3.2. Основы технологии производства керамических изделий
Процесс производства всех керамических изделий включает добычу глины, подготовку глиняных масс к формованию, формование изделий, сушку, обжиг.
Для некоторых керамических изделий процесс их получения (после обжига) заканчивается внешней отделкой.
При производстве керамической плитки, керамических труб, санитарно-технических изделий технология дополнительно включает глазурование перед обжигом или после первичного обжига, а иногда и нанесение рисунка различными методами (чаще всего декорированием).
Добыча и транспортировка глины. В большинстве случаев глину добывают открытым способом, для чего используют одно- и многоковшовые экскаваторы, скреперы и другие механизмы. На завод глину доставляют рельсовым транспортом, автотранспортом, подвесными дорогами и конвейерами.
Подготовка керамической массы. Карьерная глина в большинстве случаев не пригодна для получения керамических изделий. Поэтому технология любого керамического производства начинается с приготовления керамической массы.
Цель этой стадии производства – разрушить природную структуру глиняного сырья, удалить вредные примеси, измельчить крупные куски и получить однородную удобоформуемую массу.
При подготовке к формованию глин высокой (избыточной) пластичности в их состав вводят отощающие и порообразующие добавки, а при необходимости и плавни. При наличии в глине каменистых включений крупностью свыше 5 мм ее пропускают через камневыделительные вальцы или эти включения измельчают, обрабатывая глину на бегунах.
Затем в глиномешалке глину перемешивают с водой для получения глиняного теста формовочной влажности.
В зависимости от вида изготавливаемой продукции и свойств сырья керамическую массу получают пластическим, полусухим и шликерным (мокрым) способом и соответственно выбирают способ формования.
Формование изделий.
Пластический способ формования. При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают друг с другом с добавкой воды до получения теста. Влажность получаемой массы колеблется от 15 до 25 % и более. Подготовленная глиняная масса поступает в формующий пресс, чаще всего в ленточный обычный или снабженный вакуум-камерой (рис. 3.1).
|
Рис 3.1. Ленточный вакуум- пресс: 1 - шнековый вал; 2 - прессовая головка; 3 – мундштук; 4 - глиняный брус; 5 - крыльчатка; 6 - вакуум-камера; 7 - решетка; 8 - глиномялка |
Разрежение способствует удалению воздуха из глины и сближению ее частиц, что повышает однородность и формуемость массы, а также прочность сырца. Глиняный брус требуемого сечения, выходящий через мундштук пресса, разрезают резательным аппаратом на изделия (сырцовые изделия). Пластический способ подготовки массы и формования наиболее распространен при выпуске массовых материалов (кирпича сплошного и пустотелого, камней черепицы, облицовочных плиток и т.п.).
Полусухой и сухой способы формования.
При полусухом способе подготовки сырьевые материалы вначале подсушивают, дробят, размалывают в порошок, а затем перемешивают и увлажняют водой или, что лучше, паром, так как при этом облегчается прев ращение глины в однородную массу, улучшаются ее набухаемость и формовочная способность. Керамическая масса представляет собой малопластичный пресс-порошок с небольшой влажностью: 8...12 % при полусухом и 2...8 % (чаще 4...6%) при сухом способе формования. Поэтому изделия из таких масс формуют под большим давлением (15...40 МПа) на специальных автоматических прессах. Изделия после прессования иногда можно сразу обжигать без предварительной сушки, что ведет к ускорению производства, сокращению расхода топлива и удешевлению продукции. В отличие от пластического способа формования можно использовать малопластичные глины, что расширяет сырьевую базу производства. Полусухим способом прессования изготовляют кирпич сплошной и пустотелый, облицовочные плитки, а сухим способом — плотные керамические изделия (плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора).
Шликерный способ. По шликерному способу исходные материалы предварительно измельчают и тщательно смешивают с большим количеством воды (влажность смеси до 40%) до получения однородной текучей массы (шликера). Шликер используют непосредственно для изготовления изделий (способ литья) или для приготовления пресс-порошка, высушивая его в распылительных башенных сушилках. Шликерный способ применяют в технологии фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток.
Шликер с влажностью 35-45% заливают в гипсовые формы (или в формы из специальной пористой пластмассы). Вода из шликера впитывается пористым материалом, а на поверхности формы образуется сырцовое изделие. В зависимости от вида изделия, его формы и назначения шликер может полностью обезвоживаться в форме (наливной метод) – так изготавливают изделия сложной формы, например санитарно-техническую керамику и т.п., или частично обезвоживаться. При этом в процессе формования шликер доливают до требуемого уровня, а после истечения определенного времени полностью выливают из формы. При этом на поверхности формы остается тонкостенное изделие.
Сушка изделий.
Сушка — весьма ответственный этап технологии, так как трещины обычно возникают именно на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно выявляются. Обычно достаточным является высушивание сырца до остаточной влажности — 6...8%.
В процессе сушки продвижение влаги из толщи керамического изделия к наружным слоям происходит значительно медленнее, чем влагоотдача с поверхности, особенно это проявляется в ребрах и углах изделий. При этом возникает различная степень усадки внутренних и внешних слоев, а следовательно, создаются напряжения, которые могут привести к растрескиванию материала. Для предотвращения этого к жирным глинам прибавляют отощители, которые образуют жесткий скелет, препятствующий сближению глинистых частиц, увеличивают пористость изделия, что способствует продвижению воды из его внутренних слоев к наружным. Для уменьшения чувствительности глин к сушке применяют также паропрогрев и вакуумирование глин, используют некоторые органические вещества в малых дозах – лигносульфанаты (ЛСТ), дегтевые и битуминозные вещества и др.
Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях (в сушильных сараях). Естественная сушка, хотя и не требует затрат топлива, но в значительной степени зависит от погоды и длится очень долго (10...20 суток). В настоящее время сушку сырца, как правило, производят искусственно в специальных сушилках периодического (камерных) или непрерывного действия (туннельных). В качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигательных печей или горячий воздух из калориферов. Срок сушки сокращается до 2...3 сут, а иногда до нескольких часов.
Обжиг изделий.
Обжиг - важная и завершающая стадия технологического процесса керамических изделий. Суммарные затраты на обжиг достигают 35...40 % себестоимости товарной продукции. При обжиге сырца образуется искусственный каменный материал, который в отличие от глины не размывается водой и обладает относительно высокой прочностью. Это объясняется физико-химическими процессами, происходящими в глине под влиянием повышенных температур.
При нагреве сырых керамических изделий до 110°С удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы восстанавливаются. С повышением температуры до 500...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 Аl2О3 и SiO2. При дальнейшем нагреве до 1000°С вследствие реакций в твердой фазе возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al2O3-SiO2, и далее при 1200...1300°С переход его в муллит 3Аl2Оз-2SiO2. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава (жидкой фазы). Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, частично заполняет поры между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает их, вызывая сближение и уплотнение. После остывания образуется камнеподобный черепок.
Обжиг изделий из «кирпичных глин» ведут при температуре 900…1000 оС. При получении изделий со спекшимся черепком из тугоплавких и огнеупорных глин обжиг ведут при температуре 1150…1400оС.
Для обжига керамических материалов используют специальные печи: туннельные, кольцевые, щелевые, роликовые и др.
После обжига изделия охлаждают постепенно, чтобы предотвратить образование трещин.
Обожженные изделия могут различаться по степени обжига и по наличию дефектов.