10.3.2. Основы технологии керамики
Технология керамики — наука о совокупности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления керамических изделий, их практическом воплощении.
Керамика (гр. keramike — гончарное искусство < keramos — глина) — искусственные изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками.
Керамические изделия характеризуются хорошими эксплуатационными, механическими, химическими свойствами. Эти свойства обусловливают долговечность керамических изделий в строительных конструкциях. Вместе с тем керамические изделия имеют следующие недостатки: сравнительно высокие плотность и теплопроводность.
Керамика является самым древним из искусственных материалов. Ее технология в последнее время бурно развивается — на керамической основе создаются так называемые композиционные материалы (см. подробнее параграф 15.1).
290
Основными классификационными признаками керамических изделий являются их структура и назначение. По структуре керамика может быть:
грубая (главным образом строительная керамика);
тонкая с однородной мелкозернистой структурой (главным образом фарфор);
пористая с мелкозернистой структурой (фаянс, майолика
и др.);
• высокопористая (теплоизоляционные керамические мате риалы).
По назначению керамику подразделяют на следующие группы:
строительная (кирпич, панели, перекрытия, черепица, облицовочные плитки и др.);
бытовая (посуда, художественные изделия и др.);
санитарно-техническая (умывальники, ванны, унитазы и др.);
химически стойкая (трубы, детали химической аппаратуры);
электротехническая, радиотехническая (например, керамические конденсаторы и изоляторы);
теплоизоляционная (пенокерамика, ячеистая керамика и др.);
огнеупорная (например, шамотный кирпич для футеровки печей, вагранок);
керамика для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы);
заполнители легких бетонов (например, керамзит, агло-порит).
Сырьевые материалы, используемые для производства керамических изделий, подразделяют на пластичные и непластичные.
Основным пластичным материалом является глина — осадочная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.). Разновидности глины выделяют по преобладанию того или иного глинистого минерала. Главные компоненты глины: ЭЮг (30— 70 %), А1203 (10—40 %) и Н20 (5—10 %).
Основными непластичными материалами являются: ото-щающие материалы — песок, шлак (для снижения пластичности и усадки глин); флюсы — мрамор, доломит (для снижения температуры спекания глин); порообразующие материалы — мел, древесные опилки, зола (для снижения теплопроводности); специальные добавки (например, красители).
Вне зависимости от вида и назначения керамических изделий в технологии керамики выделяют следующие основные стадии:
• карьерные работы;
291
подготовка глиняной массы;
формование изделий;
сушка отформованных изделий;
обжиг высушенных изделий;
поверхностная обработка керамических изделий.
Керамические заводы, как правило, строятся вблизи месторождений глины, поэтому карьер является составным элементом структуры предприятия.
Карьерные работы включают в себя добычу глины, транспортирование и хранение ее запаса на зимний период, когда добыча глины не производится. Таким образом, на данной стадии используются преимущественно механические процессы (см. подпараграф 4.2.1).
Подготовка глиняной массы заключается в разрушении естественной структуры глины, удалении твердых каменистых включений, измельчении и увлажнении для получения однородной массы с требуемыми формовочными свойствами. На этой стадии используются в основном механические и гидромеханические процессы (см. подпараграфы 4.2.1, 4.2.2).
В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции различают следующие способы подготовки глиняной массы: полусухой, пластический и мокрый (шликерный). При полусухом способе сырьевые материалы после предварительного дробления выдерживают в сушильном барабане (до остаточной влажности 6—8 %), затем измельчают, просеивают, увлажняют (до влажности 8—12 %) и тщательно перемешивают. Полусухой способ подготовки глиняной массы используется в основном при производстве плитон для облицовки стен, иолов.
При пластическом способе подготовки глиняной массы исходное сырье дробят, тонко измельчают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18—22 %. Этот способ применяется при производстве глиняного кирпича, черепицы, труб.
При шликерном способе подготовки глиняной массы высушенные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения однородной массы — щдикера, который используют для получения изделий способом литья (сани-тарно-технические изделия, декоративная керамика и др.).
Формование заключается в придании керамическим изделиям требуемых формы и размеров. При полусухом и пластическом способах подготовки глиняной массы оно осуществляется преимущественно на прессах, при шликерном — в заранее подготовленных гипсовых формах методом литья.
При производстве бытовой керамики в условиях единичного
293
производства используется вращающийся вокруг вертикальной оси гончарный круг, на котором формование осесиммет-ричных изделий осуществляется методом пластической деформации (под действием пальцев рук).
Сушка — обязательная промежуточная стадия технологического процесса производства керамических изделий, по своей сущности являющаяся массообменным процессом (см. подпа-раграф 4.2.4). Если сырые изделия сразу после формования подвергнуть обжигу, то они растрескаются. Сушка в естественных условиях производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. При серийном и массовом производстве ускорение процесса сушки керамических изделий достигается путем использования либо камерных сушилок периодического действия, либо туннельных сушилок непрерывного действия.
По мере удаления влаги при сушке частицы материала сближаются и происходит его усадка. Для получения высококачественных изделий процесс сушки должен осуществляться по строгому режиму согласно определенному графику в зависимости от вида керамических изделий. Продолжительность процесса сушки составляет от 24 ч до 3 сут. Изделия необходимо высушить до остаточной влажности, не превышающей 5 %, во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге.
Обжиг является наиболее ответственной стадией производства керамических изделий, так как в процессе обжига формируется их структура, определяющая наиболее важные свойства изделий: прочность, водостойкость, морозостойкость и др. В процессе обжига происходят сложные физико-химические превращения в исходном материале (см. параграф 4.3).
Обжиг производят преимущественно в туннельных печах непрерывного действия, в которых навстречу изделиям, перемещаемым вагонетками, подаются дымовые газы. Условно печь делят на три зоны — подогрева, обжига_и охлаждения.
Вначале происходит досушивание керамических изделий дымовыми газами, отходящими из зоны обжига (при 100—200 °С). При температуре 200— 800 ° С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав исходной сырьевой смеси. В интервале температур 550—800 ° С происходят дегидратация (полное обезвоживание) глинистых минералов и удаление химически связанной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка наиболее легкоплавких глинистых минералов, и глина теряет пластичность. Легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются, происходит усадка изделий. Дальнейший подъем температуры до максимальной обусловливает существенные необратимые изменения
293
в структуре керамики: глина необратимо переходит в камне-видное состояние. После достижения максимальной температуры обжига изделия подвергают изотермической выдержке для выравнивания температуры по всей их толщине. Последующее охлаждение ведут очень медленно, постепенно снижая температуру до 500—600 °С. Затем вагонетки с изделиями обдувают холодным воздухом.
Поверхностная обработка керамических изделий предназначена главным образом для придания им привлекательного вида, декорирования и повышения стойкости к внешним воздействиям. При этом поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывают глазурью — стекловидным покрытием толщиной 0,15—0,3 мм.
В целом процесс производства керамических изделий (например, керамического кирпича) условно может быть представлен в виде блок-схемы (рис. 10.1).
Для технологии керамики характерны высокая энергоемкость и капиталоемкость производства и в то же время высокий уровень его механизации и автоматизации.
Основными направлениями развития технологии керамики являются следующие:
улучшение технологии производства керамических изделий за счет совершенствования процессов подготовки, сушки и обжига, разработки эффективных методов формования, использования малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии);
увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству керамических изделий (эволюционное развитие технологии);
294
• повышение уровня механизации и автоматизации трудо емких стадий производства керамических изделий (рациона- диетическое развитие технологии).