Раздел 3. Керамические материалы и изделия

Керамическими называют каменные изделия, получаемые из минерального сырья путем формования и обжига его при высокой температуре.

Классификация керамических изделий.

По основным технологическим видам различают следующие разновидности керамики:

- терракота – неглазурованная однотонная естественно окрашенная керамика от кремового до красно – коричневого цвета с пористым черепком ( стеновые материалы, архитектурные детали, облицовочные плитки и т.д.)

- майолика – керамика из цветной обожженной глины с крупнопористым черепком, покрытая глазурью (изразцы, скульптура и др.)

- фаянс – твердый керамический материал обычно белого цвета с мелкопористым черепком, покрытым глазурью (санитарно-техническая керамика, посуда, облицовочные плитки и др.)

- фарфор – плотный керамический водонепроницаемый материал белого цвета (санитарно-техническая керамика, посуда, плитки и др.)

В зависимости от их структуры керамические изделия подразделяются на пористые и плотные. Пористые поглощают более 5% воды по массе, плотные – менее 5% воды по массе.

По назначению керамические изделия подразделяются на: стеновые, кровельные, облицовочные, заполнители для легких бетонов, теплоизоляционные изделия, санитарно-технические изделия,, плитка для пола, дорожный кирпич, изделия для подземных коммуникаций, кислотоупорная и огнеупорная керамика.

Сырьевые материалы для производства керамики

Глинистые материалы. Важнейшими сырьевыми материалами для про-

изводства керамики являются глины. Под ними понимают природные водные алюмосиликаты общей формулой Аl₂O₃ ·SiO₂ ·nH₂O с разными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние.

Глины состоят из нескольких алюмосиликатов. К ним относятся:

- каолинит – Аl₂O₃·4SiO₂·2H₂O

- монтмориллонит - Аl₂O₃·4SiO₂·nH₂O

- галлуазит - Аl₂O₃·2SiO₂·4H₂O.

Кристаллическая решетка глинистых минералов имеет пластинчатое строение, и это обусловливает свободное перемещение отдельных частиц глины при затворении водой. Этим объясняется их пластичность.

Свойства этих минералов связаны со строением их кристаллической решетки. У каолинита она более плотная, у монтмориллонита – самая неплотная, очень подвижная. Если глина содержит в основном каолинит – ее называют каолином (в переводе с китайского языка – белая гора). Это малопластичная беложгущаяся глина. Если глина содержит в основном монтмориллонит, она называется бентонитом. Бентониты – это высокопластичные глины. Пластичность глин, кроме минерального состава, определяется величиной и количеством тонких частиц (менее 0,005 мм). В высокопластичных глинах таких частиц содержится ~80-90%.

В качестве примесей в глины входят различные вещества – кварц, слюда, полевые шпаты, песок, оксиды и гидроксиды железа и других металлов и т.п. Примеси оказывают влияние на свойства глин, а также определяют цвет керамики. В зависимости от примесей глины могут иметь различный цвет от белого (чистые каолиновые глины) до черного цвета из-за примесей органических соединений. Часто встречающаяся примесь оксидов железа придает глинам коричнево-красный цвет, а гидроксидов железа – бурый цвет.

Свойства глин. Важным свойством глин является пластичность. Пластичностью глины называют ее свойство во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять ее при сушке и обжиге. Она зависит от минерального состава глин, от наличия примесей и от количества воды, взятой для приготовления глиняной массы.

Другим важным свойством глин является усадка. Усадка – это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Воздушная усадка происходит при сушке отформованных изделий за счет удаления физически связанной воды и сближении частиц глины. Огневая усадка происходит при обжиге керамических изделий за счет спекания, расплавления легкоплавких составляющих глин и сближении твердых частиц. Усадка выражается в процентах от первоначального размера изделия. Воздушная усадка составляет 10-15%. Огневая усадка составляет 2-8%. Полная усадка представляет собой сумму воздушной и огневой усадки.

Характерным свойством глин является их способность при обжиге превращаться в каменный материал. При температуре выше 100^оС из глиняной массы начинает испаряться свободная вода, дальнейшее повышение приводит к выгоранию добавок, повышающих пористость керамики. В интервале температур 450-700 ^оС происходит разложение кристаллогидратов, из глинистых минералов испаряется химически связанная вода. При этом необратимо теряется пластичность глин. При температурах 900-1000 ^оС происходит расплавление легкоплавких составляющих глин и образование новой фазы – муллита 3Аl₂O_3*2SiO₂, придающей керамике прочность.

Отощающие добавки. Они вводятся в состав керамической массы для по-

нижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. В качестве отощающих добавок в зависимости от вида керамики используют следующие вещества:

- для высококачественной керамики шамот – зернистый керамический материал, получаемый обжигом измельченной глины при температуре обжига керамики – 900 –1000^о, а также дегидратированную глину, обжигаемую при температуре 700 – 750^о.

- для рядовой керамики используют песок и гранулированные шлаки.

Порообразующие добавки. Они вводятся для повышения пористости кера-

мического черепка и улучшения спекаемости глин. К ним относятся выгорающие добавки и газовыделяющие вещества.

Выгорающие добавки (опилки, бурые угли, золы и др.) сгорают при обжиге керамики, оставляя после себя пустоты (поры).

Газовыделяющие добавки при обжиге диссоциируют с выделением газа, например, карбонатные породы (мел, доломит, известняк) разлагаются с выделением углекислого газа СО₂, пузырьки которого образуют поры в керамическом изделии.

Пластифицирующие добавки. Пластифицирущие добавки вводятся для повышения пластичности глин. К ним относятся высокопластичные глины (бентониты), а также поверхностно-активные вещества – сульфитно-дрожжевая бражка СДБ (отход производства целлюлозы).

Декорирующие составы. Для отделки поверхности керамических изделий используют глазури, ангобы и торкретирующие составы.

Глазури представляют собой минеральные стекла, используемые для поверхностного покрытия керамических изделий. Главными сырьевыми компонентами глазурей являются полевой шпат, кварцевый песок, каолин, соли щелочных и щелочноземельных металлов, бура и др. Глазури наносятся на керамику после формования, закрепляются на поверхности керамических изделий в процессе обжига, образуя блестящую пленку, цветную или бесцветную, прозрачную или непрозрачную (глухую).

Ангобы представляют собой красочные составы из белой или цветной глины. Они наносятся тонким слоем на поверхность еще не обожженной керамики. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность получается матовой.

Торкретирующие составы наносят на поверхность керамического изделия с помощью пескоструйных аппаратов. Они состоят из окрашенного песка, минеральной крошки из стекла, мрамора, фарфора и др. Окрашенная поверхность керамического изделия приобретает зернистую фактуру.

Общая схема производства керамических изделий

Производство керамических изделий включает следующие этапы: карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку, обжиг и декорирование поверхности.

Карьерные работы. Они включают добычу глины в открытых карьерах, транспортирование ее на заводы по производству керамических изделий и хранение промежуточного запаса глины. При хранении происходит т.н. вылеживание глины – технологическая операция, в результате которой, под действием переменной температуры и влажности, глиняные частицы распадаются на более мелкие агрегаты.

Механическая обработка глиняной массы.. Она осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет целью выделение или измельчение каменистых включений, гомогенизацию керамической массы и введение необходимых добавок.

Выделение каменистых включений из глины осуществляют, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Практически полного выделения камней из глины можно добиться гидравлическим обогащением. Глину распускают в глиноболтушках, а затем пропускают через сито и обезвоживают. Измельчение глины производят после выделения каменистых включений. После измельчения глину с необходимым количеством воды и добавками проминают в специальных глиномялках, представляющих собой цилиндрическую конструкцию, в центре которой вращается вал с лопастями. В результате получают однородную (гомогенную) керамическую массу.

Формование керамических изделий. Задачей формования является придание глиняной массе геометрической формы и размеров будущего изделия. В результате образуется заготовка керамического изделия – сырец. Формование производят тремя способами:

- пластическое формование. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных (с влажностью 18 – 28%) глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными при давлениях до 7 МПа;

- полусухое прессование. Оно производится в пресс-формах на одно или несколько керамических изделий. Керамические изделия формуются на гидравлических или механических прессах способом полусухого прессования под давлением 15 – 40 МПа из керамических пресс – порошков с влажностью 8 – 12%.

- способ литья (или шликерный). Этим способом изготавливаются в основном тонкие глазурованные плитки на конвейерных автоматизированных линиях, а также изделия сложной конфигурации (например, санитарно-техничес-кая керамика). При производстве плитки сырьевая масса с влажностью 40 – 60% разливается на керамические пористые поддоны и покрывается глазурным слоем. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем на режущее устройство, разрезающее подсохшую массу на плитки заданного размера. При производстве сложных керамических изделий используют гипсовые формы.

Сушка сырца. Формовочная влажность изделий, изготовленных различными методами формования, различна. Перед обжигом изделие надо высушить до содержания влаги не более 5% во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Сушку проводят в туннельных сушилках, в которых по принципу противотока сырец движется навстречу потоку горячего воздуха или дымовых газов. Сушка протекает при t^о = 120-150^оС в течении 16-36 часов. На современных автоматических заводах используют туннельные щелевые сушилки, в которых время сушки сокращается до 5-7 часов.

Обжиг изделий. Обжиг является важнейшим и завершающим этапом производства изделий строительной керамики. Для обжига используют кольцевые и туннельные печи. В кольцевых печах обжиг продолжается в течение 1,5 –3 суток, в туннельных печах от 18 до 24 часов, проходя зоны подогрева, обжига и охлаждения. Максимальная температура обжига составляет:

- для кирпича и камней керамических – 950 - 1100 ^оС;

- для облицовочной керамики - 1000 - 1200 ^оС;

- для санитарно-технической керамики - 1150 - 1300 ^оС;

- для кислотоупорной керамики - 1200 - 1300 ^оС;

- для огнеупорной керамики - 1350 - 2000 ^оС;

Декорирование изделий. Оно происходит либо в процессе формования (нанесение рельефной структуры на лицевую поверхность, торкретирование, ангобирование), либо после сушки или после обжига изделий (глазурование, окрашивание специальными красками). Поверхностное окрашивание осуществляется подглазурными и надглазурными красками. Подглазурные краски наносятся на неглазурованные изделия, которые покрываются глазурью и обжигаются. Надглазурные краски наносятся на глазурованные обожженные изделия и закрепляются последующим обжигом. Краски наносят различными способами: распылением с применением трафарета или без него, с помощью переводных рисунков, сериографией (продавливанием через сетку-трафарет цветных мастик с последующим их глазурованием и обжигом).