5.3. Производство строительных керамических изделий

Керамическими называют камневидные изделия, не размокающие в воде и получаемые из природных глин или смесей глин с различными минеральными добавками путем их формования и обжига при высоких температурах.

В зависимости от состава сырья и температуры обжига керамические изделия разделяются на две основные группы: пористые и плотные. Пористые поглощают более 5% воды по массе (в среднем 8-20%), плотные – менее 5% (чаще всего 1-4% по массе). Пористую структуру имеют стеновые, кровельные и облицовочные материалы, дренажные трубы и др. Плотную структуру имеют плитки для пола, стенки канализационных труб, дорожный кирпич и др.

Сырьевыми материалами для производства керамических изделий служат каолины и глины, основным минералом которых является каолинит Al₂O₃^.2SiO₂^.2H₂O. В глинах есть и другие алюмосиликаты. Каолины и глины при замешивании с водой способны образовывать пластическое тесто, которое после обжига необратимо переходит в камнеподобное состояние.

Главнейшими свойствами глин являются: пластичность, связующая способность, усадка, спекаемость. Пластичностью глины называют ее свойство во влажном состоянии принимать под внешним воздействием желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять ее после прекращения давления.

Связующая способность глин проявляется в связывании зерен непластичных материалов (песка, шамота и др.) и в образовании при высыхании достаточно прочного изделия – сырца.

Усадка – это уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка) глин. Полная усадка колеблется от 5 до 18%.

Спекаемостью глин называют их свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный продукт. Добавками к глинам при производстве керамических изделий служат отощающие материалы (шамот, песок и др.), пластифицирующие добавки, порообразующие материалы, плавни .

Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом.

Процесс производства керамических материалов включает в себя первичную обработку и подготовку сырья, приготовление керамической массы, формование из нее изделий, сушку и обжиг. В отдельных случаях производится также внешняя отделка изделий.

Процессы, протекающие при высокотемпературном обжиге глины. При нагревании глины до 110^оС из нее удаляется физико-механическая влага. Основная масса химической и физико-химической влаги удаляется при 400-600^оС, а остаток ее при 800-900^оС. При 600-900^оС происходит выгорание органических веществ, разложение карбонатов. При 700-800^оС обезвоженный каолинит разлагается на Al₂O₃ и SiO₂, которые при дальнейшем повышении температуры вновь соединяются, образуя искусственный минерал муллит – 3Al₂O₃^.2SiO₂. При 900-1450^оС образуется жидкая стеклообразная фаза, заполняющая поры черепка. При заполнении всех открытых пор черепка жидкой фазой наступает момент спекания черепка. Для одних керамических изделий этот момент является целью обжига, а для других доведение обжига до спекания черепка нежелательно. Конечная температура обжига в этом случае ниже.

Механическая обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить либо измельчить каменистые включения, гомогенизировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства керамической массы.

Формование изделий производят способами пластического формования, полусухого прессования и литья.

Перед обжигом изделие необходимо высушить до влажности менее 5% во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Для сушки сырца используют камерные сушилки периодического действия и туннельные сушилки непрерывного действия. Сушильным агентом является воздух или дымовые газы, поступающие в сушилки при начальной температуре 110-150^оС.

Обжиг керамических изделий осуществляют в кольцевых, туннельных, газокамерных и многоканальных печах.

Рабочей частью кольцевых печей (рис.7) является замкнутый кольцевой обжигательный канал (ширина 9-12м, общая длина до 80-100м). В канал через боковые ходки сажается для обжига кирпич-сырец. Твердое топливо (каменный уголь) забрасывается в печь небольшими порциями сверху через отверстия в своде печи и сжигается непосредственно в посадке сырца. При обжиге кирпича температура постепенно повышается до 900-1000^оС, а затем кирпич здесь же в камере охлаждается. Средняя продолжительность цикла обжига кирпича 140-180 час.

Туннельная печь представляет собой длинный (60-160м) прямой обжигательный канал, выложенный внутри огнеупорным кирпичом, по которому непрерывно двигаются вагонетки, загруженные обжигаемыми изделиями, и постепенно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения.

В газокамерных печах кольцевой канал разделен на камеры капитальными стенками. Камеры имеют газовое отопление.

Многоканальные печи представляют собой ряд муфельных каналов, обогреваемых электричеством или дымовыми газами, по которым обжигаемые изделия, размещенные на огнеупорных поддонах, периодически перемещаются в соответствующем ряду муфеля через определенный промежуток времени.