44. Назовите основные способы подготовки сырья, приготовления формовочной керамической смеси и формирования сырья и приведите их характеристику

Технологические процессы производства керамики можно подразде- лить на следующие операции: добыча сырья, подготовка сырья, приготов- ление формовочной смеси (шихты), формование сырца, сушка и отделка сырца, обжиг, декоративная обработка поверхности. Добыча сырья производится открытым способом в карьерах. Горную породу разрабатывают скребками, скреперами, бульдозерами, одноковшовыми и многоковшовыми экскаваторами. Сравнительно редко применяется взрывной и гидромеханический способы добычи. От карь- ера к месту использования глину подают транспортерами рельсовым и безрельсовым транспортом (автосамосвалы). Глину следует хранить на закрытых утепленных складах, не допуская замерзания в зимнее время. Подготовка сырья, приготовление формовочной смеси и формование сырца осуществляется на предприятиях по производству керамики. В зависимости от состава и свойств сырья, типа выпускаемой про- дукции производство строительной керамики осуществляется тремя основными способами: пластическим, полусухим и шликерным (способ литья). Способ пластического формования (формование пластичных сырьевых шихт) предусматривает приготовление однородной пластичной формо- вочной смеси, влажность которой изменяется в пределах15-25 %. Глина со склада и добавки дозируются и измельчаются на валках. Смешивание глины с добавками и увлажнение водяным паром осуществляются в лопастных смесителях. Окончательное разрушение структуры глин и пе- ремешивание компонентов производятся на дырчатых вальцах или бегу- нах мокрого помола. Формование изделий осуществляется при помощи шнекового (ленточного) пресса (рис. 3.2 и приложение, рис. А.25). Формовочная смесь через воронку 1 и нагнетательные валки 2 подает- ся в камеру и на лопасти шнека 4. Шнек захватывает смесь и перемещаетее в сторону головки 5. На выходе из камеры установлена съемная насад- ка – мундштук 6. Форма отверстия в мундштуке зависит от типа изделия, которое необходимо получить. Например, при формовании кирпича от- верстие мундштука имеет размеры 250×120 мм с припуском на величи- ну предполагаемых воздушной и огневой усадок. Под давлением от 1,6 до 3,0 МПа, развиваемым шнеком, масса выходит из мундштука в виде непрерывной ленты, которая разрезается на сырцовые изделия (кирпичи, черепицу, трубы) стальными струнами. Полученный сырец устанавли- вается на вагонетку для последующей сушки в сушильной камере. При изготовлении труб применяют вертикальные (трубные) прессы. Полусухое прессование предусматривает уплотнение порошкооб- разной массы с влажностью 7-12 % под давлением 10-30 МПа на меха- нических или гидравлических прессах. Применяется при переработке глин с плотной текстурой и невысокой влажностью (8-12 %). Подготовка сырья включает следующие операции: грубое измельчение на вальцах, сушку в сушильном барабане (остаточная влажность 1-2 %), дробление в дезинтеграторе или стержневой мельнице, отделение грубых фракций (более 2-3 мм), увлажнение водяным паром в смесителе. Формование на механических прессах производится в последовательности, ука- занной на рис. 3.3. Порошок подается в пресс-форму 4 из бункера 1 с помощью каретки 3. Верхний пуансон 2 опускается, при этом проис- ходит уплотнение порошка под давлением 2 МПа и его объем умень- шается на 30-35 %. Далее производится прессование нижним штампом в две стадии: сначала создается давление ~9 МПа и штамп опускает- ся вниз, для того чтобы облегчить удаление воздуха; окончательное прессование производится под давлением 30 МПа. Преимуществами полусухого способа являются исключение длительной и энергоемкой операции сушки сырца, уменьшение воздушной усадки и вероятности образования трещин. Способом полусухого прессования получают кирпич, керамические камни, облицовочные плиты. Шликерный способ (литье) формования основан на способности по- ристых гипсовых форм впитывать воду. Изделия формуют из суспензии сырьевых компонентов, содержащей 30-50 % воды (шликер). Отдозированные сырьевые компоненты подают в шаровую мельни- цу, где производится их мокрый помол и смешивание. Приготовленный шликер процеживают через сито для удаления грубых частиц. Далее воз- можны два варианта формования: 1. Шликер высушивают в башенных распылительных сушилках (БРС), влажность порошка после сушки – 7-9 %. Из пресс-порошка изде- лия формуют полусухим способом (облицовочные плитки). 2. Изделия сложной формы производят из шликера в предваритель- но изготовленных по моделям гипсовых формах. Применяют три различных способа литья – сливной, наливной и комбинированный. При сливном способе шликер заливают в гипсовую форму; вследствие поглощения воды формой вязкость слоя, примыкающего к форме, повы- шается. Когда толщина этого слоя достигнет требуемой величины, избы- ток шликера сливают, сырец выдерживают в форме и извлекают из нее. При наливном способе шликер наливают в зазор между разъемными стенками формы, при этом продолжительность выдержки в форме сокра- щается, так как вода поглощается также и внутренней стенкой формы. Шликерным способом получают тонкостенные изделия сложной фор- мы – санитарно-строительный фаянс, химическую посуду, фарфор. При формовании изделий пластическим и шликерным способами сырец необходимо высушить перед обжигом.

45. Перечислите основные физико-химические процессы, происходящие в керамических материалах при сушке сырца, обжиге и спекании, при получении керамического кирпича. Ответ мотивируйте приведение химических реакций соответствующих процессов

Сушка сырца. Удаление влаги из сырца осуществляется как в естес- твенных, так и в искусственных условиях. Предварительная сушка поз- воляет повысить производительность обжиговых печей. Естественная сушка производится в сушительных сараях под наве- сами, она не требует затрат топлива. Недостатками естественной сушки являются высокие трудоемкость и продолжительность (до 30 сут.), пос- ледняя зависит от климата. Искусственная сушка предполагает использование теплоносителя – нагретого воздуха, в том числе воздуха, отобранного из зоны охлажде- ния обжиговых печей. Применяются камерные и тоннельные сушилкиКамерные сушилки периодического действия загружаются сырцом и производится подача нагретого воздуха. Температура и влажность теп- лоносителя непрерывно изменяются, обеспечивая сушку по заданному режиму. В сушилках непрерывного действия – конвейерных и тоннельных – сырец на вагонетках (или на конвейере) непрерывно и с фиксированной скоростью перемещается (рис. 3.4 и приложение, рис. А.26), при этом относительная влажность теплоносителя постепенно понижается, а его температура растет, обеспечивая высокую скорость сушки. Изменение параметров теплоносителя обеспечивают его постоянной принудитель- ной циркуляцией (отбором и подачей). В современных сушилках нагревание сырца может производиться без участия газовой среды инфракрасными излучателями, электромагнитным полем сверхвысокой частоты, что позволяет обеспечить равномерное на- гревание, ускорение процессов сушки и повышение качества керамики. Обжиг сырца. Обжиг – процесс высокотемпературной обработки сыр- ца с целью его превращения в керамику с повышением стойкости против механических и физико-химических воздействий. Обжиг производится в печах периодического (камерных) и непрерыв- ного (кольцевых, тоннельных и щелевых) действия. В печах сжигается твердое (каменный уголь), жидкое (мазут) или газообразное (природный газ) топливо. Кольцевые печи имеют обжигательный канал в форме эллипса, кото- рый последовательно загружается сырцом. Сырец остается неподвиж- ным, а зоны обжига непрерывно перемещаются по каналу, обеспечивая последовательно подогрев, обжиг и охлаждение. Перемещение зон об- жига достигается изменением места подачи топлива в печь (измельчен- ного каменного угля). Топливо подается через трубки, расположенные в своде печи. Недостатками кольцевых печей являются высокие трудозатраты (сад- ка сырца и выгрузка изделий в печи) и относительно менее равномерный обжиг. Тоннельные печи имеют прямолинейный канал, который заполня- ется вагонетками с уложенным на них сырцом (рис. 3.5 и приложение, рис. А.27). Загрузка сырца на вагонетки и выгрузка готовой продукции производятся вне печи. Вагонетки с сырцом перемещаются по тонне- лю, теплоноситель движется во встречном направлении (противоток). По длине печь можно условно разделить на четыре зоны: 1. Досушки – в конце зоны температура сырца повышается до (100-200) °С. 2. Подогрева – температура повышается до 800 °С. 3. Обжига (взвар) – температура (800-1000) °С для грубой керамики. 4. Охлаждения – температура понижается от 1000 до 50 °С. В средней части печи расположены газовые горелки, природный газ сжигается, подогретый воздух поступает в зону обжига из зоны охлаж- дения. Продолжительность обжига зависит от типа изделий и достигает 36 ч (производство кирпича). Щелевые печи – сырец устанавливается в один ряд по высоте и пере- мещается по обжиговому каналу печи на роликовом или сетчатом кон- вейере, что обусловливает равномерный обжиг и сокращает его продол- жительность. При соблюдении заданного режима обжига обеспечивается необходимый фазовый состав и спекание шихты. Содержание жидкой фазы при спекании может достигать 40-50 %. Процессы обжига определяют физические свойства керамики. Например, изменяя температуру и продолжительность обжига, можно получить как пористую, так и плотную керамику

При нагревании (обжиге) сформованного изделия (сырца) протекают физико-химические процессы, которые приводят к изменению химического, фазового составов, структуры и физико-механических свойств, превращению сырца в керамику (керамический черепок).

При повышении температуры сырца до 100-120 °С испаряется свободная и физически-связанная вода; в интервале от 300 до 400 °С выгорают органические примеси. При нагревании до 450-700 °С происходит полиморфное превращение β-кварц → α-кварц, начинается дегидратация водных алюмосиликатов, например каолинита с образованием метакаолинита Al₂O₃ ・ 2SiO₂. При повышении температуры до 900 °С начинается диссоциация карбонатов с выделением CO₂, а также разложение метакаолинита Al₂O₃ ・ 2SiO₂ → Al₂O₃ + 2SiO₂ . При температуре выше 1100 °С образуется муллит 3Al₂O₃ ・ 2SiO₂. При нагревании до 500 °С и выше начинается изменение агрегатного состояния и структуры системы (спекание).

Различают два типа (механизма) спекания:

1. Твердофазовое спекание обусловлено объемной диффузией вещества в твердом теле (диффузионный массоперенос), а также химическим взаимодействием компонентов с образованием новых веществ.

2. Спекание с образованием и участием жидкой фазы (расплава) – основной процесс, происходящий при обжиге в производстве строительной керамики. Глина может содержать примеси, например полевые шпаты и слюды, со сравнительно невысокой температурой плавления (плавни). Кроме того, глины содержат соли натрия и калия. Образующиеся при обжиге оксиды калия, натрия (а позднее и кальция) взаимодействуют с Al₂O₃ и SiO₂ с образованием алюмосиликатов щелочных металлов, имеющих сравнительно невысокую температуру плавления. Это приводит к образованию жидкой фазы (расплава), которая постепенно заполняет поры и понижает пористость сырья. Изменяется также и характер пор, система сообщающихся пор в сырце постепенно разделяется на замкнутые участки. О кинетике процессов спекания можно судить по изменению водопоглощения сырца и керамики.

Температура, соответствующая точке А на рис. 3.1, называется температурой начала спекания (t А ). Температура обжига, при которой водопоглощение керамики приблизительно равно 5 %, называют температурой спекания (t Б ). Пористую керамику получают при максимальной температуре обжига ниже температуры спекания шихты, ее водопоглощение

превышает 5 %. Плотную (спекшуюся) керамику получают обжигом сырца при более высокой температуре. Практически водопоглощение плотной керамики не превышает 0,5-0,7 %.

Температура, соответствующая точке В на рис. 3.1, называется температурой полного спекания обжигом (t В ). При этой температуре можно получить плотную керамику с минимальным водопоглощением. Температуру, соответствующую точке Г на рис. 3.1 называют температурой огнеупорности, или размягчения, t Г . Ее определяют с помощью

пироскопа – трехгранной усеченной пирамиды, изготовленной из сырьевой смеси. Пироскоп при нагревании деформируется и вершиной касается огнеупорного основания.

Температурный интервал t А- t В называется интервалом спекания. Для получения плотной керамики этот интервал должен быть не менее 100 °С, для изготовления пористой керамики – не менее 50 °С, вследствие изменения температуры теплоносителя по высоте печи.