- •Раздел 5.
- •2. Сырье для производства керамических изделий
- •2.2. Трепелы и диатомиты
- •2.3. Добавки
- •2.4. Глазури, красители и ангобы
- •3. Переработка сырья и подготовка формовочных масс
- •3.3. Получение шликеров
- •3.4. Приготовление порошкообразных масс
- •Основные технологии производства керамических материалов и изделий Технология изделий строительной керамики.
- •Общие свойства керамических строительных материалов и изделий
- •Технология стеновых керамических материалов.
- •Способы производства строительной керамики.
- •Принципиальная технологическая схема получения керамического кирпича методом пластического формования.
- •Принципиальная технологическая схема получения и производства керамической плитки (для облицовки стен).
- •Технология искусственных пористых заполнителей (ипз).
- •Технология керамзита.
- •Способы производства керамзитового гравия.
- •Сырье для изделий
- •Способы приготовления тонкокерамических масс.
- •5. Обжиг изделий.
- •6. Декарирование изделий.
- •Высокотемпературные процессы происходящие при получении фарфора.
- •Огнеупоры. Технология огнеупоров.
- •Требования предъявляемые к огнеупорам
- •Алюмосиликатные огнеупоры.
- •Охрана окружающей среды в тсм
- •Пластическое формование.
2. Сырье для производства керамических изделий
Основным сырьем для производства керамических изделий являются глинистые материалы, трепельные, аргиллитовые и диатомитовые породы, органические и минеральные добавки, плавни.
2.1. Глины, их состав и свойства
Термином «глина» обозначают тонкодисперсную фракцию горных пород, состоящих из глинообразующих минералов (водных алюмосиликатов) и примесей иных материалов, способную при затворении с водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью, а после обжига приобретает камнеподобные свойства.
Глины образовывались в результате механического разрушения и химического разложения изверженных полевошпатовых и метаморфических горных пород (гранитов, гнейсов, порфиров, туфов и др.). Разрушение
горных пород происходит под влиянием солнца, воды и резких перепадов температур, а химическое разложение вызывается действием воды и углекислоты на полевой шпат, в результате чего образуется минерал каолинит — водный алюмосиликат А12О3 • 2SiO2 • 2Н2О. Глины, состоящие в основном из каолинита, называются каолинами. Размер частиц каолина менее 0,01 мм. После обжига эти глины сохраняют преимущественно белый цвет. Каолины относят к первичным глинам. Основные месторождения каолина — Полевское, Кыш-тымское, Астафьевское, Невьянское (РСФСР); Глуховецкое, Белая Балка, Лозовиковское, Пологское, Просяновское (Украина). .
Вторичными считают глины, которые отлагались в новых местах в результате перенбса продуктов разрушения горных пород дождевыми или <|неговыми водами, ледниками, ветрами. Вторичные глины:содержат различные примеси — кварц, известняк, гипс, соединения магния и железа, органические и другие вещества, влияющие на свойства глин. Глины с незначительным количеством примесей называют огнеупорными, а глины с большим содержанием примесей — легкоплавкими обыкновенными.
Основные месторождения огнеупорных глин: Латнен-ское, Трошковское, Ужельское, Часов-ярское, Новошвейцарское и др.
Каолины применяют для производства фарфоровых и фаянсовых изделий; огнеупорные глины — для керамических труб и терракотовых изделий; легкоплавкие глины — для изготовления керамзита, гончарных и кир-пично-черепичных изделий.
Кроме каолинитовых, в природе встречаются гидрослюдистые глины, образованные в результате выветривания силикатных пород в условиях повышенной влажности, и бентонитовые, полученные в результате выветривания туфов, вулканических пеплов и др. Бентонитовые глины добывают на Гумбрайском, Аксанском, Черкасском, Оглалинском и других месторождениях. Гидрослюдистые легкоплавкие глины широко применяют в производстве строительной керамики, а бентонитовые — для изготовления фарфоровых изделий, промывочных растворов при бурении, обогащения железных руд, осветления жидкостей.
Глинистое сырье классифицируют по химико-минералогическому составу (глины каолинитовые, монтморилло-нитовые, гидрослюдистые), по назначению (кирпичные, керамзитовые, фарфоро-фаянсовые и др.), по огнеупорности (огнеупорные, имеющие огнеупорность свыше 1580°С, тугоплавкие — от 1350 до 1580°С и легкоплавкие— до 1350 °С).
Пригодность глинистого сырья для производства того или иного вида изделий определяется его свойствами, зависящими от химико-минералогического и гранулометрического состава. Химический состав каолинитовых глин включает 39,5% А12О3 (глинозема), 46,5% Si02 (кремнезема) и 14% Н2О (химически связанной воды). Вторичные глины состоят из оксидов кремния, I алюминия, железа, титана, кальция, магния, натрия, калия и солей, а также органических веществ и воды.
В глинах наиболее характерных видов содержится, %: кремнезема — 46—85, глинозема — 10—35, оксида железа — 0,2—10, оксида кальция — 0,03—6, диоксида титана — 0,2—1,5, оксида щелочных металлов — 0,1—6, сернистого ангидрида — 0—0,5. Потери при прокаливании составляют 8—14'.
Кремнезем в глинах может находиться как в связанном состоянии, входя в состав глинообразующих минералов, так и в свободном, представленном примесями кварцевого песка. Сильно запесоченные глины обычно являются легкоплавкими. Они отличаются ухудшенными формовочными и обжиговыми свойствами, низкой пластичностью. Изделия из них имеют высокую пористость, малую механическую прочность и низкую морозостойкость.
Глинозем — основная часть глин. В составе глинообразующих минералов находится в связанном состоянии. С увеличением содержания глинозема в глинах повышается пластичность, огнеупорность и прочность изделий.
Диоксид титана в зависимости от соотношения с другими оксидами придает обожженным изделиям зеленоватую окраску.
1 Потери при прокаливании (ППП) — вещества, способные испаряться, сгорать и т. д. (органические вещества, механически связанная и кристаллизационная вода).
• Помимо оксида железа Fe203 в виде примесей в глинах могут присутствовать закись железа Fed, пирит Fe2S, гидроксид железа и карбонат железа, которые после обжига придают изделиям красноватый оттенок.
Закись железа FeO во время обжига изделий действует как плавень1, а оксид железа Fe2O3 кристаллизуется в гематит или при взаимодействии с органическими примесями переходит в закись, оказывая, как и плавни, флюсующее действие и снижая огнеупорность глин. Это увеличивает опасность подвара изделий в процессе обжига в местах высоких температур (выше 1000 °С).
Оксиды кальция и магния находятся в глинах в виде СаС03 и MgCO3. Оксид кальция понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий, придавая им желтый или розовый цвет, снижает прочность и морозостойкость, повышает пористость. Оксид магния меньше влияет на качество керамических изделий.
Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, они понижают температуру обжига и повышают плотность и прочность изделий. Присутствие их в глинах ослабляет красящие свойства оксида железа и диоксида титана.
Органические вещества в глинах в виде остатков растений и гумусовых веществ снижают огнеупорность глин, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды и, следовательно, повышают воздушную усадку. С увеличением их содержания увеличивается пористость и снижается механическая прочность изделий.
Гранулометрический состав глин — процентное содержание зерен различной величины в глинистой породе. Характеризуется большим разнообразием.
Размеры частиц легкоплавких глин, мкм:
Менее 5 8—60%
5—50 6—55%
50—250 . . 1—22%
Более 1000 10%
Фракции с размером частиц 5 — 50 мкм относятся к пылевидным, от 50 мкм до 2 мм — к песчаным. Фракцию более 2 мм считают включениями.
Повышенное содержание частиц размером менее 5 мкм придает глинам высокую пластичность и чувствительность к сушке, увеличивает усадку изделий при обжиге. Повышенное содержание пылевидной фракции в глинах повышает чувствительность к сушке и обжигу, снижает прочность изделий. Глины, содержащие крупнозернистый песок, менее чувствительны к сушке, чем глины, содержащие тонкодисперсный песок. Следовательно, зная гранулометрический и вещественный составы глин, можно ориентировочно определять их пригодность для изготовления керамических изделий того или иного вида.
Так, для тонкостенных и крупноразмерных керамических камней содержание фракций меньше 2 мкм должно быть в пределах 24 — 50%, фракци-й размером 2—20 мкм — 30—47%, более 20 мкм — 6—34%.
К основным технологическим свойствам глин относят пластичность, воздушную и огневую усадку, огнеупорность, спекаемость и цвет изделий после обжига. Пластичностью называется свойство глин при смешивании с водой давать вязкое тесто, которому можно придать любую форму, сохраняющуюся после снятия нагрузок. Степень пластичности глин характеризуется числом пластичности П. Например, если абсолютная влажность глины при нижнем пределе текучести WT — 45%, а на границе раскатывания 1^р = 25%, то степень пластичности составит 45 — 25 = 20%, а число пластичности будет 20. Оно определяет интервал влажности, в котором глина сохраняет пластическое состояние.
По числу пластичности П глины классифицируют (ГОСТ 9169 — 75) на высокопластичные с П более 25; среднепластичные с П=15...25; умереннопластичные. с П = 7...15; малопластичные с П = 3...7 и непластичные (теста из них не получается). Пластичность зависит от гранулометрического и минералогического состава, вида глинистых минералов. Пластичность можно увеличить механическим измельчением, длительным вылеживанием, промораживанием, добавкой более пластичных глин и пластифицирующих добавок, например лигносульфоната технического (ЛСТ)1.
Высокопластичные глины требуют больше воды для приготовления формовочных-масс, их влажность 25—30% и более; влажность среднепластичных глин 20—25%, а для малопластичных 15—20%. При этом глины с большей влажностью более чувствительны к сушке. Пластичность можно уменьшить введением отстающих материалов (песка, шлака, дегидратированной глины). Связующей способностью глин называется способность сохранять пластичность при введении в них непластичных материалов (песка, шамота и др.). Глина способна связывать частицы песка или шамота и образовывать прочное изделие. Критерием связующей способности является число пластичности массы. Измеряется связующая способность глин количеством нормального2 (ГОСТ 6139—78) песка, при добавлении которого образуется масса с числом пластичности 7. Высокопластичные глины способны связывать 60— 80% нормального песка, пластичные — 20—60%, тощие—до 20%.
Воздушной усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема изделий, отформованных и высушенных при температуре до 110°С. Огневой усадкой называется уменьшение линейных размеров и объема изделий после обжига вследствие того что легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Определяется огневая усадка по формулам, %:
£обож= К/,— У/',] юо; Уабож = [(У, -.vy/yj юо,
где /, и у, — соответственно линейный размер и объем изделия до обжига; /2 и уг — то же, после обжига. Колеблется от 2 до 8% в зависимости от состава глин.
Полную усадку вычисляют по формулам, %:
L= 1(/о-/2)/'о] ЮО; у= [(Уа-Уг)/У] ЮО.
Полная усадка может находиться в пределах от 2 до 15%.
Огнеупорностью называется свойство глин сопротивляться действию высоких температур, не расплавляясь. Показателем огнеупорности является температура, при которой пироскоп — образец из данного материала в виде трехгранной усеченной призмы определенных размеров — деформируется под влиянием собственной тяжести, касаясь вершиной керамической подставки-. Огнеупорность зависит от химического состава глин, а также характера газовой среды при обжиге глин, содержащих оксиды железа.
Спекаемость — способность глин под действием высоких температур превращаться в плотный камне-подобный черенок с водопоглощением менее 5%. В зависимости от степени спекания глины делят на сильноспекающиеся, среднеспекающиеся и неспекающиеся. К сильноспекающимся относят глины, способные при обжиге давать черепок без признаков пережога с водопоглощением не выше 2%. Водопоглощение черепка среднеспекающихся глин не выше 5%, а неспекающихся — свыше 5%.
По температуре спекания различают глины низкотемпературного спекания (до 1100°С), среднетемпера-турного (от 1100 до 1300 °С) и высокотемпературного (свыше 1300°С).
Количественно степень спекаемости глин характеризуется температурным интервалом спекания и интервалом спекшегося состояния. Температурным интервалом спекания называют разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога (оплавление или вспучивание), и температурой началу спекания глины, при которой начинается интенсивное уплотнение обжигаемого материала. Разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога, и температурой, при которой водопоглощение материала равно 5% (ниже этой величины лежит область спекшегося состояния), называют интервалом спекшегося состояния.
' Интервал спекания — важнейший технологический показатель, он определяет режим конечной стадии обжига изделий, при котором они приобретают кондиционные свойства. Наименьший интервал спекания у легкоплавких глин (50—100 °С), а наибольший (до 400 °С.) — у огнеупррных.
Спекаемость — одно из основных свойств, определяющих пригодность глин для производства изделий фасадной керамики.