книги из ГПНТБ / Кошляк, Л. Л. Опыт производства фасадных керамических плиток с применением скоростных режимов термообработки обзор

При сушке плиток неравномерное распределение влаги может наблюдаться по плоскости изделия вследствие неравномерной влажности пресспорошка. Значительные перепады влажности по толщине изделия возникают в первом периоде сушки в результа­ те интенсивного удаления влаги с поверхности изделий при рез­ ком подъеме температур, либо вследствие неравномерного омывания изделий теплоносителем.

При наличии перепада влажности по толщине изделия внут­ ренние его слои препятствуют усадке поверхностных слоев до ве­ личины, соответствующей их влажности. В результате в поверх­ ностных слоях возникают растягивающие усилия, тогда как внут­ ренние слои испытывают сжатие. Так как сопротивление керами­ ческих материалов растяжению меньше сопротивления сжатию, то в тех случаях, когда величина возникающих напряжений превос­ ходит пределы прочности материала, возможно образование по­ верхностных трещин.

При выборе допустимой интенсивности сушки изделий полу­ сухого прессования учитывают, что при низкой влажности ма­ териала влага от внутренних слоев к поверхности перемещается преимущественно в виде пара. Давление пара при интенсификации сушки не должно превышать пределов, допустимых прочностью изделий.

Деформация является следствием неравномерной напряженно­ сти двух противоположных поверхностей изделия за счет различ­ ной их влажности. При этом поверхность, имеющая большую влажность и температуру дает большую усадку, в связи с чем на­ блюдается коробление' в сторону поверхности с большей влаж­ ностью и температурой. Для устранения деформации керамичес­ ких изделий необходимо, чтобы интенсивность сушки была одина­ ковой с двух сторон.

В результате проведенных экспериментов было рекомендовано скоростную сушку плиток осуществлять при однорядной укладке, при незначительной скорости теплоносителя и при температуре 250—280°С. Эти параметры были использованы в дальнейшем для создания сушильных и сушильно-глазуровочных конвейеров.

Разработка режимов скоростного обжига керамических плиток

Для разработки скоростных режимов обжига керамических плиток в институте «ИИИСтройкерамика» были предварительно исследованы физико-механические и дилатометрические характери­ стики массы и черепка керамических плиток: предел прочности при изгибе, модуль упругости, коэффициент термического расши­ рения и усадка при различных температурах обжига. По значе­ нию этих величин могут быть рассчитаны допустимые перепады температур, превышение которых приводит к образованию тре­ щин, максимально допустимые скорости нагрева и охлаж­ дения.

20

Исследования показали, что механическая прочность и модуль упругости плиток в температурных интервалах 20—400 и 550—800°С возрастают, а в интервале температур 400—550°С не­ значительно уменьшаются. При этом у черепка, обожженного при температуре 1100°С, прочность в охлажденном состоянии при 20°С в 11—12 раз, а модуль упругости в 3—4 раза выше, чем у необож­ женных материалов. Изменение объема при нагреве характери­ зуется расширением в интервале температур 20 до 600°С и усад­ кой в интервале температур 600—1100°С. В пределах температур, соответствующих расширению, наблюдаются три резко отличных интервала изменения объема при нагреве: незначительное расши­ рение в интервале температур 20—100°С, более интенсивное — при температурах 100—400°С и резкое расширение в интервале темпе­ ратур 400—600°. В интервале температур 500—580°С коеффициент термического расширения достигает максимальной величины (30— f4510—6 °С).

В процессе спекания черепка имеет место непрерывный рост коэффициента усадки с увеличением температуры обжига. В ин­ тервале температур 600—800°С усадка весьма незначительна. При температуре 800—1100°С массы приобретают способность к пла­ стическим деформациям, а величинакоэффициента усадки резко возрастает.

При температурах выше 800°С, когда черепок приобретает уп- руго-пластично-вязкое состояние, законы упругости неприменимы. С целью определения максимально допустимых скоростей нагрева и охлаждения непосредственно до упр.уго-пластично-вязкого состо­ яния устанавливалась максимальная деформация, превышение ко­ торой приводит к появлению трещин.

На основе изучения физико-механических и дилатометрических свойств масс и черепка и прямых опытов на моделях роликовых печей были устрановлены максимально допустимые скорости на­ грева и охлаждения, исключающие возможность образования тре­ щин. Полученные данные показали, что однорядный обжиг кера­ мических приток можно вести с весьма большими скоростями на­ грева и охлаждения, не опасаясь появления трещин. Однако для некоторых температурных интервалов требуется снижение скоро­ сти нагрева, в противном случае возможны взрывы плиток, обра­ зование черной сердцевины и дефекты глазурного покрытия. Не­

В результате изучения кинетики дегидратации была установле­ на зависимость степени дегидратации керамических плиток от их толщины, температуры и продолжительности процесса обжига и получено уравнение для расчета кинетики дегидратации керами­ ческих плиток в зависимости от этих факторов. Скорость удаления гидратной влаги в интервале температур до 750°С не должна -пре­ вышать 20—25% в 1 мин, в интервале температур 900—1000°С —

10% в 1 мин.

21,;

Проведенные эксперименты показали, что при поступлении в печь влаж-ность плиток не должна превышать 0,3—0,5%, что пол­ ностью исключает возможность взрыва плиток.

Безопасные скорости нагрева плиток толщиной 5 мм составля­ ют: в интервале температур до 500°С—-не более 900°С/мин; при

500—700°С — 80°С/мин; при 700—1250°С — 230°С/лшк.

При производстве глазурованных фасадных плиток применяют, однократный или двукратный обжиг. Последнему отдается предпоч­ тение при работе с глинами, содержащими значительное количе­ ство газообразователей (органических веществ, карбонатов, окис­ лов железа и др.), так как при однократном обжиге при темпера­ турах размягчения и разлива глазури из черепка продолжают вы­ деляться газы, нарушающие сплошность глазури и не позволяю­ щие получить качественный глазурный слой без наколов и разры­

или др.) можно использовать однократный обжиг фасадных глазу­ рованных плиток, однако при этом fдолжны применяться глазури, температура размягчения и разлива которых превышает 850°С. При скоростном обжиге подогрев плиток до температуры 700°С рекомендуется вести быстро в течение 6—9 минут, при температу­ рах 700—850° (до начала размягчения глазури) желательна вы­ держка 15—25 мин для более полного удаления из черепка газо­ образных продуктов, затем плитки подвергают быстрому нагреву до максимальной температуры обжига 960—980° С и выдерживают при этой температуре в течение 10—15 мин для обеспечения нор­ мального спекания черепка и качественного разлива глазури. Ко­ нечная температура обжига и продолжительность выдержки изде­ лий при конечной температуре зависят от их размеров и требуемо­ го водопоглощения черепка. При скоростных режимах максималь­ ная температура обжига, как правило, должна быть на 50—80° С выше по сравнению с обжигом в туннельной печи.

Деформация плиток при однорядном горизонтальном обжиге появляется при весьма незначительныхперепадах температур между верхом и низом плитки, в связи с чем должна быть обес­ печена возможность точной регулировки температур в зонах подо­ грева и обжига.

При охлаждении изделий необходимо замедлять процесс при температурахперехода материала из пиропластического состояния в хрупкое и при температурах модификационных превращений кварца. Быстрый переход через температуру модификационного превращения кварца (573°С) вызывает резкое изменение объема зерен кварца, в результате на изделии появляются короткие тон­ кие трещины (так называемый «холодный треск»). Если безо­ пасная скорость охлаждения в интервале температур 1250—650°С может составлять 250—300°С/мин, то для интервала температур 400—600°С она не должна превышать 30—100°С/мин.

22

С учетом указанных выше рекомендаций были разработаны скоростные режимы обжита, обеспечивающие получение качествен­ ных фасадных плиток в соответствии с требованиями стандартов. Так, для однократного обжига глазурованных коврово-мозаичных плиток размером 48X48X4 мм была рекомендована продолжи­ тельность обжига 48 мин, для однократного обжига глазурован­ ных фасадных плиток размером 120X65X7 мм в печи с сетчатым траспортером — 70 мин.

По рекомендованным режимам обжига длительное время рабо­ тают печи с сетчатым транспортером на поточно-конвейерных ли­ ниях Дедовского керамического завода и Кудиновского завода ке­ рамических блоков; при этом выход годных плиток составляет 90—95%, глазурь имеет хороший разлив без наколов и других де­ фектов.

Для двукратного обжига глазурованных фасадных плиток раз­ мером 120X65X7 мм с обжигом в роликовых печах утильный об­ жиг рекомендуется проводить при температуре 1050°С в течение 30 мин, глазурный обжиг — при температурах 850—980°С (в за­ висимости от свойств применяемой глазури) в течение 30—40 мин.

ТЕПЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И ОБЖИГА ПЛИТОК

Конструкции конвейерных сушил

На основе разработанных в НИИСтройкерамике режимов суш­ ки были созданы и повсеместно внедрены в производство конвей­ ерные сушилки для однорядной многопоточной сушки керамиче­ ских плиток (рис. 1).

Рис. 1. Конвейерная сушилка для однорядной сушки керамических плиток

При производстве фасадных керамических плиток используют­ ся конвейерные сушилки конструкции НИИСтройкерамики и Ин­ ститута газа АН УССР. Траспортирование плиток через сушилку осуществляется непрерывным сетчатым или цепным транспорте­

23

ром. Корпус сушилки представляет собой каркас, обшитый с на­ ружной и внутренней сторон стальными листами. Пространство между обшивками заполнено шлаковатой. В стенах сушилки устроены открывающиеся на шарнирах люки для наблюдения за работой горелок и очистки внутренней поверхности сушилки.

Сушилки конструкции НИИСтройкерамики отапливаются при­ родным газом, сжигаемым в микрофакельных инжекционных го­ релках, расположенных под несущей ветвью конвейера. Потоки продуктов горения нагревают плитки снизу, вертикальными пото­ ками проникают в верхнюю часть сушилки, и нагревают пото­ лок, который подогревают плитки сверху путем излучения. Та­ ким образом плитки подогреваются одновременно и снизу и свер­ ху, что обеспечивает равномерную сушку плиток.

Для конвейерных линий нашли применение газовые двух- и трехсекционные сушилки с инжекционными микрофакельными го­ релками, а также сушилки с злектрообогревом. В сушилках Ин­ ститута газа АН УССР над конвейером расположены горелки «беспламенного» горения.

Анализ работы тех и других сушилок показал, что их конструк­ ции обеспечивают достижение заданного режима и быстрое его корректирование, допускают перерывы в питании и т. п. Расход тепла составляет 2500—2900 ккал/кг влаги. На испарение влаги расходуется только 23—27% тепла от сжигания газа. Низкий К.П.Д. сушилок обусловлен высокими потерями тепла в окружаю­ щую среду (13—17%), потерями тепла с транспортными устрой­ ствами (7—15%) и с уходящими газами (26—34%). Увеличение теплового К.П.Д. сушилок может быть достигнуто за счет улучше­ ния теплоизоляции.

Одним из существенных преимуществ ленточных конвейерных сушилок является поточность процесса сушки и непрерывность в работе, что дает возможность широко использовать их в поточно­ конвейерных линиях.

Конструкции печей

Созданию роликовых печей предшествовали научно-исследова­ тельские работы по испытанию их отдельных конструктивных эле­ ментов, в результате которых были выданы следующие рекомен­ дации.

1. В роликовых печах следует применять ведущие металличе­ ские ролики, вращающиеся непосредственно от привода печи. Учи­ тывая эксплуатационные свойства металлических роликов, макси­ мальная температура обжига в роликовых печах может быть до

1 1 0 0 ° С .

2. Ролики должны устанавливаться с шагом, равным 0,4 — 0,6 от длины обжигаемых изделий, что позволяет вести однорядный обжиг без огнеупорных подставок.

24

длине печи разбита на четыре тепловых участка с раздельным ре­ гулированием температуры по верху и низу: до 500°С, 500—900°С, 900-1000° С и 1000° С.

Обогрев печи осуществляется зигзагообразными нагревателями из проволоки диаметром 8 мм сплава ЭИ-595. Ориентировочный срок службы нагревателей электропечи с сетчатым транспортером составляет около 50 000 ч (при максимальной температуре обжи­ га не более 1000°С). На своде нагреватели крепятся на крючьях, подовые нагреватели свободно лежат на фасонных огнеупорах, из­ готовленных из высокоглиноземистого шамота. Нагреватели пи­ таются от сети переменного тока напряжением 380 в через пони­ жающие трансформаторы. Температурные режимы регулируются автотрансформаторами. Работа каждой группы нагревателей конт­ ролируется установленной вблизи термопарой, сигналы от кото­ рой подаются на электронный потенциометр. Последний через блоки реле включением или отключением соответствующей груп­ пы нагревателей поддерживает в печи заданную температуру. Сетка нагревается в основном за счет подовых нагревателей, по­ этому 70% потребляемой мощности приходится на них.

Зона подогрева обеспечивает двусторонний скоростной нагрев, равномерный по ширине потока плиток. Выдержка максимальной температуры дает требуемый разлив глазури и обеспечивает долж­ ное спекание черепка.

Зона охлаждения печи разбита на четыре участка. Для равно­

прочной стали марки 1Х18Н9Т и представляющие собой два со­ ставных короба.

Второй участок зоны охлаждения (600—500°С) средств при­ нудительного охлаждения не имеет. Тепловые потери в окружаю­ щую среду компенсируются количеством тепла, отдаваемого изде­ лиями и сеткой при остывании.

Воздух, выходящий из отверстий труб распределителя, установ­ ленного под сеткой на четвертом участке, охлаждает сетку с из­ делиями и попадает в сводовый рекуператор третьего участка. Ко­ личество воздуха, проходящего через рекуператоры первого уча­ стка зоны охлаждения, регулируется автоматически в зависимости от показаний термопары, установленной в конце участка. Регу­ лирование подачи воздуха на третий и четвертый участки произво­ дится вручную. Плитки при выходе из печи имеют температуру около 40°С. Зона охлаждения сконструирована таким образом, чтобы избежать движения воздуха в канале и исключить влияние гидравлического режима на температурный режим.

Перемещение плиток в канале осуществляется на сетчатом транспортере, движущемся по настилу из жаропрочных полос ста­ ли. Транспортер приводится в движение валом ведущего бараба­ на, установленного в начале печи. Конструкция сетчатого транс­

26

портера позволяет обжигать плитки от самых малых размеров (22x22 и 48X48 мм) до крупногабаритных (150X150 мм и более).

Для сетчатых транспортеров печей с рабочей температурой 1000—1200°С промышленность выпускает проволоку из жаростой­ ких сплавов ХН70Ю. При монтаже печи проволока подвергается предварительной термообработке. Однако опкт эксплуатации этой печи при температуре 960—980°С показал, что продолжитель­ ность службы сетки составляет 3—4 месяца вследствие ее вытяги­ вания, сужения и деформации.

Краткая техническая характеристика печи

ском заводе керамических блоков и Дедовском керамическом за­ воде и применяются для однократного обжига глазурованных, пли­ ток размером 125X60X7 мм. Производительность печи — 150— 200 тыс. м2 плиток в год (рис. 3, а, б)..Нагрев свода печи осуще­ ствляется электронагревателями; под печи обогревается газовыми муфельными горелками.

Для транспортирования обжигаемых плиток применяется сет- _

нижней возвратной ветви сетчатого транспортера достигается при помощи второго такого же рольганга. Благодаря этому сетчатый транспортер не испытывает растягивающих усилий и срок службы сетки увеличился до 6—8 месяцев. Печь также оборудована реку­ перативным охлаждением. Максимальная температура обжига в печи допускается до 1000°С.

Газовая роликовая печь конструкции Института газа АН УССР используется Харьковским плиточным заводом для однократного обжига фасадных глазурованных плиток размером 150X75X7 мм

27

три температуре около 950°С. Проектная производительность пе­ чи— 76 тыс. м2 плиток в год. Размеры печного канала — 0,82Х Х0.57Х39 м. Печь оборудована роликовым транспортером из стальных жаропрочных труб диаметром 32 мм и длиной 1440 мм. Ролики установлены с шагом 66 мм. В зоне максимальных темпе­ ратур применяются ролики, изготовленные из стали ОХ23Н18. Каждый ролик имеет на концах цапфы, одна из которых плаваю­ щая, что позволяет компенсировать расширение гари нагревании. Привод роликов цепной, через звездочки, установленные с одной ■стороны .роликов. Приводные цепи располагаются с двух сторон

Рис. 3. Поперечный разрез печей производительностью 200 тыс. м2 в год

ссетчатым транспортером:

а— газоэлектрическая; б — газовая муфельная

печи, и каждая цепь приводит в движение свою половину роликов (через один). Вариатор приводной станции позволяет регулиро­ вать время прохождения плиток через печь, которое колеблется от

30 мин до 2 ч.

Печь снабжена устройствами, обеспечивающими возможность реверсивного движения цепей (начиная с любой секции ролики пе­ чи можно заставить вращаться в обратную сторону) и облегчаю­ щими ликвидацию завалов в случае их возникновения. Свод печи подвесной, баковые стенки опираются на металлоконструкции та­ ким образом, что камни с отверстиями, через которые проходят ролики, лежат свободно и не нагружены. Напорные двухпровод­ ные (импульсно-реактивные) горелки создают интенсивную рецир­ куляцию в печном пространстве, что предотвращает появление ме­ стных перегревов изделий и роликов.

Одна из главных отличительных особенностей конструкции пе­ чи Института газа АН УССР заключается в том, что подвесной свод, верхняя и нижняя часть стен, включая камни с отверстиями для роликов, являются самостоятельно работающими элементами, не связанными друг с другом, поэтому в случае различной вели­ чины их теплового расширения разрушение огнеупорной кладки исключается.

28

Недостатком этой конструкции является то, что металлические элементы подвесного свода не могут быть изолированы. Они от­ крыты, интенсивно проводят тепло, вследствие чего при кратко­ временных остановках печь быстро теряет температуру и медлен­ но ее набирает. Остановки печи приводят к деформации роликов, которая в свою очередь вызывает разрушение футеровки.

Повреждение цепей и зведочек может вызвать непрочное креп­ ление или быстрый износ планок, прижимающих цепи. В настоя­ щее время применяются каленые планки, заменяемые каждые пол­ тора-два месяца. Совершенно обязательной является работа всех горелок: при нарушении этого условия деформация плиток очень трудно устраняется.

Печи с подом типа «газовая подушка» в последние годы интен­ сивно разрабатываются в СССР и за рубежом. Транспортирование изделий в таких агрегатах осуществляется путем подачи теплоно­ сителя в печной канал через перфорированные огнеупорные пли­ ты, образующие пбд печи. Изделия в этом случае находятся во взвешенном состоянии и перемещаются в печи на небольшой вы­ соте над перфорированным подом. Постоянство высоты перемеще­ ния изделий по всей длине канала обеспечивается одинаковым давлением теплоносителя. Печь представляет собой канал, разде­ ленный по высоте керамической перфорированной плитой.

В результате экспериментальных исследований разработаны режимы скоростного обжига неглазурованных фасадных плиток размером 255X145X12 мм, которые могут быть рекомендованы при обжиге изделий в печах с «газовой подушкой».

На основе проведенных работ был выполнен проект опытнопромышленного образца печи производительностью 50 тыс. м2 в год, который намечается реализовать на Харьковском заводе метлахских плиток.

СОСТАВЫ МАСС И ГЛАЗУРЕЙ ДЛЯ СКОРОСТНОГО ОБЖИГА ФАСАДНЫХ ПЛИТОК

Составы масс

Учитывая конструктивные особенности печей для скоростного обжига фасадных керамических плиток в роликовых печах допу­ скается максимальная температура обжига 1050—108,0° С (не выше 1100°С), а в печах с сетчатым транспортером—960—980°С (не вы­ ше 1000°С). Для изготовления последних необходимо было раз­ работать такие составы масс, которые позволяли бы выполнять все условия скоростного обжига и при соответствующей макси­ мальной температуре обжига (980 или 1080°С, в зависимости от типа применяемой печи) обеспечивали бы получение морозостой­ ких фасадных плиток с водопоглощением 6—7%.

Задача создания таких масс была довольно трудной. Плитки, изготовленные методом полусухого прессования из чистых глини­

2Э