Сырьем для изготовления керамических материалов служат различные глинистые горные породы. Для улучшения технологических свойств глин, а также придания изделиям из них определенных и более высоких физико-механических свойств к глинам добавляют кварцевый песок, шамот (дробленую обожженную при температуре 1000–1400 °C огнеупорную или тугоплавкую глину), шлак, древесные опилки, угольную пыль.
Глиняные материалы образовались в результате выветривания изверженных полевошпатовых горных пород. Процесс выветривания горной породы заключается в механическом разрушении и химическом разложении. Механическое разрушение происходит в результате воздействия переменной температуры и воды. Химическое разложение происходит, например, при воздействии на полевой шпат воды и углекислоты, в результате чего образуется минерал каолинит.
Глиной называют землистые минеральные массы или обломочные горные породы, способные с водой образовывать пластичное тесто, по высыхании сохраняющее приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня. Наиболее чистые глины состоят преимущественно из каолинита и называются каолинами. В состав глин входят различные оксиды (А1 20 3, Si0 2, Fe 20 3, CaO, Na 20, MgO), свободная и химически связанная вода и органические примеси.
Большое влияние на свойства глины оказывают примеси. Так, при повышенном содержании Si0 2, не связанного с А1 20 3, уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных изделий и снижается их прочность. Соединения железа, понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций уменьшает огнеупорность и интервал спекания, увеличивает усадку при обжиге и пористость, что уменьшает прочность и морозостойкость. Оксиды понижают температуру спекания глины.
Глины характеризуются пластичностью, связностью и связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур. Пластичностьюглины называют ее свойство образовывать при затворении водой тесто, которое под действием внешних усилий способно принимать заданную форму без образования разрывов и трещин и сохранять эту форму при последующей сушке и обжиге.
По пластичности глины разделяют на высокопластичные, среднепластичные, умереннопластичные, малопластичные и непластичные. Для производства керамических изделий обычно применяют умереннопластичные глины с числом пластичности от 7 до 15. Малопластичные глины плохо формуются, а высокопластичные растрескиваются при сушке и требуют отощения.
В производстве обжиговых материалов наряду с глинами используются диатомиты, трепелы, сланцы и др. Так, в производстве легкого кирпича и керамических изделий применяют диатомиты и трепелы, а для получения пористых заполнителей – вспучивающиеся глины, перлит, вермикулит.
Для изготовления соответствующих изделий часто требуется введение в сырье определенных добавок. Так, добавляя к пластичным глинам отощающие добавки до 6—10 % (песок, шлак, шамот и др.), можно уменьшить усадку глины при сушке и обжиге. Большое влияние на связующую способность глин и их усадку оказывают фракции меньше 0,001 мм. Чем больше содержание глинистых частиц, тем выше пластичность. Пластичность можно повысить добавлением высокопластичных глин, а также введением поверхностно-активных веществ – сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) и др. Понизить пластичность можно добавлением непластичных материалов, называемых отощителями.
Глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций, обладают более высокой связностью, и, наоборот, глины с небольшим содержанием глинистых частиц имеют малую связность. С увеличением содержания песчаных и пылевидных фракций понижается связующая способность глины.Это свойство глины имеет большое значение при формовании изделий. Связующая способность глины характеризуется возможностью связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие заданной формы.
Усадкойназывают уменьшение линейных размеров и объема при сушке образца (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Воздушная усадка происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки. Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2–3 до 10–12 % в зависимости от содержания тонких фракций. Огневая усадка происходит из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие компоненты глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка в зависимости от состава глин составляет 2–8 %. Полная усадка равна алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, она колеблется в пределах 5—18 %. Это свойство глин учитывают при изготовлении изделий необходимых размеров.
Характерным свойством глин является их способность превращаться при обжиге в камневидную массу.В начальный период повышения температуры начинает испаряться механически примешанная вода, затем выгорают органические примеси, а при нагревании до 550–800 °C происходит дегидратация глинистых минералов и глина утрачивает свою пластичность. При дальнейшем повышении температуры осуществляется обжиг – начинает расплавляться некоторая легкоплавкая составная часть глины, которая, растекаясь, обволакивает нерасплавившиеся частицы глины, при охлаждении затвердевает и цементирует их. Так происходит процесс превращения глины в камневидное состояние.
Совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием глины.При дальнейшем повышении температуры масса размягчается – наступает плавление глины. На цвет обожженных глин оказывает влияние главным образом содержание оксидов железа, которые окрашивают керамические изделия в красный цвет при наличии избытка в печи кислорода или в темно-коричневый и даже черный при недостатке кислорода. Оксиды титана вызывают синеватую окраску черепка. Для получения белого кирпича обжиг ведут в восстановительной среде и при определенных температурах, чтобы оксид железа перевести в закись.
Общая технологическая схема производства керамических изделий
Несмотря на обширный ассортимент керамических изделий, разнообразие их форм, физико-механических свойств и видов сырьевого материала, основные этапы их производства являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка сырьевой массы, формование изделий (сырца), сушка сырца, обжиг изделий, обработка изделий (обрезка, глазурование и пр.) и упаковка.
Добычу сырьяосуществляют на карьерах открытым способом. Транспортировку сырья от карьера к заводу производят автосамосвалами, вагонетками или транспортерами при небольшой удаленности карьера от цеха формовки. Заводы по производству керамических материалов, как правило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода.
Подготовка сырьевых материаловсостоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включений, смешивания глины с добавками и увлажнения до получения удобоформуемой глиняной массы.
Формование керамической массыв зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции осуществляют полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами. При полусухом способе производства глину вначале дробят и подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8—12 % подают на формование. При пластическом способе формования глину дробят, затем направляют в глиносмеситель, где она перемешивается с отощающими добавками до получения однородной пластичной массы влажностью 20–25 %. Формование керамических изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или механических прессах под давлением до 15 МПа и более. По шликерному способу исходные материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60 %) до получения однородной массы – шликера. В зависимости от способа формования шликер используют как непосредственно для изделий, получаемых способом литья, так и после его сушки в распылительных сушилках.
В последнее время получила определенное распространение новая технология получения пресс-порошка в распылительных сушилах, сущность которой заключается в совмещении процессов обезвоживания, дробления и сепарации. Сушильная камера представляет собой металлический цилиндр, заканчивающийся внизу конусом, который служит для сбора готового продукта. Отличительными особенностями сушила являются распыление керамической суспензии пучком форсунок при давлении 1,0–1,2 МПа и снижение давления газа внутри сушильной башни. Обезвоживание керамических масс в распылительных сушилах позволило в 3,5 раза повысить производительность труда и в 1,5 раза сократить капитальные затраты.
