m33170

Огневая усадка глин происходит при обжиге вследствие того, что наиболее легкоплавкие соединения глины переходят в жидкое состояние, жидкость обволакивает нерасплавившиеся частицы и заполняет промежутки между ними. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения жидкой фазы вызывают сближение частиц, в результате чего объем глины уменьшается. Огневая усадка глин в зависимости от их вида может быть от 2 до 6%.

Полной усадкой глин называют сумму воздушной и огневой усадок. Полная усадка бывает в пределах от 5 до 18%. Для получения изделий с заданными размерами полную усадку учитывают при формовании, увеличивая соответственно размеры форм.

Огнеупорность – свойство глин выдерживать действие высокой температуры без деформаций. Определяют ее керамическими пироскопами (конусами Зегера), имеющими форму трехгранной пирамиды высотой 30 мм и стороной у основания 8 мм, а у вершины - 2 мм, и характеризуют той температурой, при которой конус размягчается и оседает, касаясь своей вершиной подставки, на которой он введен в печь. По огнеупорности различают глины трех групп: огнеупорные (огнеупорность свыше 1580 оС), тугоплавкие (1350–1580 оС) и легкоплавкие (ниже 1350 оС).

К огнеупорным относят каолинитовые глины, содержащие мало примесей. Такие глины используют для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий. Тугоплавкие глины содержат окислы железа, кварцевый песок и другие примеси в значительно большем количестве, чем огнеупорные и применяются для изготовления тугоплавкого, облицовочного и лицевого кирпича, плиток для полов и канализационных труб. Легкоплавкие глины разнообразны по своему составу. Содержат большое количество примесей. Их используют в кирпичном и черепичном производствах, в производстве легких заполнителей и т.д.

Добавки к глинам

Для придания различных свойств как глинам, так и получаемым из них керамическим изделиям в глину вводят различные добавки.

51

Отощающие добавки вводят в высокопластичные глины для уменьшения воздушной и огневой усадок. В качестве отощающих добавок применяют вещества неорганического происхождения: кварцевый песок, шамот (обожженная и измельченная глина), бой изделий, шлак, золу. Эти добавки не только уменьшают усадку, но и улучшают формовочные свойства массы, облегчают технологический процесс, улучшают термостойкость и теплопроводность изделий.

Выгорающие добавки вводят в глинистую массу для получения изделий с меньшей средней плотностью и повышенной пористостью. Наиболее широко для этих целей применяют органические добавки – древесные опилки, угольную мелочь и угольный порошок, торфяную пыль и т.д.

Применяют также вещества, выделяющие при высокой температуре обжига углекислоту, что ведет к образованию пор

– мел, доломит, глинистый мергель и т.д.

Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания. Это полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит и т.д.

Специальные добавки вводят в глиняную массу для получения специфических свойств керамического черепка.

Для получения кислостойких изделий и облицовочных плиток к глинам добавляют песчаные смеси, затворенные жид-

ким стеклом или щелочами. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую массу добавляют окислы металлов (кобальта, хрома и т.д.)

В качестве добавок, повышающих пластичность формо-

вочной массы, применяют поверхностно-активные вещества

(сульфитно-дрожжевую барду).

Для придания стойкости к внешним воздействиям, водонепроницаемости и определенного вида поверхности керамические материалы покрывают глазурью или ангобом. Г л а з у р ь представляет собой стекловидное покрытие толщиной 0,1–0,2 мм, ее наносят на поверхность керамического изделия и закрепляют на нем обжигом при высокой температуре. Получается остеклованная поверхность. Глазури приготавливают из каолина, кварца, мела, доломита, глины, свинца и т.д. Наносят глазури на высу-

52

шенные или обожженные изделия разными способами: пульверизацией, окунанием изделий в суспензию, поливкой суспензией.

В отличие от глазури ангоб не дает расплава при обжиге, т.е. не образует стекловидного слоя. По свойствам ангоб должен быть близким к основному черепку. А н г о б о м называют нанесенное на изделие покрытие из тонкого слоя беложгущейся или цветной глины. Ангоб обжигают до полного спекания с изделиями.

3.3. Общая технология производства керамических изделий

Керамические изделия вследствие их разнообразия изготовляют разными технологическими приемами, но основные этапы их производства примерно одинаковы и состоят из добычи глины, подготовки массы для формования, формования изделий (сырца), сушки, их обжига и охлаждения.

В большинстве случаев глину д о б ы в а ю т открытым способом - экскаваторами, скреперами и другими машинами. Доставляют на завод рельсовым, автомобильным транспортом, ленточными транспортерами или подвесными дорогами. Карьерная глина обычно непригодна для получения изделий, поэтому технология получения керамических изделий начинается с п р и – г о т о в л е н и я так называемой к е р а м и ч е с к о й или р а – б о ч е й м а с с ы.

Цель этой стадии производства – разрушить природную структуру глиняного сырья, удалить из него вредные примеси, крупные куски измельчить, а затем обеспечить равномерное смешивание всех компонентов с водой до получения однородной и удобоформуемой керамической массы. В зависимости от вида изготавливаемой продукции и свойств исходного сырья керамическую массу получают пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным (мокрым) способами. В связи с этим выбирают и способ формования изделий – пластическое формование, жесткое, полусухое или сухое прессование, литье.

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы обрабатывают до получения однородной массы (рис. 9). Для этого сырье сначала подвергают двухстадийному измельчению в вальцах (3), а затем в бегунах (4), откуда сырье поступает в глиносмеситель (6), где увлажняется до 18–

53

28% и более и перемешивается до получения однородной пластичной массы, которая подается в ленточный пресс (8). Глиняный брус требуемого сечения, выходящий через мунштук пресса, разрезается резательным аппаратом на изделия (7), а затем они направляются на сушку и обжиг.

Рис. 9. Технологическая схема производства керамического кирпича пластическим способом прессования:

1 – ящичный подаватель; 2 – транспортер; 3 – дробление глины на дезинтеграторных вальцах; 4 – помол глины на бегунах; 5 – транспортер; 6 – глиносмеситель; 7 – резка кирпича-сырца на

автомате; 8 – ленточный пресс

Этот способ наиболее распространен при выпуске массовых изделий (кирпич обыкновенный и пустотелый, камни, черепица и т.д.) и применяется в случаях использования среднепластичных глин с малым содержанием посторонних включений.

Жесткий способ формования является разновидностью пластического способа. Влажность формируемой массы при этом

54

способе составляет 13-18%. Формирование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах под давлением до 20 МПа. При этом способе используются менее пластичные глины, и он менее энергоемкий по сравнению с пластическим способом. Жесткий способ формования наиболее распространен при выпуске сплошных и пустотелых кирпичей, камней, блоков и панелей, черепицы.

При полусухом способе подготовки сырьевые минералы подсушивают, дробят, размалывают в порошок, а затем перемешивают и увлажняют водой (рис. 10).

Рис. 10. Технологическая схема производства кирпича методом полусухого прессования:

1 - ящичный подаватель; 2 – ленточный транспортер; 3 – дезинтеграторные вальцы; 4 – циклон; 5 – сушильный барабан; 6 – бункер; 7 – тарельчатый питатель; 8 – дезинтегратор; 9 – элеваторы; 10 – грохот; 11 – глиносмеситель с пароувлажнителем; 12 – питатель; 13 – пресс

55

Керамическая масса представляет собой пресс-порошок с небольшой влажностью (8–12% при полусухом и 2–8% при сухом способе формования), поэтому изделия из таких масс формуют под большим давлением на специальных автоматических прессах. Изделия после прессования можно сушить быстрее или совмещать сушку с обжигом, что ведет к ускорению производства, сокращению расхода топлива и удешевлению продукции.

В отличие от пластического способа прессования можно использовать малопластичные глины, что расширяет сырьевую базу производства. Полусухим способом прессования можно изготовлять кирпич сплошной и пустотелый, облицовочные плитки, а сухим способом – плитки для полов, дорожный кирпич, изделия из фаянса и фарфора.

Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого способа производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%. При этом полностью устраняется необходимость операции сушки. Таким способом изготавливают плотные керамические изделия: плитки для полов, дорожный кирпич.

При изготовлении изделий шликерным способом исходные материалы измельчают и тщательно смешивают с большим количеством воды (до 40–50%) до получения однородной текущей массы. Этот способ применяют для изготовления фаянсовых, фарфоровых изделий, облицовочных плиток.

Сушка изделий – весьма ответственный этап технологии, так как трещины возникают на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно проявляются. Обычно достаточным является высушивание сырца до остаточной влажности 5–6%. Прежде сырец сушили в естественных условиях (сушильные сараи). Этот способ не требует затрат энергии, но занимает много времени (до 10–20 суток). В настоящее время применяют искусственную сушку в специальных сушилках периодического или непрерывного действия, используя дымовые газы обжигательных печей. Срок сушки сокращается иногда до 2–3 ч.

Важной стадией является о б ж и г керамических изделий. При обжиге сырца образуется искусственный каменный матери-

56

ал, который в отличие от глины не размывается водой и обладает высокой прочностью.

При нагреве сырых керамических изделий до температуры 120°С удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной, а при нагреве до 450–600°С удаляется химически связанная вода и выгорают органические примеси. Затем происходит разложение глинистых минералов вплоть до распада кристаллической решетки и образования аморфной смеси глинозема и кремнезема. При дальнейшем нагреве до температуры 1000°С возможно образование новых кристаллических силикатов типа Аl 2О3 × Si О . Одновременно с этим легкоплавкие соединения кера-

мической массы и минералы-плавни создают некоторое количество расплава. Расплав, обволакивая нерасплавившиеся частицы, заполняет поры между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает их, вызывая их уплотнение. В результате после остывания образуется прочный монолитный черепок. Этот процесс называют спеканием. Обжиг изделий из легкоплавких глин ведут при температуре 900–1000 °С, а тугоплавких – при 1150–1400 °С. Для обжига керамических материалов используют специальные печи – кольцевые, туннельные, щелевые и т.д. (рис. 11).

Рис. 11. Туннельная печь для обжига кирпича (продольный разрез)

После обжига изделия необходимо охладить, не допуская резкой смены температур, чтобы предотвратить образование трещин. В начальной стадии температуру снижают медленно и лишь после достижения 650°С процесс охлаждения можно ускорить.

57

3.4. Виды керамических материалов

Стеновые материалы представляют наиболее распространенную группу керамических материалов. По средней плотности в сухом состоянии стеновые материалы подразделяют на три группы:

– эффективные, улучшающие теплотехнические свойства стен и позволяющие уменьшить их толщину по сравнению с толщиной стен, выполненных из обыкновенного кирпича; средняя плотность эффективного кирпича – не более 1400 кг/м3, а керамических камней – не более 1450 кг/м3;

– условно эффективные, улучшающие теплофизические свойства ограждающих конструкций; средняя плотность условно эффективного кирпича - 1400–1600 кг/м3, керамических камней - 1450–1600 кг/м3; средняя плотность обыкновенного кирпича – свыше 1600 кг/м3.

Стеновые материалы имеют пористый черепок. Пористость косвенно контролируется водопоглощением, минимальная величина которого должна быть 6–8%. Морозостойкость стеновых керамических материалов должна быть не менее 15 циклов попеременного замораживания–оттаивания.

Кирпич глиняный обыкновенный (рис. 12) имеет форму параллелепипеда с ровными гранями и прямыми ребрами и углами; размеры кирпича - 250х120х65 или 250х120х88 мм.

Для кирпича толщиной 88 мм обязательно наличие круглых или щелевых пустот, что позволяет снизить среднюю плотность и экономить сырье. Формуют кирпич пластическим или полусухим способами. Средняя плотность находится в пределах 1600–1800 кг/м3, а теплопроводность - 0,75–0,81 Вт/м×°С. Прочность кирпича характеризуется пределом прочности при сжатии и изгибе и обозначается марками 75, 100, 125, 150; 175, 200; 250 и 300. По морозостойкости кирпич подразделяют на марки F15, F25, F35 и F50.

Кирпич должен быть нормально обожжен, удовлетворять требованиям стандарта по внешнему виду. Это устанавливается путем осмотра и обмера по следующим признакам: отклонение от установленных размеров, искривления, отбитость углов и ребер, наличие сквозных трещин, проходящих поперек кирпича. Кирпич

58

применяют для кладки наружных и внутренних стен, кладки дымоходов и труб в зонах, где температура не превышает температуры обжига кирпича, изготовления стеновых блоков и панелей. Кирпич полусухого прессования не допускается использовать для кладки фундаментов и цоколей ниже гидроизоляционного слоя.

Рис. 12. Типы керамического кирпича и камня: кирпич: а) обыкновенный; б) утолщенный; в) модульный; камень: г) обыкновенный; д) модульный; е) укрупненный;

ж), з) с горизонтальным расположением пустот

Условное обозначение керамических изделий должно состоять из названия, вида, марки по прочности и морозостойкости, обозначения стандарта.

Например, кирпич керамический полнотелый одинарный марки по прочности 100, марки по морозостойкости F15 обозначается:

кирпич К – О 100/15/ГОСТ 530-95

или: кирпич керамический утолщенный марки по прочности 125, по морозостойкости F15:

кирпич К – У 125/25/ГОСТ-530-95.

59

Кирпич и камни пустотелые пластического формования имеют сквозные щелевидные или круглые отверстия, а полусухого прессования – сквозные или несквозные пустоты различной формы. Пористо-пустотелый кирпич получают аналогично пустотелому, но в состав керамической массы вводят выгорающие добавки.

По средней плотности эти виды кирпича и камня могут быть эффективными и условно эффективными; по пределу прочности при сжатии и изгибе с вертикально расположенными пус-

тотами - марок 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, а с горизон-

тально расположенными пустотами – 25, 35, 50, 75, 100. Пустотелый кирпич применяют наравне с обыкновенным, за исключением кладки фундаментов, подземных частей стен, печей и дымовых каналов.

Маркировка: кирпич керамический пустотелый одинарный марки по прочности 150, по морозостойкости F15:

кирпич КП – О 150//15/ГОСТ 530-95,

или: кирпич керамический утолщенный с горизонтальным расположением пустот марки по прочности 100, по морозостойкости

F15:

кирпич КУГ – 100/15/ГОСТ 530-95,

или: камень керамический марки по прочности 100, по морозостойкости F15:

камень К 100/15/ГОСТ 530-95,

или: камень керамический укрупненный по прочности 150, по морозостойкости F15:

камень КУК 150/15/ГОСТ 530-95,

или: камень керамический укрупненный с горизонтальным расположением пустот по прочности 50, по морозостойкости F15:

камень КУГ 50/15/ ГОСТ 530-95.

По внешнему осмотру для кирпича и камней не допускаются дефекты, размеры и число которых превышают указанные в таблице 10.

Предельные отклонения от номинальных размеров в миллиметрах не должны превышать:

для изделий пластического формования из лессов, трепелов, диатомитов: по длине – ± 7; по ширине – ± 5;

60