3. Керамические материалы и изделия

3.1. Сырье для производства керамических материалов

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе технологической обработки глиняного сырья с органическими и минеральными добавками и последующего обжига при высоких темпе­ратурах. Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком.

Основным сырьевым материалом для производства строи­тельных керамических изделий является глинистое сырье, приме­няемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками – отощающими, порообразующими, плавнями, пластификаторами и др.

Глинистое сырье (глины и каолины) - продукт выветрива­ния изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород. Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретаю­щее водостойкость и прочность камня.

Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определен­ное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005-0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 0,16-2 мм.

Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между кото­рыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, дает легко формуемую пластичную массу.

Различное сочетание химического, минералогического и гра­нулометрического состава компонентов обуславливает различ­ные свойства глинистого сырья и пригодность его для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения.

Глины, как сырьевой материал для керамической промышленности, характеризуются рядом показателей, основные из которых приведены ниже.

Пластичность – свойство глин во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин. Техническим показателем пластичности является число пластичности.

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

Спекаемость – свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать в результате этого камнеподобный черепок.

3.2. Общая схема производства керамических изделий

При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, назначению, виду сырья и технологии изготовления ос­новные этапы производства керамических изделий являются об­щими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых мате­риалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и об­жиг.

Добыча глины осуществляется в карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие ке­рамических изделий рельсовым, автомобильным или другим ви­дом транспорта.

Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригод­на для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы. Подготовку глин целесо­образно вести сочетанием естественной и механической обработ­ки. Естественная обработка заключается в вылеживании предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодиче­ском увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. Ме­ханическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок, а также перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специа­лизированных машин, некоторые из которых представлены на рис. 2.

Подготовку керамической массы в зависимости от свойств исходного сырья (карьерной влажности, содержания примесей, однородности) и вида изготовляемой продукции осуществ­ляют полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами. Способ приготовления массы определяет и способ формования и название в целом спо­соба производства.

При полусухом способе производства глину вначале дробят, подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8-12% по­дают на формование. При пластическом способе формования глину подвергают дроблению, затем направляют в глиносмеситель, где производят ее перемешивание с отощающими добавками и од­новременно увлажняют до получения однородной пластичной массы с влажностью 20-25%.

Рис. 2. Механизмы для измельчения глины: а - валковая дробилка;

б - дезинтеграторные вальцы; в - бегуны; г - дезинтегратор; д - ножевая глинорезка

Формование керамических изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или механических прессах под давлением. По шликерному способу исходные материалы из­мельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60%) до получения од­нородной массы – шликера.

После формования изделия должны быть высушены до содержа­ния влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге. Сушка производится преимущественно в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение нескольких (до 72-х) часов в зависимости от свойств сырья, влажности сырца и вида изделий.

Обжиг - важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три пе­риода: прогрев высушенного сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаж­дение. При нагреве сырца до 120⁰C удаляется физически связан­ная вода, и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В тем­пературном интервале от 450⁰C до 600⁰C происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов, и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальней­шем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пласти­ческие свойства. При 800⁰C начинается повышение прочности изделий благодаря протеканию реакций в твердой фазе на гра­ницах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева до 1000⁰C возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Аl₂O₃•SiO₂, а при нагреве до 1200⁰C – и муллита 3Аl₂O₃•2SiO₂. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы – плавни создают некоторое количество расплава, который обво­лакивает нерасплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. После остывания изделие приобретает камневидное состоя­ние, водостойкость и прочность.

В зависимости от назначения обжиг изделий ведется до раз­личной степени спекания при различной температуре.

После обжига изделия остывают, штабелируются, упаковываются и поступают на склад готовой продукции.