СМ 2013

51

привести к недопустимой деформации изделий (дутик). Если карбонаты в виде мелких частиц равномерно распределены в глине, то их разложение при обжиге приводит к повышению пористости керамики.

Оксид Fe O , сульфид FeS и гидрооксид железа окрашивают сырье и керамику в красный и коричневый цвет, содержание этих примесей в сырье может достигать 10 % массы горной породы.

Оксиды калия и натрия образуются путем диссоциации содержащихся в глине растворимых в воде солей, например карбонатов калия и натрия, а также в полевых шпатах и слюдах, их содержание в глине может достигать 6 % массы.

Органические примеси выгорают при обжиге, повышая пористость керамики, иногда они вызывают вспучивание изделий и образование в них черной сердцевины.

Технические свойства строительной керамики зависят от химического и минерального составов, дисперсности и физических свойств глин. К числу важных технологических свойств глин относятся следующие.

Пластичность – способность твердых тел или дисперсных систем необратимо изменять форму и размеры под действием напряжений, возникающих от внешних сил. Пластичность глин зависит от их влажности. При увлажнении вода адсорбируется на поверхности твердых частиц, облегчая их перемещение, и повышает пластичность. Расход воды выбирают так, чтобы получить смесь пригодную для формования. При производстве керамики способом пластического формования пластичность является одним из основных физических свойств формовочных смесей. Пластичность глин зависит от минерального состава, дисперсности (зернового состава), формы и характера поверхности твердых частиц, содержания растворимых в воде веществ, а также от содержания воды (В/Г).

Пластичность глин можно характеризовать количеством воды, необходимым для приготовления смеси, пригодной для формования пластическим способом, и величиной воздушной усадки, зависящей от В/Г. По пластичности глины подразделяются на высокопластичные, средней пластичности и малопластичные. Применение высокопластичных глин облегчает пластическую деформацию смеси при формовании изделий. Однако с повышением пластичности увеличиваются деформации при сушке сырья (воздушная усадка), что может привести к изменению формы и размеров изделий, образованию трещин. Поэтому пластичность формовочных смесей необходимо регулировать в зависимости от условий формования, формы и размеров изделий.

Повышение пластичности смесей достигается следующими способами: –– Использованием высокопластичных глин (в том числе в качестве

добавки в шихту);

52Глава 3.  Строительная керамика

––Обогащением глин, повышением содержания в них частиц размером менее 0,01 мм.

––Выветриванием – длительным (в течение нескольких месяцев) выдерживанием глины на открытом воздухе. При этом происходит разрушение крупных частиц при замораживании, растворение и вымывание примесей.

––Вылеживанием – выдерживанием заготовок в атмосфере теплого влажного воздуха. Повышение пластичности обусловлено биологическими процессами (силикатные бактерии), повышающими дисперсность глин.

Снижение пластичности смесей достигается введением грубодисперсных (отощающих) добавок – кварцевого песка, шамота, шлаков и зол.

Пластичность глин характеризуют числом пластичности П :

П = W –W ,

(3.1)

где W – влажность, при которой глина переходит из пластического состояния в текучее (нижняя граница текучести), %;

W – влажность, при которой глина переходит из пластичного состоя­ ния в хрупкое (предел раскатывания), %.

Подразделение глин по числу пластичности приведено в табл. 3.3.

	Таблица 3.3
Классификация глин по числу пластичности
Наименование сырья	Число пластичности, %
Высокопластичное	Свыше 25
Среднепластичное	15-25
Умереннопластичное	7-15
Малопластичное	3-7
Непластичное	—

Выбор сырья для производства керамики осуществляется в зависимости от его доступности и способа формования изделий. При необходимости производится корректировка пластичности смесей.

Изменение объема при сушке и обжиге. Воздушная усадка – изменение размеров и объема изделия при его сушке. Обусловлена процессами испарения воды. Воздушная линейная усадка αв, %, определяется по формуле

(3.2)

где ℓ – начальная (после формования) длина образца, мм; ℓс – длина образца после сушки, мм.

53

Воздушная объемная усадка (усушка) β, %, составляет

(3.3)

где V – начальный объем образца, см³; Vс – объем образца после сушки, см³.

Воздушная усадка высокопластичных глин превышает 10 %, среднепластичных изменяется в пределах от 6 до 10 %, малопластичных менее 6 %. Воздушную усадку можно понизить введением отощающих (грубодисперсных) добавок.

Огневая усадка – изменение размеров и объема изделия при обжиге αо, %, обусловлена процессами спекания (частичного плавления) сырьевых смесей.

Огневая усадка определяется по формуле

(3.4)

где ℓ1 и ℓ2 – линейные размеры образца соответственно до и после обжига, мм.

Цвет глины и керамических изделий. Каолин – горная порода белого цвета. Примеси окрашивают глины в различные цвета – красный, коричневый, зеленый и др.

Цвет керамических изделий может отличаться от цвета сырья. В зависимости от цвета керамики различают два типа глин:

Беложгущиеся (каолины) – позволяют получать изделия белого цвета, применяются при изготовлении фаянса и фарфора.

Цветные – образуют керамические изделия, окрашенные в какойлибо цвет.

Цвет керамических изделий зависит от химико-минерального состава сырья, содержания в нем примесей. Так, например, Fe O окрашивает керамику в красный цвет, интенсивность окраски зависит от максимальной температуры обжига, с повышением температуры окраска может изменяться от светло-красной до темно-красной.

3.2.  Физико-химические процессы, протекающие при обжиге глин и сырьевых смесей, содержащих глины

При нагревании (обжиге) сформованного изделия (сырца) протекают физико-химические процессы, которые приводят к изменению химического, фазового составов, структуры и физико-механических свойств, превращению сырца в керамику (керамический черепок).

54 Глава 3.  Строительная керамика

При повышении температуры сырца до 100-120 °С испаряется свободная и физически-связанная вода; в интервале от 300 до 400 °С выгорают органические примеси. При нагревании до 450-700 °С происходит полиморфное превращение β-кварц → α-кварц, начинается дегидратация водных алюмосиликатов, например каолинита с образованием метакаолинита Al O  · 2SiO . При повышении температуры до 900 °С начинается диссоциация карбонатов с выделением CO , а также разложение метакаолинита Al O  · 2SiO → Al O  + 2SiO . При температуре выше 1100 °С образуется муллит 3Al O  · 2SiO  .

При нагревании до 500 °С и выше начинается изменение агрегатного состояния и структуры системы (спекание).

Различают два типа (механизма) спекания:

1.Твердофазовое спекание обусловлено объемной диффузией вещества в твердом теле (диффузионный массоперенос), а также химическим взаимодействием компонентов с образованием новых веществ.

2.Спекание с образованием и участием жидкой фазы (расплава) – основной процесс, происходящий при обжиге в производстве строительной керамики. Глина может содержать примеси, например полевые шпаты и слюды, со сравнительно невысокой температурой плавления (плавни). Кроме того, глины содержат соли натрия и калия. Образующиеся при обжиге оксиды калия, натрия (а позднее и кальция) взаимодействуют с Al O и SiO с образованием алюмосиликатов щелочных металлов, имеющих сравнительно невысокую температуру плавления. Это приводит к образованию жидкой фазы (расплава), которая постепенно заполняет поры и понижает пористость сырья. Изменяется также и характер пор, система сообщающихся пор в сырце постепенно разделяется на замкнутые участки. О кинетике процессов спекания можно судить по изменению водопоглощения сырца и керамики (рис. 3.1).

Температура, соответствующая точке А на рис. 3.1, называется темпе-

ратурой начала спекания (tА). Температура обжига, при которой водопоглощение керамики приблизительно равно 5 %, называют температурой

спекания (tБ). Пористую керамику получают при максимальной температуре обжига ниже температуры спекания шихты, ее водопоглощение превышает 5 %. Плотную (спекшуюся) керамику получают обжигом сырца при более высокой температуре. Практически водопоглощение плотной керамики не превышает 0,5-0,7 %.

Температура, соответствующая точке В на рис. 3.1, называется темпе-

ратурой полного спекания обжигом (tВ). При этой температуре можно получить плотную керамику с минимальным водопоглощением.

Температуру, соответствующую точке Г на рис. 3.1 называют температурой огнеупорности, или размягчения, tГ. Ее определяют с помощью

55

Рис.  3.1.  Зависимость водопоглощения керамики от

температуры обжига сырца

пироскопа – трехгранной усеченной пирамиды, изготовленной из сырьевой смеси. Пироскоп при нагревании деформируется и вершиной касается огнеупорного основания.

Температурный интервал tА-tВ называется интервалом спекания. Для получения плотной керамики этот интервал должен быть не менее 100 °С, для изготовления пористой керамики – не менее 50 °С, вследствие изменения температуры теплоносителя по высоте печи.

3.3.  Добавочные материалы, применяемые при производстве керамики

В зависимости от применяемого способа формования сырца сырье должно обладать определенными химико-минеральным составом, дисперсностью и физическими свойствами – пластичностью, температурой и интервалом спекания и др. Поэтому глины без добавок используются в производстве керамики в тех, сравнительно редких, случаях, когда они соответствуют требованиям, которые предъявляются к формовочной смеси. С целью стабилизации производственных процессов строительную керамику получают формованием и обжигом сырьевых смесей (шихт), содержащих различные добавки – отощающие, порообразующие, пластифицирующие, плавни (флюсующие), специального назначения.

56 Глава 3.  Строительная керамика

Отощающие добавки вводят в смесь с целью улучшения ее сушильных свойств (ускорения процессов сушки), уменьшения воздушной и огневой усадки. Добавки этой группы понижают формовочную влажность смеси и воздушную усадку, способствуют образованию системы капиллярных пор в сырце и ускорению процессов сушки. Количество добавки определяют экспериментально, в зависимости от пластичности глины; расход добавки изменяется в пределах от 20 до 55 % по объему. К природным отощающим добавкам относятся кварцевые пески, а также породы, содержащие SiО (диатомит, трепел, опока). Искусственные (техногенные) добавки – это дегидратированная глина, шамот (обожженная огнеупорная глина), а также промышленные отходы – металлургические и топливные шлаки и золы, горные породы угледобычи, древесные опилки и др.

Порообразующие добавки вводятся в шихту для снижения средней плотности и теплопроводности керамики. Они подразделяются на органические, минеральные и пенообразующие. Органические добавки (древесные опилки, измельченный каменный уголь, торф) выгорают при обжиге с образованием пор, минеральные (плотные и пористые известняки, мел, доломит) разлагаются при обжиге с выделением CO , формирующего поры, пенообразующие добавки создают устойчивую пену, которая вводится в формовочную смесь.

Пластифицирующие добавки либо повышают пластичность формовочной смеси, либо позволяют понизить влажность сырца при требуемой пластичности формовочной смеси (поверхностно-активные вещества, пластификаторы).

Плавни (флюсы) понижают температуру спекания смесей и температуру обжига. Плавни имеют сравнительно низкую собственную температуру плавления (полевошпатные горные породы, пегматит, перлит, железные руды) или при обжиге образуют вещества с низкой температурой плавления (известняки, магнезит, мел, доломит, мрамор).

Добавки специального назначения окрашивающие – это минеральные пигменты, используемые при производстве декоративной керамики. Для повышения морозостойкости в смесь вводят до 2,5 % хлоридов калия, натрия или алюминия.

3.4.  Производство строительной керамики

Технологические процессы производства керамики можно подразделить на следующие операции: добыча сырья, подготовка сырья, приготовление формовочной смеси (шихты), формование сырца, сушка и отделка сырца, обжиг, декоративная обработка поверхности.

Добыча сырья производится открытым способом в карьерах. Горную породу разрабатывают скребками, скреперами, бульдозерами,

57

Рис.  3.2.  Безвакуумный ленточный пресс 1 – приемная часть (воронка); 2 – нагнетательный валок;

3 – цилиндр; 4 – шнек; 5 – головка; 6 – мундштук; 7 – рубашка; 8 – выпорные лопасти; 9 – ребра; 10 – станина; 11 – вал

одноковшовыми и многоковшовыми экскаваторами. Сравнительно редко применяется взрывной и гидромеханический способы добычи. От карьера к месту использования глину подают транспортерами рельсовым и безрельсовым транспортом (автосамосвалы).

Глину следует хранить на закрытых утепленных складах, не допуская замерзания в зимнее время.

Подготовка сырья, приготовление формовочной смеси и формование сырца осуществляется на предприятиях по производству керамики.

В зависимости от состава и свойств сырья, типа выпускаемой продукции производство строительной керамики осуществляется тремя основными способами: пластическим, полусухим и шликерным (способ литья).

Способ пластического формования (формование пластичных сырьевых шихт) предусматривает приготовление однородной пластичной формовочной смеси, влажность которой изменяется в пределах15-25 %. Глина со склада и добавки дозируются и измельчаются на валках. Смешивание глины с добавками и увлажнение водяным паром осуществляются в лопастных смесителях. Окончательное разрушение структуры глин и перемешивание компонентов производятся на дырчатых вальцах или бегунах мокрого помола. Формование изделий осуществляется при помощи шнекового (ленточного) пресса (рис. 3.2 и приложение, рис. А.25).

Формовочная смесь через воронку 1 и нагнетательные валки 2 подается в камеру и на лопасти шнека 4. Шнек захватывает смесь и перемещает

58 Глава 3.  Строительная керамика

ее в сторону головки 5. На выходе из камеры установлена съемная насадка – мундштук 6. Форма отверстия в мундштуке зависит от типа изделия, которое необходимо получить. Например, при формовании кирпича отверстие мундштука имеет размеры 250×120 мм с припуском на величину предполагаемых воздушной и огневой усадок. Под давлением­ от 1,6 до 3,0 МПа, развиваемым шнеком, масса выходит из мундштука в виде непрерывной ленты, которая разрезается на сырцовые изделия (кирпичи, черепицу, трубы) стальными струнами. Полученный сырец устанавливается на вагонетку для последующей сушки в сушильной камере. При изготовлении труб применяют вертикальные (трубные) прессы.

Полусухое прессование предусматривает уплотнение порошкообразной массы с влажностью 7-12 % под давлением 10-30 МПа на механических или гидравлических прессах. Применяется при переработке глин с плотной текстурой и невысокой влажностью (8-12 %). Подготовка сырья включает следующие операции: грубое измельчение на вальцах, сушку в сушильном барабане (остаточная влажность 1-2 %), дробление

вдезинтеграторе или стержневой мельнице, отделение грубых фракций (более 2-3 мм), увлажнение водяным паром в смесителе. Формование на механических прессах производится в последовательности, указанной на рис. 3.3. Порошок подается в пресс-форму 4 из бункера 1 с помощью каретки 3. Верхний пуансон 2 опускается, при этом происходит уплотнение порошка под давлением 2 МПа и его объем уменьшается на 30-35 %. Далее производится прессование нижним штампом

вдве стадии: сначала создается давление ~9 МПа и штамп опускается вниз, для того чтобы облегчить удаление воздуха; окончательное прессование производится под давлением 30 МПа. Преимуществами полусухого способа являются исключение длительной и энергоемкой операции сушки сырца, уменьшение воздушной усадки и вероятности образования трещин.

Способом полусухого прессования получают кирпич, керамические камни, облицовочные плиты.

Шликерный способ (литье) формования основан на способности пористых гипсовых форм впитывать воду. Изделия формуют из суспензии сырьевых компонентов, содержащей 30-50 % воды (шликер).

Отдозированные сырьевые компоненты подают в шаровую мельницу, где производится их мокрый помол и смешивание. Приготовленный шликер процеживают через сито для удаления грубых частиц. Далее возможны два варианта формования:

1.Шликер высушивают в башенных распылительных сушилках (БРС), влажность порошка после сушки – 7-9 %. Из пресс-порошка изделия формуют полусухим способом (облицовочные плитки).

59

Рис.  3.3.  Полусухое прессование кирпича 1 – бункер с пресс-порошком;  2 – верхний пуансон;  3 – каретка;

4 – пресс-форма;  5 – нижний пуансон;  6 – кирпич-сырец

2. Изделия сложной формы производят из шликера в предварительно изготовленных по моделям гипсовых формах.

Применяют три различных способа литья – сливной, наливной и комбинированный.

При сливном способе шликер заливают в гипсовую форму; вследствие поглощения воды формой вязкость слоя, примыкающего к форме, повышается. Когда толщина этого слоя достигнет требуемой величины, избыток шликера сливают, сырец выдерживают в форме и извлекают из нее.

При наливном способе шликер наливают в зазор между разъемными стенками формы, при этом продолжительность выдержки в форме сокращается, так как вода поглощается также и внутренней стенкой формы.

Шликерным способом получают тонкостенные изделия сложной формы – санитарно-строительный фаянс, химическую посуду, фарфор.

При формовании изделий пластическим и шликерным способами сырец необходимо высушить перед обжигом.

Сушка сырца. Удаление влаги из сырца осуществляется как в естественных, так и в искусственных условиях. Предварительная сушка позволяет повысить производительность обжиговых печей.

Естественная сушка производится в сушительных сараях под навесами, она не требует затрат топлива. Недостатками естественной сушки являются высокие трудоемкость и продолжительность (до 30 сут.), последняя зависит от климата.

Искусственная сушка предполагает использование теплоносителя – нагретого воздуха, в том числе воздуха, отобранного из зоны охлаждения обжиговых печей. Применяются камерные и тоннельные сушилки.

60 Глава 3.  Строительная керамика

Камерные сушилки периодического действия загружаются сырцом и производится подача нагретого­ воздуха. Температура и влажность теплоносителя непрерывно изменяются, обеспечивая сушку по заданному режиму.

Всушилках непрерывного действия – конвейерных и тоннельных – сырец на вагонетках (или на конвейере) непрерывно и с фиксированной скоростью перемещается (рис. 3.4 и приложение, рис. А.26), при этом относительная влажность теплоносителя постепенно понижается, а его температура растет, обеспечивая высокую скорость сушки. Изменение параметров теплоносителя обеспечивают его постоянной принудительной циркуляцией (отбором и подачей).

Всовременных сушилках нагревание сырца может производиться без участия газовой среды инфракрасными излучателями, электромагнитным полем сверхвысокой частоты, что позволяет обеспечить равномерное нагревание, ускорение процессов сушки и повышение качества керамики.

Обжиг сырца. Обжиг – процесс высокотемпературной обработки сырца с целью его превращения в керамику с повышением стойкости против механических и физико-химических воздействий.

Обжиг производится в печах периодического (камерных) и непрерывного (кольцевых, тоннельных и щелевых) действия. В печах сжигается твердое (каменный уголь), жидкое (мазут) или газообразное (природный газ) топливо.

Кольцевые печи имеют обжигательный канал в форме эллипса, который последовательно загружается сырцом. Сырец остается неподвижным, а зоны обжига непрерывно перемещаются по каналу, обеспечивая последовательно подогрев, обжиг и охлаждение. Перемещение зон обжига достигается изменением места подачи топлива в печь (измельченного каменного угля). Топливо подается через трубки, расположенные в своде печи.

Недостатками кольцевых печей являются высокие трудозатраты (садка сырца и выгрузка изделий в печи) и относительно менее равномерный обжиг.

Тоннельные печи имеют прямолинейный канал, который заполняется вагонетками с уложенным на них сырцом (рис. 3.5 и приложение, рис. А.27). Загрузка сырца на вагонетки и выгрузка готовой продукции производятся вне печи. Вагонетки с сырцом перемещаются по тоннелю, теплоноситель движется во встречном направлении (противоток). По длине печь можно условно разделить на четыре зоны:

1.Досушки – в конце зоны температура сырца повышается до (100-200) °С.

2.Подогрева – температура повышается до 800 °С.