Основные технологические процессы производства керамических изделий.

Керамические материалы и изделия имеют разнообразные размеры, форму, физико-механические свойства и различное назначение, но основные этапы технологического процесса производства их примерно одинаковы и складываются из добычи сырьевых материалов, подготовки сырьевой массы, формования изделия (сырца), сушки, обжига, сортировки обожженных изделий, упаковки и хранения их на складе, отгрузки изделий потребителю.

Добыча и складирование глины. Глину для производства керамических материалов и изделий добывают в карьерах, расположенных обычно в непосредственной близости от завода и являющихся его составной частью. Глины обычно залегают на небольшой глубине при мощности вскрыши 0,5 ... 1,0 м. Мощность полезной толщины месторождений колеблется от одного до десятков метров. Добычу глин осуществляют открытым способом различными экскаваторами: одно- и многоковшовыми, роторными и реже скреперами. Транспортируют глину из карьера на завод рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках с мотовозной или электровозной тягой, ленточными транспортерами, люлечными конвейерами и автосамосвалами. Для бесперебойной работы производства на заводе строительной керамики должен быть определенный промежуточный запас сырья, который хранят открытым способом и в закрытых складах, оборудованных мостовыми кранами с грейдерными захватами, подающими сырье в производство из любой точки помещения.

Подготовка формовочной массы. Добытая в карьере и доставленная на завод глина в естественном состоянии обычно непригодна для формования изделий. Необходимо разрушить природную структуру глины, удалить из нее вредные примеси, измельчить крупные включения, смешать с добавками, а также увлажнить ее, чтобы получить удобоформуемую массу. Формовочную массу готовят пластическим, полусухим или мокрым (шликерным) способом. Выбор того или иного способа зависит от свойств сырьевых материалов, состава керамических масс и способа формования изделий.

Пластический способ предусматривает получение однородной формовочной массы с влажностью 18 ... 23 %. Подготовка пластичных формовочных смесей включает следующие технологические операции: добычу глины, дробление глины и отощающих добавок, тонкое измельчение шихты, приготовление глиняной формовочной массы заданной влажности. Пластическим способом готовят сырьевую смесь для производства керамического кирпича пластического формования, керамических камней, черепицы, труб и др.

Полусухой способ подготовки формовочной массы предусматривает последовательное выполнение следующих операций: добычи глины, грубого измельчения ее, сушки глины, помола и отделения грубых фракций, смешивания глины и отощающих материалов, увлажнения. Увлажнение порошка для придания ему влажности, оптимальной для прессования, осуществляют при перемешивании смеси в двухвальном лопастном смесителе путем подачи в него воды или пара. Полусухой способ подготовки сырьевой смеси применяют при производстве строительного кирпича полусухого прессования, облицовочных плиток, плиток для полов и др.

Шликерный способ подготовки формовочных масс осуществляют в двух вариантах: беспрессовом и прессовом. При беспрессовом варианте шликер готовят совместным или раздельным способом с последующим смешением помолов в водной среде глин и отощающих добавок. Он представляет собой однородную текучую глиняную массу влажностью 40 ... 60 %. Для получения прессового шликера сначала его готовят обычным способом, затем обезвоживают на фильтр-прессах, а коржи вновь распускают в пропеллерных мешалках, что обеспечивает получение литейного шликера высокого качества.

Формование керамических изделий. Керамические изделия формуют различными способами: пластическим, сухим и литья. Выбор способа формования зависит от вида изделий, а также от состава и физико-механических свойств сырья.

Пластический способ формования применяют при изготовлении изделий из пластичных глиняных масс с влажностью 18 ... 23 %. Этим способом изготовляют различные виды керамического кирпича, камней, черепицы и других изделий. Большинство керамических изделий из пластичной глиняной массы формуют в ленточных прессах. Подготовленную глиняную массу направляют в приемный бункер ленточного пресса. С помощью шнека она дополнительно перемешивается, уплотняется и выдавливается в виде бруса через выходное отверстие пресса, снабженного сменным мундштуком. Меняя мундштук, можно получать брус различных форм и размеров. Брус, непрерывно выходящий из пресса, автоматическое резательное устройство разрезает на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий.

Сухой способ формования применяют при изготовлении сырца прессованием из рыхлых порошкообразных глиняных масс. Этот способ подразделяют на полусухой, при котором сырец прессуют при влажности порошков 8 ... 12 %, и сухой – с влажностью 2 ... 8 %. Эти способы принципиально не отличаются друг от друга. Полусухим способом можно изготовлять пустотелый кирпич и другие изделия из малопластичных, тощих глин, что расширяет сырьевую базу производства изделий строительной керамики. Существенное преимущество полусухого способа формования по сравнению с пластическим – применение глиняной массы с меньшей влажностью (8 ... 12 %), что значительно сокращает или даже исключает сушку сырца. При полусухом способе каждое изделие формуют отдельно на высокопроизводительных прессах, обеспечивающих двустороннее прессование в формах пресс-порошка под давлением до 15 МПа. Сырец полусухого прессования имеет четкую форму, точные размеры, прочные углы и ребра. Сухим способом из пресс-порошков влажностью 6 ... 7 % изделия (плиты для полов и др.) прессуют в металлических пресс-формах на прессах (коленно-рычажных, гидравлических и др.), которые уплотняют пресс-порошок под давлением до 30 МПа. Равномерность уплотнения изделий увеличивается при ступенчатом многократном прессовании.

Способ литья предусматривает предварительное измельчение исходных материалов и тщательное смешивание с большим количеством воды (влажность смеси 40 ... 60 %) до получения однородной массы – шликера, который заливают в специальные формы, чаще гипсовые. Избыточная вода впитывается в пористые стенки формы, а на них осаждается керамический черепок, который создает стенки формуемого изделия. Избыток шликера сливают из формы, затем извлекают из нее изделие и направляют в сушилку. Этот способ применяют для получения тонкостенных изделий сложной формы, например санитарно-технических изделий (смывных бачков, унитазов, моек и др.). Литьевой способ применяют также при изготовлении ковровой мозаики – мелкоразмерных тонкостенных цветных плиток для облицовки панелей, стен вестибюлей, лестничных клеток и т. д. Изготовление плиток способом литья позволяет значительно повысить производительность, сократить рабочие площади, снизить расход материалов за счет уменьшения толщины плиток.

Сушкой керамических изделий называют процесс удаления влаги путем испарения. При сушке свежеотформованных изделий уменьшается их объем (воздушная усадка) за счет уменьшения толщины гидратных оболочек глинистых частиц, повышается прочность сырца. Сушка необходима для придания сырцу механической прочности и подготовки его к обжигу. Во избежание неравномерной усадки и растрескивания изделия перед обжигом должны иметь влажность не более, %: кирпич – 5, плитка – 1, санитарно-технические изделия – 1 … 2, канализационные трубы – 3 ... 5. Наиболее распространены конвективный и радиационный способы сушки. При конвективной сушке теплоноситель (дымовые газы, горячий воздух) омывает изделия и передает им теплоту, при радиационной изделия воспринимают теплоту от нагретых поверхностей.

Обжиг является завершающим и ответственным этапом технологического процесса производства керамических изделий. В результате обжига они приобретают наиболее важные для керамического материала свойства: плотность, прочность, морозостойкость и др.

При обжиге керамических изделий протекают сложные физико-химические процессы. В начальный период обжига при нагреве сырца из него удаляется свободная вода, подъем температуры в этот период до 200 °С осуществляется медленно и плавно, так как при интенсивном парообразовании сырец может разрушиться.

С повышением температуры до 450 ... 700 °С выгорают органические примеси и удаляется химически связанная вода, находящаяся в глинистых минералах и других соединениях керамической массы, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. Затем происходит разложение глинистых минералов вплоть до полного распада кристаллической решетки и образования аморфной смеси глинозема Аl₂О₃ и кремнезема SiO₂.

При дальнейшем нагревании интенсивно развиваются процессы спекания керамической массы за счет реакции в твердом состоянии. Спекание ускоряется с появлением при температуре свыше 700 °С в обжигаемой массе жидкой фазы (расплава) за счет плавления легкоплавких соединений керамической массы и минералов-плавней. Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, заполняя поры между ними, стягивает их, вызывая их сближение и уплотнение. Вместе с тем расплав является химически активным. Он растворяет твердые составляющие керамической массы, и в расплаве непрерывно происходит образование новых соединений, более устойчивых в данных условиях. Их кристаллизация из расплава обеспечивает превращение исходного материала после остывания в прочный монолит.

При рассмотрении процесса спекания необходимо учитывать величину температурного интервала между огнеупорностью и началом спекания, называемого интервалом спекания глин, который зависит от их состава. Чем он шире, тем меньше опасность деформации изделия при обжиге. Большинство легкоплавких глин имеют узкий интервал спекания (около 50). Обжиг изделий из них обычно ведут при температуре 850 ... 950 °С. Огнеупорные и тугоплавкие глины имеют большой интервал спекания (более 100 °С) и применяются для получения изделий с плотным спекшимся черепком, обжигают их при 1150 ... 1400 °С.

Выдержка при конечной температуре обжига обеспечивает выравнивание температуры по сечению садки и в теле изделий и необходима для завершения идущего процесса спекания. В этот период опасны местные перегревы, которые могут вызвать размягчение и деформации изделий, а недостаточный прогрев – недожог отдельных участков керамических изделий.

Охлаждение обожженных керамических изделий также является ответственной операцией. При переходе из пиропластического состояния в твердое необходимо задержать охлаждение во избежание появления местных напряжений и в связи с этим разрыв массы.