经验与技术的结晶

经验与技术的结晶（精选7篇）

经验与技术的结晶 篇1

0 引言

结晶釉是用来装饰瓷器、精瓷等产品的一种人工晶花釉,它是釉体中的硅酸盐熔质经过固相反应之后,在缓慢冷却过程中自然析出晶体的一种美丽花纹的结晶[1]。本实验通过定位析晶和控制晶花大小来实现Zn2Si O4结晶图案的定形定貌。

3D打印(3D printing)是一种快速成形技术,它以数字化模型为基础,运用粉末状材料,通过逐层打印的方式构造物体[2]。3D打印这一新兴技术自问世以来便受到社会各界广泛关注,陶瓷施釉也成功地运用了这项技术。本实验运用3D打印技术来代替人工施釉和人工预埋晶种,以达到精确控制釉层厚度和定位晶种的目的,从而使得定位析晶更加精确。Zn2Si O4结晶的生长很难控制,晶花的形态与晶核种类、晶核取向和生长温度等因素有关,并且结晶体在显微结构上是十分复杂和混沌的[3]。结晶体的轮廓是极不规则的,传统的统计学理论无法从中得到晶花生长的影响因素,然而分形几何学是一门以非规则几何态为研究对象的几何学[4]。而且晶花的局部和整体具有相似性,这种自相似性体现了分形具有跨越不同尺度的对称性[5]。所以本实验运用分形理论来研究晶花生长的影响因素,以控制Zn2Si O4结晶的生长,最终实现结晶釉的定形定貌。

1 实验

1.1 实验原料

本实验所选用的原料为:长石、玻璃粉、方解石、石英、滑石、高岭土、Cu O、Zn O,其中Cu O和Zn O为分析纯化工原料。矿物原料化学组成见表1。

1.2 样品制备

按照结晶釉基础配方称取原料,用QM-200型快速球磨机加水球磨,料∶球∶水=1∶2∶0.6,时间:20min,球磨细度:万孔筛筛余在0.5%以下。

前期通过正交实验分析得到析晶效果最佳的施釉厚度为1.1mm。本实验使用JC-JET200×150-2型喷墨式3D打印机进行施釉,同时完成预埋Zn O晶种。首先用Auto CAD软件设计出釉面和Zn O在釉层中的位置,将釉层厚精确度控制在1.1±0.05mm,然后将釉料和Zn O晶种分别加入到两个墨盒,最后将CAD模型输出为stl格式文件,再输入到3D打印机方可打印出定点Zn O晶种的釉面。

将试样干燥后放入硅钼棒高温电炉,按照不同的烧成制度进行烧制。最高烧成温度为1250℃,选择两个单一变量进行研究:(1)析晶温度分别为:1100℃、1130℃、1160℃、1190℃;(2)保温时间分别为:120min、140min、160min。

2 结果与讨论

2.1 3D打印技术对晶花定位的影响

本实验采用喷墨式3D打印机来代替实验过程中人工施釉和预埋Zn O晶种的流程,由于3D打印机可在0.05mm厚度上达到500dpi分辨率的打印精度,所以可精确控制釉层厚度,极大地减小施釉厚度不均对实验结果造成的影响。并且可以精确控制Zn O晶种的分布位置,从而形成若干人工所不能完成的复杂图案,比如说可以打印出三角形、五角星等形状。以达到精确控制晶花总体分布形状的目的。

2.2 析晶温度对晶花生长的影响

对于不规则图形的周长P和面积A有:

对(1)式两边取对数,有:

由(2)式可以看出晶花周长P和面积A的双对数图的斜率k的两倍便为分形维数D[6]。

图1为不同析晶温度的Zn2Si O4晶花实物,可以看出不同析晶温度下晶花的形貌存在一定的差异。用image-Pro Plus软件测定单个晶花不同放大倍数下晶花轮廓的周长P和面积A,再根据公式(1)、(2)计算各参数,详见表2。由表中数据ln P和ln A可拟合作出线性回归直线方程,从而通过(2)式计算各析晶温度下晶花的分形维数D,最终得到晶花分形维数曲线如图2所示。

图1不同析晶温度下实物照片(a)1100℃;(b)1130℃;(c)1160℃;(d)1190℃Fig.1 Images of samples at different temperatures

由图2可以看出,在1100~1130℃分形维数呈上升趋势,1130~1160℃分形维数又猛然降低,之后直到1190℃分形维数呈缓慢降低趋势。结合晶花形貌对维数分析可知,温度的改变对晶花的生长影响十分显著。当析晶温度从1100℃升高时,釉料液相的高温粘度逐渐降低,Zn2Si O4晶体形成时原子扩散阻力小,晶体形成率大,使得晶花充分生长[7],晶形由残缺的形状变为完整的圆形。当析晶温度从1130℃继续升高,Zn2Si O4晶体纤维丝直径逐渐变粗,数量也相应变少,导致纤维丝从两端分叉能力减弱,晶体形成率降低,晶形再次向椭圆状转变[8]。随着析晶温度的继续升高,纤维丝的分叉能力进一步减弱,晶花生长不完全,出现残缺状。由此可以看出晶花形貌受析晶温度影响较大,不同析晶温度下晶花能够生长成不同形貌并呈现出上述规律,所以晶花的形貌可由析晶温度控制。

2.3 保温时间对晶花生长的影响

图3为不同保温时间下Zn2Si O4晶花实物,然后由上述方法测量、计算得到晶花轮廓的周长、面积等参数,详见表3。同样最终可以绘制出不同保温时间下晶花分形维数曲线,如图4所示。

图3不同保温时间下实物照片(e)120min;(f)140min;(g)160min Fig.3 Images of samples at different soaking times

由图4不难看出,保温时间在120~140min之间分形维数呈上升趋势,在140min后分形维数随着保温时间的延长而缓慢增加。烧制过程中,当温度降低到析晶温度开始保温时,有晶核形成。开始时晶体成核速率较低,随后慢慢增加。此后晶体在晶核上扩散生长,保温时间越长,晶体生长地越充分,晶形逐渐由针叶状变为圆状。保温时间到140min后,随着反应的进行,硅和锌的含量越来越少,晶体形成速率迅速降低[9],纤维丝分叉生长减慢,晶花生长随之变慢,最后晶形不再改变。由此可以看出保温时间同样影响晶花的生长并有上述生长规律,所以可通过调节保温时间来控制晶花形貌。

3 结论

(1)运用3D打印技术进行施釉可以消除因釉层厚薄不均对实验造成的影响,并且可以精确定位Zn O晶种。

(2)可以通过调整析晶温度和保温时间来控制结晶釉晶花形貌。本实验中随着析晶温度的升高,分形维数先增大后降低,晶花形貌由不完整形状向完整圆形转变,随后又向叠加状转变;随着保温时间的延长,晶花分形维数增大,到140min后分形维数增大缓慢,晶花随保温时间延长生长越来越充分,最后基本不变。

(3)本实验运用分形理论分析得到晶花形貌的影响因素,再加上3D打印技术的支持,最终实现结晶釉定形定貌及定位。

参考文献

[1]黄玉銮.硅酸锌定位结晶釉的研制[J].佛山陶瓷,2009,(11):11-13.

[2]李青,王青.3D打印:一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志,2013,(04):29-35.

[3]赵效忠,张桂英.结晶釉定位结晶的研究[J].硅酸盐通报,1985,(01):10-15.

[4]刘莹,胡敏,余桂英,等.分形理论及其应用[J].江西科学,2006,(24):205-209.

[5]张济忠.分形[M].北京:清华大学出版社,1995.

[6]屈朝霞,张汉谦.材料科学中的分形理论应用进展[J].宇航材料工艺,1999,(5):5-9.

[7]刘洋,唐大海,李志科,等.定位锌结晶釉的析晶动力学分析[J].人工晶体学报,2012,41(6):1691-1695.

[8]赵效忠.我国硅锌矿结晶釉研究进展[J].硅酸盐学报,1999,22(3):270-275.

[9]张阔,孙国梁,徐兵.定位硅酸锌结晶釉析晶动力学研究[J].人工晶体学报,2009,38(5):1251-1254.

结晶控制技术对晶体形貌的影响 篇2

晶形控制技术包括溶剂的选择、温度、过饱和度、搅拌强度、加晶种的时机以及溶液pH值等。

1 溶剂的选择及用量

溶剂是制备结晶的关键所在,应该满足以下的几个条件:(1)不能与被提纯物质起化学反应;(2)有较高的温度系数。在较高温度下能溶解多量被提纯物质,而在室温或更低温度下只能溶解少量;(3)对杂质的溶解度非常大(留于母液内除去)或非常小(热过滤时除去);(4)沸点不宜太低,也不宜过高。

溶剂沸点过低时制成溶液和冷却结晶两步操作温差小,团体物溶解度改变不大,影响收率,而且低沸点溶剂操作也不方便。溶剂沸点过高,附着于晶体表面的溶剂不易除去。

溶剂的沸点最好比被结晶化合物的熔点低50 ℃,否则易产生溶质液化分层现象。(1)选择与有机化合物的溶解度参数值相近的溶剂作为重结晶溶剂[3]。按照Tanaka等人的研究结果[4],晶体生长所选择的溶剂,若极性与溶质相近且能与溶质形成理想溶液时,则有可能从溶液中培养出结晶形态较好的块状单晶;反之,若所选用的溶剂对溶质的溶解度较小,并且极性相差较大,则培养出的晶体形态就较差。(2)含有羟基、氨基而且熔点不太高的物质尽量不要选择含氧溶剂,含有氧、氮的物质尽量不选择醇做溶剂,因为溶质与溶剂形成分子间氢键后很难析出。(3)根据结晶的回收率、操作的难易、溶剂的毒性大小及是否易燃、价格高低等择优选用。(4)溶剂黏度要小,容易成核,有利于晶体成长。(5)利用不同混合溶剂培养复合物单晶。

对于较难结晶的化合物,例如油状物、胶状物等有时采用混合溶剂的方法。混合溶剂一般是由两种可以以任何比例互溶的溶剂组成,一般采用极性溶剂与非极性溶剂搭配原则。

采用溶剂挥发法时,必须遵循低沸点溶剂较易溶解,高沸点的溶剂较难溶解的原则。采用液相扩散法时,固体在难挥发的溶剂中溶解度较大或者很大,在易挥发溶剂中不溶或难溶。需严格控制两种溶剂的比例,良溶剂与不良溶剂的比例最好为1:2~1:4。

例如,在甲苯溶剂中利用尿素对混酚中的间甲酚进行选择性分离的方法,通过使用一定配比的乙醇和四氢吠喃作混合溶剂,培养出尿素和间甲酚的复合物单晶,解决了化工经典的分离难题间甲酚和对甲酚异构体的分离。[5]

实施混合溶剂可以采用以下二种方法:

(1)选取一种可以溶解你的目标化合物的溶剂,制成饱和溶液。

寻找另一种溶剂,使目标化合物在其中不溶解(或仅微量溶解),而且这种溶剂能够和前一种溶剂混溶,并具有较低的密度。 将第二种溶剂小心地铺在小瓶中饱和溶液的上面。在两相界面上可看到一些混浊物。晶体将会沿着这个界面生长。

(2)将盛有饱和溶液的小瓶放置在另外一个较大的瓶中。

在外面的大瓶中加入不溶或微溶溶剂,并且盖紧盖子。第二种溶剂将会慢慢地扩散到饱和溶液中,晶体就会出现了!为了进一步减慢这个过程,可将这个扩散装置放在冰箱中。

溶剂用量应同时考虑两个因素。溶剂少则收率高,但可能给热过滤带来麻烦,并可能造成更大的损失;溶剂多,显然会影响回收率,故两者应综合考虑。一般可比需要量多加20%左右的溶剂。

2 过饱和度选择

溶液的饱和度大小不仅是结晶的驱动力, 它对晶体生长速度、质量和晶体外形都有很大影响[6]。

结晶过程即形成过饱和溶液、析出结晶、生长成晶体的过程。

晶体生长过程中的界面是否稳定,直接关系到晶体的生长形态[7,8]。

有机晶体生长单元靠分子间力结合,结晶过程中,分子要有足够的自由度和运动性以排入晶格,故在溶液生长单晶过程中,必须控制较大的溶液过饱和度才能使晶体正常生长。过饱和度增加,晶体生长速率和成核速率均增加,但成核速率远大于生长速率,因此加剧了溶液的自发成核倾向,降低了溶液的稳定性。溶液的稳定性降低了,系统极易出现杂晶,从而导致形状不规则的晶体。

过饱和度越小,生长速率越慢,晶面发展越充分,越有利于形成粒径较大、结晶较为完整、分散性较好的产物。同时较小的过饱和度进行缓慢结晶,由于晶核生成率小,因而所铗母液较少,使晶体品质优异。

3 自然结晶或搅拌结晶

搅拌也是一个影响因素,它对结晶的晶型,结晶的快慢都有影响。过滤得到的滤液冷却后,晶体就会析出。用冷水或冰水迅速冷却并剧烈搅动溶液时,可得到颗粒很小的晶体,将热溶液在空温条件下静置使之缓缓冷却,则可得到均匀而较大的晶体。

当溶液达到饱和后,搅拌转速增大可使介稳区变窄,相对过饱和增大,成核速率大于晶体生长速率,有利于制备小颗粒产品。同时搅拌速率的增加使得颗粒与颗粒之间、颗粒与搅拌桨之间以及颗粒与结晶容器壁之间的碰撞几率有所增加,较易造成接触式二次成核现象的发生,可将已规则排列的分子打散,从而形成更加细小的晶体颗粒。此外转速的增加提高了反应溶液之间的混合强度及流体剪切力的大小, 破坏结晶生长的环境,使结晶生长受阻。这些因素的共同作用,晶体平均粒径呈现明显的下降趋势[9]。

相反,结晶时缓慢冷却,并轻微搅动或不搅动, 过饱和溶液会形成较宽的介稳区,结晶诱导时间显著延长,能形成颗粒均匀较大的晶体。

4 结晶温度

温度是改变晶体生长各个过程的激化能。温度的变化导致晶体各个晶面相对生长速率,从而改变晶体的生长外形。

当溶液过饱和度一定,结晶温度低时,一般得到细小晶体;温度高时得到较粗晶体。

结晶介质温度升高,使固液两相之间的界面张力σ降低,扩散系数D 增大,可以降低晶核生成速度并提高晶体成长速率,因而有利于获得大的晶体。此外,温度升高,溶质的溶解度增大,可以改变难溶电解质的多相离子平衡,使平衡向溶解的方向移动,同样有利于获得大的结晶。当微小晶体与较大晶体同时存在于溶液中时,如果溶液对较大晶体是饱和的,对小晶体则未饱和,于是小晶体先溶解,然后在大晶体表面上重新析出,促进晶体长大。晶体比表面积变小,使附着在晶体表面的杂质减少,因而,在制备工艺允许的情况下,适当提高反应温度,有利于获得较大而均匀的晶体[10]。

5 加晶种的时机

晶种的加入时机在结晶过程中也是一个非常重要的操作条件。晶种加得过早,晶种溶解或产生的晶型一般较细;加的晚,则溶液里可能已经产生了晶核,造成结晶可能包裹杂质。

通常情况下,选择在介稳区内加入晶种。对于生长速率慢的结晶物系,加入晶种后养晶一段时间是必要的,一方面养晶可以使晶种在结晶液中充分分散,晶种表面的小晶体不断被冲刷进入结晶体系中成为新的晶核,为生长提供更多的表面积,另一方面养晶可以使晶种或新晶核不断长大,充分消耗体系的过饱和度[11]。

6 溶液pH的影响

溶液中氢离子浓度对晶体生长的影响是较为明显,她主要通过影响溶质溶解度,改变杂质活性和晶面的吸附等间接或直接影响晶体的成长,引起晶习的改变,从而造成晶体形态的改变[12,13]。磷脂单层下甘氨酸结晶,当溶液的pH值为酸性,晶体呈平板状;而当溶液呈碱性时,晶体呈棱锥状[14]。

7 结 论

整体结晶防水技术应用实例 篇3

这种技术已经在世界各地得到广泛的应用, 特别是在一些大型地下结构物的防水和漏水处理中有出色的表现。这里摘译几个工程案例供参考。

沙特:吉达私人医院

一家综合性私人医院, 位于沙特阿拉伯吉达市, 距红海海岸仅1 km。该项目有一深达12 m的基坑, 用来建造地下双层车库, 沙土地基。由于靠近红海, 土中富含硫酸盐, 而且水头压力高达92m, 因此担心盐水会造成冷接缝钢筋腐蚀和对结构整体性带来危害。

项目部将常用的防水方法包括卷材防水与整体结晶防水技术作了比较, 卷材防水价格高、费工、施工难度大, 其他方法在该工程中也都无法实施, 而整体结晶防水技术既可节省施工时间和费用, 而且施工十分灵活, 在工程的任何阶段都可以使用。最后决定在新拌混凝土中采用Kryston混凝土防水外加剂系统, 用来浇注地下室底板与墙体。采用一种专门的施工缝止水系统, 用于板-墙冷接缝中。

结果, 在第一次关闭降水泵时, 由于水压高, 发现有少量渗水, 但几周后结构物内完全干燥。据说工期还提前了48天。

马来西亚:沙巴KK时代广场

KK时代广场是一个庞大的建筑群, 占地约93 000 m2, 整个工程分2期建成。一期工程包括12幢高度不一的建筑物, 计划2007年中竣工。在选择防水方案时, 考虑到工程位于南中国海苏提拉港附近, 必需采用一种能抵御高水压和防止钢筋腐蚀的防水方法。项目部最终选定了结晶防水技术, 包括用于新拌混凝土的防水外加剂、用于施工缝的止水系统以及用于处理裂缝的产品。施工结束后, 严格按产品的养护方法, 至今未出现渗水现象。

印度:新德里污水泵站

德里市政公司污水泵站, 是一个重要的污水处理设施, 位于亚穆纳河沿岸, 水位较高, 建筑物地基深达9 m, 在泵站厂房开始开挖阶段, 巨大的水压力使厚的混凝土墙与筏基底板接缝处裂缝漏水。

大量的渗漏水涌入安放设备和抽水机械的大型厂房, 积水深达2 m。为了降低水位, 管理部门采用2台强力抽水泵进行持续不断的抽水, 暂时解决了问题。但是从长远观点来看, 长期用泵抽水不但费用高, 而且不可靠, 必须寻找一种有效的永久的修复方法。

一家建筑材料公司建议采用凯顿的整体结晶防水技术从背水面进行修复。管理当局起先表示反对, 因为他们习惯于用传统的防水卷材处理此类渗漏。然而现实情况无法从迎水面进行修复, 而且费用高昂。后来抱着试试看的心态, 用了整体结晶防水技术。

具体的做法是, 采用Krystol裂缝修补系统, 从厂房的背水面进行施工。首先沿墙面与筏基底板的主裂缝, 在长度方向凿出2.54 cm宽的槽, 然后用一种叫Krystol Plug的产品填塞。混凝土墙的渗漏马上就被堵住, 2 min后渗漏停止。接着用干粉处理后, 再涂防水稀浆, 最后在整个混凝土表面涂覆盖层。所有的处理用的材料都是基于整体结晶防水技术的原理。修复工程完工后泵房的渗漏明显减少, 几天后完全停止渗水, 2台抽水泵停止工作。修复工作始于1999年秋, 至今污水泵站厂房保持干燥无渗漏。

加拿大:科奎特勒姆大坝

该坝的主要用途是蓄水和发电。坝体结构为水力冲填式, 坝厚36.6 m, 高约31 m, 最大长度290m。

混凝土大坝原来浇注在花岗岩基岩上, 通过花岗岩的裂隙有水渗出, 水压达7～9 m水头。由于水压大, 水一直上涨到新混凝土浇注的地方, 有明显垂直和水平裂缝, 所有的冷接缝都发生渗漏。由于坝的后面是多层回填材料, 因而防止渗漏和对水体的污染就特别重要。渗漏还会使安装在坝面用来检测坝体结构变化的检测系统读数失常。因此, 需要一种既耐高水压又能使所有的冷接缝不再渗漏的解决方案。

大坝的渗漏水问题亟待解决, 尝试过用各种防水材料进行修补, 均由于水压过大, 没有明显的效果。而且由于裂缝长时间未能堵住, 裂缝逐渐加宽加深。最后采用整体结晶防水技术, 解决了问题。

经验与技术的结晶 篇4

目前, 硫酸四氨合铜的制备方法主要有直接合成法与沉淀法[4]。直接合成法是将Cu SO4·5H2O和Na2SO4加入蒸馏水中, 然后通入一定量的氨气而制备。这种方法操作简单, 生产成本较低, 但是使用大量的氨气会对环境造成严重的污染。沉淀法是先将Cu SO4·5H2O溶于蒸馏水中, 然后加入氨水与其反应, 最后利用乙醇作为溶析剂使生成的硫酸四氨合铜沉淀出来[5]。这种方法虽然生产成本略高, 但是对环境污染小。因此, 本研究采用沉淀法制备硫酸四氨合铜。

晶体材料的粒度影响其性能。超细材料因其特有的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特征[6,7], 常常具有块状材料所不具有的优异性能, 例如高催化性、奇异的电磁及光学性质等, 其制备与性能研究近年来受到了功能材料研究者们的广泛重视[8,9,10]。

研究硫酸四氨合铜晶体粒度及其分布的控制技术, 制备特定粒径的产品, 对于改善其性能和进一步拓展其应用具有十分重要意义[11]。

1 实验部分

1.1 实验原理

在制备超细粒子时, 沉淀法[12]是常用的方法。所谓沉淀法, 通常是先在溶液中将不同化学物质混合, 然后往混合溶液中加入适当的沉淀剂以制备化合物。其原理是在难溶电解质的溶液中, 溶解的阴阳离子的离子积大于该难溶物的溶度积Ksp, 这种物质就会沉淀下来[13]。沉淀物的粒径取决于核形成与核成长的相对速度, 核形成速度低于核成长速度时生成的颗粒数就少, 平均粒径就变大。

沉淀剂的加入方式主要有3种:正加法, 将沉淀剂加入到混合溶液中;反加法:将混合溶液加入到沉淀剂中;并流滴加, 将混合溶液与沉淀剂同时加入到容器中。

1.2 原料

五水硫酸铜 (分析纯) , 无水乙醇 (分析纯) , 氨水 (分析纯) , 蒸馏水 (实验室自制) 。

1.3 仪器及装置

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器, YP502N电子天平, SHZ-CA循环水式多用真空泵, HH-1电热恒温水浴锅, S312恒速搅拌器, Φ300mm真空玻璃干燥器, BT-2002激光粒度分布仪 (μm级) , BT-90纳米激光粒度分布仪。

1.4 硫酸四氨合铜晶体制备

1) 称取一定量的Cu SO4·5H2O, 用蒸馏水配制成适当浓度的溶液, 加入到三口烧瓶中。保持体系的温度在25℃, 搅拌的同时向烧瓶中缓慢加入氨水, 溶液中出现沉淀, 继续加氨水, 沉淀逐渐消失, 当混合液完全清澈时反应结束。其化学反应方程为:

Cu SO4+4NH3·H2O=[Cu (NH3) 4]SO4·H2O

2) 量取一定量的乙醇 (作为沉淀剂) , 将反应式 (1) 的溶液与之混合, 搅拌一定时间, 析出沉淀。减压过滤、干燥, 得到目标产物。利用BT-2002和BT-90激光粒度分布仪测定其粒度分布。

1.5 制备工艺对晶体粒度及分布的影响

研究了搅拌方式、沉淀方法、表面活性剂的种类与加量, 以及反应液与乙醇用量比等因素对硫酸四氨合铜晶体粒度及分布的影响, 实验条件见表1。

2 结果与讨论

用激光粒度仪测定了不同工艺及操作条件下所得硫酸四氨合铜晶体的粒度 (用中位径表征) 及分布, 粒度数据见表2, 粒度分布曲线见图1~13。

由以上图表可以看出, 不同实验条件下得到的粉体粒度是不一样的。图4、5、6、8、10和11均出现单一峰, 说明这些样品为球形粉体或近球形, 图7和9出现2个正态分布峰, 说明样品为非球形颗粒, 且不同方向的尺寸相差较大。

2.1 搅拌强度的影响

对比实验1与4、6与10, 可发现搅拌强度越大, 晶体粒度越小。不同的搅拌会造成不同的剪切力, 从而将液体撕裂成不同粒度的液膜、液丝和液滴, 产生不同相界面, 使相间传质速率不同[14]。磁力搅拌器由于转子体积小, 搅拌引起的剪切力较小, 使得成核过程在非均匀微观条环境中进行, 从而微观混合状态严重, 导致粒度分布不均匀, 而且粉体粒径较大。机械搅拌器的搅拌叶半径大, 转速也更快, 加快了传质, 与磁力搅拌器相比效果更好。高速分散器转速更快, 造成巨大的剪切力, 使得微观混合和传质过程得到极大强化。所以在3种搅拌方式中, 高速分散器搅拌效果最好。

2.2 滴定方式的影响

实验1、2和3数据表明, 反向滴加所得粉体最小, 说明反向滴加方式有利于硫酸四氨合铜分子的分散, 成核中心多, 晶体颗粒小。

2.3 表面活性剂的影响

对比实验1、11和12, 7、8、9和10发现, 不合适的表面活性剂使产品平均粒径更大, 分布更广;合适的表面活性剂可以有效缩小晶粒尺寸, 产生极化, 从而缩短了离子间的距离[15]。

制备硫酸四氨合铜所需要的表面活性剂是阳离子表面活性剂。阳离子表面活性剂溶于水后发生电离, 与亲油基相连的亲水基带正电荷的, 从而与硫酸四氨合铜结合成键起到空间位阻作用, 阻碍粉体团聚。但是表面活性剂的用量过多会对粉体的性能产生不良的影响, 因此表面活性剂的加入量也不是越多越好。

2.4 沉淀剂加量的影响

实验4、5和7表明, 沉淀剂越多, 产品粒度就越小。沉淀剂越多, [Cu (NH3) 4]2+浓度越低, 反应瞬间晶核形成速度较快, 由于成核速度明显高于晶核生长速度, 使得粒子尺寸较小;当反应浓度过高时, 由于粒子密度高, 布朗运动使得粒子由于相互碰撞而长大, 同时团聚现象加重。因此分散剂越多, 所得粒径越小。

3 结论

经验与技术的结晶 篇5

连续铸钢(简称连铸)就是把液态钢用连铸机浇注、冷凝后直接得到铸坯的工艺。连铸机结晶器是连铸机的重要组成部分,是一个水冷的钢锭模,完成将液态钢初步凝固成形的任务。连铸机结晶器液位控制是冶金连铸系统中非常重要的环节之一,液位的波动会造成结晶器保护渣和杂质大量卷入钢水,严重影响铸坯的质量,甚至可能导致浇铸过程中发生溢钢和漏钢事故,因此必须将结晶器液位控制在一个合适的范围内。本文根据安钢连铸机实际,将PLC技术与塞棒机构、电动缸驱动系统相结合,提高塞棒的控制精度,从而保证结晶器液面的稳定。

1 结晶器液位自动控制系统

钢水浇入结晶器,为防止钢水溢出,钢水面须低于结晶器上口约70～100mm。结晶器内钢水液面的稳定性取决于中间包浇入结晶器内的钢水量和从结晶器内拉出的铸坯量的平衡。在拉速一定的情况下,结晶器钢水液面升高,可关小中间包水口;钢水液面太低,可开大中间包水口。在中间包水口流量一定的情况下,结晶器钢水液面升高,拉速就应加快;液面太低,拉速就应减慢。

钢水从钢包流入中间包,然后通过浸入式水口流入结晶器。中间包的塞棒设置在浸入式水口的开口处,通过塞棒机构提升塞棒来改变浸入式水口开度,而塞棒机构则由塞棒驱动系统来驱动调节。进人结晶器的钢水流量和结晶器的钢水液位由浸入式水口开度来决定,而结晶器钢水液位须尽可能控制在预定位置。

1.1 结晶器液位控制基本原理

结晶器液位控制系统主要由液位传感器、以PLC为中心的结晶器液位控制器、位置检测反馈装置及由驱动系统控制中间罐滑动水口或塞棒开度组成的伺服控制系统等构成。传统结晶器钢水液位控制原理图如图1所示。

结晶器钢水液位控制系统是一个串级控制系统,内环是位置环,外环是液位环。当液位偏离给定值时,偏差信号改变位置环的给定值,从而改变塞棒或滑动水口位置,使钢水液位回到给定值。当液位超过某上(下)限时,控制系统立即改变系统增益,以保证钢水液位不超限;达到最高限时,控制系统报警甚至关闭中间罐塞棒,以避免溢钢;到达最低限时,控制系统报警甚至降低拉速或停拉,以避免漏钢。连铸过程复杂,特别在水口和塞棒粘上的凝固钢液突然脱落或水口堵塞和烧损时,流量变化很大,系统突然失控,加之环境恶劣(如高温、高粉尘),易出现常规系统性能不稳定或控制质量不好、波动很大等现象。因而,各国都极力研究有效的、调节质量高的且鲁棒性良好的自动控制系统。

1.2 结晶器液位控制数学模型

1.2.1 电机伺服系统

根据电机原理可知,电机调节位置与电机给定信号的关系为:

式中,s为复数域的变量;d为电机调节位置;I为电机给定信号;Tm为电机时间常数。

1.2.2 塞棒位置与电机传动位置关系

塞棒位置与电机传动位置成比例关系,则塞棒位置与电机调节位置的关系为:

式中,xp为塞棒位置;d为电机调节位置;K为比例系数。

1.2.3 塞棒流量特性

塞棒位置与结晶器钢水流入量间的动态特性主要为延迟特性,由浸入式水口的流量传输引起。结晶器钢水流入量与塞棒位置的关系可采用惯性环节表示:

式中,T为滑动水口等效时间常数,一般取0.4～0.9s。

塞棒提升装置的动态行为由驱动器和伺服电动缸控制。驱动器特性可简单地近似为阶差微分方程,其输出值为伺服电动缸的位置。驱动器控制电动缸的移动量,使电动缸以适当的速度移动。电动缸可用一个积分器建模,计算塞棒位置。塞棒的动作可由电激励信号控制,输出值是塞棒位置。

1.2.4 结晶器液位模型

结晶器液位模型为:

式中,H为液位高度;Qin为钢水流入量;Qout为钢水流出量;Am为结晶器截面积;A为水口面积;czr为注入系数;h为钢液从中间包到结晶器的高度差;g为重力加速度;Vspeed为拉速。

从结晶器液位模型可看出,结晶器钢水流出量与拉速成正比;钢水流入与流出结晶器的流量差构成钢水液面的变化,其积分就是结晶器液位测量装置能测得的结晶器液位。结晶器的液位受塞棒位置、几何形状,浸入式水口内腔尺寸以及钢水在水口中的流动状态影响。

2 应用实例

2.1 结晶器液位PID控制

PID控制方法因其具有原理简单、使用方便、鲁棒性强等特点而被广泛应用于结晶器控制系统。现就结晶器液位PID控制方法在安钢#2板坯连铸机上的应用作简单介绍,其自动控制原理框图如图2所示。

该系统有两个闭环控制回路:一个是塞棒的位置控制(副回路),单独使用副回路时为半自动控制,电动缸位移偏差Δs经副回路PI控制器引起塞棒上下移动,从而改变钢水流量,保持液位稳定;一个是结晶器的液位控制(主回路),液位偏差ΔH送主回路PID控制器,其输出作为电动缸的行程设定值。前者嵌套在后者内部,形成一个标准的双闭环自动控制系统,即串级控制系统。当整个控制系统出现故障时,断开塞棒与电动缸的连接,将系统切换到手动操作状态。

(1)外环PID控制。

设r1(k)为结晶器液位设定值,c1(k)为结晶器液位实际值,则液位偏差e1(k)为:

输出的控制增量Δu1(k)为:

式中,k1p、k1i、k1d为外环PID控制器的比例、积分、微分系数。

(2)内环PI控制。

此时Δu1(k)+u1(k-1)作为内环的输入设定,记为r2(k),电动缸的行程反馈值记为c2(k),则电动缸的行程偏差e2(k)为:

输出的控制增量Δu2(k)为:

最后的输出u2(k)为:

式中,k2p、k2i分别为内环PI控制器的比例、积分系数。

(3)PID控制器在结晶器液位控制中的应用。

分析结晶器液位自动控制系统知,影响结晶器液位稳定的主要是外环PID控制器,所以只要将外环PID控制器的kp、ki、kd参数调整适当,结晶器液位就能够保持稳定。

2.2 结晶器液位控制系统实现

结晶器钢水液位控制系统包括结晶器钢水液位测量装置、塞棒提升机构、PLC、监控显示器、驱动装置。钢水液位测量装置采用放射性元素铯137;塞棒提升机构采用伺服电动缸驱动;PLC采用S7-300系列;驱动装置采用施耐德Lexium伺服驱动。结晶器钢水液位控制系统如图3所示。

放射源铯137发射的γ射线通过水套和铜管射到接收器上,产生电脉冲。电脉冲通过屏蔽电缆输入到二次仪表,经放大、分析后送主机,形成脉冲计数n,n值随结晶器内实际的液面高度成比例变化。因此,通过n值可计算出液面高度H及与H成线性关系的电压/电流模拟量。将这些值送给PLC,PLC就可根据实际液面、设定液面及塞棒开度,输出信号给驱动器。驱动器控制伺服电动缸移动量,从而带动塞棒提升机构调节钢水的流量,使结晶器内钢水液面稳定,以此来保证连铸机正常运行和钢坯的质量。

其中,放射源和铯源接收器安装在现场结晶器上;现场操作箱和伺服电动缸位于结晶器附近;而PLC、驱动器、上位机及相关通信电缆等位于电气室的结晶器液位控

上位机作为操作员站和工程师站,能进行画面监控操作、数据修改存储、控制系统程序的开发和维护。上位机采用研华IPC-610系列工控机;操作系统选用Windows XP专业版;利用Step7 V5.2开发软件进行过程组态和程序编辑,利用监控软件WinCC进行画面开发。

结晶器液位控制PLC采用西门子Simatic系列S7-300可编程控制器,作为结晶器液位控制系统的核心,对系统的数据进行逻辑判断、运算和信息处理[4],从而控制系统中设备的运行。

3 应用效果

结晶器液位自动控制系统在#2连铸机中投用,不但提高了连铸机自动化水平,而且保证了铸坯质量,取得了良好效果。

(1)减少了铸坯在结晶器中的夹渣、包渣,提高了铸坯质量和钢水收得率。

(2)减少了连铸生产过程中结晶器溢钢和漏钢事故的发生次数,保障了生产稳定,提高了连铸机生产运行率。

(3)连铸机自动化水平的提高,大大减轻了现场操作工的劳动强度。

(4)操作可视化,结晶器液位调整数字化,使操作更方便、画面更简洁。

4 结束语

结晶器液位自动控制技术利用PLC和电动缸伺服驱动装置,采用PID控制方法,有效实现了结晶器钢水液位的稳定,为连铸洁净钢生产提供了保障。

参考文献

[1]王伟,郭戈,柴天佑.连铸过程的建模与控制[J].1997(A00): 385-390

[2]曹光明,吴迪,张殿华.基于模糊控制决策的铸轧机结晶器液位控制系统设计[J].东北大学学报(自然科学版),2006(7): 775-778

[3]崔坚,李佳.Siemens Industrial Communication guide[M].北京:机械工业出版社,2005

[4]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005

[5]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化手册[M].第2版.北京:机械工业出版社,2005

[6]杨少光.机电一体化设备的组装与调试[M].南宁:广西教育出版社,2009

氯化亚锡结晶工艺技术改造 篇6

关键词：氯化亚锡,结晶工艺,改造

金属材料分公司是一个长期从事锡金属深加工的企业, 对氯化亚锡的生产有10多年的历史, 目前年产量约1000吨, 这两年随着市场对氯化亚锡产品需求量的增加, 要求工序能更快更好的生产出优质的产品。目前氯化亚锡的生产流程中, 由于结晶工艺落后, 使结晶效果得不到保证, 影响产品外观及产量;另外操作强度大, 在维修量、辅助材料等方面所消耗费用大等原因又制约着氯化亚锡经济效益的提高。通过对氯化亚锡结晶工艺的技术改造, 使氯化亚锡的产品品质及生产效率得到提高。

1 氯化亚锡结晶方式概述

1.1 氯化亚锡结晶流程

1.2 存在问题

(1) 结晶时间长。氯化亚锡过滤后的浓缩液从入冰库时的60℃冷却至产生晶体, 再到符合工艺要求的出库温度10℃, 需在库中经过少则48小时多则36小时的冷冻后方能进行后续的生产。结晶时间过长, 使冰库的流转率低, 制约着生产效率的提高;再则冷冻时间长, 使冷冻机组的电耗及水耗增加, 使生产成本升高。

(2) 产品粒度不均匀。在盖上盖子的桶中, 结晶通常是从温度较低的桶底和桶壁逐渐向中心生长, 在结晶过程中这两处就易生成硬度大, 外观不整齐的块状结晶;而在桶中心, 由于晶体有足够的时间生长, 就逐渐长成长针状结晶。这样就造成了结晶体的不均匀,

(3) 劳动强度大。从浓缩液入库、结晶出库到晶体甩干前及过筛破碎等操作均人工完成:操作工通过管道将浓缩液放入冰库里的冷冻桶中, 待结晶出库时, 由操作工从冰库中将桶拖出, 经热水浸泡后再将桶中的结晶倒出, 之后用塑料锤将大块的结晶体破碎后再倒入离心机中甩干。甩干结束后还要将产品的过筛去除大颗粒结晶后方能包装成品。

(4) 产品易被杂质污染。从浓缩液入库、结晶出库到晶体的破碎、过筛等过程, 无论是浓缩液还是成品均有可能被杂质所污染:装浓缩液用的结晶桶容易被地面的杂质和冰库中铜管上的铜绿所污染, 从而造成产品成分不合格;破碎、过筛时由于晶体硬度大易划破操作用的塑料锤和盛装用的塑料盆等工具, 使碎屑进入产品, 从而造成产品的外观不合格。

(5) 冰库维修费用高。目前冰库由冷冻压缩机组进行制冷, 冰库中的铜管裸露在酸性的生产环境当中, 常因腐蚀而穿孔, 管中的制冷剂经常要补充, 铜管还要进行定期更换, 维修费用高而使生产成本上升。

2 改造方案及改造效果

2.1 改造后结晶流程

2.2 改造后方案

为了改善现行生产中结晶粒度不均匀的情况, 采用内壁为搪玻璃的反应釜改造成为符合要求的结晶器:搪玻璃保证了结晶器内壁的光滑度, 使晶体不易粘壁并易于清洗;为了获得到大小均匀的晶体, 设备附有搅拌装置, 保证了料液的流动性和晶核的悬浮;在结晶过程中通过制冷机组制备冷水来降低料液温度。

左图为用于改造的搪玻璃的反应釜, 结构简单, 罐子带有夹套, 可进行冷热交换。在需要较细的晶体时可调高转速进行搅拌, 放慢转速则可得到较粗的晶体。

2.3 改造效果

(1) 结晶时间短。进行改造后, 浓缩液在搅拌的带动下能比较快且均匀的下降到结晶的温度, 冷热交换效果显著, 按每槽冷冻体积为1.2立方的浓缩液进行计算, 已由原来48小时缩短到了24小时, 大大缩短了结晶时间, 提高了生产效率。另外冷冻机组的工作时间也缩短了, 机组的电耗及水耗也减少了, 使生产成本得到了有效的减少。

(2) 产品粒度均匀。进行改造后, 因设备附有搅拌装置, 晶体在生长时受到外力作用, 不易产生大而硬的结块, 结晶大小均匀且悬浮于母液中。

(3) 减轻劳动强度。浓缩液可直接泵入结晶罐中, 结晶出罐直接进入离心机甩干, 晶体的甩干后无须破碎过筛直接进行包装, 大大减轻了操作工的劳动强度。

(4) 产品被杂质污染的途径减少。从浓缩液进入结晶罐到料液直接进入离心机, 实现了料在管中流, 减少了外部杂质对产品的污染, 有效的保证了产品质量。

(5) 冷冻系统维修费用减少。通过对水的制冷来实现对结晶罐内料液的冷却, 铜管已经杜绝了被酸腐蚀, 使用寿命大大延长。另外, 随着搅拌结晶技术的广泛应用, 生产中所用的6个冰库将全部取消, 制冷剂的消耗也会大幅减少, 更不必对冰库中的铜管进行定期更换, 生产成本得到了有效的降低。

3 结语

通过对氯化亚锡结晶工艺的技术改造, 使其结晶的时间缩短, 产品的外观及质量得到了提高, 工人的劳动强度得到了减轻, 设备的维修费用也得到了降低, 取得了较好的社会效益及经济效益。

参考文献

[1]李仕庆.锡化工产品[M].南宁:广西科学出版社, 2008.

经验与技术的结晶 篇7

关键词：防水涂料,新材料,节能,施工

近几年来, 由于国家对节能、环保工作的重视和采取了一系列有效政策, 各方面节能、环保工作都取得了很大的进展, 尤其是在建筑节能、环保方面发展更快, 如何使建筑既节约能源又符合环保是十分关键的问题。水泥基渗透结晶型防水涂料施工技术就是一种既节能又环保的新材料应用技术。

1 概述

水泥基渗透结晶型防水涂料是由普通硅酸盐水泥、硅砂和多种活性化学物品组成的粉末状材料。其防水性能优越, 是一种无毒无公害环保型防水材料。主要用于刚性混凝土工程防水, 施工后防水性能稳定, 效果良好。

2 水泥基渗透结晶型防水涂料主要优点

1) 永久性:该防水涂料在活性化学物质的作用下, 混凝土内部发生二次水化反应, 生成不溶于水的结晶体, 从而堵塞混凝土的毛细孔, 并与混凝土成为耐久整体。2) 自身修复性:在施工过程中, 因水泥的固化速度比活性材料的结晶速度快, 所以有很大一部分活性物质存在水泥基涂层中未聚合或只产生低聚现象, 使水泥基渗透结晶涂料仍具有一定活性, 一旦水泥基层开裂, 在潮湿或含水的情况下, 其活性材料自动释放出来, 再次进一步聚合产生稳定的结晶体, 从而起到堵塞和自动弥补缺陷的作用, 其防水性随时间的增加而增强。3) 透气性:活性物质聚合后形成针状结晶体, 大分子或高分子的结晶体含有较多的疏水基因, 致使基层空隙内填充向结晶分子表面张力较小而不吸水, 但结晶体本身却不是致密结构, 气体可以通过, 而液态水却无法通过。4) 抗化学腐蚀:可耐受pH值3～12地下水、海水、碳酸化合物、氯化物、硫酸盐和硝酸盐浸蚀, 可保护混凝土和钢筋。5) 环保:该防水材料的水为分散介质, 无毒、无味、无污染, 可用于饮用水工程。

3 水泥基渗透结晶型防水涂料的原理及工艺流程

3.1 原理

水泥基渗透结晶型防水涂料是具有特殊渗透性的化学材料, 以水泥及水为介质, 在混凝土表面形成防水膜层, 并通过毛细孔向混凝土内部渗透, 形成枝蔓状结晶体, 堵塞与填充混凝土毛细孔道, 达到永久性的刚性防水层, 由于具有对混凝土中毛细孔、微细裂缝良好的渗透结晶、自动修复功能, 以及良好的粘结强度及抗折强度, 而适用于各种地下混凝土结构等的刚性防水。

3.2 工艺流程

混凝土基面处理→制浆→涂刷→质量检查→养护→验收。

4 施工方法和质量验收

4.1 施工方法

4.1.1 基面处理

1) 检查混凝土基面有无病害或缺陷, 有无钢筋头、有机物、油漆等其他粘结物。2) 用钢刷将结构混凝土表面的脱模剂膜、浮浆、杂质及松动砂石清理, 并用鼓风机将浮尘吹净或用高压水枪冲净, 以保证混凝土表面粗糙干净。在涂刷涂料前用水充分润湿混凝土基面, 使涂刷时混凝土基面保持潮湿, 但不能有明水。3) 对存在的部位进行认真清理, 对混凝土出现裂缝的部位用钢丝刷进行重点打毛, 如:裂缝大于0.4 mm的则需要开U形槽15 mm×20 mm, 用钢丝刷、凿子或高压水枪打毛混凝土基面, 处理过的混凝土基面, 不准残存任何的悬浮物质。

4.1.2 制浆

1) 水泥基渗透结晶型防水涂料的调配溶剂为洁净水, 涂刷调配比例水∶粉料为2∶5 (重量比) ;喷涂的比例为 (3～3.5) ∶5;2) 水泥基渗透结晶型防水涂料调配方法是将粉料慢慢地倒入洁净水中, 同时不停地搅拌到浆膏状, 搅拌好的材料中不得有干粉料球;3) 混凝土堵漏时要用堵漏型半干料团, 半干料团的调配比例水∶粉料为1∶8 (重量比) ;4) 一次配制的浆料不宜过多, 以在30 min内用完为宜。在此期间如静置10 min左右即需再搅拌。

4.1.3 涂刷

1) 在涂刷时应保证涂层厚薄均匀, 过薄则材料用量不足, 过厚则涂层容易起壳剥落。2) 涂刷第二层涂料, 需在第一层初凝 (用手触开始发硬时) 并呈潮湿状态时 (加水开始4 h以内, 具体时间随湿度、温度及风力等情况而变) 进行, 若太干应先喷洒雾水后再进行第二层涂刷。

4.1.4 质量检查

涂层施工完后, 需检查涂层是否均匀, 用量是否够量, 有无漏涂部位, 是否有起皮现象。如出现上述现象, 需再次进行施工修补。

4.1.5养护

1) 在涂料表面见干发白时要立即洒水养护, 养护时间不少于3 d, 7 d最为理想。2) 采用喷雾式洒水养护。避免水流破坏涂层。在养护期间保持涂层表面湿润。3) 高温或大风季节不超过1 h洒水一次。其他季节随水分蒸发速度而定, 一般每天洒水也不宜少于10次。

4.1.6水泥基渗透结晶型防水涂料产品主要技术指标

水泥基渗透结晶型防水涂料产品主要技术指标见表1。

4.2质量验收

1) 水泥基渗透结晶型防水涂料工程施工质量验收除应符合GB 18445-2001水泥基渗透结晶型防水涂料, 尚应符合GB 50300-2001建筑工程施工质量验收统一标准和DBJ 04-226-2003山西省建筑工程质量验收规程的规定。2) 用观察法检查:涂层要涂刷均匀, 不许有漏涂和漏底。3) 按规定做好养护, 保证养护时间、次数及使用雾水, 同时养护期间不得有磕碰。4) 涂层不得有起皮、剥落、裂纹等现象。5) 工程验收时应提供的文件和记录:施工图、设计说明及其他设计文件;材料的产品合格证书、主要性能检测报告、进场验收记录和复验报告;隐蔽工程验收记录;施工记录;检验批的验收记录;施工方案;工程安全、节能和保温功能核验资料。

5工程应用

长治市污水处理场水池、长治市捉马城中村改造高层建筑地下防水等工程采用了水泥基渗透结晶型防水涂料, 施工非常理想, 而且该产品的使用对本地区节能、环保工程建设具有借鉴意义。

6结语

水泥基渗透结晶型防水涂料是含有特殊活性化学物质以渗透结晶为主的无机防水材料, 具有永久防水功能, 是一种无毒、无味、无污染环保型防水材料, 施工成本低、施工简便, 因而这种新型的环保建筑防水材料在工程中受到欢迎。

参考文献