LC ZM skripta - web.tuke.skweb.tuke.sk/hf-kk/Keramika/ZM/LC_ZM_skripta.pdf · Keramické žiaruvzdorné materiály – laboratórne cvi čenia 3 LABORATÓRNE CVI ČENIE Č. 6

Keramické žiaruvzdorné materiály – laboratórne cvičenia

1

OBSAH

LABORATÓRNE CVI ČENIE Č. 1 ...................................................................... 4

I MERANIE VEĽKOSTI ČASTÍC SYPKÝCH MATERIÁLOV ........................... 4

I.1 Základné pojmy ...................................................................................... 4

I.2 Náplň a ciele úlohy — sitový rozbor manéziového slinku ......................... 6

I.3 Pracovný postup pri Sitovom rozbore ..................................................... 7

I.3.1 Príprava vzorky .................................................................................... 7

I.3.2 Zostavenie sitovej sady, sitovanie a váženie .......................................... 7

I.3.3 Vyhodnotenie sitového rozboru ............................................................. 7

I.4 pracovný postup pri prístrojovej granulometrickej a nalýze ...................... 8

I.5 Príklady a úlohy ...................................................................................... 8

LABORATÓRNE CVI ČENIE Č. 2 .................................................................... 12

II REOLÓGIA ZRNITÝCH HMÔT ................................................................ 12

II.1 Základné pojmy .................................................................................... 12

II.1.1 Sypná a strasená hmotnosť tuhých častíc ............................................ 12

II.1.2 Sypný uhol ......................................................................................... 13

II.1.3 Uhol sklzu a uhol prirodzeného svahu.................................................. 13

II.1.4 Hustota zŕn ........................................................................................ 14

II.2 Náplň a ciele úlohy ................................................................................ 15

II.3 Úlohy .................................................................................................... 15

II.3.1 Úloha č.1 ........................................................................................... 15

II.3.2 Úloha č.2 ........................................................................................... 16

II.3.3 Úloha č.3 ........................................................................................... 17

II.3.4 Úloha č.4 ........................................................................................... 18

II.3.5 Diskusia výsledkov a záver ................................................................. 19


III MERANIE TEPLOTY .............................................................................. 20

III.1 Teplota ................................................................................................. 20

III.2 Teplotná stupnica ................................................................................. 20

III.2.1 Termodynamická teplotná stupnica (Kelvinova) .................................... 20

III.2.2 Celziova teplotná stupnica .................................................................. 21


2

III.2.3 Fahrenheitova (teplotná) stupnica ....................................................... 22

III.2.4 Medzinárodná teplotná stupnica ITS-90 ............................................... 22

III.3 Snímače teploty .................................................................................... 23

III.3.1 Termoelektrické články, Seebeckov jav ............................................... 24

III.3.2 Pojmy súvisiace s meraním teploty termočlánkami ............................... 25

III.3.3 Hlavné druhy termočlánkov ................................................................. 26

III.3.4 Zhotovovanie a overovanie termočlánkov ............................................ 31

III.4 Optické pyrometre ................................................................................ 33

III.4.1 Pyrometre využívajúce čiastočné žiarenie ............................................ 33

III.4.2 Pyrometre využívajúce celkové žiarenie............................................... 34

III.4.3 Pyrometre farbové .............................................................................. 34

III.4.4 Termistory ......................................................................................... 34

III.5 Úlohy .................................................................................................... 35

III.5.1 Úloha č.1 ........................................................................................... 35

III.5.2 Úloha č.2 ........................................................................................... 36


IV MERANIE POVRCHOVÉHO NAPÄTIA KVAPALÍN ................................... 37

IV.1 Základné pojmy .................................................................................... 37

IV.2 Metóda ležiacej kvapky ......................................................................... 37

IV.2.1 Aditívny výpočet povrchového napätia ................................................. 38

IV.3 Úlohy .................................................................................................... 40

IV.3.1 Úloha č.1 ........................................................................................... 40

IV.3.2 Úloha č.2 ........................................................................................... 40


V TERMICKÁ ANALÝZA ............................................................................ 41

V.1 Základné pojmy .................................................................................... 41

V.2 Teoretická časť úlohy ........................................................................... 42

V.2.1 Termická analýza ............................................................................... 42

V.2.2 Priama termická analýza ................................................................... 42

V.2.3 Diferenčná termická analýza ............................................................. 43

V.2.4 Termogravimetria ............................................................................... 47

V.2.5 Ďalšie metódy termickej analýzy ......................................................... 49

V.3 Úlohy .................................................................................................... 51

V.3.1 Úloha č.1 ........................................................................................... 51


3


VI SUŠENIE KERAMIKY ............................................................................. 51

VI.1 Vlhkos ť keramického materiálu ............................................................. 52

VI.2 Sušenie ................................................................................................ 53

VI.2.1 Dynamika sušenia – rýchlosť sušenia .................................................. 53

VI.3 Úlohy .................................................................................................... 57

VI.3.1 Určite citlivosť vlhkej keramickej hmoty na sušenie. .............................. 57

LABORATÓRNE CVI ČENIE Č.7 ..................................................................... 58

VII TVORBA TVAROVACÍCH ZMESÍ, ZHUTŇOVANIE A VÝPAL ............................... 58

VII.1 Základné pojmy .................................................................................... 58

VII.2 Tvorba tvarovacích zmesí ..................................................................... 58

VII.3 Tvarovanie lisovaním ........................................................................... 59

VII.3.1 Uniaxiálne lisovanie ............................................................................ 59

VII.3.2 Izostatické lisovanie ........................................................................... 60

VII.3.3 Žiarové lisovanie ................................................................................ 62

VII.3.4 Izostatické žiarové lisovanie ................................................................ 62

VII.4 Úlohy .................................................................................................... 63

VII.4.1 Úloha č.1 ........................................................................................... 63

Príprava skúšobných teliesok s odlišnou granulometrickou skladbou. ................ 63


VIII MECHANICKÉ VLASTNOSTI .................................................................. 66

VIII.1 Základné pojmy .................................................................................... 66

VIII.2 Pružnos ť a pevnos ť .............................................................................. 66

VIII.3 Úlohy .................................................................................................... 69

VIII.3.1 Úloha č.1 ........................................................................................... 69

VIII.3.2 Úloha č.2 ........................................................................................... 70


4

L a b o r a t ó r n e c v i č e n i e č . 1

I MERANIE VEĽKOSTI ČASTÍC SYPKÝCH MATERIÁLOV

Úvod

Spoločným znakom všetkých keramických surovín je ich zrnitý, resp. disperzný charakter

vyplývajúci z ich vzniku napr. kremenný piesok, alebo sa na potrebnú zrnitosť upravujú

drvením a mletím napr. kaolín.

Zrnité materiály obyčajne nemajú zrná jednotnej veľkosti, čo znamená, že nie sú

monodisperzné, ale obsahujú zrná všetkých veľkostí od maximálnej hodnoty až po dolnú

hranicu veľkosti zrna mikrometrických rozmerov, sú teda polydisperzné. Zastúpenie

jednotlivých častíc kvantifikujeme pomocou granulometrickej analýzy.

Poznať granulometrické zloženie sypkej hmoty je mimoriadne dôležité pri optimalizovaní,

resp. riadení hutnosti tvarovaných keramických materiálov. Pretože prirodzená zrnitostná

skladba sypkých surovín obsahuje najviac strednej frakcie, nie je vhodná pre použitie

v dodanom stave, pretože nevyhovuje podmienke optimálneho zaplnenia voľného priestoru

vo výlisku. Optimálne zaplnenie priestoru tuhými fázami sa dosiahne granulometrickou

skladbou podľa tzv. spojitej zrnitostnej krivky, ktorú vyjadruje Andreasenova rovnica:

q

i x

xy

=

0

alebo )log(loglog 0xxqyi −⋅= [MPa] (1)

Pri výrobe netvarovaných keramických hmôt určených pre monolitické výrobky, ale aj

v prípade výroby, resp. prípravy práškových materiálov s časticami pod 1 µm pre špeciálnu

keramiku je veľmi dôležité poznať zrnitostnú skladbu jemnozrnnej frakcie pod 40 µm . Táto

frakcia určuje reologické vlastnosti sypkej hmoty. Pri zvlhčení, čo je bežná technologická

operácia sa začínajú uplatňovať účinky povrchového náboja jednotlivých častíc, tzv. zeta-

potenciál, ktoré je potom možné vďaka povrchovo aktívnym prísadám s výhodou použiť

v procese aplikácie pre reguláciu tečenia, hydratácie a tuhnutia.

I.1 ZÁKLADNÉ POJMY

Sitová analýza, stanovenie zrnitosti — synonymá pre stanovenie veľkosti častíc

pomocou sady sít s otvormi definovaných rozmerov.


5

Granulometria — súbor metód slúžiacich na stanovenie

a) veľkosti, prípadne aj tvaru jednotlivých častíc obsiahnutých v sypkej vzorke

b) početného, hmotnostného alebo objemového zastúpenia častíc podľa ich veľkosti

Sitovanie — technologická operácia, pri ktorej dochádza k úplnému rozdeleniu

polydisperzného systému na jednotlivé skupiny (frakcie) obsahujúce častice s veľkosťou

v určitých hraniciach daných rozmermi ôk použitých sít.

Kvartovanie — súvisí s odberom vzorky z väčšieho množstva materiálu. Aby sa zachovali

štatisticky reprezentatívne množstvá jednotlivých veľkostí častíc, základný súbor sa rozdelí

na deliacom stole na štvrtiny. Protiľahlé štvrtiny sa odstránia a zvyšné sa zmiešajú a znova

rozdelia na štvrtiny. Postup sa opakuje až do stavu, kedy výsledné množstvo zodpovedá

stanovenému množstvu vzorky pre analýzu.

Frakcia — množina častíc s veľkosťou pohybujúcou sa v určitom intervale

⟩∈÷ bax ba ;( [mm] (1)

kde

a je veľkosť najmenších častíc, ktoré sa už nenachádzajú v súbore (podsitná),

b je veľkosť najväčšej častice zo súboru (nadsitná).

Frakčný podiel ∆∆∆∆yi — hmotnostný zlomok i—tej frakcie. Podiel hmotnosti frakcie yi

pripadajúci na hmotnosť celého analyzovaného súboru častíc mvz.

%100⋅=∆vz

ii m

my [%] (2)

Zvyšok na site (nadsitné) yr — podiel všetkých častíc, ktorých veľkosť je väčšia ako

uvedené sito, pričom hmotnosť m0 je na site s veľkosťou otvorov zodpovedajúcou

najrozmernejšej častici vo vzorke, teda m0 = 0 g.

%1000 ⋅=∑

=

vz

n

ii

ri m

my

[%] (3)

pričom


6

1......210 =++++++=

vz

nirn m

mmmmmy (4)

yri — nadsitný podiel na site veľkosti i

yrn —podiel hmotnosti všetkých častíc, ktoré prepadli sadou sít

n — počet frakcií

mi — hmotnosť i-tej frakcie

mn —hmotnosť frakcie pod najjemnejším sitom (v miske).

mvz — hmotnosť vzorky obsahujúcej všetky frakcie

Hustota frakcií HF — normalizovaný hmotnostný podiel jednotlivých frakcií pripadajúcich

na interval frakcie 100 µm.

100⋅∆∆=

i

ii x

yHF [%. (100 µm)-1] (5)

Rozdiel frakcie ∆∆∆∆ xi — sa udáva v jednotkách dĺžky (s pravidla µm) ako rozdiel medzi

veľkosťami susedných sít.

bai xxx −=∆ [µm] (6)

Sitový rozbor sa robí za sucha alebo za mokra (rozplavením). Používa sa vibračné

zariadenie. Pre suchý spôsob sa odváži 400 – 500 g vysušenej vzorky. V prípade

rozplavovania sa odváži 500 g vysušenej vzorky a rozmieša sa v 1 – 2 litroch vody. Nechá sa

stáť 24 hodín, aby sa vzorka dokonale rozpojila a znovu sa rozmieša. Voda sa môže použiť len

u materiálov inertných voči vode. Pre dispergovanie materiálov reagujúcich s vodou je

potrebné použiť inú kvapalinu, najčastejšie organické kvapaliny dobre zmáčajúce povrch

vzorky.

I.2 NÁPLŇ A CIELE ÚLOHY — SITOVÝ ROZBOR MANÉZIOVÉHO SLINKU

Úlohou laboratórneho cvičenia je urobiť sitovú analýzu vzorky reálnej kusovej suroviny

dodanej ako frakciu 0 ÷ 6 mm z výroby MgO slinku. Cieľom je získať vedomosti


7

o prevádzkovej skúške a prakticky si precvičiť pracovný postup. Výstupom cvičenia je tabuľka

s výsledkami sitovej analýzy a grafické znázornenie priebehu nasledovných funkcií:

1. veľkostného rozdelenia častíc, hmotnostné zlomky frakcií yi ako funkcia ich

rozmerov x,

2. podielu zvyšku yr na site v závislosti na veľkosti častíc x

3. hustoty frakcií HF v závislosti na veľkosti častíc x

I.3 PRACOVNÝ POSTUP PRI SITOVOM ROZBORE

I.3.1 Príprava vzorky

Vzorky sa upravujú kvartovaním. Hmotnosť vzorky na stanovenie zrnitosti závisí od

veľkosti maximálneho zrna v materiály (napr. do 2 mm je to 100 g, do 6 mm je to 200 g,

a pod.). Na druhej strane čím väčšie množstvo sa analyzuje, tým je chyba merania menšia a

výsledky sú presnejšie. Vlhké vzorky sa musia najprv vysušiť.

I.3.2 Zostavenie sitovej sady, sitovanie a váženie

Štandardne sa na sitovú analýzu používajú vybrané sitá z nasledujúcej rady: 0.063 mm,

0.123 mm, 0.25 mm, 0.5 mm, 1.0 mm, 2.0 mm, 4.0 mm, 8.0 mm, 16.0 mm až 40 mm.

Samozrejme vyrábajú sa aj sitá ďalších rozmerov. Do vibračného zariadenia sa vloží sada

štyroch až piatich sít a na vrchné sito (najväčšie otvory) sa nasype odvážené množstvo suchej

vzorky. Vrchné sito sa vyberá tak, aby zostatok na ňom bol ešte nulový a na nasledujúcom

väčší ako nula. Pri rozplavovaní sa na vrchné sito nalieva suspenzia počas chodu. V prípade

suchého spôsobu sa nechá zariadenie v prevádzke 10 ÷ 20 minút, v prípade mokrého

10 minút. Po ukončení sitovania sa jednotlivé frakcie na sitách kvantitatívne prenesú do

predtým zváženej nádoby a zvážia. Hmotnosti jednotlivých frakcií na sitách sa zapíšu do

pripravenej tabuľky. Pri mokrom spôsobe sa nadsitné podiely najskôr vysušia a potom zvážia.

I.3.3 Vyhodnotenie sitového rozboru

Sitový rozbor sa vyjadruje závislosťou hmotnostného podielu jednotlivých frakcií na

veľkosti častíc. Môže sa vyjadrovať dvoma spôsobmi:

1) KUMULATÍVNYM SPÔSOBOM


8

a) zvyšok na site yr (viď rovnicu (3))

b) podsitný podiel y vyjadrený:

ryy −= %100 [%] (7)

y — podiel všetkých častíc v súbore menších ako uvedené sito – podsitný podiel

2) POMERNÝM ZASTÚPENÍM JEDNOTLIVÝCH FRAKCIÍ

a) frakčným podielom yi (viď rovnica (2))

b) hustotou frakcií HF (viď rovnica (5))

I.4 PRACOVNÝ POSTUP PRI PRÍSTROJOVEJ GRANULOMETRICKEJ ANALÝZE

Pre granulometrickú analýzu jemných častíc sa používajú prístrojové meracie metódy,

ktoré využívajú fyzikálne vlastnosti tuhých častíc:

a) gravitačné dynamické metódy (aerodynamické a hydrodynamické)

b) sedimentačné metódy

c) počítacie metódy (konduktometrické, fotometrické)

Pre granulometrickú analýzu jemnozrnnej frakcie je použitá fotometrická laserová

metóda. Prášková vzorka je dávkovaná do dispergátora, ktorý miešaním a použitím

ultrazvuku rozptyľuje vzorku v kvapalnom prostredí a počas meracej sekvencie ju

prečerpáva cez kyvetu, ktorou prechádza svetelný lúč. Rozptyl svetelného lúča je

vyhodnocovaný ako uhol dorazu lúča a jeho intenzita. Po automatizovanom štatistickom

spracovaní je výsledkom granulometrická krivka (Obr.4) a tabuľka (Tab.2) s frakčným

podielom jednotlivých častíc vyjadrený v obj. %. Pre prepočet na hm. % je potrebné poznať

objemovú hmotnosť skúmanej vzorky.

I.5 PRÍKLADY A ÚLOHY

Príklad

Dodaný železitý MgO slinok bol dodaný vrecovaný v deklarovanom rozsahu zrnitosti

0 ÷ 6 mm. Suchou sitovou analýzou vzorky s hmotnosťou 3000 g odobratou z množstva 20 kg

kvartovaním boli na jednotlivých sitách stanovené frakcie s hmotnosťami uvedenými

v tabuľke Tab.1.


9

Úloha č.1:

Zostavte sitovaciu sadu a na striasacom stroji vykonajte sitovú analýzu dodaného MgO

slinku. Hmotnosti m jednotlivých frakcií/zbytkov na sitách a zapíšte rovnakým spôsobom ako

je to uvedené v tabuľke Tab.1. Vypočítajte yi, yr, ∆x a HF podľa príslušných vzťahov a zapíšte

ich do tabuľky Tab.1.

Úloha č.2:

Vypočítané hodnoty parametrov sitovej analýzy znázornite graficky ako:

a) yi = f(x)

b) yr = f(x)

c) HF = f(x)

Riešenie:

1. Vypočítame rozdiel frakcie ∆x podľa vzťahu (6) a zapíšeme do Tab.1.

2. Vypočítame nadsitné podiely yr na jednotlivých sitách a zapíšeme do Tab.1

3. Vypočítame hustotu frakcie HF podľa vzťahu (5) a zapíšeme do Tab.1

4. Zostrojíme graf funkcie yi = f(x) podľa 2

5. Zostrojíme graf funkcie yr = f(x) podľa Obr.3

6. Zostrojíme graf funkcie HF = f(x) podľa Obr.3

Tab.1: Výsledky sitovej analýzy MgO slinku

Nadsitné Medze frakcií Hustota frakcií

m [g] yi [%] yr [%] ∆∆∆∆x [µµµµm] HF [%/100 µµµµm]

6000 <6000 0 0.00 0.00 6000 0.00

4000 4000-6000 146 4.87 7.60 2000 0.24

2000 2000-4000 480 16.00 20.87 2000 0.80

1000 1000-2000 982 32.73 53.60 1000 3.27

500 500-1000 785 26.17 79.77 500 5.23

250 250-500 398 13.27 93.03 250 5.31

123 123-250 155 5.17 98.20 127 4.07

63 63-123 38 1.27 99.47 60 2.11

0 <63 16 0.53 100.00 63 0.85

3000 100

Veľkosť sita

[µµµµm]

Zbytok na siteFrakcia x [µµµµm]

Suma


10

Obr.1: Grafické znázornenie rozloženia zrnitosti materiálu, frakčný podiel yi.

Obr.2: Grafické znázornenie kumulatívnej krivky nadsitných podielov yr.

Obr.3: Grafické znázornenie priebehu hustoty rozloženia častíc HF


11

Úloha č. 3:

Vykonajte granulometrické meranie magnezitového koncentrátu KII jemnozrnnej

frakcie 0÷80 µm na laboratórnom prístroji s vodným dispergantom. Vyhodnoťte

granulometrickú krivku:

a) Určte frakčné podiely D0.1, D0.5 a D0.9 v hm. %

Riešenie:

Pod dohľadom vedúceho cvičenia zapneme prístroj a pripojený počítač. Spustíme merací

program a do dialógových okien zadáme potrebné informácie o meranej vzorke. Odsitovanú

frakciu <80 µm postupne dávkujeme do dispergátora až ukazovateľ množstva umožní spustiť

meranie.

Tab.2: Výsledky granulometrickej analýzy MgO slinku frakcie 0÷80 µm

Obr.4: Grafické znázornenie rozloženia zrnitosti jemnozrnnej frakcie 0÷80 µm


12

LABORATÓRNE CVIČENIE Č. 2

II REOLÓGIA ZRNITÝCH HMÔT

II.1 ZÁKLADNÉ POJMY

Reológia — vedný odbor zaoberajúci sa tokom hmoty. V prípade keramických materiálov

študuje dynamické správanie sa sypkých hmôt alebo pri vyšších teplotách správanie sa

elementov hmoty v tuhých telesách.

Sypná špecifická hmotnosť — pomer celkovej hmotnosti vzorky a objemu zaujatého

vzorkou.

Strasená špecifická hmotnosť — pomer celkovej hmotnosti vzorky a objemu po ručnom,

alebo mechanickom strasení.

Sypný uhol — uhol zvierajúci povrch steny nasypaného kužeľa s podložkou. Určuje mieru

stability nestlačenej vrstvy častíc.

Uhol sklzu — uhol, pri ktorom sa materiál na naklonenej rovine pri zvyšovaní jej sklonu

neudrží v pokoji, ale skĺzne. Závisí na trení častíc medzi sebou navzájom a medzi podložkou.

Hustota zŕn — objemová hmotnosť zrnitého materiálu ako celku.

II.1.1 Sypná a strasená hmotnosť tuhých častíc

Špecifická hmotnosť (hustota) častíc ovplyvňuje ich pohybové vlastnosti, pretože určuje ich

hybnosť. Štruktúra častíc spôsobuje, že meraním zistíme vždy nižšiu špecifickú hmotnosť častíc,

ako špecifická hmotnosť látky, z ktorej častice vznikli. V každom prípade treba zisťovať špecifickú

hmotnosť častíc meraním. Sypná špecifická hmotnosť je definovaná ako pomer celkovej

hmotnosti k objemu zaujatého zmesou. Ručným, alebo mechanickým strasením objemu častíc

dôjde k čiastočnej reorganizácii častíc, ktorej výsledkom je lepšie vyplnenie priestoru medzi

zrnami. Medzi sypnou a strasenou objemovou hmotnosťou približne platí nasledujúci vzťah:

( ) sst ρρ .5.12.1 ÷= [g.cm-3] (8)

Pričom pre častice veľmi jemnej frakcie platí ešte menšia hodnota koeficientov. Hodnoty

sypnej aj strasenej objemovej hmotnosti závisia od tvaru častíc. Čím sa tvar zrna viac líši od

guľovitého, tým sú hodnoty menšie.


13

II.1.2 Sypný uhol

Zrnité materiály sypané z jedného miesta na rovnú podložku zaujímajú tvar kužeľa. Strana

kužeľa zviera s podložkou tzv. sypný uhol. Tento uhol nám dáva obraz o stabilite voľne

uloženej zrnitej hmoty. Sypný uhol závisí od tvaru, veľkosti a vlhkosti zŕn, a tiež od hustoty

materiálu, z ktorého sú zrná.

II.1.3 Uhol sklzu a uhol prirodzeného svahu

Uhol, pri ktorom sa sypký materiál na naklonenej rovine pri zvyšovaní sklonu neudrží v

pokoji, ale dá sa do pohybu a sklzne, je uhol sklzu. Hodnota uhla sklzu závisí predovšetkým

od trenia medzi časticami a podložkou, t.j. materiálu povrchu podložky (mosadz, oceľ, guma

a pod.). Znalosť tohto uhla je potrebná pri návrhu uloženia sypkých materiálov alebo

konštrukcie zberných nádob.

Často potrebujeme zistiť uhol, ktorý zviera svah voľne uloženej horniny, uhlia, piesku,

rudy, hlušiny a pod. s vodorovnou rovinou, tzv. uhol prirodzeného svahu. Veľkosť tohto uhlu

závisí na veľkosti, tvare a drsnosti povrchu materiálových častíc, na ich veľkosti a na

objemovej hmotnosti. Pre posúdenie svahového uhla sypkej hmoty uvažujeme svah, so

sklonom α schematicky znázornený na Obr.5. Uvažujeme ďalej na svahu jednotkový objem,

ktorý má objemovú hmotnosť ρb. Túto rozložme do smeru rovnobežného so svahom

αρ sin⋅= bT [MPa] (9)

a do smeru kolmého

αρ cos⋅= bN [MPa] (10)

Proti posunutiu uvažovaného objemu hmoty pôsobí trenie R

φαρ tgR b ⋅⋅= cos [MPa] (11)

Z podmienky rovnováhy dostaneme

φαραρ tgbb ⋅⋅=⋅ cossin N (12)

odkiaľ

φαφα == ;tgtg (13)


14

α

φρb

NR

T

Obr.5: Schéma skladania síl v prirodzenom svahu.

II.1.4 Hustota zŕn

Stanovuje sa ako objemová hmotnosť zrnitých materiálov (hustoty zŕn) podľa normy STN

ISO 8840. Táto norma špecifikuje dve metódy stanovenia objemovej hmotnosti zrnitých

žiaruvzdorných materiálov s veľkosťou zŕn nad 2 mm.

- metóda ortuťová s vákuom (rozhodujúca metóda)

- metóda vodná absorpčná

V závislosti od povahy skúšaného materiálu môžu mať tieto dve metódy rozdielne

výsledky, preto má byť každá stanovená hodnota doplnená údajom, ktorá metóda má byť

(bola) použitá. Skúšaný materiál má pozostávať z frakcií alebo skupín frakcií s veľkosťou zŕn

nad 2 mm. Laboratórne vzorky sa pripravujú sitovaním po predchádzajúcom rozdrobení zŕn

materiálu väčších ako 5.6 mm. Prach a častice zachytené na zrnách je potrebné pred skúškou

odstrániť praním alebo pri materiáloch citlivých na vlhkosť prúdom vzduchu. Z laboratórnej

vzorky je treba vybrať najmenej tri skúšobné vzorky a raz stanoviť objemovú hmotnosť

každej skúšobnej vzorky. Odporúčané množstvá skúšobnej vzorky sú v Tab.3.

Tab.3: Odporúčané množstvá skúšobných vzoriek

Zrnitostná frakcia [ mm] Metóda Hmotnosť skúšobných vzoriek [ g ]

Dobrá homogenita Zlá homogenita

2.0 – 5.6 1. 100 200

2. 50 50


15

II.2 NÁPLŇ A CIELE ÚLOHY

Náplň cvičenia tvoria štyri úlohy zamerané na skúšanie reologických vlastností zrnitých

materiálov popísaných v podkapitolách II.1.1 až II.1.4. Cieľom cvičenia je získať vedomosti

o reologických vlastnostiach vzoriek reálnych zrnitých žiaruvzdorných materiálov, prakticky

nacvičiť postupy skúšobných metód, vyhodnotiť a interpretovať výsledky meraní.

II.3 ÚLOHY

II.3.1 Úloha č.1

Stanovenie sypnej a strasenej objemovej hmotnosti z rnitého materiálu.

Zo zásobníka odoberieme 1 kg vzorky tak, aby obsahovala podľa možnosti

reprezentatívne rozloženie zrnitosti. Sitovaním oddelíme frakcie xA∈(2.0; 5.6> a

xB∈(0.8;2.0>. Postupovať môžeme dvoma spôsobmi:

1. Konštantný objem — pripravíme si nádobu (téglik), ktorý zvážime a vodou

ociachujeme jeho objem. Vyutierame do sucha. Jednu z frakcií opatrne nasypeme cez

nato určený lievik do téglika až po vrch. Urobíme to tak, že zasunieme zarážku,

naplníme lievik, zarážku vytiahneme a obsah vypustíme. Vrchnú plochu zrovnáme

kovovou lištou a zvážime. Hodnotu zapíšme do Tab.3.Nasledovne povrch obsahu

téglika zakryjeme a ručne utrasieme. Do vzniknutého priestoru opäť dosypeme

zvolenú frakciu materiálu a strasieme. Postup opakujeme, až pokiaľ sa pokles hladiny

neustáli. Potom nádobu s materiálom zvážime a hodnotu zapíšeme do Tab.3.

Rovnako postupujeme aj pri druhej frakcii. Podľa možnosti merania zopakujeme 3 až

4 krát, výsledky hmotností prepočítame na objemové hmotnosti, spracujeme

a vyhodnotíme. Overíme platnosť vzťahu Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov..

2. Konštantná hmotnosť — pripravíme si odmerný valec s objemom 1 až 3 dm3. Do

tohto valca rovnakým spôsobom ako v predchádzajúcom prípade vsypeme 600 g

vybranej frakcie, urovnáme povrch a zmeriame objem, ktorý zaujala vzorka. Výsledok

zapíšeme do Tab.5. Odmerný valec so vzorkou opatrne strasieme až do ustálenia

hladiny. Objem odčítame a vpíšeme do Tab.5 ako strasený objem. Rovnako

postupujeme aj pri druhej frakcii.


16

Tab.4: Meranie sypnej hmotnosti MgO slinku

Meranie

Zmeraná hmotnosť

[g]

Sypná objemová hmotnosť

[g.dm-3]

xA sypná

xA strasená

xB sypná

xB strasená

xA sypná

xA strasená

xB sypná

xB strasená

I.

II.

III.

Tab.5: Meranie sypného objemu MgO slinku

Meranie

Zmeraný objem

[ml]

Sypná objemová hmotnosť

[g.dm-3]

xA sypný

xA strasený

xB sypný

xB strasený

xA sypný

xA strasený

xB sypný

xB strasený

I.

II.

III.

II.3.1.1 Diskusia výsledkov a záver

(Tu uvediete Vašu interpretáciu a obhájenie výsledkov, prípadne vysvetlenie

nezrovnalostí, ak k takým došlo.)

II.3.2 Úloha č.2

II.3.2.1 Zistenie sypného uhla zrnitej hmoty.

Skúšky vykonáme na dvoch frakciách; xA∈(2.0; 5.6> a xB∈(0.8;2.0>. Podľa potreby

doplníme na hmotnosť 500 g ďalším sitovaním na sitách č.080 až 560. Postavíme aparatúru

podľa Obr.3. Použijeme lievik popísaný v úlohe č.1. Naplníme ho zrnitou zmesou a z výšky

120 mm zmes vypustíme z lievika na oceľovú podložku. Na podložke vznikne kužeľ

z nasypanej zmesi. Uhol, ktorý zviera s vodorovnou rovinou môžeme určiť dvoma spôsobmi:

1. zmeriame ho uhlomerom a zapíšeme do Tab.6 pri známom priemere oceľovej

podložky φ = 50 mm ho vypočítame zo zmeranej výšky podľa vzťahu (14). Na jednej

vzorke urobíme 3 merania, odmeriame dve vzorky.


17

Tab.6: Meranie sypnej uhla vybraných frakcií MgO slinku

Meranie xA xB

h [mm] uhol [°] h [mm] uhol [°] I.

II.

III.




II.3.3 Úloha č.3

II.3.3.1 Zistenie uhla sklzu – svahového uhla

Na vodorovnú plochu — fotografickú misku postavíme dutý plechový alebo plastový

valec, do ktorého nasypeme 500 g skúmaného materiálu. Plynulým dvíhaním valca sa

materiál z neho vysype. Zmeria sa výška H a priemer d vzniknutého kužeľa. Podľa vzťahu (14)

vypočítame svahový uhol αS. Schematický náčrt usporiadania skúšky je na Obr.5. Urobíme 3

meranie na dvoch rôznych frakciách. Výsledky zapíšeme do Tab.7.

Obr.6: Schéma aparatúry pre meranie sypaného uhla zrnitej hmoty.

h

120 mm

50


18

d

HarctgS

.2=α (

14)

Obr.7: Schéma aparatúry pre meranie uhla sklzu zrnitej hmoty.




II.3.4 Úloha č.4

II.3.4.1 Hustota z ŕn

Meranie budeme robiť metódou vodnej absorpcie. Z vysušeného materiálu

odoberieme kvartovaním skúšobnú vzorku tak, aby jej hmotnosť sa pohybovala v medziach

50 až 100 g. Presnú hmotnosť zistíme odvážením na váhach s presnosťou na 0.1 g.

Tab.7: Meranie uhla sklzu vybraných frakcií MgO slinku

Meranie Uhol sklzu [°]

xA xB I.

II.

III.


19

Kvantitatívne ju prenesieme do kadičky a zaleje vodou po povrch nasypanej vzorky.

Necháme odstáť 2 až 5 minút. Pripravíme si sklenenú byretu s objemom 100 ml a savú

osušku. Byretu pred použitím odmastíme a prepláchneme. Po nasiaknutí zŕn vodu zlejeme

pomocou hodinového sklíčka, zrnitý obsah kadičky vysypeme na osušku a usušíme dotykom.

Vzorka je pripravená na skúšku, keď je odstránená voľná prebytočná voda z povrchu.

Pripravenú byretu naplníme vodou na úroveň 20 až 25 ml a necháme odstáť 1 minútu.

Odčítame objem. Pomocou lievika nasypeme do nej zrnitý materiál, ktorý bol doposiaľ na

osuške. Odčítame hodnotu objemu po nasypaní vzorky s presnosťou na 0.05 ml. Objem

vzorky je potom rozdiel medzi konečným a počiatočným objemom. Objemová hmotnosť zŕn

vybranej frakcie sa vypočíta podľa vzorca (15).

RR V

m=ρ (

15)

II.3.5 Diskusia výsledkov a záver




20


III MERANIE TEPLOTY

III.1 TEPLOTA

Teplota je stavová veličina určujúca stav termodynamickej rovnováhy hmoty, kedy

v izolovanej sústave telies neprebiehajú žiadne makroskopické zmeny a všetky fyzikálne

veličiny, ktoré tento stav popisujú nezávisia na čase. Stav termodynamickej rovnováhy býva

charakterizovaný termodynamickou teplotou, ktorá musí byť rovnaká vo všetkých častiach

izolovanej sústavy. Fyzikálna veličina teplota sa nesmie zamieňať s fyzikálnou veličinou teplo,

pretože teplo je forma energie súvisiaca s pohybom častíc danej sústavy telies. Teplo nie je

stavovou veličinou, lebo nezávisí na momentálnom stave, ale na celej histórii vývoja sústavy.

Teplota je jedna z mála veličín, ktoré sa nedajú merať priamo, ale len prostredníctvom iných

fyzikálnych veličín. Meranie teploty je meranie nepriame.

III.2 TEPLOTNÁ STUPNICA

III.2.1 Termodynamická teplotná stupnica (Kelvinova)

Je definovaná na základe účinnosti vratného Carnotovho cyklu. Účinnosť vratných

Carnotových cyklov pracujúcich medzi rovnakými kúpeľmi s určitými teplotami je závislá len

na týchto teplotách a nezávisí na použitej teplonosnej látke. Pre T2>T1 a Q2>Q1 platí vzťah

(16)

1

2

1

2

Q

Q

T

T = (

16)

Ak je teplonosnou látkou ideálny plyn, potom jeho termodynamický stav je popísaný

stavovou rovnicou ideálneho plynu (16)


21

TRVp m.. = (

17)

Pre izochorický dej, kedy V = konšt. platí pre plynový teplomer vzťah (18) :

00 p

pTT ⋅=

(

18)

Počiatok termodynamickej teplotnej stupnice je daný termodynamickou nulou.

Základnou jednotkou termodynamickej teploty je Kelvin (K). Jednotka bola definovaná ako

1/273.16 – tina termodynamickej teploty trojného bodu vody, ktorého teplota je 273.16 K

Základom teplotných stupníc je rad pevných bodov, ktorými sú teploty rovnovážnych

stavov medzi tuhou a kvapalnou fázou (alebo medzi kvapalinou a jej parou) vybratých látok pri

tlaku 0.1 MPa. Teploty v intervale medzi dvoma definovanými teplotami sa určujú

interpoláciou.

III.2.2 Celziova teplotná stupnica

bola odvodená od Kelvinovej termodynamickej stupnice posunutím o 273.15 K, čo je

hodnota o 0.01 K nižšia ako termodynamická teplota trojného bodu vody. Jednotkou je stupeň

Celzia (°C). Prepočet medzi termodynamickou a Celziovou stupnicou vyjadruje vzťah (19):

KTCt 15.273)( −=° (

19)

tiež platí, že

Tt ∆=∆ (

20)


22

III.2.3 Fahrenheitova (teplotná) stupnica

sa ešte stále používa v niektorých štátoch. Pre prevod na Fahrenheitovu teplotu platí

vzťah (21):

3259

67.45959

)( −⋅=−⋅=° tTFt (

21)

III.2.4 Medzinárodná teplotná stupnica ITS-90

Pre praktické merania bola v roku 1927 stanovená tzv. Medzinárodná praktická

teplotná stupnica (International Practical Temperature Scale – IPTS. Vznikla ako pomôcka pre

rýchlu kalibráciu meracích prístrojov, pretože plynová termometria je síce najpresnejšou, no

súčasne časovo a technicky veľmi náročnou metódou. Táto stupnica sa generálnymi

konferenciami pre miery a váhy doplňovala a upravovala. Posledná zmena má označenie ITS-

90 (The International Temperature Scale of 1990) je z roku 1990. ITS-90 je empirickou

teplotnou stupnicou, ktorú definuje 17 pevných teplotných bodov zodpovedajúcich

rovnovážnym stavom medzi fázami vybraných látok stanovených interpolačnými prístrojmi

pomocou interpolačných rovníc. Podľa interpolačných prístrojov je rozdelená do štyroch

rozsahov:

1. Rozsah 0.65 K do 5.0 K — tlak nasýtenej pary 3He alebo 4He

2. Rozsah 3 K do 24.556 K — izochorický tlak plynového teplomera naplneného 3He alebo

4He. Polynóm obsahuje konštanty závislé od použitého plynu.

3. Rozsah 13.8033 K do 1232.96 K — používa sa odporový Pt teplomer.

Navyše sa tento rozsah ďalej delí na štyri rozsahy do 273.16 K a na šesť rozsahov v intervale

od 273.16 K do 1232.96 K

4. Rozsah nad 1232.96 K je definovaný Planckovým vyžarovacím zákonom

Niektoré definičné pevné body ITS-90 sú v Tab.8.

Tab.8: Vybrané definičné teplotné body ITS-90


23

Teplota Látka Stav

T90 [K] t90 [°C]

13.8033 -259.3467 rovnovážny H2 trojný bod

273.16 0.01 H2O trojný bod

302.9146 29.7646 Ga bod tavenia

933.743 660.323 Al bod tuhnutia

1234.93 961.78 Ag bod tuhnutia

1337.33 1064.18 Au bod tuhnutia

Obr.8: Sfarbenie horúcich telies v tmavom

priestore.

III.3 SNÍMAČE TEPLOTY

Snímač teploty je funkčný prvok vstupného bloku meracieho reťazca, ktorý je v priamom

styku s meraným prostredím. Podľa fyzikálneho princípu sa snímače delia na odporové,

termoelektrické, polovodičové s prechodom P-N, dilatačné, optické, radiačné, chemické,

šumové, akustické, magnetické a ďalšie, ako sú napr. kapacitné, aerodynamické a pod. Podľa

styku s meracím prostredím ich ďalej delíme na dotykové a bezdotykové. Podľa vysielaného


24

signálu ich delíme na aktívne (napr. termoelektrické, dilatačné...) a pasívne (napr.

polovodičové, kapacitné...).

III.3.1 Termoelektrické články, Seebeckov jav

Princíp termoelektrických článkov spočíva vo využívaní tzv. Seebeckovho javu. Je to jav,

pri ktorom sa premieňa tepelná energia na elektrickú. Vzniká tým, že v teplejšej časti väčšiny

vodičov majú prevládajúci nositelia elektrického náboja vyššiu pohybovú energiu, a preto

majú tendenciu prenikať do miest chladnejších, t.j. s nižšou kinetickou energiou (nižšou

koncentráciou) nábojov. Veľkosť prevahy kladných alebo záporných nábojov, ktorú

označujeme ako Seebeckov koeficient je určená tzv. Fermiho hladinami. Tento koeficient

môže byť tiež nulový, pokiaľ je koncentrácia kladných aj záporných nábojov symetricky

rozložená voči Fermiho hladine. Polovodiče so zmiešanou P-N vodivosťou majú tento

koeficient malý. Z kovov majú skoro nulový koeficient cín a olovo.

Termoelektrický článok - termočlánok - určený na meranie teploty je tvorený dvojicou

materiálovo rôznych vodičov (polovodičov), ktoré sú na jednom konci vodivo spojené. Ak

tento merací spoj a voľné konce vodičov majú rozdielnu teplotu, vzniká v článku

termoelektrické napätie, úmerné rozdielu teplôt. Pre jeho vyjadrenie sa používa veličina

nazvaná elektromotorické napätie E [V]. Ak voľné konce vodičov udržiavame na známej

konštantnej teplote (vytvoríme tzv. studený, alebo tiež porovnávací spoj), z hodnoty

termoelektrického napätia zistíme teplotu meracieho spoja. Pre malý rozdiel medzi

studeným a teplým spojom možno určiť elektromotorické napätie podľa vzťahu (22).

).( BA ttE −= α (

22)

kde α je označenie pre Seebeckov koeficient

tA — teplota meracieho konca

tB — teplota studeného konca

Pre väčšie teplotné rozdiely medzi meracím a studeným koncom je potrebné

rešpektovať vzniknutú nelinearitu závislosti E = f(∆t) a použiť polynómy vyšších poriadkov,

pre ktoré platí všeobecný zápis podľa vzťahu (23).


25

in

ii tE .

0∑

=

= α (

23)

III.3.2 Pojmy súvisiace s meraním teploty termočlánkami

Porovnávacia teplota je teplota porovnávacieho spoja (studeného konca), t.j. svoriek

spojovacieho vedenia alebo indikačného prístroja, zosilňovača, termostatu a pod.

Kompenzačné vedenie sú dva vodiče (izolovaný kábel) z lacnejších kovov (Cu, Ni...),

určené na predĺženie vetiev termočlánku až po miesto, kde možno realizovať studený koniec.

V širokom intervale teplôt musí mať kompenzačné vedenie rovnaké termoelektrické

koeficienty ako príslušný termočlánok. Napr. pre termočlánok „S“ so zložením Pt-—PtRh10%+

sa používa kompenzačné vedenie zo zliatiny Cu+— (Cu 99.4 % Ni 0.6 %)- a označuje sa „U“

pre prevádzkové teploty od 0 do 50 °C. Ak porovnávací spoj možno umiestniť dostatočne

blízko miesta, kde sa meria teplota, kompenzačné vedenie sa vynecháva a konce

termočlánku sa pripevňujú priamo k svorkovnici porovnávacieho spoja. Teplota

porovnávacieho spoja musí byť konštantná. Najčastejšie sa volí teplota 0 °C, ktorá sa realizuje

zmesou ľadu a vody v termostatickej (Dewarovej) nádobe uzavretej vekom, cez ktoré

prechádzajú dve skúmavky ponorené v zmesi. Do skúmaviek sa vkladajú vždy po jednom

drôte termočlánku (prípadne predlžujúceho kompenzačného vodiča), na ktorý sa mechanicky

pripevní vždy jeden medený vodič tzv. spojovacieho vedenia. Tieto medené (najčastejšie

tienené) vodiče pripájajú k termočlánku merací prístroj. Niekedy sa volí teplota

porovnávacieho („studeného“) spoja 20 alebo 50 °C, ktoré sa udržiavajú pomocou

termostatu. Novšie meracie a regulačné prístroje sú vybavené elektronickou kompenzáciou

studeného konca, preto vytváranie nulového bodu nie je potrebné.

Spojovacie vedenie je dvojica najčastejšie izolovaných medených vodičov, ktoré sú vo

forme dvojžilového kábla, niekedy s tienením. Slúži pre pripojenie meracej sústavy

k porovnávaciemu koncu. Schéma termočlánku s prípojnými vedeniami je na Obr.9.


26

Obr.9: Schéma meracieho reťazca termoelektrického článku.

Ako meracie prístroje na meranie hodnoty termoelektrického napätia sa používajú buď

magnetoelektrické prístroje - milivoltmetre so stupnicou v mV alebo priamo v °C, alebo

číslicové prístroje (napr. MT 100, FLUKE, THERM a pod.), alebo pre presné merania

kompenzátory. Na milivoltmetroch bývajú prípadne viaceré stupnice s uvedením druhu

termočlánku, pre ktorý je stupnica kalibrovaná.

III.3.3 Hlavné druhy termočlánkov

Ako sme už spomenuli, termočlánky sa zhotovujú z dvojíc kovov alebo kovových zliatin. V

podstate každá kombinácia kovov či zliatin umožňuje vytvoriť termočlánok. Prakticky sa však

používajú určité konkrétne dvojice, volené podľa nasledujúcich požiadaviek:

- veľké termoelektrické napätie, ktoré sa plynulé mení s teplotou a nemení sa s časom,

- minimálny teplotný súčiniteľ odporu,

- dobré mechanické vlastnosti,

- dobrá odolnosť proti korózii,

- stálosť v určitých atmosférach.

Voľbu konkrétneho termočlánku pre určitú teplotnú oblasť z celkového rozsahu bežného

používania termočlánkov (t.j. od -180 °C po + 1800 °C) usmerňuje a zloženie termočlánkov udáva

STN 25 8312. Podstatné údaje sú zhrnuté v Tab.9 a Tab.10. Priebeh elektromotorickej sily v

závislosti od teploty v hlavných termočlánkových kovoch udáva Obr.10.

kompenzačné vedenie

merací

prístroj tR

Merací spoj tM

Vetvy termočlánku

porovnávací spoj s referenčnou teplotou

spojovacie vedenie

2


27

Obr.10: Priebeh elektromotorickej sily s teplotou vo vybratých kovoch a zliatinách.

Termočlánky z menej ušľachtilých kovov produkujú vyššiu elektromotorickú silu, sú

preto výhodné pre záznamy malých tepelných efektov. Na merania v oblasti vysokých teplôt

prichádzajú do úvahy len termočlánky z ušľachtilých kovov.


28

Tab.9: Meracie rozsahy a chemické zloženie vybraných typov termočlánkov.

Druh termočlánku Merací rozsah

[°C]

Zloženie kovu

+vetvy -vetvy

Platinaródium (10%) – platina

PtRh10 – Pt

(tzv. Le Chatelierov článok alebo L10)

300 - 1200 90 Pt

10 Rh

100 Pt

Platinaródium (30% Rh) – platinaródium (6 %

Rh)

PtRh30 – PtRh6, tiež L18

630 - 1800 70 Pt

30 Rh

94 Pt

6 Rh

Meď – meďnikel (kopel)

Cu – CuNi

- 200 - + 200 100 Cu 55 Cu

45 Ni

Meď – meďnikel (konštantán)

Cu – CuNi

0 - 400 100 Cu 58 Cu

42 Ni

Železo – meďnikel (konštantán)

Fe – CuNi

0 - 700 100 Fe 58 Cu

42 Ni

Niklchróm (chromel) – meďnikel (konštantán)

NiCr - CuNi

300 - 700 89 Ni

9,8 Cr

1,0 Fe

0,2 Mn

58 Cu

42 Ni

Niklchróm (chromel) – meďnikel (kopel)

NiCr - CuNi

300 - 600 89 Ni

9,8 Cr

1,0 Fe

0,2 Mn

55 Cu

45 Ni

Niklchróm (chromel) – nikelhliník (alumel)

NiCr – NiAl

(tzv. Hoskinsov článok)

300 - 1000 89 Ni

9,8 Cr

1,0 Fe

0,2 Mn

94 Ni

2 Al

1 Si

3 Mn

Ďalšie termoelektrické články

Platinairídium – platina

PtIr - Pt

300 - 1600 90 Pt

10 Ir

100 Pt

Ródiumrénium – ródium

RhRe - Rh

300 - 1900 92 Rh

8 Re

100 Pt

Molybden – Wolfram

Mo - W

1200 - 3000 100 Mo 100 W

Nikelchróm – nikel

NiCr – Ni

0 - 1200 89 Ni

9,8 Cr

1,0 Fe

100 Ni


29

0,2 Mn


30

Tab.10: Medzinárodné značenie najpoužívanejších termočlánkov a kompenzačných vedení.

Označenie +vetva - vetva

Termoelektrické napätie

[µµµµV/°C]

(Elektromotorická sila) EMF

Pracovný rozsah [°C]

Farebné značenie vodičov

kompenzačného vedenia

100°C 500°C 1000°C Trvalá Krátka

K Nikel-Chróm

„Chromel“

Nikel-Hliník

„Alumel“ 42 43 39 0 až ++++1100°C -180 až +1350°C

T Meď Meď-Nikel

„Konštantán“ 46 - - -185 až +300°C -250 až +400°C

J Železo Meď-Nikel

„Konštantán“ 46 56 59 +20 až +700°C -180 až +750°C

E Nikel-Chróm

„Chromel“

Meď-Nikel

„Konštantán“ 68 81 - 0 až +800°C -

R „PtRh13“

Platina-13% Ródium

Platina 8 10 11 0 až 1600°C -50 až +1700°C

S „PtRh10“

Platina-10% Ródium

Platina 8 9 11 0 až 1550°C -50 až +1700°C

B „PtRh18“

Platina-30% Ródium

Platina-6% Ródium 1 5 9 +100 až 1600°C +50 až 1750°C

U Meď Meď s nízkym obsahom

niklu

Používa sa ako kompenzačné vedenie pre termočlánky „S“ a „R“

v teplotnom rozsahu 0 až 50°C


31

III.3.4 Zhotovovanie a overovanie termočlánkov

Termočlánky sa najčastejšie zhotovujú z drôtov priemeru 0.35; 0.5 alebo 1.0 mm. Merací

spoj sa pre nízko teplotne používané termočlánky zhotovuje spájkovaním, pre vyššie teploty

zváraním. Pre termočlánky z platinových zliatin sa odporúča zváranie v kyslíkovom plameni.

Pri zváraní v elektrickom oblúku môžu vznikať na zvare nežiaduce karbidy. Používa sa aj

zváranie vo vákuu, prípadne pod tavivom (napr. bórax). Pred použitím sa odporúča

termočlánok stabilizovať viachodinovým žíhaním pri vhodnej teplote; napr. termočlánok

PtRh10 - Pt na teplotu 1450 °C. Vodiče termočlánku sa vzájomne od seba izolujú, zväčša

keramickými kapilárami. Do teploty asi 1400 °C sa na tieto účely používajú kapiláry zo

spekaného Al2O3 („oxal“), pre vyššie teploty zo spekaného stabilizovaného ZrO2. Pred

účinkami atmosféry (napr. oxidačnej alebo redukčnej) sa termočlánky zvyknú chrániť

umiestňovaním v uzavretých keramických trubiciach z obdobných materiálov. Ďalšie

podrobnosti uvádzajú STN 25 8385 a STN 25 8386.

V priebehu používania termočlánku sa menia jeho vlastnosti, a tým aj veľkosť

termoelektrického napätia. Hlavné dôvody zmien kvality termočlánku sú:

- trvalé používanie termočlánku pri teplotách vyšších, ako odporúča STN,

- mechanické namáhanie

- účinky pecnej atmosféry

Odchýlky spôsobené týmto "starnutím" termočlánku sa zisťujú jeho preskúšaním,

overením. Nové termočlánky sa zostavujú a overujú podľa pokynov noriem (STN 25 8311, 25

8312 a 25 8313); získajú sa tak tzv. sekundárne etalóny 1. a 2. poriadku, zhotovené zo

všeobecných a drahých kovov, ktoré sa používajú na meranie teploty. Závislosť

termoelektrického napätia etalónu od teploty sa skúša:

a) téglikovou metódou,

b) metódou malého množstva,

c) porovnávacou metódou

Presné postupy stanovenia udáva STN 25 8313. Ak sa overuje termočlánok samotný,

používa sa na meranie termoelektrického napätia kompenzačná metóda alebo milivoltmeter


32

s vysokým vstupným odporom. Výsledkom overovania je závislosť termoelektrického napätia

od teploty meracieho spoja pri konštantnej teplote porovnávacieho spoja.

Ak sa overuje zariadenie na meranie teplôt (t.j. termočlánok + porovnávací spoj + merací

prístroj), hovorí sa o ciachovaní. Výsledkom je závislosť údaja meracieho prístroja od teploty.

Grafickým spracovaním sa získa ciachovacia krivka zariadenia.

Pre prvý prípad, t.j. overenie termočlánkov, sa používa:

Základná metóda, t.j. metóda kalibrácie na teploty tuhnutia čistých kovov (etalónov podľa

IPTS 90). Chránený zvar termočlánku sa ponorí do grafitového téglika s roztaveným kovom

umiestneným v téglikovej peci a teplota sa programovaným spôsobom znižuje. Pri teplote

tuhnutia kovu sa na závislosti poklesu teploty od času objaví výdrž, trvajúca, pokým všetka

tavenina nezatuhne; potom teplota opäť klesá. V priebehu teplotnej výdrže sa zmeria

termoelektrické napätie termočlánku. Výdrž musí trvať aspoň 5 min, používajú sa kovy 4 - až

6 - deviatkovej čistoty, kovový kúpeľ musí mať dostatočný objem, aby zvar termočlánku bol

ponorený dostatočne hlboko. Treba zabrániť kontaminácii vodičov termočlánku kovom,

Metóda porovnania so štandardným termočlánkom. Zvary oboch termočlánkov sa tesne

vedľa seba zasunú do kovového, dobre tepelne vodivého bloku uloženého v peci. Pri

zvyšovaní teploty v peci sa zapisujú súčasne merané hodnoty termoelektrických napätí

oboch termočlánkov. Z údajov sa zostaví kalibračný graf.

Na overenie celého zariadenia na meranie teplôt sa pre bežné účely zväčša používa

modifikovaná základná metóda: ciachuje sa na body určitých premien vybratých látok.

Najčastejšie používané body sú zhrnuté v Tab.8. Použitím týchto látok sa značne zjednoduší

experimentálne usporiadanie; používajú sa platinové tégliky, nie je nebezpečenstvo

poškodenia termočlánku roztavenými kovmi. Používajú sa chemikálie čistoty p.a. Na správne

overenie celej zostavy sú potrebné tri body. Teploty medzi bodmi sa stanovujú interpoláciou. Ak

je teplotný interval medzi bodmi malý, možno použiť lineárnu interpoláciu.

Tab.11: Charakteristické termodynamické body niektorých látok používaných pri kalibrácii


33

termočlánkov.

Látka Teplota [°C] Charakteristický bod

voda

kyselina benzoová

naftalén

síra

K2SO4

100.0

122.36

218.0

444.6

583.0

var

trojný bod

var

var

modifikačná premena

Eutektikum NaCl – Na2SO4

KCl

NaCl

Na2SO4

NaF

K2SO4

627.0

770.0

800.4

884.7

997.5

1069.1

topenie

topenie

topenie

topenie

topenie

topenie

III.4 OPTICKÉ PYROMETRE

Optické pyrometre sú v podstate radiačné teplomery. Umožňujú merať teplotu zo

žiarenia vysielaného rozžeraveným telesom. Sú použiteľné v teplotnej oblasti od 520 do

3500 °C, polarizačné pyrometre až do 6000 - 7000 °C. Žeravé teleso vysiela do svojho okolia

tepelnú energiu žiarením krátkych elektromagnetických vín. Celková energia všetkých

vlnových dĺžok vyžiarená za 1 s sa nazýva žiarivý tok. Energia vyžiarená za jednotku času v

určitom smere do jednotkového priestorového uhla sa označuje ako žiarivosť. Optické

pyrometre sa rozdeľujú na tri skupiny;

III.4.1 Pyrometre využívajúce čiastočné žiarenie

Z celého spektra vysielaného žiariacim telesom sa monochromatickým filtrom vyčlení

úzky podiel určitej vlnovej dĺžky. Intenzita prepusteného žiarenia sa porovnáva s jasom

vlákna žiarovky napájanej pomocným jednosmerným zdrojom. V momente, keď vlákno

žiarovky zanikne v žiariacom pozadí, odčíta sa žeraviaci prúd miliampérmetrom, teplota sa

zistí z kalibračného grafu. Prístroj tzv. Morseovho typu je využiteľný pre rozsah teplôt od 700

do 2500 °C.


34

III.4.2 Pyrometre využívajúce celkové žiarenie

Tieto pyrometre zachycujú celé žiarenie vysielané žeravým telesom a prostredníctvom

šošovky ho koncentrujú na termočlánok. Jeho napätie sa odčíta citlivým milivoltmetrom.

III.4.3 Pyrometre farbové

Tieto pyrometre určujú teplotu z farby žiarenia vysielaného žeravým telesom, t.j. určujú

teplotu zo zloženia spektra. Presnosť a správnosť merania teploty optickými pyrometrami

môžu ovplyvňovať niektoré podmienky meraní:

• dymové plyny prítomné v priestore pece absorbujú časť žiarenia, teda znižujú teplotný

údaj pyrometra,

• pri meraní cez sklené priezory sa opäť znižujú namerané údaje.

Presnosť stanovenia teploty sa pre jednotlivé teplotné oblasti a pri rôznych prístrojoch líši,

zhruba sa však pohybuje v rozmedzí ± 0.5 až 2.5 % z meranej hodnoty teploty, čo je pre

prevádzkové podmienky vyhovujúce.

III.4.4 Termistory

Termistory sú odporové teplomery s polovodičovým snímačom. Zhotovujú sa obvykle vo

forme tyčiniek, doštičiek, rúrok a pod., ale najčastejšie vo forme perličiek priemeru 0.5 až

1.5 mm. Slúžia na meranie teplôt na zle prístupných miestach a sú vhodné na "bodové"

meranie teplôt. Východiskovými materiálmi pre zhotovenie termistorov sú rôzne oxidy

kovov s vlastnosťami polovodičov (NiO, UO2, Fe2O3 a pod.). Stredný teplotný súčiniteľ

elektrického odporu α majú záporný. Citlivosť termistorov je podstatne vyššia ako kovových

odporových teplomerov. Pri zvýšení teploty asi o 200 stupňov klesne odpor termistora o

niekoľko poriadkov (zatiaľ čo napr. odpor platiny vzrastie len na dvojnásobok). Termistormi

možno merať teplotné zmeny s presnosťou až 10-5 stupňa. Ich ďalšou výhodou je, že pre

svoju malú tepelnú kapacitu pracujú takmer bez zotrvačnosti.


35

III.5 ÚLOHY

III.5.1 Úloha č.1

III.5.1.1 Meranie teploty topenia a kryštalizácie o lova

Do téglika z Al2O3 vložíme vzorku (Pb s hmotnosťou asi 350 g), ktorej teplotu topenia

kryštalizácie budeme sledovať. Téglik sa umiestni do elektrickej odporovej peci s plynulou

reguláciou teploty. Na okraj téglika sa umiestni regulačný termočlánok (PtRh10-Pt) a do

objemu vzorky (holý merací koniec - guľôčka) sa umiestni merací termočlánok (NiCr-Ni).

Termočlánky sú uložené v kapilárach, resp. ochrannej trubici z Al2O3. Sleduje sa závislosť

teploty a času v priebehu ohrevu vzorky do teploty 370 °C, do Tab.12 sa zapisujú údaje

z jedného aj druhého termočlánku. Po dosiahnutí požadovanej teploty vzorky sa ohrev pece

vypne a pec sa nechá voľne chladnúť, pričom sa zase sleduje a zapisuje teplota vzorky na

meracom termočlánku. Získané údaje sa spracujú do grafu a vyhodnotia. Zistite teplotu

topenia a kryštalizácie čistého olova a porovnajte ju s tabuľkovou hodnotou. V diskusii sa

zamerajte na zistené nezrovnalosti.

Tab.12: Priebeh teploty Pb v závislosti na čase

Čas merania

[min]

Teplota na termočlánkoch [°C]

Regulačný

PtRh10 - Pt

Merací

NiCr - Ni

Poznámka

1´

2´

3´

atď.


36

III.5.2 Úloha č.2

III.5.2.1 Meranie teploty optickým pyrometrom

• optickým pyrometrom zmerať teploty MgO tehly vloženej do muflovej pece

• optickým pyrometrom odmerajte teplotu vlákna 100 W žiarovky

III.5.2.2 Diskusia výsledkov a záver




37


IV MERANIE POVRCHOVÉHO NAPÄTIA KVAPALÍN

IV.1 ZÁKLADNÉ POJMY

Povrchové napätie σ — je definované ako sila na jednotku dĺžky, ktorá musí byť

vynaložená na zväčšenie povrchu. Jednotkou je N.m-1 (10-3 N.m-1= 1 mN.m-1) a práca, ktorú

táto sila musí pri zväčšení povrchu vykonať, sa nazýva povrchová energia γ; číselne je

zhodná s povrchovým napätím.

Zmáčavosť — charakterizuje medzifázové napätie na rozhraní tuhého povrchu s kvapalinou,

je charakterizovaný uhlom zmáčania φ, hranicou zmáčavosti je 900 (φ < 900 < φ), ak je φ < 900

jedná sa o zmáčavosť.

IV.2 METÓDA LEŽIACEJ KVAPKY

Táto metóda sa používa najmä pri štúdiu zmáčavosti kvapalín, resp. štúdiu ich adhéznych

vlastností. Presný výpočet povrchového napätia z údajov získaných týmto postupom je dosť

zložitý, a preto sa používajú rôzne zjednodušujúce vzťahy. V podstate ide o určenie dotykového

uhla na rozhraní podložka - zatuhnutá kvapka - plynná atmosféra a o stanovenie objemu kvapky

známej hmotnosti pri určitej teplote.

Vzorka skla (napr. hranolček) známej hmotnosti sa umiestni na podložku a vloží do rúrovej

horizontálnej pece. V blízkosti vzorky možno pritom merať teplotu. Pri teplote, kedy vznikne

tavenina, temperujeme až do dosiahnutia ustáleného tvaru kvapky a kvapku v peci

odfotografujeme. Zo snímky sa vyhodnotia rozmery kvapky a dotykový uhol φ, pozri Obr.11.


38

Obr.11: Model ležiacej kvapky s vyznačením charakteristických parametrov.

Získané hodnoty sa použijú na výpočet povrchového napätia podľa zjednodušeného

postupu [Mack a Lee]. Pre dotykový uhol φ platí:

x

htg =

2

ϕ

(

24)

Objem kvapky V pri danej teplote je daný vzťahom pre výpočet objemu guľového odseku:

).3(6

23 xhhV +⋅= π [mm3] (25)

Kde m je hmotnosť kvapky v kg a V je objem kvapky pri danej teplote [m3].

Hustota kvapky je:

V

m=ρ [g.cm-3] (26)

Na základe uvedených hodnôt pre povrchové napätie platí:

ϕρσ

cos22

.. 2

−= hg

[N.m-1] (27)

Nevýhodou metódy je, že tvar kvapky je dosť ovplyvňovaný reliéfom podložky a zložením

atmosféry v peci pri experimente.

IV.2.1 Aditívny výpočet povrchového napätia

V úvode kapitoly bolo uvedené, že povrchové napätie rôzne chemické zložky kvapaliny

rozdielne ovplyvňujú. Aditívne výpočty sú preto vždy len približné a možno ich aplikovať len


39

pre zložky, ktoré málo ovplyvňujú povrchové napätie. Rôzni autori pri týchto výpočtoch

vychádzajú zo zloženia taveniny a zavádzajú určité faktory vystihujúce vlastnosti zložiek.

Príklady sú uvedené v Tab.13. Povrchové napätie sa vyčísli podľa vzťahu (28):

nn FpFpFp ...... 2211 +++=σ (

28)

Kde zloženie taveniny sa vyjadruje v hmotnostných alebo molových percentách pi (u jednotlivých

autorov vyznačené v Tab.13).

Tab.13: Niektoré faktory F pre aditívny výpočet povrchového napätia sklovín podľa rôznych

autorov (s uvedením, ako vyjadrujú zloženie skloviny).

Oxid Dietzel Lyon

[hm.%]

Rubenstein

[mol.%] pRED. mol.% hm.%

SiO2

ZrO2

Al2O3

MgO

CaO

BaO

Na2O

K2O

ZnO

3.4

4.7

3.4

5.8

4.7

4.0

2.2

0.7

5.0

3.4

4.1

6.2

6.6

4.8

3.7

1.5

0.1

4.7

3.25

4.1

5.98

5.77

4.92

3.5

1.27

0.0

4.7

3.2

6.5

10.0

3.85

4.42

8.8

1.29

0.0

6.2

Dietzelom zavedené tzv. redukované molové percentá oxidov sú dané výrazom:

pRED. = mol % RxOy . x

Napr. pre SiO2 x =1 potom pRED = mol.% × 1

Al2O3: x=2 pRED = mol.% × 2


40

IV.3 ÚLOHY

IV.3.1 Úloha č.1

a) porovnajte objem kvapky skutočný a vypočítaný

b) zistite povrchové napätie vody na vybraných povrchoch

c) zmerajte dotykové uhly vybraných povrchov s vodou a zistite, ktoré povrchy sú

zmáčavé a ktoré nezmáčavé s vodou.

Kvapka vody o známom objeme (hmotnosti) sa umiestni na podložku. Ako podložku

použite korund, sklo a grafit. V blízkosti vzorky možno pritom merať teplotu. Po dosiahnutí

ustáleného tvaru kvapky, kvapku odfotografujte. Zo snímky sa vyhodnotia rozmery kvapky a

dotykový uhol φ, podľa Obr.11. Na výpočet povrchového napätia vody použite zjednodušený

postup podľa Macka a Leeho.

IV.3.2 Úloha č.2

Porovnajte hodnoty aditívneho výpočtu povrchového napätia podľa rôznych autorov

(Tab.13), taveniny sústavy SiO2—Al2O3—CaO—MgO, ktorej chemické zloženie je nasledovné

[hm.%]:

SiO2 = 74 %, Al2O3 =12 %, CaO = 10 %, MgO = 4 %


41


V TERMICKÁ ANALÝZA

V.1 ZÁKLADNÉ POJMY

Termická analýza – súbor metód využívajúcich teplotu (napr. ohrev alebo ochladzovanie)

na sledovanie určitých fyzikálnych a chemických vlastností látok,

Priama termická analýza (TA) - metóda, pomocou ktorej sa meria teplota skúmanej látky

ako funkcia programovanej teploty, pričom je skúmaná látka vystavená zvolenému teplotnému

režimu,

Diferenčná termická analýza (DTA) - metóda, pomocou ktorej sa meria teplotný rozdiel

medzi skúmanou látkou a porovnávacím (referenčným) materiálom ako funkcia teploty, zatiaľ

čo skúmaná aj referenčná látka sú vystavené totožnému teplotnému režimu,

Termogravimetria (TG) - metóda, pomocou ktorej sa meria hmotnosť skúmanej vzorky ako

funkcia teploty, zatiaľ čo je skúmané látka vystavená kontrolovanému teplotnému programu,

Diferenčná termogravimetria (DTG) - vyjadruje závislosť rýchlosti zmeny hmotnosti vzorky

od teploty.

Termodilatometrická analýza (TDA – metóda pre sledovanie dĺžkových/objemových zmien

ako funkcie teploty. Skúmaná vzorku tvorí kompaktné teleso v tvare valčeka/hranolčeka

známej dĺžky. Zmenou teploty v čase sa sledujú jeho vratné a trvalé rozmerové zmeny, ktoré sa

dodatočne vyhodnocujú.


42

V.2 TEORETICKÁ ČASŤ ÚLOHY

V.2.1 Termická analýza

Metódy termickej analýzy patria k významným zdrojom informácií o vlastnostiach

pevných látok. Vo všeobecnosti sa ako termická analýza označuje súbor metód, pomocou

ktorých sa meria určitá fyzikálna vlastnosť skúmanej látky ako funkcia teploty, zatiaľ čo je

skúmaná látka vystavená známemu teplotnému programu. Tieto metódy majú použitie

predovšetkým ako identifikačné a kvalitatívne, ale v posledných rokoch sa uplatňuje v

rastúcej miere aj kvantitatívne využitie metód termickej analýzy. Keďže metódy termickej

analýzy sú zväčša metódy dynamické, treba výsledky analýz charakterizovať údajmi o

podmienkach merania; treba uviesť najmä:

• typ prístroja, prípadne použitú úpravu komerčného zariadenia,

• použité termočlánky,

• opis vzorky (pôvod, jej úpravy pred meraním),

• hmotnosť vzorky,

• rozmer, tvar a materiál téglikov, držiakov a pod.,

• použitý teplotný režim, t.j., určenie súradnicovej stupnice v jednotkách teploty, resp.

času,

• stupnicu pre sledovanú vlastnosť skúmanej látky (napr. zmeny hmotnosti v prípade

TG a pod.).

V.2.2 Priama termická analýza

Priama termická analýza je metóda, pomocou ktorej sa meria teplota skúmanej látky ako

funkcia programovanej teploty, pričom je skúmaná látka vystavená zvolenému teplotnému

režimu. Poväčšine sa pracuje pri regulovanom ochladzovaní roztopenej vzorky, vznik tuhej

fázy sa prejavuje zmenami smernice krivky poklesu teploty vzorky pri chladiacom režime.

Týmto spôsobom sa získavajú najmä údaje pre konštrukciu fázových diagramov a využíva sa pri

kalibrácii termočlánkov.


43

V.2.3 Diferenčná termická analýza

Diferenčná termická analýza (DTA) je metóda, pomocou ktorej sa meria teplotný rozdiel

medzi skúmanou látkou a porovnávacím (referenčným) materiálom ako funkcia teploty,

zatiaľ čo skúmaná aj referenčná látka sú vystavené totožnému teplotnému režimu. Teplota

sa pri DTA meria termočlánkami, rozdiel teplôt medzi vzorkou (T) a referenčným materiálom

(T ) sa meria referenčným termočlánkom v tzv. diferenčnom zapojení. Príklady možnosti

realizácie týchto zapojení sú na Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov..

1 – téglik so vzorkou,

2- téglik s referenčným materiálom, rámček predstavuje vyhrievaný priestor

Obr.12: Schéma niektorých možností zapojenia termočlánkov u DTA

Pre zaznamenanie teplotného efektu nie je rozhodujúce celkové množstvo uvoľneného

tepla, ale množstvo tepla, ktoré sa uvoľní za časovú jednotku (dQ/dT). Touto veličinou sa tiež

hodnotí citlivosť zariadenia. Ako referenčný materiál sa volí látka, ktorá v meracom intervale

teplôt nevykazuje žiadne chemické ani fyzikálne zmeny spojené s termickým efektom a ktorá

by mala mať podobnú teplotnú vodivosť ako vzorka. Najčastejšie sa používa čistý, vopred

vyžíhaný α-Al2O3, prípadne MgO.

Pri popise krivky DTA sa používajú tieto pojmy (Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj

odkazov.):

• základná čiara - časti krivky, kde približne platí, že rozdiel teplôt ΔT = 0 (úseky AB,

DE),

• výchylka alebo pík - časť krivky, ktorá sa odchyľuje a opäť vracia k základnej čiare

(úsek BCD),


44

• endoterma - výchylka, pri ktorej Tvz < Tr , teda ΔT < 0,

• exoterma - výchylka, pri ktorej Tvz> Tr, t.j. ΔT > 0,

• šírka výchylky - teplotný alebo časový interval medzi bodom odklonu a bodom

návratu k základnej čiare (body B a D),

• výška výchylky - časť kolmice spustenej na teplotnú alebo časovú os, ktorá je

vymedzená interpolovanou základnou čiarou a maximom výchylky (CF),

• plocha výchylky - plocha vymedzená interpolovanou základnou čiarou a výchylkou

(BCDB),

• extrapolovaný začiatok - priesečník dotyčnice vedenej bodom najväčšieho spádu na

nábehovej časti výchylky a extrapolovanou základnou čiarou; obdobne sa určuje

koniec výchylky.


45

Kvalita záznamu procesov, ktoré prebiehajú pri tepelnom spracovaní vzorky, značne závisí

od usporiadania vlastnej meracej časti DTA zariadenia. Vzorka a referenčný materiál sa

umiestňujú pre analýzu do kovových alebo keramických téglikov, ktoré sú vo vyhrievanom

priestore voľne uložené, alebo umiestnené v masívnom bloku. Okrem veľkosti a tvaru

téglikov je pre citlivosť záznamu dôležité umiestnenie termočlánkov. Zvary termočlánkov sú

buď priamo v kontakte so vzorkou a referenčnou látkou, alebo vo vonkajšom kontakte s tég-

likmi. Teplota sa meria obvykle v referenčnom materiáli alebo v bloku. Celkové usporiadanie

musí byť symetrické, tzv. nulová krivka (záznam ohrevu referenčného materiálu v obidvoch

téglikoch) nesmie vykazovať žiadne efekty ani trvalé vzrastanie rozdielu teplôt medzi

obidvoma téglikmi.

Od rýchlosti vzrastu teploty pri analýze závisí teplotná oblasť výskytu konkrétnej výchylky

na krivke DTA. Pri rýchlejšom ohreve sa výchylky a najmä ich maximá posunujú k vyšším

teplotám. Na reprodukovateľnosť DTA meraní vplývajú najmä:

• zloženie a rýchlosť prúdenia plynnej fázy v okolí vzorky,

• návažok a objem vzorky,

• granulometria vzorky,

• spôsob uloženia vzorky v tégliku.

Hlavné oblasti kvalitatívneho využitia metódy DTA sú:

1. Identifikácia látok na základe charakteristických teplôt maxím konkrétnych

endotermických alebo exotermických procesov. Na základe známych DTA kriviek

čistých látok možno určiť prítomnosť týchto látok v zmesi

2. Získanie znalostí o termickom správaní sa látok, najmä o priebehu reakcií v tuhej fáze,

polymorfných premenách vo vysokoteplotnej oblasti a pod. Prehľad fyzikálnych a

chemických procesov, ktoré môžu byť podstatou výchylky na DTA krivke, je uvedený

v Tab.14.

Obr.13: Schematická krivka.


46

Prístroje pre DTA sa preto kalibrujú na základe použitia medzinárodne odporúčaných

štandardov. Pre oblasti vyšších teplôt, využívané aj v chémii a technológii silikátov, sú to

štandardy uvedené v Tab.14.

Tab.14: Štandardy pre kalibráciu DTA zariadení.

Látka Proces

Rovnov. tepl.

procesu

[°C]

Extrapolovaná

počiatočná

teplota

[°C]

KNO3 polymorf. premena 127.7 128 ± 5

In topenie 165.6 154 ± 6

Sn topenie 231.9 230 ± 5

KClO4 polymorf. premena 299.5 299 ± 6

Ag2SO4 polymorf. premena 424 424 ± 7

SiO2 polymorf. premena 573 571 ± 5

K2SO4 polymorf. premena 583 582 ± 7

K2Cr04 polymorf. premena 665 665 ± 7

BaC03 rozklad 810 808 ± 8 SrC03 rozklad 925 928 ± 7

Tab.15: Termodynamické procesy identifikovateľné pomocou DTA kriviek.

Fyzikálne procesy Endotermické Exotermické

Kryštalizácia

Topenie

Vyparovanie

Sublimácia

Adsorpcia

Desorpcia

Absorpcia

Premena pri Curieho bode

Polymorfná premena

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Chemické procesy Endotermické Exotermické

Chemisorpcia

Dehydratácia

+

+


47

Rozklad

Oxidačný rozklad

Oxidácia v plynnej

atmosfére

Redukcia v plynnej

atmosfére

Oxidačno-redukčná reakcia

Reakcia v tuhej fáze

Polymerizácia

+

+

+

+

+

+

+

+

+

V.2.4 Termogravimetria

Termogravimetria (TG) je metóda, pomocou ktorej sa meria hmotnosť skúmanej vzorky ako

funkcia teploty, zatiaľ čo je skúmané látka vystavená kontrolovanému teplotnému programu.

Podstatou zariadenia, tzv. termováh, sú teda okrem pecnej časti s regulovateľným

programom ohrevu vzorky a termočlánku snímajúceho teplotu vzorky, váhy s nosičom vzorky a

možnosťou plynulej registrácie hmotnosti; m = f (T), resp. f (t). Správnosť, presnosť a citlivosť

termogravimetrických stanovení sú ovplyvňované viacerými parametrami termováh a

vlastnosťami vzorky, napr.:

• citlivosť, presnosť a zotrvačnosť mechanizmov vážiaceho a registračného zariadenia,

• zloženie pecnej atmosféry a rýchlosť jej prúdenia okolo vzorky,

• rýchlosť zmeny teploty pri analýze,

• spôsob merania teploty vzorky,

• množstvo, granulometria a úprava vzorky,

• tepelná vodivosť vzorky, súčiniteľ prestupu tepla zo steny téglika do vzorky a pod.

Súbežne s TG väčšina komerčných zariadení zaznamenáva krivku DTG, t.j. diferenčnú

termogravimetrickú krivku, ktorá vyjadruje závislosť rýchlosti zmeny hmotnosti vzorky od

teploty (t.j. dm/dt = f (T) alebo f (t)). Pomocou krivky DTG možno presnejšie vyhodnotiť

teplotné intervaly hmotnostných zmien, zaregistrovaných primárnou krivkou TG.


48

Termogravimetrický záznam sa

vyhodnocuje tak, že začiatok a koniec

konkrétneho deja spojeného s

hmotnostnou zmenou sa určí podľa

začiatku a konca DTG výchylky (t.j. miest

"nulovej" rýchlosti tohto deja). Maximum

na krivke DTG zodpovedá inflexnému bodu

TG krivky. Získajú sa tak údaje o veľkosti

hmotnostných zmien vzorky a o tom, v

ktorom teplotnom intervale tieto zmeny na-

stávajú, a súčasne aj údaj o čase trvania pro-

cesu charakterizovaného príslušnou

hmotnostnou zmenou, samozrejme, za

daných podmienok merania (t.j. rýchlosť

ohrevu atď.). Podiel zmeny hmotnosti Δm

a časového intervalu Δt udáva priemernú

rýchlosť procesu za určitých podmienok

experimentu. Krivka DTG je množina bodov momentálnych rýchlostí príslušných reakcií

(spojených s hmotnostnými zmenami). Pri známych parametroch merania možno vyhodnotiť z

tejto krivky rýchlosť v ľubovoľnom bode, napr. maximálnu rýchlosť v určitom maxime krivky

DTG.

Výsledky TG meraní sa používajú na posúdenie tepelnej degradácie alebo opačne syntézy

látok, hodnotenie čistoty, prípadne zastúpenia fáz, určenie kinetických parametrov procesov

pri použitých teplotných režimoch a pod.

Určitou nevýhodou klasického usporiadania termogravimetrických meraní je ovplyvnenie

šírky teplotného intervalu hmotnostnej zmeny dynamickými podmienkami experimentu.

Najmä pri väčších hmotnostných zmenách je teplota začiatku procesu pri bežnom spôsobe

merania značne odlišná od dosiahnutej teploty ukončenia procesu. Na eliminovanie týchto

vplyvov sa používajú termováhy pracujúce v tzv. kvaziizotermickom režime. Jeho podstata je v

tom, že vzorka sa ohrieva dosť veľkou rýchlosťou (napr. 20 °C min-1) až do zaregistrovania

počiatku hmotnostnej zmeny vzorky. V tomto momente sa automaticky zmení zahrievací

Obr.14: Záznam TG a DTG kriviek


49

režim, takže proces bude prebiehať za kvaziizotermických podmienok až do jeho ukončenia.

Rýchlosť vzrastu teploty v kvaziizotermlckej oblasti je programovateľná v závislosti od

rýchlosti hmotnostnej zmeny vzorky.

Ďalšími konštrukčnými úpravami, konkrétne použitím tzv. labyrintového tégliku, možno

realizovať termogravimetrické meranie za kvaziizobarických podmienok, umožňujúcich

presnejšie určenie počiatku procesu spojeného so zmenou hmotnosti a vznikom prchavého

produktu. Pri tomto usporiadaní sa v prostredí nad vzorkou dosahuje parciálny tlak reakčných

plynných zložiek približne 0.1 MPa.

V.2.5 Ďalšie metódy termickej analýzy

1. Termodilatometria (dilatometria) je metóda, pomocou ktorej sa meria rozmer

skúmanej vzorky ako funkcia teploty, pričom vzorka je vystavená kontrolovanému

teplotnému režimu. Podstatnou podmienkou merania je, že vzorka musí byť voľne položená

na podložke a nesmie byť zaťažená. Metoda sa používa napr. v technológii jemnej i hrubej

keramiky, pri hodnotení žiaruvzdorných materiálov, pri posudzovaní vlastností skiel a pod.

Východiskovým tvarom analyzovanej vzorky býva trámček alebo valček, ktorých rozmery sú

dané parametrami dilatometra.

2. Termomechanická analýza (TMA) je predstavovaná súborom metód, pomocou ktorých sa

meria deformácia skúmanej vzorky ako funkcia teploty, pričom vzorka je vystavená známemu

teplotnému režimu. Na rozdiel od predchádzajúcej metódy je v tomto prípade vzorka počas

analýzy pod určitým stálym, neoscilujúcim tlakom. Tieto metódy sa používajú najmä na hodno-

tenie žiaruvzdorných keramických materiáloví rozmery vzoriek stanovujú príslušné normové

predpisy, napr. valec priemeru a výšky 5 cm a pod.

3. Envolved gas detection (EGD) - metódy založené na detekcii, resp. analýze plynov; zisťujú

uvoľňovanie plynu zo vzorky ako funkciu teploty, pričom je vzorka vystavená kontrolovanému

teplotnému režimu. Plyn sa deteguje napr. volumetricky, t.j. zistením objemu vzniknutého

plynu (pri konštantnom tlaku) alebo častejšie meraním tlaku v uzavretom objeme aparatúry

nad vzorkou. Metódami EGA (evolved gas analysis) sa meria kvantita, ale aj kvalita prchavých

produktov ako funkcia teploty, pričom vzorka je vystavená zvolenému teplotnému režimu.

Na jednotlivých komerčných zariadeniach sa reakčné prchavé zložky zväčša analyzujú v

napojenom plynovom chromatografe.


50

4. Emanačná termická analýza (ETA) - metóda, pomocou ktorej sa meria uvoľňovaná

rádioaktívna emanácia (t.j. rádioaktívny izotop vzácneho plynu - argónu) z upravenej vzorky

skúmanej látky ako funkcia teploty, pričom je vzorka vystavená zvolenému teplotnému

programu. Pri klasickej ETA rádioaktívny izotop argónu vo vzorke vzniká v dôsledku

rádioaktívneho rozpadu do nej vopred včleneného materského nuklidu, najčastejšie Th228

( 220224228 RnRaTh →→ αα ). Rádioaktívna emanácia 220Rn sa pri zahrievaní vzorky z nej

difúzne uvoľňuje nielen v dôsledku veľkých štrukturálnych zmien vzorky (napr. pri

polymorfnej premene), ale aj v dôsledku jemných zmien štruktúry, ako je vyhojovanie

defektov, pohyb vakancií a pod. Metóda je teda schopná registrovať ináč veľmi ťažko

detegovateľné zmeny pevných látok spôsobené ich ohrevom. Nevýhodou klasickej ETA je

krátky polčas rozpadu 220Rn a jeho značná rádioaktivita, pre ktorú sú na realizáciu meraní

potrebné určité opatrenia zaručujúce bezpečnosť práce a ochranu zdravia.

Významnou modifikáciou metódy ETA je postup, pri ktorom do študovanej pevnej látky je

ostreľovaním alebo difúzne priamo včlenený rádioaktívny aerogén, napr. 85Kr alebo 132Xe .

Zmeny vzorky pri jej zahrievaní sa opäť detegujú meraním rádioaktivity plynu uvoľňujúceho

sa zo vzorky. Výhodné je, že napr. 85Kr má polčas rozpadu 10.3 rokov a je veľmi slabý β -

žiarič, preto práca s ním nevyžaduje nákladné ochranné zariadenia.

5. Diferenčná snímacia kalorimetria (DSC) - nazývaná aj entalpická termická analýza,

alebo kompenzačná dynamická kalorimetria - je metóda, pomocou ktorej sa meria rozdiel

elektrických príkonov, dodávaných na izotermický ohrev skúmanej vzorky a referenčného

materiálu ako funkcia teploty, pričom skúmaná látka a referenčný materiál sú vystavené

totožnému teplotnému programu. Teplota, aj rozdiel teplôt medzi vzorkou a porovnávacím

materiálom ako podklad pre reguláciu elektrických príkonov, sa merajú platinovými

odporovými teplomermi. Na merania sa používajú veľmi malé množstvá vzorky (mg),

ukladajú sa na kovové fólie a merania prebiehajú pri vysokých teplotách ohrevu (až

80°C.min-1). Kalibrácia sa robí pomocou α – Al2O3, pri ktorom je známe špecifické teplo aj

jeho teplotná závislosť. Metóda DSC so používa napr. na meranie izobarických tepelných

kapacít, entalpií fázových premien, na posúdenie čistoty látok, na štúdium kinetiky

kryštalizácie materiálov a pod.


51

V.3 ÚLOHY

Náplňou cvičenia je vyhodnotiť termogravimetrický záznam na základe teoretických

poznatkov uvedených v predchádzajúcej kapitole. Cieľom cvičenia je získať vedomosti

o fyzikálnych a chemických vlastnostiach vzoriek reálnych látok prebiehajúcich pri ich

ohreve, resp. ochladzovaní, nacvičiť postup vyhodnocovania a interpretovať výsledky

meraní.

V.3.1 Úloha č.1

V.3.1.1 Vyhodnotenie TG a DTA záznamu dodanej látky .

Pri popise krivky DTA používajte pojmy a určovanie príslušných bodov podľa obr.V.2:

termický charakter procesu, jeho počiatočnú a konečné teplotu, maximálnu alebo minimálnu

teplotu procesu atď.

Z termogravimetrického (TG) záznamu zistite zmeny hmotnosti látky spôsobené jej

ohrevom, resp. ochladzovaním.

Na základe chemickej analýzy látky a záznamov DTA a TG sa pokúste identifikovať

fyzikálne a chemické deje prebiehajúce pri ohreve, resp. chladnutí príslušnej látky podľa

pojmov v Tab.15.


VI SUŠENIE KERAMIKY

Sušenie keramiky je energeticky i technologicky náročný proces, ktorý môže spotrebovať

až 30 % celkovej energie potrebnej pre zhotovenie konečné ho výrobku. Okrem požiadaviek

na efektívnosť a ekonomiku je nevyhnutnou podmienkou riadenia sušenia aj zachovanie

tvaru a celistvosti výlisku.


52

VI.1 VLHKOSŤ KERAMICKÉHO MATERIÁLU

Sušený materiál možno považovať za dvojzložkovú sústavu pozostávajúcu zo sušiny

a vlhkosti. Sušina je disperzné prostredie a kvapalná fáza je v ňom rozptýlená. Táto sústava

sa môže vyskytovať v dvoch hraničných stavoch:

1. sušina tvorí pevný pórovitý skelet, v ktorom je homogénne rozptýlená kvapalná fáza

(vlhkosť),

2. sušina je tvorená nepórovitými tuhými časticami, pričom kvapalná fáza (vlhkosť) je

adsorbovaná na ich povrchu

Reálne, vlhké keramické teleso predstavuje sústavu nachádzajúcu sa niekde medzi týmito

dvoma stavmi. Vlhkosť materiálu W v % je definovaná vzťahom (29):

%100)(

⋅−

=w

mw

m

mmW

(

29)

kde mw je hmotnosť vlhkého materiálu [kg]

mm je hmotnosť suchého materiálu [kg] sušeného pri 105 °C do konštantnej

hmotnosti

Ak je hmotnosť vlhkosti vztiahnutá k vysušenému materiálu, potom sa jedná o vlhkostný

pomer w v %, ktorý je definovaný vzťahom (30):

%100)(

⋅−

=m

mw

m

mmw

(

30)

Prepočítať vlhkosť na vlhkostný pomer a naopak je možné podľa vzťahu (31) a (32):

w

wW

+=

100

.100

(

31)

W

Ww

−=

100

.100

(

32)

Vlhkosť v keramickom materiáli je podľa svojho charakteru viazaná rôznymi spôsobmi.

Voľná vlhkosť oddeľujúca pevné častice od seba, má prakticky nulovú väzbovú energiu,


53

kapilárna vlhkosť je viazaná fyzikálnou väzbou a adsorpčná vlhkosť je viazaná pevnejšou

fyzikálno-chemickou väzbou .

VI.2 SUŠENIE

Sušenie je fyzikálny proces, pri ktorom sa pôsobením dodávanej (tepelnej) energie znižuje

obsah vlhkosti bez zmeny jeho chemických vlastností. Spravidla sa jedná o vyparovanie vody

pod teplotou varu.

Vonkajšie podmienky sušenia sú charakterizované teplotou, vlhkosťou, tlakom

a prúdením sušiaceho prostredia. Významný vplyv na priebeh sušenia má aj veľkosť a tvar

sušeného telesa.

Vnútorné podmienky sú definované vlastnosťami sušeného materiálu; vlhkosťou,

spôsobom viazania vlhkosti, transportom vlhkosti, tepelné vlastnosti a chovanie sa materiálu

pri sušení.

VI.2.1 Dynamika sušenia – rýchlosť sušenia

Priebeh sušenia telesa z keramického materiálu je možné vysvetliť na modeli telesa

v tvare nekonečnej dosky pri konštantnom režime sušenia. To znamená, že teplota ts =

konšt., rýchlosť prúdenia v = konšt. a vlhkosť sušiaceho prostredia ϕ =konšt. a zároveň

<100%.

Počiatočný stav vlhkého telesa vyhotoveného z keramických materiálov je definovaný

počiatočnou vlhkosťou W0 a teplotou v objeme telesa. Počiatočná vlhkosť telesa je spravidla

omnoho vyššia, než maximálna hygroskopická vlhkosť sušiaceho prostredia Wmax.hygr.

a teplota t0 nižšia, ako teplota sušiaceho média ts. Priebeh sušenia je možné rozdeliť do troch

časových úsekov, viď. Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov..


54

W — vlhkosť materiálu,

m’ — rýchlosť sušenia

WK — kritická vlhkosť materiálu

tp — teplota povrchu telesa

tc — teplota stredu telesa

tm — teplota mokrého teplomera

ts—teplota suchého teplomera (média)

Wr — rovnovážna vlhkosť telesa

Obr.15: Schematické znázornenie priebehu sušenia keramického telesa v tvare nekonečnej

dosky pri konštantných podmienkach sušenia.

Krivka 1 znamená závislosť vlhkosti na dobe sušenia W= f(τ).

Krivka 2 je grafické znázornenie závislosti teploty telesa t na dobe sušenia.

Krivka 3 je závislosť rýchlosti sušenia m’ na dobe sušenia.

Úsek I je doba ohrevu telesa. Počas tohto obdobia sa povrch telesa ohrieva rýchlejšie, ako

jeho stred. Rastie rýchlosť sušenia a začína klesať vlhkosť materiálu. Po vyrovnaní teploty

povrchu a teploty stredu sa jeho teplota rovná teplote mokrého teplomeru, t.j. teplote

adiabaticky nasýteného vzduchu.

Úsek II je dobou konštantnej teploty telesa a konštantnej rýchlosti sušenia. Voľná vlhkosť

zo stredu materiálu prechádza na jeho povrch a odparuje sa. Teplota telesa zostáva prakticky

nezmenená. Pri nízkych rýchlostiach sušenia keramiky bývajú aj teplotné gradienty vo

vnútri telesa malé. S úbytkom vlhkosti dochádza k zmršťovaniu telesa. Zmršťovanie prebieha

až do kritickej hodnoty vlhkosti WK označenej bodom K.


55

Úsek III vyjadruje pokles rýchlosti sušenia. Začína sa zvyšovať teplota telesa až na teplotu

sušiaceho média (teplota suchého teplomera). Transport vlhkosti k povrchu sa spomaľuje,

čím vzniká teplotný gradient medzi teplotou povrchu a teplotou stredu. Vlhkosť sa

koncentruje do stredu telesa.

Úsek IV je oblasť, kedy teleso dosiahlo rovnovážnu hodnotu vlhkosti. Tu sušenie skončí.

Dosiahne sa rovnovážnej vlhkosti WK. Táto vlhkosť je fyzikálno-chemickej povahy a je viazaná

na povrchu vo vnútri aj na vonkajšku telesa.

Najvýznamnejším časovým úsekom pri sušení je úsek II, počas ktorého dochádza

k dramatickým objemovým zmenám v sušenom telese. Tieto spôsobujú v telese vnútorné

napätia, ktoré môžu vyvolať deformáciu. Ak je toto napätie väčšie, než pevnosť materiálu,

vzniknú v telese trhliny. Základnou požiadavkou je minimalizovať teplotný gradient v telese

počas sušenia a zabezpečiť, aby rýchlosť sušenia m’ bola rovnaká ako rýchlosť transportu

vlhkosti na povrch j telesa. Veľkosť vznikajúcich napätí je závislá na rýchlosti sušenia a tá je

závislá na parametroch sušiaceho prostredia podľa vzťahu (33).

r

ttm msp ).(

'−

=α

(

33)

αp— súčiniteľ prestupu tepla,

(ts – tm) — teplotný rozdiel suchého a mokrého teplomeru sušiaceho prostredia, tzv.

psychrometrická depresia, ktorá udáva relatívnu vlhkosť vzduchu ϕ, r— výparné teplo vody

Rýchlosť transportu vlhkosti j na povrch telesa je charakterizovaná vzťahom (34).

L

WWDj pcs ).(..4 −

=ρ

(

34)

D — difúzny koeficient vlhkosti v sušenom matriále,

ρs — hustota suchého materiálu,

(Wc-Wp) — rozdiel vlhkosti v strede a na povrchu telesa, gradient vlhkosti,

L — hrúbka telesa

K zisteniu správania sa keramických telies pri sušení sa používa niekoľko jednoduchých

skúšobných testov. Najčastejšie sa používa metóda tzv. Bigotovej krivky, ktorá umožňuje


56

kritický bod

W

Wbezpečná oblasť

nebezpečná oblasť

určiť závislosť lineárneho zmrštenia telesa sušením Zs na jeho vlhkosti W. Zmrštenie je

definované vzťahom (35) identickým pre trvalé dĺžkové zmeny.

0

0 )(

l

llZ s

−=

(

35)

l0 — počiatočná dĺžka vlhkého telesa,

l — dĺžka telesa pri zistenej vlhkosti počas sušenia

Zo zostrojenej Bigotovej krivky na Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov. je možné

potom stanoviť kritickú vlhkosť WK, celkové zmrštenie telesa Ss a tzv. koeficient citlivosti na

sušenie.

W [%]

Zmrštenie Zs [%

Obr.16: Bigotova krivka

Z Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov. je vidno, že pri sušení telesa s vyšším

obsahom vlhkosti ako je kritická, dochádza k jeho zmršťovaniu až do doby, kedy dosiahne

hranicu kritickej vlhkosti. Táto oblasť je z hľadiska sušenia nebezpečná. Za bezpečnú oblasť

možno považovať sušenie telesa s podkritickou vlhkosťou. Pomer obsahov vlhkostí

zodpovedajúcim obom oblastiam vyjadruje koeficient citlivosti materiálu na sušenie kc

definovaný vzťahom (36).

2

1

W

Wkc =

(

36)


57

Koeficient citlivosti umožňuje porovnať keramické materiály z hľadiska citlivosti na proces

sušenia:

kc < 1.2 považuje sa materiál za málo citlivý na sušenie

kc = 1.2 ÷ 1.7 materiál je stredne citlivý na sušenie

kc > 1.7 materiál je veľmi citlivý na sušenie

VI.3 ÚLOHY

VI.3.1 Určite citlivosť vlhkej keramickej hmoty na sušenie.

Postup stanovenia: Hmotu vtlačíme do formy, vyberieme, zvážime jej hmotnosť

a zmeriame dĺžku. Vložíme do sušiarne vyhriatej na 105 °C. Stanovíme časové úseky, pri

ktorých budeme teleso vyberať zo sušiarne a merať jeho hmotnosť a rozmery až do

okamihu, kedy sa už jeho hmotnosť nebude meniť. Namerané hodnoty vpíšeme do

tabuľky, zostrojíme Bigotovu krivku a vypočítame citlivosť na sušenie.


58

LABORATÓRNE CVIČENIE Č.7

VII TVORBA TVAROVACÍCH ZMESÍ, ZHUTŇOVANIE A VÝPAL

VII.1 ZÁKLADNÉ POJMY

Zrnitosť – vlastnosť zrnitých materiálov vyjadrená kvantitatívnym zložením prítomných

zŕn podľa veľkosti, t.j. granulometrické zloženie zrnitého materiálu, ktoré charakterizuje

stupeň vyplnenia priestoru.

Frakcia – súhrn rôzne veľkých zŕn v rozmedzí dvoch kontrolných sít, zadržaných jemnejším

sitom ale prepadajúcich hrubším sitom.

„Matrix“ – zrnitostná trieda (frakcia) s veľkosťami častíc pod 0.09 mm, 0.06 mm alebo

0.04 mm bez ďalšieho rozdelenia v oblastiach pod uvedené rozmery.

Lisovanie – zhutňovanie tvarovacích zmesí vo formách pôsobením tlaku

Spekanie – dej prebiehajúci v telesách alebo útvaroch skladajúcich sa z viacerých

drobných vzájomne sa dotýkajúcich častíc pri zvýšenej teplote ale pod bodom topenia.

VII.2 TVORBA TVAROVACÍCH ZMESÍ

Výroba žiaruvzdorných materiálov sa skladá z dvoch samostatných úsekov. Na prvom sa

vyrábajú spekané poloprodukty výpalom koncentrátov z fyzikálnej úpravy suroviny alebo z jej

spracovania mokrými chemickými postupmi. Na nasledujúcom úseku sa poloprodukty drvia,

sčasti rozomieľajú. Osievaním sa pripravujú rôzne zrnitostné triedy, z ktorých sa skladajú

netvarované výrobky alebo tvarovacie zmesi na zhotovovanie výliskov, nadobúdajúcich konečný

tvar i vlastnosti výrobkov pomocou spojív po vytvrdení alebo výpalom.

Suroviny, ktoré pri vysokých teplotách prakticky nemenia svoj objem, vstupujú do výroby

tvarovaných a netvarovaných materiálov tepelne nespracované, nepálené. Používajú sa aj

zmesi viacerých základných materiálov a surovín vrátane tavených a vláknitých.

Prvoradým zámerom pri skladaní zrnitostných tried do tvarovacích zmesí je docieliť tesné

usporiadanie častíc a vysoký stupeň vyplnenia priestoru. Táto zásada platí všeobecne s

výnimkou tepelnoizolačných a účelovo priedušných materiálov.

Najčastejšie sa používajú trojzložkové tvarovacie zmesi, pripravené zo zrnitostných

tried získaných osievaním drviny a z matrixu vyhotoveného rozomletím jednej z frakcií alebo

z inej látky. Poloha najmenšej pórovitosti výliskov v sústave troch zložiek - hrubozrnnej,


59

strednej a matrixu - zodpovedá pomeru v poradí : 46/18/36. V praxi sú bežné skladby najmä

50/15/35. Na Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov. je ternárny diagram zloženia

trojzložkovej zmesi, z ktorého je zrejmé, že najnižšie pórovitosti sa dosahujú v oblasti

s obsahom strednej frakcie do 18 %. Často sa v praxi možno stretnúť s tzv. prerušenou

zrnitostnou krivkou, kedy stredná trieda chýba úplne.

Obr.17: Oblasť najnižších pórovitostí (H) výliskov pripravených z

hrubozrnnej frakcie (HR), strednej frakcie (STR) a matrixu (MATR).

VII.3 TVAROVANIE LISOVANÍM

Lisovanie je najčastejšie používaným spôsobom tvarovania žiaruvzdorných materiálov.

Definuje sa ako zhutňovanie tvarovacích zmesí vo formách pôsobením tlaku.

VII.3.1 Uniaxiálne lisovanie

Pôsobením lisovacej sily na tvarovanú sypkú zmes častice premáhajú vnútorné trenie a

trenie o steny formy a premiestňujú sa smerom k vyššiemu stupňu vyplnenia priestoru a k

zmenšeniu objemu. Ak tento dej už nemôže pokračovať, čiastočne sa trieštia a nanovo

usporadúvajú. Pri lisovaní drobnozrnných - práškových - materiálov klesá rozsah trieštenia so

zvyšujúcim sa počiatočným povrchom. V zmesiach matrixu s hrubozrnnými časticami, napr. s

frakciou 0.5 - 2 mm, prebieha zhutňovanie a približovanie sa hrubozrnných častíc najmä v prí-

tomnosti kvapalného spojiva ich kĺzaním v matrixe bez podstatnej zmeny povrchu pri nízkych

tlakoch.


60

Obr.18: Schematické znázornenie rozdelenia objemovej hmotnosti materiálu vo výlisku: a) po

jednostrannom pôsobení lisovacej sily F, b) po dvojstrannom pôsobení lisovacej sily, pri

uniaxiálnom lisovaní.

Rozrušovanie hrubozrnných častíc možno sledovať stanovením zrnitosti po opatrnom

rozpojení výliskov, zhotovených zo zmesí matrixu s hrubozrnnou monofrakciou v rôznom

pomere a jej porovnaním so zrnitosťou pred zlisovaním. Zo sitových rozborov rozpojených

výliskov z tavenej magnézie sa zistilo, že stupeň rozrušenia častíc klesá so zvyšujúcim sa

obsahom matrixu, ktorý hatí tento proces. Pozorovaním rezov výliskov s rôznym obsahom

matrixu sa potvrdilo, že pôsobením vysokých tlakov na hranách a rohoch sa úlomky odštiepili

a čiastočne premiestnili. Pri nízkych obsahoch matrixu (napr. 20 %) sa častice veľkých

rozmerov narušili, ale ich geometria a obrysy sa napriek posunom po štiepnych plochách

viditeľne nezmenili. V telesách obsahujúcich viac ako 40 % matrixu sa trieštenie

hrubozrnných častíc pozorovaním nábrusov nezistilo.

VII.3.2 Izostatické lisovanie

Izostatický spôsob lisovania sa vyznačuje tým, že sila pôsobí na lisovanú látku,

umiestnenú v deformovateľnej forme, uloženej v tlakovom médiu, v kvapaline, zo


61

všetkých alebo viacero strán. Podľa Pascalovho zákona tlak v kvapaline je v každom

mieste rovnaký a pôsobí rovnako vo všetkých smeroch.

Izostatický lis sa skladá z čerpadla hydraulickej kvapaliny, z hydraulického

násobiča tlaku a z tlakovej nádoby, v ktorej je umiestnená forma s lisovaným

materiálom. Časti foriem, cez ktoré sa prenáša sila na lisovaný materiál, sú zhotovené z

gumy alebo inej odolnej deformovateľnej látky. Tvarovacia zmes sa vo forme čiastočne

vopred zhutní strasením alebo vibrovaním. Jednou z predností izostatického lisovania je

rovnomerná hutnosť výliskov ako následok „samoregulácie", tým že miesta s vyššou

pórovitosťou sa zhutnia viac ako z nižšou pórovitosťou.

1- elastická lisovacia nádoba (vak), 2 – kovová dierovaná manžeta, 3 – lisovaná zmes, 4 –

zátka, 5 – tlaková nádoba, 6 – výlisok.

Fáza I - plnenie vaku zmesou, II – uzatvorenie vaku so zmesou pred ponorením do

kvapaliny, III – zalisovanie, IV – stav pred vybratím výlisku;

Fáza I – plnenie zmesi do vaku, II – zalisovanie, III – fáza pred vybratím výlisku.

Obr.19: Schematické znázornenie fáz pri izostatickom lisovaní granulovanej zmesi

v mokrej forme (a) a v suchej forme (b).

Mechanizmus procesu sa od uniaxiálneho lisovania líši najmä tým, že odpadá činiteľ trenia

o steny formy a docielené hutnosti sú vyššie.


62

VII.3.3 Žiarové lisovanie

Žiarové lisovanie je v skutočnosti spekanie prebiehajúcim vo forme pri trvalom pôsobení

tlaku. Používa sa predovšetkým na výrobu predmetov s veľmi nízkou pórovitosťou alebo bez

pórov z práškových základných materiálov. Osobitný význam má veľkosť a morfológia častíc.

Formy a razníky sú zväčša z grafitu. Lisovacie teploty pri tlakoch 10 až 150 MPa sa zvyšujú s

rozvojom techniky, ktorá umožňuje konštruovať namáhané časti foriem tak, aby mali dosta-

točnú pevnosť pri vysokých teplotách a nereagovali s lisovaným materiálom. Proces prebieha vo

formách umiestených v elektrických peciach s vysokofrekvenčným alebo odporovým

ohrevom.

1 – elektrická pec, 2 – grafitová forma, piest a podložka, 3 – výlisok, 4 – termočlánok.

Obr.20: Schéma zariadenia na žiarové lisovanie.

VII.3.4 Izostatické žiarové lisovanie

Izostatické žiarové lisovanie sa v súčasnosti používa hlavne vo výrobe konštrukčnej

keramiky. Tlakovým médiom je inertný plyn (napr. neón, dusík, argónu a iné). Zo základnej

zmesi je nutné najprv uniaxiálnym alebo izostatickým spôsobom vylisovať teleso požadovaného

tvaru, to prípadne vypáliť a potom uzavrieť do puzdra nepriepustného pre lisovací plyn. Tieto

puzdra sú napr. z žiaruvzdorných kovov, alebo sa výlisky zapuzdria povrchovou sklenou


63

vrstvou. Podmienkou týchto puzdier je deformovateľnosť pri lisovacích teplotách. Zapuzdrené

výlisky sa uložia do tlakovej nádoby s inertným plynom a vypaľujú sa na požadovanú teplotu.

Zahriaty plyn vyvíja na výlisky potrebný vše smerný lisovací tlak, takže dosahujú objemové

hmotnosti blízke ich hustote pri malej zmene rozdelenia veľkosti zŕn voči pôvodnému stavu.

Žiarové lisovanie poskytuje materiály s riadenou mikroštruktúrou, a teda aj s veľmi

vysokými mechanickými pevnosťami. Výlisky je nutné po vylisovaní opracovať najčastejšie

brúsením a následným leštením.

VII.4 ÚLOHY

VII.4.1 Úloha č.1

Príprava skúšobných teliesok s odlišnou granulometrickou skladbou.

- porovnajte vypočítané OH surových výliskov a vysvetlite rozdiel.

- porovnajte namerané trvalé dĺžkové zmeny pri výpale a vysvetlite ich.

Cieľom laboratórneho cvičenia je pripraviť skúšobné hranolčeky s odlišnou

granulometrickou skladbou z reálnej suroviny.

Náplňou cvičenia je:

1. príprava potrebných množstiev frakcií sitovaním

2. výpočet množstva návažku pre vylisovanie hranolčeka definovaných

rozmerov

3. určenie hmotnostných podielov jednotlivých tried v trojzložkovej zmesi

4. prepočet lisovacieho tlaku pre daný typ formovacieho nástoja

5. miešanie so spojivom a lisovanie

6. meranie rozmerov a hmotnosti vylisovaného telesa

7. sušenie a výpal

8. meranie rozmerov a hmotnosti vypálených skúšobných telies

Postup stanovenia:


64

Pripravíme dve lisovacie zmesi s hmotnosťami po 300 g v zložení podľa Tab.16.

Urobíme to tak, že trojicu frakcií zmiešame do požadovanej hmotnosti, pridáme 5 % spojiva

(sulfitového výluhu) a dôkladne rozmiešame v elektrickom miešači a v konečnej fáze

domiešame ručne. Zmes nesmie obsahovať zhluky matrixu.

Tab.16: Receptúra lisovacích zmesí

Zmes

Granulometrické zloženie zmesí pre hmotnosť m = 300 g

Hrubá 1 — 3.15 mm Stredná 0.071.— 1 mm Matrix < 0.071 mm

w [ % ] m [ g ] w [ % ] m [ g ] w [ % ] m [ g ]

A 48 18 34

B 34 18 48

Veľkosť návažku pre skúšobné teleso

nepoznáme, pretože nepoznáme jeho objemovú

hmotnosť – OH po vylisovaní. Túto určíme

experimentálne vylisovaním tzv. slepého výlisku.

Pripravíme ho z 250 g návažku zmesi „A“, a tiež zmesi

„B“ uniaxiálnym lisovaním tlakom 200 MPa. Lisovací

tlak je treba prepočítať podľa plochy lisovacieho

nástroja na stupnicu manometra hydraulického lisu,

ktorý je na Obr.21. Na lis sú inštalované dva

manometre. Manometer s jemnejším delením (ľavý) je

pre rozsah tlakov do 120 kp.cm-2, t.j. 12.159 MPa. Na

pracovný piest v tomto prípade pôsobí sila 294.3 kN.

Manometer umiestnený vpravo je pre rozsahy do 40.53

MPa. Pre naše potreby ho používať nebudeme. Po vylisovaní telies odmeriame ich rozmery,

vypočítame objem a odvážime. Vypočítame OH a z údajov vypočítame hmotnosť návažku

pre skúšobné telesá. Namerané údaje zapíšeme do Tab.17.

Obr.21: Hydraulický lis 100 t

Tab.17: Pomocné údaje


65

Návažky kvantitatívne prenesieme do hniezda formy, zarovnáme povrch a lisujeme pod

dohľadom vedúceho cvičenia. Výlisky označíme, odvážime a zmeriame dĺžku. Umiestnime do

sušiarne. Sušíme po dobu 24 h pri teplote 160 °C. Po vysušení ich odvážime. Výpal robíme

v elektrickej odporovej peci pri teplote 1600 °C po dobu 24 h. Vypálené telesá zvážime

a opäť zmeriame ich dĺžku. Zo zmeny rozmerov vypočítame podľa vzťahu (37) trvalé dĺžkové

zmeny pri výpale. Namerané hodnoty zaznamenáme do Tab.18.

%1000

1600 ⋅∆=° L

LD C

(

37)

A B

Zistená OH slepého výlisku [ g.cm-3 ]

Objem slepého výlisku [ cm-3]

Hmotnosť slepého výlisku [ g ]

Návažok pre skúšobné teleso [ g ]

Tab.18: Bilancia hmotnosti

Telie

sko

Hmotnosť surového

telesa [ g ] Úbytok

hmotnosti po

sušení

[ g ]

Dĺžka

telesa po

vylisovaní

[ mm ]

Hmotnosť skúšobného telesa [ g ]

Úbytok

hmotnosti

po výpale

[ g ]

Dĺžka telesa po výpale

[ mm ] pred

sušením po sušení po výpale

A

B


66


VIII MECHANICKÉ VLASTNOSTI

VIII.1 ZÁKLADNÉ POJMY

Pevnosť – odolnosť materiálu voči mechanickému namáhaniu (napätiam) vznikajúcim

v procese výroby , transportu alebo aplikácie

Pružnosť – schopnosť telesa nadobudnúť pôvodný tvar, ak pominuli sily vyvolávajúce jeho

zmenu

Oteruvzdornosť – odolnosť materiálu voči dynamickému pôsobeniu vonkajších síl na jeho

povrch

VIII.2 PRUŽNOSŤ A PEVNOSŤ

Pôsobenie vonkajších síl na tuhé telesá vyvoláva ich deformáciu. Vznikajú v nich

napätia, ktoré pôsobia proti deformácii. Miera odporu, ktorý bez porušenia kladie teleso

proti zmene jeho tvaru sa nazýva pevnosťou. Ak je miera deformácie εεεε priamo úmerná

napätiu σσσσ, potom sa teleso správa pružne a závislosť napätia na deformácii môžeme zapísať

vzťahom (38), ktorého grafické vyjadrenie je na Obr.22.

E.εσ = (38)

kde σ je napätie vyvolávajúce pružnú deformáciu

ε je deformácia

E je modul pružnosti


67

Obr.22: Grafická závislosť napätia σ od deformácie ε, tgα ≅ E

Pri hodnotení mechanických vlastností žiaruvzdorných materiálov sú najviac rozšírené

tlakové a ohybové skúšky stavenia pevnosti.

Pevnosť v tlaku za studena (σσσσ) sa definuje ako maximálne zaťaženie na jednotku

plochy, ktorému pri teplote okolia odolá žiaruvzdorný výrobok bez porušenia Pri jej stanovení

sa teleso s presne definovaným tvarom a rozmermi zaťažuje rovnomerne zvyšujúcim sa

tlakom až do jeho rozrušenia. Pevnosť v tlaku sa vypočíta podľa vzťahu (39) z maximálneho

zaťaženia pri rozrušení skúšobného telesa a strednej plochy prierezu, na ktorú zaťaženie

pôsobilo.

0

max

S

F=σ [MPa; N .mm-2 ] (39)

Na stanovenie pevnosti v tlaku za studena bolo vypracovaných niekoľko normalizovaných

postupov. Používajú sa telesá s rôznymi rozmermi:

• skúšobný valec 50 × φ50 mm zhotovený vŕtaním z tvarovaných stavív (resp. 36× φ36 mm)

• kocky s hranou 50 alebo 75 mm

Pevnosť v ohybe pri teplote miestnosti (σσσσF) je normalizovanou skúškou, pri ktorej sa

stanovuje maximálne napätie, ktorému odolá skúšobný hranol definovaných rozmerov pri

trojbodovom zaťažení. Nákres uloženia skúšobného hranola je na Obr.23.

Pevnosť v ohybe je daná pomerom ohybového momentu v okamihu lomu - Mmax

a prierezového modulu v ohybe – W a pri skúšaní hranolov v trojbodovom ohybe platí vzťah

(40). Táto skúška sa používa aj pri skúšaní ŽM za vysokých teplôt.


68

2maxmax

..

23

hb

LF

W

M SF ⋅==σ [ MPa ] (40)

Fmax — zaťaženie v okamihu lomu [ N ]

LS — vzdialenosť podpier [ mm ]

b — šírka skúšobného telesa [ mm ]

h — výška skúšobného telesa [ mm ]

Obr.23: Poloha skúšobnej vzorky pri skúške pevnosti v trojbodovom ohybe

Pevnosť v krute (torzné skúšky) sa vykonávajú hlavne pri stanovení šmykového modulu G

a relaxácie napätí pri vyšších teplotách. Patrí medzi zriedkavé skúšky.

Pevnosť v ťahu sa pri skúšaní ŽM nestanovuje trhacou skúškou ale metódou merania

pevnosti v priečnom ťahu. Usporiadanie skúšobného telesa je schematicky znázornené na

Obr.24. Pôsobením vertikálnej tlakovej sily na stenu valca vzniknú v jeho strede ťahové

napätia pôsobiace kolmo na túto silu v smere von z valca. Pre výpočet platí vzťah (41).

hD

FP ..

.2π

σ = [MPa] (41)

D — priemer skúšobného valca [mm]

h — výška valčeka [mm]


69

Obr.24: Poloha skúšobnej vzorky pri skúške pevnosti v priečnom ťahu

VIII.3 ÚLOHY

Technické údaje skúšobného lisu

maximálna pôsobiaca sila v I. rozsahu — 294.2 kN (30 t)

maximálna pôsobiaca sila v II. rozsahu — 980.7 kN (100 t)

plocha pracovného hydraulického valca — 250 cm2

VIII.3.1 Úloha č.1

Pevnosť v trojbodovom ohybe

Cieľom je metodické zvládnutie merania pevnosti pripravených skúšobných telies

v v trojbodovom ohybe. Skúške podrobíme vypálené hranolčeky z laboratórneho cvičenia č.

7:

1. zmeriame rozmery telieska b a h a zapíšeme do tabuľky Tab.19

2. za prítomnosti vedúceho cvičenia vložíme teliesko do medzi prípravok

v skúšobnom hydraulickom lise. Vzdialenosť spodných opôr je

l = 70 mm

3. lisom zvyšujeme plynule zaťažovaciu silu až do momentu porušenia telieska

4. z manometra odčítame hodnotu a zapíšeme do Tab.19

5. vypočítame silu Fmax, charakteristiku lisu poznáme z predchádzajúceho

cvičenia

6. podľa vzťahu (40) vypočítame pevnosť σF

Tab.19: Pevnosť v trojbodovom ohybe


70

Skúšobné teliesko b h Výchylka manometra

[kp/cm2]

Pevnosť σσσσF

[MPa]

A

B

VIII.3.2 Úloha č.2

Pevnos ť v tlaku

• zmerať pevnosti v tlaku pripravených hranolčekov z predchádzajúceho cvičenia

• prepočítať tlakové pomery na plochu meranej vzorky

• porovnať hodnoty pevnosti v závislosti od zrnitostnej skladby hmoty.

Postup stanovenia:

Zmeriame rozmery dvoch častí telesa, ktoré sme rozlomili v predchádzajúcom cvičení.

Vypočítame plochu, na ktorú bude pôsobiť zaťaženie. Plochu zapíšeme do Tab.20. Teleso

umiestnime medzi plochy lisu a postupne zvyšujeme tlak až do porušenia telesa. Maximálna

pevnosť telesa je zaznamenaná pomocným ukazovateľom, ktorý zostáva na mieste maxima.

Na základe technických údajov prepočítame pevnosť v tlaku skúšobného telesa a zapíšeme ju

do Tab.20. Rovnakým spôsobom postupujeme pri ďalších skúškach.

Tab.20: Pevnosť v tlaku vzoriek zo železitého MgO slinku

Skúšobné teleso Plocha telesa

[mm2] Výchylka manometra

[kp/cm2] Pevnosť telesa

[MPa]

A

B

Documents

LC ZM skripta - web.tuke.skweb.tuke.sk/hf-kk/Keramika/ZM/LC_ZM_skripta.pdf · Keramické žiaruvzdorné materiály – laboratórne cvi čenia 3 LABORATÓRNE CVI ČENIE Č. 6