Керамические материалы способы получения
Пористая керамика в настоящее время приобретает все большее значение в различных областях техники и технологии. Ее применение осуществляется в двух главных направлениях.
Первым является теплоизоляция, при этом решающим являются теплоизоляционные свойства, т. е. коэффициент теплопроводности и теплозащита; при этом в случае использования материалов для летательных аппаратов значение имеет еще и кажущаяся плотность.
Вторым направлением являются области, где решающим свойством материала являются его пористая структура и связанные с ней свойства, главным образом размеры пор и обусловливаемая ими проницаемость, удельная поверхность и т. п. В этом случае теплопроводность вообще не имеет значения либо играет второстепенную роль. Пористые огнеупорные материалы применяются в тех случаях, когда процессы фильтрации, распределения газов, пропитка пористых сред, нанесение электролитов, электрохимические процессы и т. п. проводятся при высоких температурах, когда другие материалы оказываются непригодными.
В некоторых случаях пористые материалы должны обладать электроизоляционными свойствами, химической стойкостью в агрессивных средах, в том числе различных газах, при высоких температурах, обладать соответствующими ядерными характеристиками и др. Теплоизоляционные огнеупоры (например, ультралегковес) могут использоваться и в качестве звукоизоляции.
Из многообразия требований, предъявляемых к пористой керамики, следует актуальность поиска методов, позволяющих получать материал с заранее заданными свойствами – прочностью, структурой и размерами пор. Кроме того, метод получения пористой керамики должен быть простым и экономически выгодным.
Методы получения пористой керамики
Сейчас наиболее распространены следующие способы получения пористой проницаемой керамики:
— использование монофракционных составов исходных сырьевых материалов;
— метод выгорающих добавок.
— метод химического порообразования.
Метод выгорающих добавок.
Метод основан на введении и последующем выжигании горючих добавок. Огнеупорный материал смешивают с твердыми выгорающими органическими веществами, оформление изделий осуществляется пластическим формованием, полусухим прессованием или литьем.
В качестве выгорающих добавок используют любые твердые горючие материалы, применение которых экономически целесообразно, в том числе древесные опилки разных пород, древесный уголь, древесную муку, различные виды каменных углей – бурый, антрацит, битуминозный, термоантрацит, продукты коксования – кокс, нефтяной кокс, пековый кокс, смолы, гудрон, горючие сланцы, графит, торф, а также ряд других материалов – пробковую и бумажную пыль, просяную и рисовую шелуху, мякину, овсяную полбу, пшенную и манную крупу, полотую ветошь, рубленую солому разных злаков, сажу, шлакоотсевы, волос а также лигнин.
Шамотные легковесные огнеупоры обычно изготавливают пластическим способом или способом полусухого прессования.
Глину предварительно измельчают в глинорезке, сушат, а затем вторично измельчают в дезинтеграторе. Шамот подвергают тонкому помолу. Выгорающие добавки дробят и просеивают.
После компоненты дозируют и смешивают в бегунах или лопастном смесителе. Далее массу прессуют в коленно-рычажном прессе. Сформованные изделия подвергают сушке и обжигу (рис.1)..
Рис.1. Технологическая схема производства шамотных легковесов способом выгорающих добавок при полусухом прессовании
Сущность метода заключается в смешении суспензии огнеупорного материала с пенообразователем или отдельно приготовленной пеной, образованной при механической обработке водных растворов некоторых поверхностно активных веществ. Одной из коренных проблем пенокерамической технологии является получение стойкой и прочной пены, которая бы не разрушалась при смешивании с суспензией и выдерживала ее давление.
Образованию пены способствуют следующие факторы:
— низкое поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-воздух, содействующее образованию тонких пленок;
— наличие определенной вязкости жидкости, противодействующей разрыву возникающих пленок;
— образование неоднородных по составу пограничных слоев, при этом должно иметь место явление адсорбции.
В качестве пенообразователей применяют: канифольное мыло, сапонино-альдегидный и алюмо-сульфонафтеновый пенообразователи, гидролизную кровь (пенообразователь ГК).
Шамотный пенолегковес изготавливают из шихты, которая состоит из 10 весовых частей молотой глины, 90 частей молотого шамота и 3 частей опилок.
Пену готовят из разбавленной канифольно-клеевой эмульсии. Полученную пену с плотностью 0,05 г/см3 смешивают со шликером, имеющим кажущуюся плотность 1,68-1,74 г/см3 и влажность 26%. Полученную пеномассу с плотностью 0,85-0,95 г/см3 заливают в металлические формы, сушат в камерных сушилках до влажности не более 2% и обжигают. Для придания изделиям точных размеров их подвергают механической обработке (рис.2).
Рис.2. Технологическая схема производства шамотных легковесных изделий по способу пеннобразования
Метод химического порообразования.
Метод основан на вспучивании массы газом, выделяющимся при химических реакциях взаимодействия или разложения присутствующих или специально введенных добавок.
Образование пористой отливки при химическом порообразовании складывается из нескольких последовательных процессов, главными из которых являются химическое взаимодействие с образованием газовых пузырьков, их расширение и перемещение, фиксация ячеистой структуры.
Анализ исследований процессов химического порообразования позволяет сгруппировать эти процессы следующим образом по типам используемых реакций:
а) между карбонатами и кислотами с выделение углекислого газа;
б) между основаниями, кислотами и солями;
в) между металлами и кислотами или основаниями с выделением водорода;
г) между органическими соединениями, сопровождающиеся газовыделением;
д) окисления или разложения, протекающие в расплавах;
е) разложение карбонатов, перекисей, силоксанов.
Керамзит. Для производства керамзита используют легкоплавкие глинистые породы, обладающие склонностью к вспучиванию при быстром обжиге.
Глину дробят, затем в лопастных смесителях смешивают с добавками, на вальцах массе придают форму и обжигают во вращающейся печи. После обжига изделия дробят на вальцах и , рассеивая через сито-бурат разделят на фракции (рис.3).
Рис.3. Производство керамзита методом химического пенообразования.
Совершенствование метода получения пористой керамики
Основным из способов получения пористых керамических материалов является монофракционный способ. Однако пористость получаемого таким образом материала во многих случаях недостаточна.
Каждый из способов получения пористой проницаемой керамики: наряду с положительными сторонами имеет существенные недостатки: при использовании метода вспенивания и химического порообразования — низкая проницаемость из-за преимущественно закрытой пористости, при использовании метода выгорающих добавок– неравномерность пористой структуры, связанная со сложностью распределения компонентов по объему шихты.
Нами была сделана попытка усовершенствовать метод выгорающих добавок. Для уменьшения указанного выше недостатка в качестве выгорающего компонента нами использовалась пенополиуретановая губка (поролон). Выбор это материала определялся тем, что существующая технология получения пенополиуретана позволяет в достаточно широких пределах управлять образованием направленной структуры пористости с размерами пор от нескольких микрометров до 2-3 миллиметров. Мы ожидаем, что отработка технологии получения пористой фильтрующей керамики позволит переносить структуру пенополиуретана на керамический материал.
В работе нами готовился керамический шликер путем тонкого помола минеральных частиц в воде. Размер минеральных частиц не превышал 40-50 микрометров. В качестве минерального вещества использовались шамот и глина, в качестве связки в одном случае использовалась глина, в другом случае – жидкий силикат натрия. Процентное содержание глины и силиката натрия в различных опытах различалось. Шликер готовился таким образом, чтобы его вязкость обеспечивала хорошую пропитываемость всего объема образцов пенополиуретана и качественное формирование пленки керамической массы на поверхности структуры выгорающей добавки — пенополиуретана.
Для опытов бралась пенополиуретановая губка трех видов: с размером пор 0,1 мм, 0,5 мм и 2мм.
Губка пенополиуретана пропитывалась керамическим шликером, избыток шликера удалялся из губки путем отжатия, однократно или многократно, в зависимости от структуры пенополиуретана. После этого образцы подвергались сушке и обжигу.
Процесс сушки образцов не вызывал трудности из-за их высокой удельной поверхности, и проницаемости пор. Максимальная температура обжига зависела от состава керамической массы и применяемого связующего и составляла 1200 – 1300°С.
После обжига были получены керамические образцы с пористой структурой, характеризующейся структурой, аналогичной структуре пенополиуретана. Однако образцы, полученные на основе пенополиуретана с размером пор 0,1 мм, имеют сплошную пустотность внутри объема, что свидетельствует о плохой пропитываемости пенополиуретана керамическим шликером.
Механическая прочность образцов составляет: для образцов на глинистой связке 5-8 МПа, а для образцов на жидком силикате натрия – 3-5 МПа, что свидетельствует о недостаточном количестве связки (10%) во втором случае.
Плотность образцов, полученных на пенополиуретане с размером пор 0,1 мм нами не определялась из-за их пустотелости. Плотность образцов, полученных на пенополиуретане с размером пор 0,5 мм, составила 0,15-0,21 г/см3 , а для образцов на пенополиуретане с размером пор 2 мм – 0,09 – 0,15 г/см3.
Пористость полученных образцов составляет: для образцов с размером пор 0,5 мм – 90-93%; для образцов с размером пор 2 мм – 93-96%.
Полученные в исследованиях результаты позволяют предложить принципиальную технологическую схему производства пористой керамики (рис.4)
Для упрощения технологии и уменьшения транспортных затрат представляется целесообразным максимально скомпоновать процессы получения пенополиуретана и получения пористой керамики таким образом, чтобы получаемая из мономера пенополиуретановая лента сразу же поступала на технологическую линию производства пористой керамики.
Технологическая схема получения пористой керамики представлена на рис.1.
Пенополиуретановая лента (1) по конвейеру подается в ванну (2), где пропитывается шликером. Для более полного проникновения шликера в поры пенополиуретана лента несколько раз обжимается роликами (3). Избыток шликера удаляется окончательным отжатием на валках (4).
Пропитанная шликером пенополиуретановая лента поступает в щелевую печь, где происходят процессы сушки и обжига.. Перемещение в печи осуществляется по опорным роликам.
Процессы сушки и обжига не вызывают трудностей благодаря высокой удельной поверхности и проницаемости пор.
Максимальная температура обжига зависит от состава керамической массы и применяемого связующего и составляет 1200 – 1300°С.
Обожженный керамический материал разрезается фрезами на блоки необходимых размеров, которые затем по транспортеру поступают на склад готовой продукции.
Заключение
Таким образом практически доказана возможность формирования пористой проницаемой керамики с определенной пористой структурой, копирующей структуру пенополиуретана, являющимся выгорающим материалом при получении керамического тела. Возможность использования этого метода для других составов керамических масс и связующих веществ позволит значительно расширить область применения пористой проницаемой керамики в качестве фильтрующих элементов в различных технологиях: очистка минеральных вод, инъекционных жидкостей и т.п.
Перечень ссылок
1. Ефимова В.В., Беломеря Н.И. ПОЛУЧЕНИЕ ПОРИСТОЙ ПРОНИЦАЕМОЙ КЕРАМИКИ С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ / Тези доповідей на І Міжнародній науковій конференції студентів і аспірантів»Хімія і сучасні технології», Дніпропетровськ, 26-28 травня 2003
2. Ефимова В.В., Беломеря Н.И. ФИЛЬТРУЮЩАЯ КЕРАМИКА С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ / Тези доповідей на II Міжнародній науковій конференцiї студентів та аспірантів «Охорона навколишнього середовища та рацiональне використання природних ресурсiв», Донецьк, 2003.
3. Беломеря Н.И., Мнускина В.В. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ БУРЫХ УГЛЕЙ.
4. Горлов Ю.П. Керамические и акустические материалы Москва, 1976.
5. Горяйнов К.Э и др. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и легких бетонов. Москва, 1976
6. Мороз И.И. Технология строительной керамики. Киев, 1980
7. Кайнарский И.С., Дегтярева Э.В., Орлова И.Г. Корундовые огнеупоры и керамика, Москва, 1981
8. Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров, Москва, 1978
9. Гузман И.Я. Высокоогнеупорная пористая керамика. Москва, 1971
Источник
Производство керамических материалов и изделий
Керамические материалы и изделия имеют разнообразные размеры, форму, физико-механические свойства и различное назначение, но основные этапы технологического процесса производства их примерно одинаковы и складываются из добычи сырьевых материалов, подготовки сырьевой массы, формования изделия (сырца), сушки, обжига, сортировки обожженных изделий, упаковки и хранения их на складе.
Добыча глины. Глину для производства керамических материалов и изделий добывают в карьерах, расположенных обычно в непосредственной близости от завода, одно- или многоковшовыми экскаваторами и другими машинами и механизмами.
Подготовка сырьевой массы. В естественном состоянии глина обычно непригодна для формования изделий. Нужно разрушить природную структуру глины, удалить из нее вредные примеси, измельчить крупные включения, смешать глину с добавками, а также увлажнить ее, чтобы получить удобоформуемую массу.
Сырьевую смесь готовят полусухим, пластическим или мокрым (шликерным) способами. Выбор того или иного способа зависит от свойств сырьевых материалов, состава керамических масс и способа формования изделий, а также от их размеров и назначения.
При полусухом способе сырьевые материалы высушивают, дробят, размалывают и тщательно перемешивают. Сушат глину обычно в сушильных барабанах, дробят и размалывают в бегунах сухого помола, дезинтеграторах или шаровых мельницах, а смешивают в лопастных мешалках. Влажность пресс-порошка — 9-11 %. Увлажняют пресс-порошок водой или паром до приобретения необходимой влажности.
Полусухой способ подготовки сырьевой смеси применяют в производстве строительного кирпича полусухого прессования, плиток для полов, облицовочных плиток и др.
При пластическом способе сырьевые материалы смешивают при естественной влажности или с добавлением воды до получения глиняного теста влажностью 18-23 %. Для измельчения и переработки сырьевых материалов используют вальцы и бегуны различных типов, а для перемешивания — глиномешалки.
Пластическим способом готовят сырьевую смесь для производства керамического кирпича пластического формования, керамических камней, черепицы, труб и др.
При шликерном способе сырьевые материалы предварительно измельчают в порошок, а затем тщательно смешивают в присутствии большого количества воды, получая однородную суспензию (шликер). Этот способ применяют при производстве фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток и др.
Формование изделий. Формуют керамические изделия различными способами: пластическим, полусухим и литья. Выбор способа формования зависит от вида изделий, а также от состава и физико-механических свойств сырья.
Пластический способ формования — изготовление изделий из пластических глиняных масс на прессах — наиболее распространен в производстве строительных керамических изделий.
Подготовленную глиняную массу влажностью 18-23 % направляют в приемный бункер ленточного пресса. При помощи шнека масса дополнительно перемешивается, уплотняется и выдавливается в виде бруса через выходное отверстие пресса, снабженного сменным мундштуком. Меняя мундштук, можно получать брус различных формы и размеров. Непрерывно выходящий из пресса брус автоматическое резательное устройство разрезает на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий.
Современные ленточные прессы снабжены вакуум-камерами, в которых из глиняной массы частично удаляется воздух. Вакуумирование массы повышает ее пластичность и уменьшает формовочную влажность, сокращает длительность сушки сырца и одновременно повышает его прочность.
Полусухим способом формуют облицовочные плитки, плитки для полов и другие тонкостенные керамические изделия. Этим способом можно изготовлять кирпич и другие изделия из малопластичных, тощих глин, что расширяет сырьевую базу производства изделий строительной керамики. Существенное преимущество полусухого способа формования по сравнению с пластическим — применение глиняной массы с меньшей влажностью (8-12 %), что значительно сокращает или даже исключает сушку сырца.
При полусухом способе каждое изделие формуют отдельно на высокопроизводительных прессах, обеспечивающих двустороннее прессование пресс-порошка в формах под давлением до 15 МПа. Сырец полусухого прессования имеет четкую форму, точные размеры, прочные углы и ребра.
Способ литья применяют для изготовления санитарно-технического фаянса и облицовочных плиток. При этом способе предварительно измельченную глиняную массу влажностью более 45 % (шликер) заливают в специальные формы или используют при формовании плиток.
Сушка изделий. Сформованные изделия (сырец) необходимо сушить, чтобы снизить их влажность, например, кирпич-сырец сушат до влажности 8-10 %. За счет сушки повышается прочность сырца, предотвращаются растрескивание и деформация его в процессе обжига. Сушка может быть естественной и искусственной.
Естественная сушка в сушильных сараях не требует затрат топлива, но продолжается очень долго (10-15 сут) и зависит от температуры и влажности окружающей среды (воздуха). Кроме того, для естественной сушки требуются помещения с большой площадью.
В настоящее время на крупных заводах, как правило, производят искусственную сушку сырца в камерных сушилках периодического действия и туннельных непрерывного действия.
Режим сушки выбирают в соответствии с видом изделия. В качестве теплоносителя в сушилках применяют дымовые газы обжигательных печей, а также газы, получаемые в специальных топках.
Длительность искусственной сушки сырца составляет от 1 до 3 сут, а для тонкостенных изделий — несколько часов.
Обжиг изделий — завершающий этап технологического процесса производства керамических изделий. Процесс обжига можно условно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение. При прогреве сырца медленно поднимают температуру до 100-120 0 С, при этом из него удаляется свободная вода. Дальнейшее повышение температуры до 750 0 С приводит к выгоранию органических примесей и удалению химически связанной воды, находящейся в глинистых минералах и других соединениях сырьевой смеси.
В процессе собственно обжига при 800-900 0 С легкоплавкие соединения расплавляются и обволакивают нерасплавившиеся частицы, при этом уменьшаются линейные размеры изделия и оно уплотняется. При дальнейшем повышении температуры глиняная масса спекается. Максимальная температура обжига зависит от свойств используемых глин и вида обжигаемого изделия. В результате обжига керамическое изделие приобретает камневидное состояние, высокие прочность, водостойкость, морозостойкость и другие строительные свойства.
Обжигают керамические изделия в кольцевых, туннельных, щелевых, роликовых и других печах.
Кольцевая печь представляет собой эллипсообразный замкнутый обжигательный канал, условно разделенный на камеры. Количество камер кольцевой печи в зависимости от ее производительности колеблется от 16 до 36. Условные камеры объединяются в группы — зоны, расположенные в следующей последовательности: загрузка, подогрев, собственно обжиг, охлаждение и выгрузка. В кольцевой печи очаг горения, как и другие зоны, непрерывно перемещается по обжигательному каналу, а обжигаемая продукция находится на месте.
В кольцевых печах обжигают в основном кирпич и черепицу. Температура обжига 900-1100 0 С. Весь цикл обжига в кольцевой печи длится 3-4 сут.
При обжиге изделий в кольцевых печах наблюдается неравномерное распределение температуры по сечению канала, что приводит к пережогу некоторого количества изделий. Основной недостаток кольцевых печей — тяжелые условия труда обслуживающего персонала и трудности механизации производственного процесса.
Туннельная печь — сквозной канал длиной до 100 м, в котором по рельсам движутся вагонетки с обжигаемыми изделиями. В туннельной печи имеются те же зоны, что и в кольцевой, и совершаются те же операции загрузки, подогрева, обжига, охлаждения и выгрузки. Однако в туннельной печи передвигаются по зонам изделия, а сами зоны остаются на месте.
Высушенный кирпич или другие изделия загружают на вагонетки с подом из огнеупорного кирпича. Толкатель подает загруженную вагонетку в печь, выталкивая при этом с противоположного конца вагонетку с обожженным и охлажденным кирпичом. Туннельные печи работают на газе или тонкомолотом угле. В этих печах легко механизировать процессы загрузки и выгрузки продукции, а также автоматизировать процесс обжига и его регулирование. Длительность процесса обжига 18-36 ч. Туннельные печи значительно производительнее и экономичнее кольцевых печей, кроме того, в них брак кирпича значительно ниже. Керамические материалы, в частности облицовочные глазурованные фаянсовые плитки, обжигают дважды. При первом (утельном) обжиге плитки, помещаемые в специальные капсели, обжигают в туннельных печах при 1240-1250 0 С. Затем после охлаждения их сортируют, наносят слой глазури, укладывают в капсель и обжигают вторично в другой туннельной печи при 1140 0 С.
Для получения глазури служит смесь легкоплавкой глины, кварцевого песка, полевого шпата, оксида свинца, цинка и др. В состав цветных глазурей входят красящие оксиды или соли металлов. Тонкоизмельченную сырьевую смесь глазури в виде водной суспензии наносят тонким слоем на лицевую поверхность плитки. При обжиге составные части глазури расплавляются и создают на поверхности плитки тонкий стекловидный слой, обеспечивающий наряду с высокими декоративными качествами и водонепроницаемость плиток. Глазуруют также канализационные трубы, облицовочный кирпич и фасадные облицовочные плитки. Эти изделия покрывают глазурью после сушки и обжигают один раз.
Сортировка и хранение керамических изделий. При выгрузке из печи керамические изделия сортируют. Качество изделий устанавливают по степени обжига, внешнему виду, форме, размерам, а также по наличию в них различных дефектов. По степени обжига они могут быть разделены на изделия нормального обжига, недожог и пережог. Сортность изделий устанавливают по внешнему виду, форме, размерам и наличию дефектов в соответствии с требованиями ГОСТа.
После сортировки изделия направляют на склад, где хранят до отправки на строительство. Кирпич и керамические камни укладывают в елочные пакеты или на поддоны и хранят на открытых площадках. Облицовочные плитки рассортировывают по цветам и размерам, упаковывают в ящики и хранят в закрытых складах. Санитарно-технические изделия, прошедшие сортировку и комплектование арматурой, упаковывают в специальные ящики и хранят в закрытых складах.
Источник
