3.Понятие о технологии кирпича и других керамических материалов.

Сырье.

Глина – основной, но, как правило, не единственный сырьевой материал в технологии керамики. Выше уже упоминались отощающие и обогащающие добавки, способствующие приведению глины к требуемому числу пластичности. Кроме того, применяют выгорающие добавки, способствующие увеличению пористости керамики, например, древесные опилки, угольную пыль. Напомним, что грубая керамика имеет значительную пористость, доходящую до 18-20 %. Поризация требуется для получения легких и теплоизолирующих материалов. При этом, конечно, уменьшается прочность. Поэтому, например, легкий пористый кирпич применяют как стеновой материал в зданиях малой этажности (не более 3-4 этажей).

Для наружного слоя облицовочных керамических плиток, а также для некоторых видов лицевого кирпича применяют глазури и ангобы.

Глазурью называют стекловидное покрытие на поверхности керамического изделия толщиной 0,1... 0,3 мм, закрепленное обжигом. Состав глазури сходен с составом стекол (о стеклах дальше), глазурную смесь – фритту – наносят на поверхность керамики. При обжиге происходит расплавление и растекание состава по поверхности. Получается блестящее прозрачное или цветное непрозрачное покрытие (в зависимости от состава фритты).

Ангобом называют керамическую краску, состоящую из глины, белой или окрашенной оксидами металлов. Она, как и глазурь, закрепляется на поверхности керамического изделия обжигом. Толщина слоя ангоба также 0,1... 0,3 мм. Ангобированная поверхность обычно матовая, в отличие от глазурованной.

Поверхность керамического изделия может быть также рельефной или гладкой, иметь рисунок (рисунки наносятся по различным технологиям) или быть одноцветной.

Поверхность керамического черепка, имеющая естественный цвет обожженной глины (без глазури или ангоба) называется терракотовой.

Для таких материалов плотной керамики, как фаянс, полуфарфор и фарфор, в состав сырья входят также кварц и полевой шпат в довольно значительных количествах, так что их нельзя назвать добавками. Содержание кварца в фаянсе до 40 %, полевого шпата – до 15 %. В составе санитарно-технического фарфора кварца и полевого шпата по 20-30 % каждого.

В составе сырья для огнеупорных керамических материалов может преобладать тугоплавкая глина (в материале, называемом шамот) или глина может быть лишь связующим для кремнезема или глинозема.

Основные этапы технологии керамических изделий. Виды формования.

Технология производства керамических изделий включает в себя три основных группы операций: 1) подготовка глиномассы; 2) формование изделия; 3) закрепление формы отформованного изделия обжигом (с предварительным подсушиванием или без него). Основные различия в вариантах технологии зависят от способа проведения формования. Существует три способа формования керамических изделий из глиномассы (т.е. из смеси глины с добавками и водой): а) пластическое формование, б) полусухое прессование, в) литьевой способ.

При пластическом формовании влажность глиномассы составляет около 20 %. Глиномасса, находящаяся в пластическом состоянии, выдавливается через отверстие экструдера (ленточного пресса) в виде непрерывной ленты, бруса или трубы (в зависимости от формы отверстия) и далее разрезается на отдельные изделия: брус – на кирпичи, лента – на плитки, труба – на отрезки определенной длины.

При полусухом прессовании из глиномассы с влажностью 8… 10 % прессуют отдельные изделия на обычном гидравлическом прессе.

При литьевом способе влажность глиномассы около 40 % – превышает влажность текучести – поэтому формование заключается в разливке глиномассы по формам, в которых она и обжигается (избыток воды уходит в поры формы, изготовляемой из формовочного гипса).

Различие в способах формования влечет за собой некоторые различия в проведении остальных операций производственного процесса. Рассмотрим более подробно технологический процесс производства кирпича.

Технология производства кирпича

На рис. 2 приведена блок-схема технологического процесса производства кирпича способом пластического формования

Рис.2. Блок схема технологического процесса производства кирпича способом пластического формования

На рис.3 представлена развернутая схема операций подготовки глиномассы и пластического формования кирпича.

Рис.3. Технологическая схема производства кирпича способом пластического формования.

1 – ящичный подаватель, 2 – транспортер, 3 – дробление глины на дезинтеграторных вальцах, 4 – помол глины на бегунах, 5 – транспортер, 6 – формование кирпича на ленточном прессе, 7 – резка кирпича-сырца на автомате.

Песок, добавки и воду, в случае недостаточной естественной влажности глины, можно добавлять на стадии помола на бегунах (как отмечено в блок-схеме).

Ленточный пресс, или экструдер (рис.4), представляет собой машину, по принципу действия аналогичную мясорубке, но без ножей.

Глина поступает сверху в глиномялку 8, продавливается через решетку 7 – в вакуум-камеру 6. В вакуум-камере создается разрежение, в результате часть воды испаряется, что способствует в дальнейшем упрочнению кирпича за счет уменьшения капиллярных пор, остающихся при испарении избыточной воды. Далее шнековый вал 1 уплотняет глину в прессовой головке 2 и через мундштук 3 с отверстием в идее прямоугольника размером 250 х 120 мм выдавливается глиняный брус 4, который в дальнейшем разрезается на отдельные кирпичи. Полученный необожженный кирпич называется «кирпич-сырец».

Кирпич-сырец укладывается на вагонетки и поступает на сушку в туннельную сушилку, где навстречу движущимся вагонеткам с кирпичом идут отходящие из печи обжига горячие газы, высушивающие кирпич.

Рис.4. Ленточный вакуумный пресс. 1 – шнековый вал, 2 – Прессовая головка, 3 – мундштук, 4 – глиняный брус, 5 – крыльчатка, 6 – вакуум-камера, 7 – решетка, 8 - глиномялка.

Обжиг кирпича на современных заводах проводится в туннельных печах, по принципу действия сходных с туннельными сушилками, но в печи, в отличие от сушилки, на стенках средней части туннеля располагаются горелки, обжигающие своим пламенем кирпич, проезжающий мимо них на вагонетках. Температура обжига обычного стенового кирпича около 1000°С. Обожженный кирпич несколько остывает к концу туннеля печи, но принимает температуру окружающего воздуха уже на складе готовой продукции.

Способ производства кирпича методом полусухого прессования отличается, прежде всего, подготовкой глины. Глину сушат в барабанных сушилках, измельчают в сухом виде на дезинтеграторах и увлажняют водой или паром до 8-10 % влажности. Далее прессуют отдельные кирпичи на гидравлических прессах и подают в вагонетках на обжиг. Стадия сушки сырца в этом методе отсутствует.

Один и тот же материал, полученный разными способами, имеет различие в свойствах. Так, например, кирпич полусухого прессования отличается от кирпича, полученного способом пластического формования (при одном и том же сырье), меньшим сопротивлением изгибу. Изучение технологии в нашем курсе как раз имеет целью выяснение влияния способа получения на свойства материалов.

На свойства кирпича и других керамических изделий влияет не только состав глины и глиномассы, не только способ формования, но и температура обжига. Если для стенового кирпича обычная температура обжига 900…1000°С, то дорожный кирпич, плитки для пола, огнеупорные материалы обжигаются при более высокой температуре – до 1400°С. Материалы, обожженные при разных температурах, имеют разную структуру.

4. Состав структура и свойства керамики

Из раздела о превращениях глины при обжиге (см. выше) ясен химический состав строительной керамики: сплав из силикатов алюминия и кремнезема. По фазовому составу в керамике можно выделить: кристаллическую фазу, аморфную фазу и поры. Аморфная фаза имеет тот же химический состав, что и кристаллическая, она образовалась при оплавлении кристаллов и играет роль связующего в керамическом материале. Содержание газовой фазы – пор зависит от степени спекания (температуры обжига) и наличия в составе глиномассы веществ, выделяющих при обжиге газы, например, порообразующих (выгорающих) добавок.

Таким образом, структуру керамики можно назвать микроконгломератной, а при значительном содержании пор – капиллярно-пористой с открытыми порами.

Если в плотной и технической (оксидной) керамике пористость играет отрицательную роль – снижает прочность, то в строительной керамике поры могут иметь и положительное, и отрицательное значение. Это касается, в первую очередь стеновой керамики – кирпича и керамических камней. Благодаря открытой пористости кирпичная стена «дышит», т.е. обладает необходимой для стенового материала газопроницаемостью. В то же время при большой влажности воздуха внутри помещения (бани, прачечные и пр.) влага задерживается в порах кирпича стены, замерзает в наружном слое зимой и вызывает разрушение кирпича. Пористая керамика, таким образом, относится к материалам с малой прочностью и морозостойкостью, а также со значительной водопроницаемостью (вследствие открытости пор). Поэтому для строительных керамических изделий, работающих в условиях постоянной влажности, применяют плотную керамику (дорожный кирпич, плитки для пола, санитарно-технические изделия, трубы)

Характеристики структуры пористой керамики в цифрах: пористость 10-40%; водопоглощение по массе от 5 до 20 %; водопоглощение по объему от 10 до 40%. Плотная керамика имеет 0,5... 5 % водопоглощение по массе и 1... 10% по объему.

Теплопроводность керамики: 1,16 Вт/м.К – для абсолютно плотного черепка, 0,8 Вт/м.К – для кирпича, 0,2 Вт/м.К и менее – для эффективных (теплоизоляционных) изделий.

Прочность пористой керамики до 30 МПа, плотной - до 100 МПа; морозостойкость пористой керамики 15-50, плотной – выше.

Свойства керамического стенового кирпича в соответствии с ГОСТ 530-95 изложены в лабораторном практикуме. Там же приведены разновидности стенового кирпича и керамических камней по размерам.