Керамика и её важнейшие потребительские свойства

Керамика - (греч. keramike - гончарное искусство - от keramos - глина), искусственные изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками.

Керамические изделия характеризуются хорошими эксплуатационными, механическими, химическими свойствами. Эти свойства обусловливают высокую долговечность керамических изделий в строительных конструкциях. Вместе с тем керамические изделия имеют следующие недостатки: сравнительно высокую плотность и теплопроводность, для технологии керамики характерны длительный производственный цикл, а также высокая энергоемкость и капиталоемкость производства.

Хотя керамические изделия являются самыми древними из искусственных материалов, технология керамики в последнее время бурно развивается в направлении создания так называемых композиционных материалов на их основе.

Сырьевые материалы, используемые для производства керамических изделий, подразделяют на пластичные и непластичные.

Основным пластичным материалом является глина – осадочная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.). Разновидности глины выделяют по преобладанию того или иного глинистого минерала. Главные компоненты глины: SiO₂ (30-70%), Al₂O₃ (10-40%) и Н₂О (5-10%).

Основным непластичными материалами являются: отощающие материалы - песок, шлак (для снижения пластичности и усадки глин); флюсы - мрамор, доломит (для снижения температуры спекания глин); порообразующие материалы - мел, древесные опилки, зола (для снижения теплопроводности); специальные добавки (например, красители).

Основы технологии керамики и изделий на ее основе

Технология керамики – наука и практика о сово­купности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления керамических изделий.

Вне зависимости от вида и назначения керамических изделий в технологии керамики выделяют следующие основные стадии:

• карьерные работы;

• подготовка глиняной массы;

• формование изделий;

• сушка отформованных изделий;

• обжиг высушенных изделий;

• поверхностная обработка керамических изделий.

Керамические заводы, как правило, строятся вблизи месторождений глины, поэтому карьер является составным элементом структуры предприятия.

Карьерные работы включают в себя добычу глины, транспортирование и хранение запаса глины на зимний период, когда добыча глины не производится. Таким образом, на данной стадии используются преимущественно механические процессы.

Подготовка глиняной массы заключается в разрушении естественной структуры глины, удалении твердых каменистых включений, измельчении и увлажнении для получения однородной массы с требуемыми формовочными свойствами. Таким образом, на данной стадии используются преимущественно механические и гидромеханические процессы.

В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготов­ляемой продукции различают следующие способы подготовки глиняной массы: полусухой, пластический и мокрый (шликерный).

При полусухом способе сырьевые материалы после предваритель­ного дробления выдерживают в сушильном барабане (до остаточной влажности 6...8 %), затем измельчают, просеивают, увлажняют (до влажности 8...12%) и тща­тельно перемешивают. Полусухой способ подготовки глиняной массы используется в основном при производстве плиток для обли­цовки стен, полов.

При пластическом способе подготовки глиняной массы исход­ное сырье дробят, тонко измельчают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18...22 %. Этот способ применяется при производстве глиняного кирпича, черепицы, труб.

При шликерном способе подготовки глиняной массы высушен­ные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения однородной массы — шликера, который используют для получения изделий способом литья (санитарно-технические изделия, декоративная керамика и др.).

Формование заключается в придании керамическим изделиям требуемой формы и размеров. Оно осуществляется при полусухом и пластическом способах подготовки глиняной массы преимущественно на прессах, при шликерном - происходит в заранее подготовленных гипсовых формах методом литья.

При производстве бытовой керамики в условиях единичного производства используется вращающийся вокруг вертикальной оси гончарный круг, на котором формование осесимметричных изделий осуществляется методом пластической деформации (под действием пальцев рук).

Сушка — обязательная промежуточная стадия тех­нологического процесса производства керамических изделий и по своей сущности является массообменным процессом. Если сырые изделия сразу после формования подвергнуть обжигу, то они растрескаются. Сушка в естественных условиях производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. В случае серийного и массового производства ускорение процесса сушки керамических изделий достигается либо в камерных сушилках периодического действия либо в туннельных сушилках непрерывного действия.

По мере удаления влаги при сушке частицы материала сближаются и происходит его усадка. Для получения высококачественных изделий процесс сушки должен осуществляться по строгому режиму согласно определен­ному графику в зависимости от вида керамических изделий. Продолжительность процесса сушки составляет от 24 ч до 3 сут. Изделия необходимо высушить до такой степени, при которой содержание влаги в них не превышает 5 %, во избежание неравномерной усадки и рас­трескивания при обжиге.

Обжиг керамических изделий является наиболее ответственной ста­дией их производства, так как в процессе обжига формируется их структура, определяющая наиболее важ­ные свойства изделий: прочность, водостойкость, моро­зостойкость и др. В процессе обжига происходят сложные физико-химические превращения в исходном материале (см. главу 4.3).

Обжиг производят преимущественно в туннельных печах непрерывного действия, в которых навстречу изделиям, перемещаемым вагонетками, подаются дымовые газы. Условно печь делят на три зоны — подогрева, обжига и охлаждения.

В начальный период (при 100...200 °С) происходит досу­шивание керамических изделий дымовыми газами, отходящими из зоны обжига. При температуре 200...800°С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав исходной сырьевой смеси. В интервале температур 550...800 °С происходит дегидратация (полное обезвоживание) гли­нистых минералов и удаление химически связанной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка наиболее легкоплавких глинистых минералов, и глина теряет пластичность. Легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются, происходит усадка изделий. Дальнейший подъем температуры до максималь­ной обусловливает существенные необратимые изменения в структуре керамики: глина необратимо переходит в камневидное состояние. После достижения максимальной температуры обжига изделия подвергают изотермической выдержке для выравнивания темпера­туры по всей их толщине. Последующее охлаждение ведут очень медленно, постепенно снижая температуру до 500...600 °С. Затем вагонетки с изделиями обдувают холодным воздухом.

Поверхностная обработка керамических изделий предназначена главным образом для придания привлекательного вида, декорирования и повышения стойкости к внешним воздействиям. При этом поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывается глазурью – стекловидным покрытием толщиной 0,15…0,3 мм.

В целом, процесс производства керамических изделий (например, керамического кирпича) условно может быть представлен в виде блок-схемы (рис. 1).

Для технологии керамики характерны высокая энергоемкость и капиталоемкость производства и в то же время высокий уровень механизации и автоматизации производства.

Основными направлениями развития технологии керамики являются следующие:

- улучшение технологии производства керамических изделий за счет совершенствования процессов подготовки, сушки и обжига, разработки эффективных методов формования, использования малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии);

- увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству керамических изделий (эволюционное развитие технологии);

- повышение уровня механизации и автоматизации трудоемких стадий производства керамических изделий (рационалистическое развитие технологии).

Рис. 1. Принципиальная схема производства керамического кирпича по пластическому способу