Сырье и общая технология получения керамических материалов

Основным сырьем для производства керамических материалов служат глинистые минералы, представляющие собой осадочные, пластовые породы, состоящие из водных алюмосиликатов с различными примесями.

Технология производства керамических материалов основана на следующих свойствах глин:

- высокодисперсности частиц с размерами от 0,01 мкм до 1 мм, способных образовывать формовочные смеси различные по степени пластичности;

- высокой гидрофильности, обеспечивающей получение высокоподвижных (литых), однородных нерасслаивающихся смесей;

- высокой водоотдаче при сушке, сопровождаемой повышением прочности и незначительными деформациями;

- способности спекатьсяпри температуре 1000 – 1300°С с образованием прочного, водостойкого материала.

Глинистое сырье для получения строительной керамики классифицируют по пластичности и связующей способности, спекаемости и огнеупорности.

Пластичность характеризует свойство смеси, состоящей из глины и воды, под воздействием внешних нагрузок принимать определенную форму и сохранять ее после снятия нагрузки без трещин, разрушения.

Связующая способность определяет сохранение пластичных свойств водоглинистой смеси при дополнительном введении в нее непластичного тонкоизмельченного материала, например, песка.

По этим показателям глину разделяют на высокопластичную, среднепластичную, умереннопластичную, малопластичную и непластичную.

Спекаемость глин оценивает их способность при определенной температуре обжига уплотняться с образованием прочного искусственного камня (черепка). В зависимости от температуры спекания глины классифицируют на низкотемпературные (до 1100°С), среднетемпературные
(до 1100 – 1300°С), высокотемпературные (свыше 1300°С).

Показателем свойств огнеупорности служит температура, при которой начинается процесс плавления глины: свыше 1580°С глины называют огнеупорными, 1350 – 1580°С – тугоплавкими, до 1350°С – легкоплавкими.

С целью регулирования свойств формовочной массы и готовых изделий в глину вводят добавки: отощающие, порообразующие, пластифицирующие, плавни.

Отощающие добавки – шамот (измельченная обожженная глина), бой кирпича, кварцевый песок, зола ТЭЦ, шлак вводят в смесь в тонкоизмельченном состоянии при использовании высокопластичных глин, дающих усадку в изделиях при сушке и обжиге. Таким образом, они предотвращают появление в процессе тепловой обработки трещин и деформаций.

Порообразующие добавки обеспечивают повышенную пористость, снижение средней плотности и коэффициента теплопроводности изделий. К ним относятся выгорающие (древесные опилки, отходы угля, торф), газообразующие, разлагающиеся при высокой температуре с выделением газообразных продуктов (известняк) и термостойкие легкие заполнители (вспученный перлит).

Пластифицирующие добавки применяют при использовании малопластичных (тощих) глин для улучшения формовочных свойств смесей.
В качестве добавок используют высокопластичные бентонитовые глины и органические поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве 0,1 – 1%. Эффект пластифицирующего действия последних основан на способности этих веществ, в частности, водорастворимых отходов деревообрабатывающей промышленности – ССБ, СДБ, образовывать на поверхности глины адсорбционные гидрофильные пленки, улучшающие смачиваемость частиц и облегчающих их перемещение по отношению друг к другу.

Плавни вводят в состав смеси с целью снижения температуры спекания глинистой массы. Для этого применяют полевые шпаты, стеклобой, перлит-материалы, которые способны образовывать стеклообразные расплавы при более низких температурах, обеспечивая при остывании большую плотность и прочность изделий.

В процессе изготовления керамических материалов с целью объемного окрашивания в смесь вводят беложгущиеся глины и неорганические пигменты. Для повышения декоративности и стойкости лицевой поверхности используют глазури и ангобы. Глазури представляют собой сложные смеси, включающие легкоплавкие соединения, пигменты и другие компоненты, которые наносят на поверхность облицовочных плиток, лицевых кирпичей, канализационных труб, санитарно-технических изделий до процесса обжига. После высокотемпературной обработки состав, расплавляясь, образует плотное, прочное, блестящее стекловидное покрытие, обеспечивающее декоративность и защиту поверхности изделий. Ангоб – декоративный состав, включающий беложгущиеся глины и пигмент, который наносят на лицевую поверхность изделий. В процессе обжига происходит совместное спекание покрытия и изделия, что обеспечивает их надежную совместную работу при эксплуатации.

Технология получения керамических изделий обычно складывается из следующих основных этапов: добычи глины, ее очистки и тонкого многостадийного измельчения, подготовки формовочной массы, получения изделий, сушки и обжига.

Карьерные глины подвергают предварительной обработке: очистке от посторонних включений (камней, веток), рыхлению, дроблению, помолу и высушиванию. В результате глинистая масса становится однородной, ее технологические свойства улучшаются.

Способ подготовки формовочной массы зависит от вида получаемого изделия, качества глин, технической оснащенности производства. Различают полусухой, пластическийишликерный (литьевой). Подготовка сырьевой смеси при полусухомспособе может проводиться по двум различным технологическим схемам. По первой, используемой для получения облицовочных кирпича и камней, грубо измельченное исходное сырье подсушивают в сушилках и подают на совместный тонкий помол
с добавками в мельницы. Полученный пресс-порошок с влажностью
10 – 12% поступает в пресс-формы.

По второй схеме, применяемой при производстве отделочных плиток для полов и фасадов, тонкий совместный помол всех компонентов производят в шаровых мельницах мокрого помола. Полученную суспензию (шликер) влажностью 30 – 60% подают в специальные бассейны для корректировки состава и затем насосами перекачивают в башенные распылительные сушилки для обезвоживания. Из сушилок тонкодисперсный пресс-порошок с влажностью 6±1% направляют в формовочное, прессовое отделение. Применение различных технологических схем в подготовке формовочной массы обусловлено, прежде всего, требованиями, предъявляемыми к качеству готовых изделий. Лицевой кирпич и камни керамические являются одновременно отделочными и стеновыми материалами, которые,
с одной стороны, должны соответствовать нормируемым ГОСТ 530-80,
СТБ 1160-99 показателям по прочности, водопоглощению, плотности, коэффициенту теплопроводности; с другой, – отвечать жестким требованиям по соответствию размеров, четкости граней, углов, отсутствию трещин на плоскостях и однородности окрашивания. Плитки керамические облицовочные должны обладать декоративностью и высокой плотностью в связи с тем, что фасадные плитки защищают стеновые конструкции от внешних атмосферных воздействий и, следовательно, основные требования предъявляются к высокой морозостойкости и низкому водопоглощению, а плитки для полов должны быть водонепроницаемыми и прочными при действии истирающих нагрузок. Поэтому их получают из более мелкодисперсных смесей с меньшим содержанием воды. Этот способ подготовки сырья целесообразно использовать при работе с глиной пониженной пластичности и низкой карьерной влажности.

Пластический способ применяют при наличии пластичных глин, хорошо размокающих при увлажнении. Глину многократно измельчают до тонкомолотого состояния, перетирают для получения однородной массы и подают совместно с отощающими и другими добавками в специальные глиномешалки, где производят ее дополнительное увлажнение паром до влажности 18 – 20%. Пластический способ целесообразен для производства черепицы, стеновой и облицовочной керамики, дренажных и канализационных труб.

Шликерный способ подготовки массы применяют в случае наличия глин с высокой карьерной влажностью. Шликер представляет собой глинистую суспензию влажностью 30 – 33%, которая должна легко заполнять гипсовую форму, не расслаиваться и отдавать (фильтровать) воду при контакте с пористой поверхностью формы. Такой способ подготовки сырья используют при производстве сложного по форме санитарно-технического оборудования (ванн. раковин, моек и др.) или облицовочных коврово-мозаичных плиток.

В зависимости от степени увлажнения глиняной массы применяют полусухой способ прессования под давлением 15 – 40 МПа, пластический способ формовки с использованием ленточных шнековых прессов, снабженных насадкой разного размера и сечения, и метод литья в гипсовые формы или на специальные поддоны в случае изготовления тонких (толщина до 2,5 мм) облицовочных плиток. Последние после спекания и охлаждения наклеивают на специальные бумажные ковры и используют для отделки наружных стеновых панелей в заводских условиях.

На качество готовых керамических изделий большое влияние оказывает режим сушки и обжига. Основное назначение сушки изделия-сырца – снижение его влажности, приобретение прочности, достаточной для транспортирования в печь и последующего бездефектного обжига при минимальных энергозатратах. В процессе сушки наблюдается воздушная усадка изделий, которая может привести к появлению деформационных трещин на их поверхности. Повышают трещиностойкость введением опилок, отощающих добавок и подбором температурного режима.

Процесс обжига, завершающий при изготовлении керамических изделий, разделяют на три периода: нагрев до максимальной температуры 950 – 1300^оС, зависящей от состава сырья и заданных свойств получаемых изделий, выдержку и постепенное охлаждение до температуры окружающего воздуха. Наиболее ответственны для получения качественной продукции максимально допустимые скорости нагрева и охлаждения, которые определяют расчетным путем в каждом конкретном случае. При обжиге изделий происходит спекание керамической массы за счет частичного образования стеклорасплава, соединяющего при охлаждении все кристаллические включения, обеспечивая тем самым плотность, прочность и водостойкость изделий. Процесс обжига сопровождается незначительными усадочными деформациями, которые называют «огневой» усадкой.

Качество готовых материалов и изделий проверяют согласно ГОСТ и СТБ в лаборатории, после чего их отправляют потребителям или на склад готовой продукции.