Строительная керамика

    Техническим показателем пластичности является число пластичности

    Пл = WT – WP

где WT и WP – значения влажности, соответствующие пределу текучести и пределу раскатывания глиняного жгута, %.

    Для производства строительных керамических изделий обычно применяют умеренно пластичные глины с числом пластичности Пл =  7 – 15. Малопластичные глины  с Пл меньше 7 плохо формуются, а высокопластичные глины с Пл больше 15 растрескиваются при сушке и требуют отощения.

    Связующая способность глины проявляется в связывании зерен непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также в образовании при высыхании достаточно прочного изделия – сырца. Эту способность используют при кладке печей, труб.

    2.Отвердевание  глины при высыхании  и усадка

    Особенность глиняного теста – способность  отвердевать при высыхании на воздухе. Прочность высушенной глины  обусловлена действием ван-дер-ваальсовых сил и цементацией зерен минералов ионами примесей. Силы капиллярного давления стягивают частицы глины, препятствуют их разъединению, вследствие этого происходит воздушная усадка. При насыщении водой мениски исчезают, прекращается действие капиллярных сил, частицы свободно перемещаются в избытке воды, и глина размокает.

    Усадка – это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка) глин. Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия.

    Для различных глин линейная воздушная  усадка колеблется от 2 – 3 до 10 – 12 % в  зависимости от содержания тонких фракций. Для уменьшения усадочных напряжений к жирным глинам добавляют отощители. Поверхностно-активные вещества (СБД  и др.), введенные в глиняную массу в количестве 0,05 – 0,2 %, улучшают смачивание частиц глины водой, позволяют сократить формовочную влажность и снизить воздушную усадку.

    Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка может составлять 2 – 8 % в зависимости от вида глины.

    Полная  усадка, равная алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, колеблется от 5 до 18 %. Соответственно увеличивают размеры форм, чтобы получить готовое изделие необходимых форм.

    3.Переход  глины при обжиге  в камневидное  состояние

    В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная  вода, затем выгорают органические вещества. При температуре 700 – 800 С происходит разложение безводного метакаолинита Al2O3 2SiO2, который образовался ранее (при температуре 450 – 600 С) вследствие дегидратации каолинита; затем Al2O3 и SiO2 при повышении температуры (до 900 С и выше) вновь соединяются, образуя исскуственный минерал – муллит 3Al2O3 2SiO2. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.

    Обжиг кирпича и других пористых изделий  обычно заканчивается при температуре 950 – 1000 С.Дальнейшее повышение температуры  резко интенсифицирует образование и накопление жидкой фазы – силикатного расплава, который не только цементирует частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В результате получаются изделия с плотным керамическим черепком, отличающимся малым водопоглощением (менее 5 %).

    4. Спекаемость

    Спекаемостью  глин называют их свойство уплотнятся при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

    На  рисунке видно, что с повышением температуры обжига возрастает степень  спекания и уменьшается водопоглощение до точки С, так как при температуре tC отмечаются признаки пережога – оплавление и вспучивание материала. Интервал спекания легкоплавких глин (для производства кирпича, керамзита) 50 – 100 С, огнеупорных глин – 400 С.

    Огнеупорные глины (и изделия из них) противостоят действию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. Чистый каолинит плавится         

при температуре 1770 С,            20                                                                 

однако различные приме-                                                                                                                                     

си (Fe2O3, CaCO3, и др.)

понижают эту температу-

ру. Представляя собой               10

сложные природные сме-                                                        

си, глины не имеют опре-                                   

деленной температуры                                              

плавления. При 750 -                 2

800 С  в следствии частич-              800 tA             1000 tB                  1200tC            1400

ного  плавления легко-                                             Температура, С                                     

плавких эвтектических смесей начинается уплотнение черепка и закрытие пор, т.е. происходит спекание.

    Цвет  глины после обжига имеет существенное значение для облицовочных керамических изделий, а также для тонкой керамики. Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных CO и H2 в газах) и при определенных температурах, чтобы Fe2O3 перевести в FeO. Не желательны в глине крупные зерна пирита FeS2 и оксидов железа, образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободного оксида железа при нагревании между 450 и 800 С придает изделию красноватое и желтоватое окрашивание. Оксиды титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка. 

    Схема производства

    керамических  изделий.

    1.Обработка  глиняной массы

    Производство  керамических изделий включает следующие  этапы: карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг.

    Карьерные работы включают добычу, транспортировку и хранение промежуточного запаса глины. Вылеживание замоченной глины, ее вымораживание в течении годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.

    Механическая  обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить или измельчить каменистые включения, гомогенизировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. Каменистые включения выделяют из глины, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Можно добиться полного выделения камней из глины  гидравлическим обогащением: глину распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропускают через сито, на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; шликер обезвоживают в мощных распылительных сушилках.

    Глину измельчают после выделения каменистых включений. Если их нет в глине, то после доставки на завод ее сразу подвергают грубому дроблению, потом тонкому измельчению. После тонкого измельчения глину надо промять, чтобы получить глиняную массу с необходимой формовочной влажностью.

    2. Формование

    Стеновые  керамические изделия изготовляют  способами пластического формования и полусухого прессования. Из жидких глиняных масс изготовляют некоторые  виды облицовочной плитки, санитарно-технические  и другие фаянсовые и фарфоровые изделия.

    Способ  пластичного формования. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными. В корпусе этого пресса вращается шнек – вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса поступая через воронку и питающий валик, перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке и мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук глиняного пресса для производства кирпича имеет прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и керамических камней, в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник. Применяются также фасонные вставки с узкими щелями – для формования черепицы, кольцевые для керамических труб.

    Из  мундштука пресса выходит глиняный брус, который разрезают автоматически  резательным аппаратом, получая  изделия заданного размера. Плотный  вакуумированный сырец устанавливают  рядами на печную вагонетку и он поступает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакуумирование глины позволяет извлечь из нее воздух, снизить влажность на 3 – 4 %, увеличить прочность сырца в 2 – 3 раза, прочность обожженного изделия увеличивается до 2 раз, его водопоглощение снижается на 10 – 15 %.

    Способ  полусухого прессования. Керамические изделия формуют способом полусухого прессования из шихты влажностью 8 – 10 %, уплотняемой прессованием под значительным давлением (15 – 40 МПа).

    Способ  литья. Плитки (толщиной 2 мм) изготовляют способом литья на автоматизированных конвейерных линиях. По конвейеру движутся пористые керамические поддоны, на которые наливные аппараты последовательно наносят шликеры разделительного, плиточного и глазурованного слоев. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем на режущее устройство. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22 – 30 минут, после чего он автоматически предается в тепловые установки. Полный цикл производственного процесса (вместе с обжигом) занимает около 2 часов.

    3. Сушка сырца

      Перед обжигом изделие надо высушить до содержания влаги не более 5 % во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Сушку сырца проводят в тоннельных и камерных сушилках.

    4. Обжиг изделий

    Обжиг завершает изготовление керамических изделий. В процессе обжига формируется их структура, определяющая технические свойства изделия. Суммарные затраты на обжиг составляют 35 – 40 %, а потери от брака достигают 10% себестоимости товарной продукции. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных печах с автоматическим управлением. Туннельная печь представляет собой длинный канал, выложенный внутри огнеупорной футеровкой. Вагонетки с изделиями, составляющие сплошной поезд, перемещаются в печи и постепенно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения. Максимальная температура обжига кирпича и других стеновых керамических изделий (950 – 1000 С) необходима для спекания керамической массы. Спекание происходит вследствие цементирующего действия расплава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.