4788

31

каменных материалов (диабаз, андезит, базальт), плотная керамика, а также большинство материалов из пластмасс.

ГЛАВА II. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

2. 1. Керамические материалы и изделия

Керамика - материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а так же оксидов и других неорганических соединений.

Керамические материалы - это искусственные каменные изделия, получаемые из глиняных масс с добавками или без добавок других материалов путем формирования и последующего обжига.

Керамические материалы - самые древние из искусственных каменных материалов.

Они характеризуются достаточно высокими показателями физико-тех- нических свойств, вода-, термо-, и кислотостойкостью, выдерживают 15 ...100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых изменений структуры. Эти свойства обуславливают высокую долговечность керамических изделий и сравнительно низкий уровень затрат при эксплуатации зданий и сооружений.

Вместе с тем керамические материалы имеют и определенные недостатки: сравнительно высокую плотность и теплопроводность, длительный технологический цикл изготовления и др. Однако большие запасы повсеместно распространенного сырья, сравнительная простота технологии, высокая прочность и долговечность керамических материалов, много вековой опыт производства ставят их на одно из первых мест среди других строительных материалов.

Классификация керамических материалов

Керамические материалы и изделия классифицируются по разным признакам.

В зависимости от структуры керамические материалы /КМ/ разделяют на

32

две основные группы: плотные, спекшиеся, имеющие блестящий раковистый излом, не пропускающие воду, с водопоглащением менее 5% / клинкерный кирпич мощения дорог, плитки для пола, канализационные трубы, химически стойкие керамические изделия /; пористые, имеющие тусклый землистый излом, с водопоглащением более 5% / стеновые, кровельные и облицовочные материалы, дренажные трубы /.

По степени однородности и зернистости керамического черепка различают изделия грубой и тонкой / фарфор, фаянс / керамики.

По конструктивному назначению КМ и изделий выделяют следующие их виды: стеновые изделия / кирпич, керамические камни и панели из них /; изделия для облицовки фасадов зданий / лицевой кирпич и камни, плитки различного рода, архитектурно-художественные изделия, ковровая керамика /; изделия для внутренней облицовки / глазурованные плитки и фасонные детали к ним-карнизы, уголки пояски, плитки для полов крупные и мозаичные /; изделия для прекрытий /балки, панели, специальные камни /; кровельные изделия / черепица рядовая, коньковая и др. /; и звукоизоляционные изделия / перлитокерамика, ячеистая керамика, диатомитовые легковесные изделия, керамзито-керамические панели /; санитарно-технические изделия / умывальные столы, унитазы, ванны /; изделия дорожно-строительного назначения / клинкерный кирпич для помещения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационные коллекторов /; изделия для подземных коммукаций / канализационные и дренажные трубы для мелиоративных работ, а также для осушения грунтового основания под зданиями и сооружениями /; заполнители для легких бетонов / керамзит, аглопорит /; кислотоупорные изделия / кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним /; огнеупорные изделия / для футеровки шахтных и туннельных печей, вагранок, вращающихся печей, доменных печей / и др.

Керамические изделия бывают глазурованные и неглазурованные. Глазурь придает изделиям стойкость к внешним воздействиям, водопроницаемость и высокие декоративные качества.

Сырьевые материалы для керамической промышленности

33

Сырьевые материалы, применяемые в керамической промышленности, делят на две группы: пластичные и непластичные.

Пластичными материалами считают такие, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное под воздействием внешних сил принимать любую форму без образования трещин и разрывов и сохранять ее после сушки и обжига. К. ним относят каолины и глины.

Каолины - глинистые породы белого цвета различных оттенков, состоящие главным образом из каолинита. Применяются для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, а также огнеупоров.

Основным сырьем для изготовления строительных керамических материалов и изделий являются глины, которые отличаются от каолинов большим разнообразием химического и минералогического состава.

Глины - осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов. Они в большей степени, чем каолины, загрязнены минеральными и органическими примесями, В природе глины встречаются в рыхлом, пастообразном и уплотненном состоянии.

Любая глина состоит из многих минералов, т.е. является полиминеральным сырьем. Минералы, содержащиеся глине, могут придавать ей пластичность или не обладать пластическими свойствами. К первой группе относятся глинообразующие минералы - водные алюмосиликаты.

Вторая группа включает примеси - компоненты глинистой породы, не входящие в состав глинообразующих минералов, тонкодисперсные примеси с частицами размером 0,5...0,005 мм и грубые включения 0,5...2 мм.

Таким образом, глинистая порода - механическая смесь глинообразующих минералов, тонкозернистых примесей и включений, В качестве примесей могут быть кварцевый песок, карбонатные породы, щелочные и железные оксиды.

Минералогический состав глин определяет их поведение в процессе обжига, а также формовочную способность.

Химический состав глин является важнейшей характеристикой, в значительной мере определяющей промышленное их назначение, для производства тех или иных изделий.

Гранулометрический / зерновой / состав глин характеризуется

34

содержанием частиц / зерен / различной крупности. Глины при смешивании с водой разделяются на мелкие частицы различного диаметра или гранулы. Чаще выделяют следующие фракции составляющих глин: более

0,25...0,05; 0,05... 0,01; 0,01… 0,005; 0,005... 0,001; менее 0,001мм. Мелкие фракции представлены глинообразующими минералами, крупные тощими компонентами. От содержания глинистых минералов зависят технологические свойства глин /пластичность, усадка, температура спекания /. Зная гранулометрический состав глины, можно в первом приближении решить вопрос о ее пригодности для изготовления определенных видов изделий грубой строительной керамики.

Глины отличаются комплексом весьма разнообразных свойств. Наиболее важными технологическими свойствами глин являются: пластичность, связующая способность, воздушная и огневая усадка, огнеупорность, спекаемость и интервал спекания.

Пластичностью глины называется ее способность, образовывать при воздействии внешних усилий любую заданную форму без разрыва сплошности и сохранять ее и после прекращения действия усилий.

Пластичность глины повышается с увеличением содержания в ней глинистых частиц. Ее мерой является число пластичности (П).

В зависимости от числа пластичности ГОСТ устанавливает следующую классификацию глин: высокопластичные - П > 25 %; среднепластичные – П = 7...15 %; малопластичные – П = 15...25 %; умеренно плапластичные – П < 7 %; непластичные, т.е. образующие пластичное тесто. Малопластичные глины плохо формируются, а высокопластичные растрескиваются при сушке и требуют отощения. Для производства строительных керамических изделий обычно применяют умеренно пластичные глины.

Связующая способность глин - свойство их связывать частицы непластичных материалов / песка, шамота и др. / при сохранении способности массы к формированию и образованию после сушки достаточно прочного изделия. По связующей способности глины подразделяются в зависимости от содержания связанного кварцевого песка: связующие / песка более 50 % /, пластичные / 20...50 % /, тощие / менее 20 % /,

35

камневидные / не образуют пластичное тесто /. Благодаря связующей способности глиняные строительные растворы используются при кладке печей и труб.

Усадка глины - это уменьшение линейных размеров и объема глиняного образца - сырца - при его сушке / воздушная усадка / и обжиге / огневая усадка /. Количественной мерой усадочных явлений при сушке является относительная воздушная усадка / в % /.

Относительная воздушная усадка различных глин составляет от 2…3 до 10...12 % в зависимости от содержания в них тонких фракций. Она зависит от содержания в глине песка, ее дисперсности, режима сушки. Для уменьшения усадочных напряжений в изделиях к жирным глинам добавляют отощители. Чувствительность глин к сушке характеризует их трещиностойкость в этом процессе. Причиной возникновения трещин является неодинаковая усадка по сечению и по поверхности изделия. Когда возникающие при этом напряжения превосходят предел прочности материала, образуются трещины. Трещиностоикость керамических изделий зависит от их прочности, усадки и влагопроводности глины.

Усадочные явления при обжиге количественно характеризуются относительной огневой усадкой / в % /.

Огневая усадка глин может составлять 2...8 %, возрастая с увеличением содержания в них глинистых фракций.

Полная усадка глин, равная алгебраической сумме их воздушной и огневой усадок, колеблется от 5 до 18 %. Чтобы получить готовое изделие необходимых размеров, соответственно увеличивают размеры форм.

Огнеупорность - способность керамических материалов и изделий длительно противостоять воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь.

Согласно ГОСТу, глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные / температура размягчения выше 15800С /, тугоплавкие / 1350 - 15800С /. Огнеупорность глины зависит от его минералогического, химического и гранулометрического составов. Огнеупорные глины высокопластичны, характеризуются малым содержанием примесей, высокодисперсные, применяются в производстве фарфорофаянсовых

36

изделий, огнеупоров.

Тугоплавкие глины с содержанием плавней 15 - 1.8 % после обжига имеют темный цвет. Они применяются в производстве химически стойких материалов, канализационных труб, плиток для полов и других изделий с плотным черепком.

Легкоплавкие глины / до 30 % плавней / характеризуются большим разнообразием химико-минералогического состава. Из них изготовляют глиняный кирпич, пустотелые керамические камни и изделия строительной керамики с пористым черепков.

Под спекаемостью глин понимают их способность уплотнятся при обжиге с образованием твердого камнеподобного черепка. Спекание - это совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге. Степень спекания определяет водопоглащение керамического черепка. С повышением степени спекания водопоглащение уменьшается. Спекшимся считается черепок с водопоглащением менее 5 %. Спекаемость глин характеризуют температурным интервалом их обжига, определяемым как разность температуры спекания и температуры начала деформации образца, Спекаемость является важнейшим показателем, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий - канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий.

Группа непластичных материалов включает: отощающие материалы, флюсы / плавни /, порообразующие / выгорающие / и специального назначения.

Отощающие материалы используются для снижения пластичности и воздушной усадки глин / кварцевый песок, шамот, дегитратированная глина / гранулированный шлак, зола /.

Флюсы способствуют повышению степени однородности и снижению температуры спекания глин / мел, мрамор, доломит, тальк /.

Порообразующие материалы вводятся в глиняные смеси для получения легких керамических изделий повышенной пористости и с малой теплопроводностью. Это вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа / молотые мел, доломит / или выгорают / древесные опилки, тощие, каменные угли, золы ТЭЦ, отходы углеобогатительных фабрик /.

37

Материалы специального назначения используют для придания изделиям определенных свойств. Например, для получения некоторых видов цветной керамики применяют оксиды хрома, кобальта и др.

Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывают глазурью или ангобом. Глазурь - стекловидное покрытие на керамике толщиной 0,15 - 0,3 мм, закрепленное обжигом. Она может быть прозрачной, непрозрачной различного цвета. Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность необожженного изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность изделия получается матовой. Свойства ангоба должны быть близки к свойствам основного черепка.

Технологический процесс производства керамических материалов

Несмотря на обширный ассортимент, разнообразие форм и свойств керамических изделий, основные этапы их производства являются общими и включают следующие стадии: карьерные работы, подготовка глиняной массы, формование изделий, сушку отформованных изделий, обжиг, обработку изделий и упаковку.

Добыча глины осуществляется в карьерах. Керамические заводы строят вблизи месторождения и карьер является составной частью завода. Для добычи глин используют многоковшовые, одноковшовые и роторные экскаваторы, канатные скреперы.

Поступление в производство мерзлой глины недопустимо, так как изделия из нее имеют определенные пороки, повышается нагрузка на добычные машины, вследствие чего учащаются их поломки. Поэтому, в производство должна подаваться только талая глина. Экономически более выгодно годовой расход глины обеспечивать добычей ее только в летний период и созданием определенного запаса для работы в зимний период.

Транспортирование глины из карьера на завод экономически выгодно обеспечивать рельсовым транспортом. Безрельсовый транспорт / ленточ-

38

ные транспортеры, автосамосвалы, тягачи, тракторы, воздушно-канатные дороги / используются с учетом местных условий.

В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции подготовку глиняной массы осуществляют полусухим, пластическим и шпикерным / мокрым / способами.

По 1-му способу сырьевые материалы после предварительного дробления на вальцах выдерживают в сушильном барабане, затем измельчают

вдезинтеграторе, просеивают, увлажняют и тщательно перемешивают. Полусухой способ используется при производстве плиток для облицовки стен, полов и др.

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

По шликерному способу подготовки глиняной массы высушенные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения однородной массы - шликера, который непосредственно используют для получения изделий способом литья / санитарнотехнические изделия, декоративная керамика и др. / или после его сушки в распылительных башенных сушилках. Сущность технологии заключается

всовмещении процессов обезвоживания, дробления и сепарации керамической массы. Обезвоживание ее в распылительных сушилках позволяет в 3,5 раза повысить производительность труда и сократить капитальные затраты на производство готовой продукции.

Формование изделий осуществляется преимущественно на прессах: при 1-м способе подготовки - гидравлических или механических, при 2-м - ленточных вакуумных или безвакуумных.

Сушка изделий - обязательная промежуточная стадия технологического процесса производства керамических изделий. Если сырье сразу после формирования подвергнуть обжигу, то оно растрескается. Сушка в естественных условиях производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. Ускорение процесса сушки изделий достигается в сушилах периодического / камерных / и непрерывного / туннельных / действия.

39

Туннельный способ сушки является более прогрессивным по сравнению с камерным.

Процесс сушки керамических изделий основан на комплексе явлений, связанных с тепло- и массообменном между ними и окружающей средой. Происходит перемещение влаги из внутренних частей изделия к его поверхности, где она испаряется. По мере удаления влаги частицы материала сближаются и происходит его усадка.

Высушенные изделия снимают с сушильных вагонеток и перекладывают на печные вагонетки, которые направляют на обжиг.

Обжиг изделий производят в кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Туннельные печи экономичнее кольцевых в силу более высокого уровня механизации производства, а также лучшего использования тепловой энергии.

Впроцессе обжига происходят сложные физико-химические превращения

вматериале. В печь поступает сырец влажностью 8 – 12%. В начальный период происходит досушивание его дымовыми газами, отходящими из зоны обжига / при 100 – 2000С /. При температуре 200 – 8000С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в

состав шихты. В интервале температур 550 – 8000С происходит дегидратация глинистых минералов и удаление химически связанной, конституционной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка наиболее легкоплавких глинистых минералов и глина теряет прочность. Легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются, происходит усадка изделий. Дальнейший подъем температуры до максимальной обуславливает значительные структурные изменения черепка. Появляются новообразования, образуется искусственный минерал - муллит, который придает прочность водостойкость, термическую стойкость и др. С повышением температуры глина необратимо переходит в камневидное состояние, происходит спекание керамического черепка, твердые его частицы сближаются и цементируются жидкой фазой.

По достижении максимальной температуры обжига изделия подвергают изотермической выдержке для выравнивания температуры по всей их толще. Охлаждение их ведут очень медленно, постепенно снижая

40

температуру до 500 – 6000С. Затем вагонетки с изделиями обдувают холодным воздухом. Температура обжига изделий из ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН составляет 900 – 11000С, производительность туннельных печей - до 500 млн. шт. кирпича в год.

Обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией производства керамических изделий, так как в процессе обжига формируется их структура, определяющая наиболее важные технические свойства изделий: прочность, водостойкость, морозостойкость и др. Режим обжига определяет качество продукции, технико-экономические показатели производства керамических изделий / расход топлива, электроэнергии и т.д. /. Например, суммарные затраты на обжиг достигают 35.., 40 %, а потери от брака - почти 10 % от себестоимости товарной продукции.

После выгрузки из печи изделия сортируют с учетом технических условий, приводимых в ГОСТах.

Научно-технический прогресс и пути повышения - экономической эффективно производства и применения в строительстве

керамических материалов и изделий

1)увеличение мощности предприятий, что позволит повысить уровень механизации и уменьшить трудозатраты и себестоимость продукции, снизить расход энергоресурсов, а также цеховые и общезаводские затраты, полнее использовать достижения научно-технического прогресса;

2)совершенствование технологии производства керамических материалов за счет внедрения малоотходных, безотходных, энергосберегающих процессов, использования машин и агрегатов большой единичной мощности и производительности;

3)снижение материалоемкости производства на базе широкого использования местного и попутно добываемого сырья и отходов промышленностишлаков, зол, нефелина, гранитных отходов химического производства и др. Перевод керамической промышленности на более эффективные виды топлива, в частности на нефтяное топливо и природный газ, позволит снизить удельный расход топлива, его потери