

Вставка 3 закреплена механически внутри формующей головки мундштука 1 и выступает из торца сопла мундштука 2 на расстояние L. Ролики 4 для обработки поверхности закреплены на расстоянии M от торца сопла мундштука. Резак 6 для разделения бруса керамической массы на изделия закреплен на расстоянии S от торца вставки 3 по направлению движения керамической массы (на схеме показано белой стрелкой). Катод источника тока (показан на схеме, как "-") соединен с соплом мундштука 2, роликом 4 и резаком 6. Анод ("+") соединен со вставкой 3. Вставка 3 электрически изолирована от формующей головки 1, сопла мундштука 2, роликов для обработки поверхности 4 и резака 6. Переменные резисторы R, R1, R2 использованы в цепи источника тока для регулировки тока и поддержания на компонентах предлагаемого устройства 2, 4, 6 положительного относительно вставки электрического потенциала до 48 В.

Работа устройства происходит следующим образом.

Влажную керамическую массу (которая на схеме показана штриховкой) продавливают слева направо (по стрелке) через формующую головку экструзионного пресса 1 в зазор между соплом мундштука 2 и вставкой 3. Брус пластического материала после выхода из сопла мундштука скользит по выступающей вставке. Ролики 4 вращаются на оси 5 за счет трения с поверхностью бруса и производят рифление поверхности и/или калибровку геометрических размеров бруса. Резак 6 приводится в движение дополнительным мотором (на чертеже не показан) и отделяет от бруса заготовки кирпича. Ленточный транспортер 7 передвигает заготовки.

Пример 2.

Мы использовали влажную керамическую массу с химическим составом: SiО sub. 2 - 70.4%, Al sub. 2O sub. 3 + TiO sub. 2 - 14.2%, Fe sub. 2O sub. 3 + FeO - 4.9%, CaO - 0.8%, MgO - 1.7%, SO sub. 3 - 0.1%, Na sub. 2 O + K sub. 2 O - 3.5%, потери при нагревании - 4.4%. Содержание воды - около 20%. Экструзия проводилась шнековым прессом. Схема устройства показана на фиг. 2 и соответствует прототипу предлагаемого решения. Диаметр шнека был 35 мм. Влажную керамическая массу продавливали через формующую головку 1 с входным диаметром 42 мм и коническое сопло мундштука цилиндрического сечения с углом образующей 5^o к оси. Выходной диаметр сопла составлял 22 м. В формующей головке была механически закреплена вставка 3a, выполненная в виде цилиндрического стержня диаметром 6 мм. Вставка 3a и сопло мундштука 2 были изготовлены из стали, электрически изолированы и соединены с выводами источника постоянного тока 8a. Вставка имела такую длину, что ее торец был в плоскости торца сопла мундштука. Скорость экструзии варьировалась в пределах от 1 до 10 мм/с. Если вставка 3a была соединена с анодом, а сопло 2 с катодом источника постоянного тока, то мощность, необходимая для формования трубки из влажной глины, снижалась. Однако на поверхности трубки были видны многочисленные каналы размером более 1 мм, наполненные влагой. Причем каналы были ориентированны преимущественно перпендикулярно оси потока, что указывает на влияние растяжения поверхностного слоя на раскрытие капилляров. При увеличении напряжения, приложенного между вставкой и соплом, размер каналов увеличивался. Форсированная сушка образцов давала значительно больше трещин, чем для образцов, полученных без соединения вставки и сопла с выводами источника тока. Таким образом, использование короткой вставки и электрическое соединение вставки к аноду, а сопла к катоду источника постоянного поля приводит к появлению дефектов поверхности изделия и увеличению числа сушильных трещин.

Пример 3.

Мы использовали глину того же химического состава с добавками древесных опилок для экструзии через большой шнековый пресс с диаметром шнека около 400 мм. Схематически устройство показано на фиг. 3. Влажная керамическая масса продавливалась через формующую головку 1 (по стрелке) и коническое сопло мундштука прямоугольного сечения с углом образующей к оси около 5^o. Выходное сечение сопла мундштука 2 было около 124 х 257 мм. В формующей головке по ее оси была закреплена вставка 3 в виде пластины 120 х 4 мм и такой длины, что она выступала наружу от торца сопла мундштука на расстояние L около 1200 мм, т. е. примерно на 20T, где T - минимальный зазор между соплом мундштука и вставкой, 60 мм. На расстоянии M около 1000 мм от торца сопла мундштука был закреплен стальной ролик 4a диаметром 200 мм с рельефной поверхностью для рифления поверхности выходящего глиняного бруса. На расстоянии 1500 мм от торца вставки был укреплен с возможностью перемещения резак 6 для разделения выходящего бруса на заготовки. Ролик был изолирован электрически от вставки и соединен с катодом источника постоянного тока 8b. Вставка была заземлена и соединена с катодом этого источника. На ролике поддерживался положительный относительно земли потенциал 40V. Ограничение тока достигалось использованием в источнике 8b со противления R. Экструзия происходила со скоростью около 200 мм/сек. Ролик производил глубокое - 10 мм тиснение поверхности бруса. Глина на поверхность ролика не налипала. При отключении источника постоянного тока глина налипала на поверхность ролика в виде неровной ленты толщиной 2-5 мм. Если поверхность ролика смазывали отработанным моторным маслом, то глина налипала на выступающие грани рельефной поверхности ролика. Технологический процесс должен был быть остановлен из-за прилипания глины к ролику. При включении источника тока налипшая глина легко удалялась с поверхности ролика. Полученные с помощью предлагаемого устройства керамические кирпичи имели меньше трещин по сравнению с кирпичами, полученными по традиционной технологии.

Итак, количество сушильных трещин возрастает при использовании известного решения (прототипа) по сравнению с простыми экструдерами, в которых керны/вставка соединены механически и электрически с соплом мундштука, и уменьшается при использовании предлагаемого устройства. То есть использование предлагаемого устройства позволяет уменьшить количество трещин при сушке по сравнению с прототипом и дополнительно позволяет производить глубокое поверхностное рифление поверхности изделия металлическими роликами.

Использование удлиненной вставки, электрически изолированной от инструмента для обработки поверхности, и присоединение вставки к аноду, а инструмента к катоду источника постоянного тока дополнительно позволяет избежать прилипания влажной и липкой керамической массы к поверхности инструментов для обработки поверхности, например, на поверхность вращающихся роликов. Дополнительно торможение керамической массы на выступающей вставке уплотняет поверхность изделия и подавляет возникновение поверхностных дефектов, что не было известно из патентной и специальной литературы.

Изобретение относится к устройствам для формования керамических изделий и преимущественно к устройствам и аппаратам для формования керамического кирпича с рельефным рисунком на лицевой поверхности. Технический результат - уменьшение дефектов лицевой поверхности изделий и увеличение прочности. Устройство для формования керамических изделий включает мундштук пресса с соплом и кернами или вставкой, закрепленными внутри сопла мундштука с возможностью продавливания влажной керамической массы между ними наружу в форме бруса, и содержит источник постоянного тока, электрические выводы противоположной полярности которого соединены с двумя другими элементами устройства, электрически изолированными друг от друга. По меньшей мере один керн или вставка выполнены выступающими от торца сопла мундштука по направлению движения керамической массы на расстояние L, которое выбирают не менее 2 Т, где Т - минимальный зазор между соплом мундштука и выступающей вставкой. Устройство дополнительно оборудовано по меньшей мере одним инструментом для обработки внешней поверхности бруса, установленным от торца сопла мундштука на расстоянии М, которое выбирают из диапазона от 2 Т до L+2Т. Инструмент и выступающая вставка сделаны из токопроводящего материала, выполнены электрически изолированными и соединены с выводами источника постоянного тока противоположной полярности. 4 з.п.ф-лы. 3 ил.

1. Устройство для формования керамических изделий, включающее мундштук пресса с соплом и кернами или вставкой, закрепленными внутри сопла мундштука с возможностью продавливания влажной керамической массы между ними наружу в форме бруса, и содержащее источник постоянного тока, электрические выводы противоположной полярности которого соединены с двумя другими элементами устройства, электрически изолированными друг от друга, отличающееся тем, что по меньшей мере один керн или вставка выполнен выступающим от торца сопла мундштука по направлению движения керамической массы на расстояние L, которое выбирают не менее 2Т, где Т - минимальный зазор между соплом мундштука и выступающей вставкой, и устройство дополнительно оборудовано по меньшей мере одним инструментом для обработки внешней поверхности бруса, установленным от торца сопла мундштука на расстоянии М, которое выбирают из диапазона от 2Т до L+2Т, причем упомянутый инструмент и выступающая вставка сделаны из токопроводящего материала, выполнены электрически изолированными и соединены с выводами источника постоянного тока противоположной полярности. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть вставки, выступающая из сопла мундштука, выполнена с постоянным поперечным сечением. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что вставка соединена с анодом, а инструмент для обработки поверхности - с катодом источника постоянного тока. 4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что источник постоянного тока выполнен регулируемым. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что инструмент для обработки поверхности выполнен в виде металлического ролика, закрепленного на оси с возможностью вращения.