Пластический способ производства керамических изделий

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

Производство керамических изделий

Несмотря на все многообразие керамических изделий и при­меняемого для их изготовления сырья важнейшие процессы при их производстве, различаясь в деталях, по существу одни и те же. Получение керамических изделий состоит в основном из следую­щих технологических операций:

1) подготовка сырой керамической массы;

2) формование изделий;

3) сушка изделий и отделка их в необожженном виде;

4) обжиг изделий;

5) глазурование изделий (может предшествовать обжигу или выполняться после предварительного обжига с последующим об­жигом для закрепления глазури).

Приготовление керамической массы.В общем случае керамиче­ская масса состоит из четырех компонентов: глины (или смеси глин); отощителя; флюса и воды. В некоторых случаях, при подхо­дящих природных глинах, отсутствует необходимость в использо­вании отощителя или флюса. При необходимости получения по­ристого черепка в массу вводят порообразующие материалы.

Для того чтобы точно дозировать и равномерно смешивать с другими компонентами, глину подвергают сначала грубому, а за­тем тонкому измельчению. Необходимым условием нормальной работы агрегатов тонкого помола является невысокая влажность глины (не выше 7. 10 %). Поэтому излишне влажную глину сушат в сушильных барабанах сразу после грубого измельчения дробил­ками или глинорезками.

При другом способе производится помол всех компонентов в шаровых мельницах мокрого помола. Полученную керамическую суспензию пропускают через вибрационное сито и подвергают распылительной сушке, получая пресс-порошок влажностью 5. 7%.

Для производства доброкачественных изделий необходимо при­дать глине высокую однородность, для чего ее перемешивают в глиномешалках, при необходимости доувлажняя и иногда разог­ревая для повышения пластичности.

Выбор схемы подготовки керамической массы осуществляется с учетом как особенностей сырьевых материалов, так и способа последующего формования, для которого главным моментом яв­ляется влажность W сырьевой смеси. Существуют три наиболее часто применяемых способа подготовки керамической массы: по­лусухой (W= 7. 12%), пластический (W = 17. 22%) и мокрый (W> 30%).

Формование керамических изделий.Формование керамических изделий осуществляют пластическим способом, полусухим прес­сованием и шликерным литьем.

Пластическое формование (W- 17. 22%) осуществ­ляют при помощи шнекового (ленточного) пресса. Современный безвакуумный ленточный пресс — сложный агрегат, однако прин­цип его работы чрезвычайно прост (рис. 5.1). Керамическая масса через воронку / и нагнетательные валки 2 подается на лопасти шнека (червяка) 4, который, вращаясь вокруг своей оси, захва­тывает массу и перемещает ее в сторону сужающейся части — головки 5. На выходе из головки устанавливается съемная насад­ка — мундштук 6, отверстие в котором имеет ту или иную форму, зависящую от конкретного изделия. При изготовлении кирпича мундштук имеет прямоугольное отверстие размером 250×120 мм. Под действием давления (1,6. 7,0 МПа), развиваемого шнеком, масса выдавливается через отверстие мундштука и выходит в виде непрерывной глиняной ленты, которая разрезается на отдельные кирпичи стальными струнами.

Методом пластического формования изготавливают как пол­нотелый, так и пустотный (многодырчатый) кирпич, трубы, че­репицу и другие изделия. При производстве керамических труб используют вертикально формующие шнековые прессы.

Полусухое прессование производится при высоком дав­лении (25. 35 МПа). В этом случае оптимальное содержание влаги в рабочей массе должно составлять 7. 12%. Формование осуще­ствляется на механических и гидравлических прессах.. Прес­сование производится в пресс-форме, куда из бункера с помо­щью каретки переносится порция пресс-порошка. Одновременно при движении вправо каретка сталкивает отфор­мованный сырец на приемное устройство.

При обратном движении каретки (влево) нижний штампопускается и пресс-порошок заполняет пресс-форму. После этого опускается и входит в пресс-форму верхний штамп, производя предварительное уплотнение массы при давлении около 2 МПа, в результате чего ее объем уменьшается на 30. 35 %. Дальнейшее прессование производится нижним штам­пом в две ступени. На первой ступени создается давление около 9 МПа. После этого нижний штамп опускается вниз, давая выход отжатому из прессуемой массы воздуху. Если этого не делать, то воздух, расширяясь после снятия давления, разрыхлит отформо­ванное изделие. Окончательное прессование производится при давлении около 30 МПа.

Полусухим прессованием получают керамические плитки, кир­пич, черепицу. Этот способ формования имеет преимущество пе­ред пластическим — при нем практически не требуется сушки изделий и они могут сразу направляться на обжиг.

Шликерное литье керамических изделий основано на спо­собности затвердевшего гипса впитывать воду. Применяют три спо­соба литья: сливной; наливной; комбинированный.

При сливном способе формования жидкую керамическую массу (шликер) наливают в гипсовую форму, пористые стенки которой впитывают влагу, отнимая ее от шликера, вследствие чего по внут­ренней поверхности формы образуется сплошной равномерный слой загустевшей массы. Когда этот слой приобретет нужную толщину, избыток шликера сливают, а изделие оставляют еще на некоторое время в форме для высыхания (подвялки), вследствие чего оно дает усадку и Легко отстает от стенок формы.

При наливном способе шликер заливают в пространство меж­ду сопрягаемыми частями разъемной формы. При этом способе процесс уплотнения массы протекает быстрее, так как влага от­бирается и с наружной, и с внутренней поверхностей заготовки. В отличие от сливного наливной способ позволяет формовать изделия более сложной формы и с большей точностью размеров.

В некоторых случаях целесообразно использовать оба способа (комбинированный способ). Например, у раковин и умывальни­ков «тело» чаши — наливное, а полые борта — сливные.

Методом литья изготавливают тонкостенные фаянсовые и фар­форовые санитарно-технические изделия, посуду, вазы, статуэт­ки, химическую посуду и приборы. Этот способ в отличие от дру­гих позволяет изготавливать изделия сложной формы.

Сушка изделий.Сушка изделий осуществляется в сушилках раз­нообразных конструкций (камерных, туннельных). Сушка кера­мических изделий является трудоемкой стадией производства, так как в процессе сушки получается большой процент брака вслед­ствие образования трещин и деформации заготовок.

Глазурование керамических изделий.Глазурью называется тон­кий стекловидный слой, наносимый на поверхность керамиче­ского изделия с целью придать ему красивый внешний вид и од­новременно повысить водонепроницаемость и стойкость к хими­ческим и механическим воздействиям. По составу и физическим свойствам глазури представляют собой разновидности стекол. Для приготовления глазури используют природные материалы, содер­жащие кремнезем и глинозем (кварцевый песок, глину, полевой шпат, тальк и др.), а также соли и оксиды различных металлов: калия, натрия, лития, бора, кальция, магния, бария, цинка, свин ца, олова и т.д. Оксиды металлов придают глазури ту или иную окраску, улучшают блеск и другие свойства, понижают темпера­туру плавления глазури.

Глазури могут быть прозрачными и непрозрачными (глухими). И те, и другие могут быть окрашенными и бесцветными.

Тонко измельченную глазурь смешивают с водой для полу­чения суспензии с консистенцией сливок (плотностью 1 350. 1 400 кг/м 3 ) и наносят на поверхность изделия путем полива, окунания или пульверизации. Во время обжига глазурь расплавля­ется, растекается по поверхности и при охлаждении превращает­ся в стекловидный слой.

Обжиг керамических изделий.Обжиг позволяет осуществить необратимое превращение керамической массы в твердое камне-видное тело. Этот процесс называется спеканием.

Процессы при обжиге начинаются с испарения той части ме­ханически примешанной воды, которая целиком не была удалена из изделия при сушке. При дальнейшем повышении температуры в интервале от 500 до 800 °С происходит выделение химически связанной воды. При этом, например, каолинит переходит в метакаолинит: А1₂0₃ • 2Si0₂ • 2Н₂0 -»А1₂0₃ • 2Si0₂ + 2Н₂ОТ. В интерва­ле температур от 800 до 900 °С происходит диссоциация глинообра-зующих минералов, например метакаолинита: А1₂0₃ • 2Si0₂ —> А1₂0₃ + + 2Si0₂, а также присутствующего в массе углекислого кальция: СаС0₃ -> СаО + С0₂.

Оксид кальция, так же как и остальные оксиды металлов, при последующем повышении температуры начинает реагировать с кремнеземом и глиноземом, образуя легкоплавкие смеси различ­ных силикатов и алюмосиликатов. Количество образующегося рас­плава увеличивается по мере нагрева; в соответствии с этим изме­няются и свойства черепка. Сначала пористый черепок начинает постепенно уплотняться и терять свою пористость, превращаясь в плотный клинкер. Для получения пористых изделий обжиг прово­дят при невысокой температуре. Если же необходимо получить изделие с плотным каменным черепком, то температуру повыша­ют до такого значения, при котором количество расплава стано­вится достаточным для заполнения всех промежутков и пустот между нерасплавленными частицами.

Температура обжига различных изделий строительной керами­ки составляет от 900 до 1 700 «С.

Печи для обжига, применяемые в керамической промышлен­ности, в основном непрерывно действующие. По форме печного пространства современные печи бывают туннельными и щелевы­ми.

Туннельная печь представляет собой длинный (100. 160 м) уз­кий канал, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Зона обжига в этой печи располагается примерно посередине. Обжигаемые изделия помещаются на вагонетки и вкатываются в печь одна за другой, образуя сплошной поезд. При вдвигании новой вагонетки с одного конца печи весь поезд перемешается так, что с другого конца выталкивается вагонетка с уже обожженным ма­териалом. Туннельные печи используются при производстве кир­пича, керамических труб, сантехнических изделий.

Щелевые печи применяются для обжига керамической плитки и черепицы. Они работают подобно туннельным печам, но имеют очень узкий щелевидный канал, в который подаются изделия с помощью роликового конвейера. Ширина канала щелевых одно­рядных печей — от 0,9 до 2,5 м, высота — 0,6. 0,8 м; длина щеле­вой печи — от 24 до 65 м.

Источник