Непластичні матеріали та добавки

Непластичні матеріали, що отощають, уводять для зменшення повітряної та вогневої усадки. До матеріалів, що отощають, відносять: кварц, шамот, дегідратовану глину.

Кварц - один із найбільше поширених у природі мінералів. Він зустрічається у виді жилок, кварцових пісків, кварцитів, кремнію, а також у виді домішок у глинах і каолінах. Головним джерелом кварцу для керамічної промисловості є піски. Цей же самий пісок, звичайно, подрібнюють у кульових млинах до розміру часток менше 200 мм для введення компонента, що містить кремнезем, у глазурі і тонко керамічні маси.

Ще одним важливим джерелом кремнезему є щільні кварцити, із яких виготовляють динасові цегли для склепінь мартенівських, ванних, скловарних і коксових печей. Для цих цілей вибираються породи, при здрібнюванні яких утворюється суміш грубих і тонких зерен, а утримання Fе₂О₃ і А1₂O₃ не перевищує 0,5%. При цьому утримання вапна не обмежується, оскільки біля 0,5% СаО добавляється в шихту у процесі виробництва.

Іншою використовуваною і промисловості формою кремнезему є інфузорна земля, що подає собою суміш із скелетів дрібних морських тварин - діатом (інфузорій). Майже на 90% вона складається з кремнезему і містить велике число мікроскопічних пір, у зв'язку з чим цей матеріал дуже ефективно та широко використовується в якості теплової ізоляції.

Шамот виготовляють шляхом випалу глин при температурах 900-1400^оС, при цьому глини втрачають пластичні властивості. Шамот має невисоке водопоглинання (4-14%). У масу уводять від 20 до 50% здрібненого шамоту із зернами максимального розміру 1-3 мм. На відміну від інших матеріалів, що отощають, шамот не знижує вогнетривкості мас. У якості шамоту також використовують для отощування маси здрібнений бій готових виробів, капсульний бій.

Дегідратовану глину одержують нагріванням глини до 600-700 С. Унаслідок видалення хімічно зв'язаної води при нагріванні вона утрачає свої пластичні властивості. Таку глину після здрібнювання застосовують у якості отощувача для зменшення усадки при сушінні.

Матеріали, що флюсують (плавні).

Уведення до складу маси матеріалів, що флюсують (плавнів), сприяє зниженню температури випалу виробів і підвищенню ступеня спікання маси. Плавні у процесі випалу вступають у взаємодію з глинистою речовиною та утворюють більш легкоплавкі з'єднання, чим чиста глина.

Плавнями вважаються матеріали, що при даному складі керамічної маси раніш інших переходять під час випалу в розплавлений стан і служать розчинниками для інших компонентів. До них відносяться легкоплавкі матеріали або ті, котрі, вступаючи у взаємодію з іншими компонентами, утворюють легкоплавкі з'єднання. До першого відносять польові шпати, до других — карбонати лужноземельних металів (кальцію та магнію).

За характером впливу на глинисту речовину плавні, застосовувані для виробництва виробів будівельної кераміки, поділяють на дві групи:

- плавні-флюси, дія яких обумовлюється низькою температурою їхнього плавлення (пегматити, нефелінові концентрати, вулканічні породи, перліти, відходи скляного виробництва - склобій або ерклез);

- матеріали з високою температурою плавлення, але легкоплавкі з'єднання, що дають при випалі, із глиною, або з іншими компонентами керамічної маси (крейда, доломіт).

Пегматити - являють собою польові шпати, що проростили кристалами кварцу. Утримання кварцу в пегматиті коливається в широких межах. Поводження пегматиту при випалі визначається властивостями польового шпату, головним чином, його температурою плавлення (1160-1200)^оС.

Керамічна промисловість у якості кварц-польовошпатової сировини в основному використовують калієві польові шпати та пегматити.

Польові шпати являють собою безводні алюмосилікати, що містять К⁺, Na⁺ і Са²⁺. Вони присутні фактично в усіх вивержених породах. Ізоморфне заміщення у кристалічній решітці польових шпатів одного катіона на інший призводить до утворення декількох різновидів. Найбільш важливими різновидами, що мають промисловий інтерес, є:

калієвий польовий шпат, мікроклін, ортоклаз,

натрієвий польовий шпат, альбіт,

кальцієвий польовий шпат; анортит,

Калієві польові шпати завжди містять деяку кількість альбіту, а натрієві - анортиту.

Польові шпати широко поширені у природі, але, звичайно, зустрічаються у виді невеличких включень, тісно асоційованих з іншими мінералами. Тому число промислових родовищ польових шпатів невелике. Велику частину польовошпатової сировини дають пегматити, що являють собою грубозернисті кристалічні породи, що утворилися па пізніх стадіях кристалізації магми. Утворення великих кристалів у таких породах пришвидшувалося за рахунок низької грузькості і високої концентрації летучих складових. Поліпшені методи збагачення пегматитів, що включають флотацію і магнітну сепарацію, уможливлюють одержання польового шпату, тоді, як опрацювання пегматитів старими методами економічно недоцільний. Польовошпатові концентрати, одержувані в результаті опрацювання польовошпатових порід і пісків шляхом флотації, складають тепер більш ніж третю частину використовуваної незбагаченої польовошпатової сировини.

Вільний кварц зменшує флюсуючу дію польових шпатів. Його дія більш ефективна в керамічних масах, що містять натрієвий шпат, чим у масах, що містять калієвий шпат. Кількість і тип присутніх лугів визначають точку розм’якшення польового шпату, причому остання знижується при збільшенні утримання натрію та зменшенні утримання калію. Головними супутніми мінералами в пегматитах є кварц, слюда та інші силікати.

Нефелінові концентрати - побіжні порошкові тонкомолоті відходи гірничо-збагачувальних комбінатів. У складі концентратів до 20% лужних оксидів. Це дозволяє використовувати концентрати як ефективні плавні. У порцелянову та фаянсову масу концентрати не вводять через їхнє забруднення залозистими домішками.

Вулканічні породи - перліти, обсидіани, андезити - цінна сировина для виробів різноманітного асортименту. Введення в масу перліту дозволяє знизити температуру випалу та одержувати вироби білого, або іншого соковитого кольору. При виробництві глазурованих виробів використання перліту декілька утрудняє одержання виробів із гарним розливом глазурі, тому що у процесі випалу виробів із перліту продовжується виділення хімічно зв'язаної води, що найчастіше призводить до утворення наколів у глазурі.

Склобій або ерклез - найбільш ефективні види плавнів, тому що мають низьку температуру початку плавлення (біля 850^оС). Склобій застосовують постійного хімічного складу, близького до складу віконного листового скла. Якщо на заводі є скловарні печі, скломасу рекомендованого складу варять спеціально, охолоджують у потоці води та одержують ерклез, який перед запровадженням у керамічну масу попередньо дроблять і мелють. Склобій або ерклез значно знижує температуру випалу, але декілька скорочує інтервал випалу виробів.

Крейду або доломіт уводять до складу мас до 3-5%, при цьому вони знижують температуру плавлення та спікання керамічних мас, сприяють відбілюванню керамічного черепка, ліквідації чорної серцевини, проте декілька скорочують інтервал спікання маси, утруднюючи випал і, створюючи небезпеку деформації виробів.

Нефеліновий сієніт являє собою вивержену гірську породу, що не містить вільного кварцу і складає з ніфеліну , альбіту та мікрокліну. Він може бути використаний як замінник польових шпатів у порцеляновій промисловості.

Волластоніт CaSiO₃ одержав широке поширення, як основна сировина для виготовлення фаянсу та плиток. Його частіше використовують замість частини польового шпату, особливо в масах для виготовлення плиток.

Силіманітова група мінералів, що мають склад Al₂SiO₅, грає важливу роль у виробництві мулітових вогнетривів. Мінерали цієї групи зустрічаються у трьох поліморфних формах - силіманіт, кіаніт і андалузит. Усі вони мають властивість при нагріванні до відповідних температур утворювати муліт 3Al₂O₃2SiО₂ і кремнезем. У залежності від теплового опрацювання та присутності плавнів кремнезем у таких матеріалах з'являється у виді скла, або якихось кристалічних формах SiO₂. Найбільше використання знаходить кіаніт. При випалі він дає значне розширення, у зв'язку з чим при виготовленні мулітової цегли він, звичайно, піддається попередній термообробці.

Спечений синтетичний муліт, отриманий на основі мало залозистих бокситів, анітрошки не поступається по властивостях муліту, отриманому з природних мінералів. Синтетичний муліт високого ступеня чистоти виготовляється в електричних печах шляхом плавки технічного окису алюмінію і кремнеземистих матеріалів.

Як наведено вище, добавками до кераміки є речовини, які не виконують роль утворювачів кераміки, однак призводять до зміни її структури, тобто властивостей.

Основними добавками, які використовують при виготовленні кераміки, є добавки, які змінюють її порову структуру. У якості таких добавок застосовують добавки, які вигорають у процесі утворення кераміки, залишаючи замість себе порожнини, або добавки, які спрямовано утворюють пори – так звані пороутворюючі добавки.

У якості добавок, які вигорають, використовують горючі речовини: золу, тирсу та такі інші. У якості добавок, що утворюють пори, використовують піноутворюючі, або газоутворюючі добавки. Ці добавки заздалегідь (до обпалення) керамічного виробу утворюють у середині його пори, які фіксуються безпосередньо керамічним черепком.

Введення пороутворюючих добавок сприяє розвитку порової структури кераміки, що забезпечує, або підвищує її теплотехнічні властивості.