Качество сырьевых материалов определяется минералогическим составом, физическими свойствами, зависящими от месторождения и условиями залегания. Основными сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются глины и каолины; в качестве вспомогательных сырьевых материалов для улучшения технологических свойств используют пески кварцевые и шлаковые, шамот, выгорающие добавки органического происхождения (древесные опилки, угольная крошка и т.п.).
Глина – один из наиболее распространенных видов осадочных горных пород полиминерального состава. Кислород, кремний и алюминий по своей общей массе составляют около 90% в составе земной коры, потому подавляющую часть минералов составляют алюмосиликаты, силикаты и кварц основа встречающихся в природе керамических сырьевых минералов. Размеры глинистых частиц колеблются практически от коллоидной дисперсности до 5 мкм. Основным минералом каолиновых глин является минерал каолинит.
Глины – землистые осадочные горные породы, состоящие из глинистых минералов со значительными примесями: каолинита, галлуазита, монтмориллита, бейделлита, частиц кварца, полевых шпатов, гидрослюд, гидратов окиси железа, алюминия, карбонатов магния, кальция и др.
Пластичность глинистого сырья, определяемая числом пластичности (по раскатыванию глиняного жгута диаметром 3 мм), зависит от содержания глинистых минералов и влажности массы. В зависимости от содержания глинистых минералов глины делятся: на:
- жирные (более 60%);
- обычные (30... 60%);
- тяжелые суглинки (20... 30%);
- средние и легкие суглинки (менее 20%).
По пластичности глинистые материалы подразделяются по числу пластичности на:
- высокопластичные (менее 25);
- среднепластичные (15... 25);
- умеренно-пластичные (7... 15);
- малопластичные (3... 7).
Вода, адсорбированная поверхностью глинистых частиц в процессе приготовления сырьевой смеси, играет роль гидродинамической смазки, что обеспечивает во многом ее пластические характеристики. Вместе с тем удаление воды, как из самих глинистых частиц, так и с их поверхности в процессе сушки и обжига вызывает явление воздушной и огневой усадки.
Усадочные деформации являются причиной возникновения в изделии внутренних напряжений, что в конечном итоге влияет на их качественные показатели.
Для уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также для предотвращения образования трещин в пластичные глины вводят искусственные или природные отощающие добавки. К их числу относятся дегидратированная глина, шамот, котельные шлаки, золы, кварцевые пески и т.д.
Введение в состав сырьевой смеси плавней обеспечивает более низкую температуру ее спекания. К плавням относят полевые шпаты, пегматит, доломит, тальк, магнезит, карбонаты бария и стронция, нефелиновые сиениты (для фаянсовых масс). Искусственный керамический материал, отформованный из глинистого сырья, получается в результате сложных физических, химических и физико-химических изменений, происходящих при обжиге, т.е. при воздействии высоких температур.
Каолины – это чистые глины, состоящие преимущественно из глинистого минерала каолинита (Al2O3·2SiO2·2H2O). Каолины огнеупорны, малопластичны, имеют белую окраску. Их применяют для производства фарфора, фаянса и тонких облицовочных изделий, так как после обжига получается белый черепок.
Обычные глины отличаются от каолинов большим разнообразием минералогического, химического и гранулометрического состава. Изменения химического состава заметно отражаются на свойствах глин. С увеличением А12O3 повышается пластичность глин и огнеупорность, а с повышением содержания SiO2 пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глины, наличие щелочей ухудшает формуемость изделий.
При изготовлении керамических материалов основными технологическим свойствами глин являются:
- пластичность;
- воздушная и огневая усадка;
- огнеупорность
- цвет керамического черепка
- спекаемость.
Пластичность глин – способность глиняного теста под действием внешних сил принимать заданную форму и сохранять ее после прекращения действия этих сил. По степени пластичности глины делят на:
- высоко пластичные, или «жирные»,
- средней пластичности
- малопластичные, или «тощие».
Жирные глины хорошо формуются, но, высыхая, дают трещины и значительную усадку. Тощие глины формуются плохо. Для повышения пластичности глин применяют операцию вылеживания их во влажном состоянии на воздухе, вымораживание, гноение в темных подвалах, при этом происходит разрыхление материала и увеличивается ее дисперсность. Пластичность можно также повысить добавлением высокопластичных глин. Самый распространенный способ повышения пластичности — их механическая обработка. Для понижения пластичности глин вводят добавки различных непластичных материалов (отощающие добавки).
Усадка – уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия.
Воздушная усадка происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки на воздухе и составляет, 2...10%.
Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка составляет 2...8%.
Полная усадка определяется как арифметическая сумма величин воздушной и огневой усадок. Значение полной усадки колеблется в пределах 4...18%. Полную усадку учитывают при формовании изделий.
Огнеупорность – свойство глины выдерживать действие високих температур без деформации. По температуре плавления глины разделяются на:
- легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350°С),
- тугоплавкие (с температурой плавления 1350...1580°С)
- огнеупорные (свыше 1580°С).
Огнеупорные глины применяют для производства огнеупорных изделий, а также фарфора и фаянса. Тугоплавкие глины применяют в производстве плиток для полов, канализационных труб. Легкоплавкие глины используют для производства керамического кирпича, пустотелых камней, черепицы.
Цвет черепка после обжига зависит от состава и количества примесей в глине. Каолины дают черепок белого цвета. На цвет обожженных глин оказывает влияние содержание оксидов железа, которые придают окраску от светло-желтой до темно-красной и бурой. Оксиды титана вызывают синеватую окраску черепка. Используя минеральные красители, можно получать керамические изделия различных цветов и оттенков.
Спекаемостъю глин называют ее способность уплотняться при обжиге и образовывать камневидный материал. При спекании увеличивается прочность и уменьшается водопоглощение изделий.
- Производство керамических строительных материалов и изделий. Общие технологические процессы
Эксплуатационные характеристики керамических изделий во многом определяются как составом сырьевых материалов, так и технологическими приемами их изготовления. В производстве обширной номенклатуры современной строительной керамики используются родственные технологические процессы, позволяющие кратко обобщить основы производства керамических материалов.
Можно выделить следующие общие технологические процессы:
1. добыча глины;
2. подготовка сырьевой массы;
3. формование изделия (сырца);
4. сушка;
5. обжиг.
Эти пять стадий производства являются общими для всех видов керамических изделий. Для отдельных видов изделий могут применять различные способы формования (кирпич пластического и полусухого формования), разные способы сушки (воздушная или в сушильных камерах), а также дополнительные производственные процессы – покрытие изделий глазурью или ангобом.
Добыча глины: Добыче сырья предшествует геологическая разведка, определение химического и минерального состава, физических свойств сырья, полезной толщи месторождения, его однородности и характера залегания, объема работ и т.д. Глина обычно залегает – на небольшой глубине. Разрабатывается сырье в карьерах открытым способом – одноковшовыми, многоковшовыми или роторными экскаваторами. Заводы по производству керамических изделий обычно строят вблизи месторождений глин, т.е. карьер является составной частью завода. Добычу глины стремяться осуществлять в теплое время года, создавая запас материала на складе для работы зимой. Транспортируют глину из карьера на заводы рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках, ленточными транспортерами и автосамосвалами.
Подготовка сырьевой массы. Добытая в карьере и доставленная на завод глина непригодна для формования изделий, и нужно разрушить природную структуру глины, очистить ее от вредных примесей, измельчить крупные фракции, смешать с добавками, увлажнить ее, чтобы получилась удобоформуемая масса. В крытых складах или на открытых площадках глинистые материалы выдерживаются до двух лет. За это время разлагаются органические остатки и под действием атмосферных факторов(увлажнения и высушивания, замораживания и оттаивания) и предварительной обработки (рыхления, камнеудаления и т.д.) удается достичь сравнительной однородности массы, как по гранулометрическому, так и по минеральному составу. Дальнейшая подготовка массы осуществляется в зависимости от вида изделий и предполагаемой технологии их изготовления.
На этом этапе с помощью камневыделительных машин, вальцов, мельниц различного вида, дозаторов добавок и воды, глиномешалок или диспергаторов удается получить массу, пригодную для формования изделий. Формовочную массу готовят пластическим, полусухим или мокрым способами в зависимости от свойств сырьевых материалов и требований к качеству получаемого изделия.
Формование изделий – одно из важных операций при изготовлении керамических изделий. Способы изготовления определяются формовочными свойствами сырьевой смеси и, прежде всего, пластичностью, которая многом зависит от количества воды в формовочной смеси. В зависимости от влажности формовочной массы способы подразделяются на сухой, полусухой, пластический и литьевой(шликерный).
При сухом способе пресспорошок имеет влажность 2…6%, при которой используют механические или гидравлические прессы, развивающие давление свыше 40 МПа. Данным способом изготавливают плотные керамические изделия: плитку для полов, некоторые виды кирпича, изделия из фаянса и фарфора.
Полусухой способ предусматривает использование рабочих смесей с влажностью 8... 12%. Поэтому способу изготавливается кирпич, фасонне изделия, плитка.
Наиболее экономичным и распространенным является способ пластического формования при влажности массы 18... 24%. Основной механизм, используемый в этом случае,– ленточный пресс. Шнеквал пресса с переменным шагом лопастей перемалывает массу, одновременно уплотняя её к выходному отверстию. Вакуумирование на последней стадии прессования позволяет дополнительно уплотнить массу. Выходное отверстие пресса– мундштук обеспечивает получение непрерывного глиняного бруса необходимых геометрических размеров. Форма мундштука и его размеры определяют вид выпускаемых изделий: кирпич, камни, плитки, черепица, трубы, фасонные изделия. Установленные перед мундштуком пустотообразователи позволяют формовать дырчатые изделия, с щелевыми пустотами и т.д.
Литьевым способом изготавливают керамические изделия сложной геометрической формы: сантехнические изделия (раковины, унитазы, писсуары и т.д.), некоторые декоративные изделия, плитку для внутренней отделки помещений. Компоненты рабочей смеси тщательно размешивают, дозируют, перемешивают с водой. Влажность массы в этом случае от 40 до 60%. Подготовленная таким образом однородная масса выливаетс в гипсовые формы. Развитая микропористая структура гипсового камня обуславливает удаление части воды в пристеночных слоях. В результате в зависимости от времени достигается необходимая толщина уплотненного слоя. Избыток смеси после этого удаляется. После сушки отдельные эле-менты монтируются.
Сушка и обжиг изделий. В зависимости от способа изготовления влажность сырьевых смесей колеблется в очень больших пределах от 2 до 60%. Удаление воды из отформованных изделий сопровождается усадочными деформациями и, соответственно, возникновением внутренних напряжений. Последние при жестких режимах сушки могут являться причиной искривления, появления трещин, снижающих качественные показатели изделий. Сушку изделий производят до остаточной влажности 4... 6% в туннельных или камерных сушилках. Температура теплоносителя 120...150°С.
Обжиг керамических изделий – один из наиболее ответственных технологических этапов, во многом определяющих свойства получаемых материалов.
В производстве строительной керамики в основном используют туннельные печи непрерывного действия высушенные изделия на обжиговых вагонетках, передвигаясь по туннелям, постепенно нагреваются до температуры спекания в зоне сгорания топлива, а затем медленно охлаждаются встречным потоком воздуха.
При температуре порядка 100...120 °С удаляется физически связанная свободная вода. При температуре 450...600 °С глинистые вещества необратимо теряют пластические свойства. Дальнейшее повышение температуры приводит к разрушению кристаллической решетки алюмосиликатов и распаду их на отдельные окислы: при повышении температуры до 1000 °С образуется соединение силлиманит, при температуре 1200-1300 С – новый минерал муллит. Эти минералы обеспечивают высокую прочность и стойкость керамического черепка к различным факторам внешней среды.
После обжига полученные изделии медленно охлаждаются, так как при резком охлаждении могут образоваться трещины. Перед отгрузкой потребителю керамические изделия сортируют с целью проверки качественных показателей на их соответствие требованиям государственных стандартов.
