Строительная керамика

    Технологическая схема производства изделий с  пластическим способом подготовки массы, несмотря на свою сложность и длительность, наиболее распространена в промышленности стеновой керамики. Метод формования из пластических масс исторически сложился на основе пластических свойств глин и широко используется в керамической технологии. Способ пластического формования позволяет выпускать изделия в широком ассортименте, более крупных размеров, сложной формы и большей пустотности. В отдельных случаях предел прочности при изгибе и морозостойкость таких изделий выше, чем у изделий, полученных способом полусухого прессования из того же сырья.

    При переработке глин в сыром виде схема подготовки сырья несколько  проще и экономичней, поскольку  нужно меньше перерабатывающего оборудования, следовательно, меньше энергоемкость. Все оборудование более надежно и просто в обслуживании. Температура обжига изделий примерно на 50⁰С ниже, чем у изделий полусухого прессования, что позволяет также снизить энергозатраты на обжиг и в какой-то мере компенсируют высокие затраты на сушку.

    Недостатком способа пластического формования является большая длительность технологического цикла за счет процесса сушки сырца, продолжающегося от 1 до 3 суток. Низкая прочность формованного сырца, особенно пустотелого, большая усадка материала при сушке и наличие отдельного процесса сушки затрудняет возможность механизации трудоемких операций при садке сырца на сушку, перекладке высушенного сырца для обжига и совмещения в одном агрегате процессов сушки и обжига.

    Если  используемая глина достаточно высокой  влажности, среднепластичная, то целесообразно  будет использовать схему производства изделий пластическим методом.

Пластическое  формование осуществляют тремя способами:выдавливанием, допрессовкой и раскаткой. Во всех случаях механические напряжения не превышают 1—30 МПа, масса содержит 30—60% жидкости по объему. Заготовка сохраняет форму благодаря наличию предела текучести.

Важнейшей задачей  при пластическом формовании является подбор оптимальной формовочной влажности.

     Пластической  прочностью называют механическое напряжение, которое способна выдерживать масса без нарушения сплошности. В заводской практике формования на вакуумных прессах ведут обычно при влажности на 1—3% меньше. Чем сложнее форма изделия, тем при более высокой влажности проводят формование. Для его облегчения иногда в массы добавляют высокопластичные монтмориллонитовые глины.

     Выдавливание  является окончательной операцией  формования изделий грубой строительной керамики (кирпич, канализационные трубы) и промежуточным этапом переработки пластичной тонкокерамической массы перед раскаткой и допрессовкой. Выдавливание может быть горизонтальным и вертикальным. Его осуществляют на шнековых вакуумных прессах, реже используют поршневые прессы. В шнековом прессе при движении массы возникает сложное объемно-напряженное состояние. Лопасти шнека сообщают массе поступательное и вращательное движение, а стенки корпуса пресса замедляют перемещение массы в прилегающим к ним слоям. По мере продвижения массы к головке пресса ее вращение замедляется, но периферийные слои движутся с большей скоростью. Окончательно уплотняет массу последний виток шнека. Он выжимает массу из цилиндра в головку пресса с различными по сечению скоростями, сообщая ей частичное вращение.

     Сушка

    Процесс сушки керамических изделий представляет собой превращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в парообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внешнего источника тепла, нагревающего изделия. Наиболее ответственной является сушка высоковлажного полуфабриката изделий хозяйственной и строительной керамики, изготовленного пластическим формованием.

    Если  в процессе сушки замерять температуры  материала и окружающей среды, то обнаруживается, что температура изделия ниже температуры воздуха. Следовательно, во время сушки поверхность твердого тела, имеющего относительно низкую температуру, соприкасается с газом, нагретым до более высокой температуры. Между ними происходит теплообмен. Поэтому процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно протекающих явлений:

    а) испарения влаги с поверхности  материала;

    б) внутренних перемещений (диффузии) влаги  в материале;

    в) теплообмена между материалом и окружающей газообразной I средой.

    Внешним показателем процесса сушки является изменение веса материала во времени. Графическое изображение зависимости влажности материала от длительности сушки носит название кривой сушки. Характер кривой определяется влажностью и размерами изделия, способом его формования, а также температурой, влажностью и скоростью теплоносителя. Совокупность указанных факторов определяет режим сушки. Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

    Режим сушки регулируют, изменяя температуру  или количество теплоносителя, подаваемого в сушилку.

    Если  сушку проводят при малых перепадах  температуры между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьшается от исходной w₀, а температура повышается до температуры мокрого термометра t_М. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность . Это период прогрева полуфабриката.

    На  втором этапе (период постоянной скорости сушки) влажность заготовки меняется по линейному закону при постоянной температуре.

     Обычно  отформованные заготовки сушат до влажности     2-3%

    Изменение размеров полуфабриката в сушке  характеризуют линейной или объемной усадкой, выраженной в процентах.

    Усадка  зависит от влажности заготовки  и размера частиц твердой фазы. Линейная усадка в сушке заготовок  пластического формования составляет  6-8%.

     Обжиг

    Процесс обжига изделий строительной керамики может быть условно разделен на четыре периода:

1. подогрев до 200°С и досушка-удаление физической воды из глины;
2. дальнейший нагрев до 700°С «на дыму» и удаление химически связанной воды из глины;
3. «взвар» - до температуры обжига 980-1000°С - созревание черепа;
4. охлаждение, «закал» - медленное до 500°С и быстрое от 500 до 50°С обожженных изделий.

    Можно отметить шесть главных видов  реакций, протекающих в рядовых  глинах при обжиге:

    1) выделение гигроскопической воды  из глинистых минералов и воды  из аллофаноидов, если таковые присутствуют в глине;

    2) окисление органических примесей;

    3) выделение конституционной воды, т. е. дегидратация глинистых минералов и реакции в так называемых твердых фазах;

    4) жидкофазные реакции и образование  стекловидного расплава;

5. образование новых кристаллических фаз;
6. реакции декарбонизации и десульфуризации.

Продукты разложения составляющих глины и керамические массы минералов (Аl₂О₃∙2SiO₂, SiO₂, Аl₂О₃, CaO, MgO, Fe₂О₃ и .др. окислы) в процессе обжига взаимодействуют между собой при высоких температурах (1000°C и выше) и образуют легкоплавкие силикаты, плавление которых вызывает спекание и размягчение глин. Степень спекания глинистых материалов зависит от температуры и длительности обжига, от состава глинистого сырья, газовой среды, рода и количества плавней.

    Охлаждение  обожженных изделий — не менее  ответственная операция. При 800-780°С череп изделия строительной керамики находится в пиропластическом состоянии  и переходит в твердое состояние, поэтому необходимо замедлять охлаждение во избежание появления напряжений, которые могут разрядиться местными разрывами (трещинами). Считают опасным также участок 650- 500°С в связи с обратимым превращением α-β-кварц.

    Спекание  материала - существенный момент процесса обжига, так как к этому времени заканчивается формирование керамического изделия. Окончание спекания изделия характеризуется прекращением его усадки. Условными показателями спекшегося материала являются его водопоглощение.

    Спекаемость глины зависит от содержания в  ней плавней и степени их дисперсности.

    На  процесс формирования керамического  черепка влияют: химический и гранулометрический состав сырья, соотношение компонентов в массе, а также температурно-газовый режим обжига.