Керамические материалы и изделия

    приготовление формовочных масс;

    формование  сырца;

    сушка;

    обжиг изделий.

    Добывают  сырье в карьерах обычно экскаваторами, вывозят глину из карьера автосамосвалами, железнодорожным транспортом, вагонетками и ленточными транспортерами (при небольшой удаленности карьера). Добычу глины стремятся осуществлять в теплое время года, создавая запас материала для работы зимой. На многих керамических заводах имеются крытые механизированные глинохранилища.

    Переработку и обогащение глины производят на заводах. В целях получения более пластичной глины ее подвергают выветриванию и вымораживанию на открытом воздухе. На некоторых заводах глину непосредственно из карьера подают к дробильной и увлажняющей установке. Способ обработки сырья зависит от его свойств и вида изделий. Непластичные материалы обычно доставляют на завод необработанными и необогащенными.

    Подготовка  сырьевых материалов (приготовление формовочных масс) состоит в разрушении природной структуры глины, удалении или измельчении крупных включений (в камневыделительных вальцах), измельчении и просеивании глины и непластичных материалов, отделении железосодержащих и других вредных примесей, смешивании глин (жирной и тощей), введении в формовочную смесь добавок и в увлажнении. Для получения изделий с различной структурой черепка и различной конфигурации применяют следующие методы формования: литье, пластическое формование, полусухое и сухое прессование. В зависимости от способа формования производится соответствующая подготовка формовочной массы.

    Формование  сырца производится различными способами.

    Полусухой способ применяют, если шихта содержит большое количество отощающих материалов, а пластичное сырье трудно поддается размоканию, переработке и смешиванию с непластичными материалами. Формовочную массу приготовляют в виде пресс-порошка влажностью 8 —12 %, формуют изделия в гидравлических или механических прессах под давлением штампа до 14,5 МПа (при производстве кирпича) или 19,5 — 29,5 МПа (при производстве плиток для полов). Получение изделий обеспечивается сближением частиц, увеличением поверхности их контакта, проявлением межмолекулярных сил. Изделия имеют более точные размеры, дают меньшую усадку. При этом способе сокращаются сроки сушки и всего производственного процесса, требуются меньшие производственные площади.

    Однако  прессующее оборудование более сложное, требуются более высококвалифицированные  рабочие. Изделия, изготовленные таким способом, имеют меньшую морозостойкость, а кирпич хуже работает на изгиб. Производительность применяемых прессов (ротационных и ротационно-рычажных с двусторонним плавно нарастающим давлением) при производстве кирпича составляет 7000 — 8000 шт. в час. Отпрессованный сырец поступает иногда без предварительной сушки в кольцевую или туннельную печь, что позволяет сократить расход топлива и снизить стоимость продукции по сравнению с пластическим формованием. Средняя плотность изделий при полусухом способе несколько выше, чем при пластическом формовании.

    Сухой способ отличается от полусухого тем, что пресс-порошок имеет влажность 2 — 6 %, полностью исключается сушка сырца. Этим способом изготовляют плотные изделия — клинкерный кирпич, применяемый в дорожном строительстве, плитки для пола, фаянсовые изделия и др.

    При пластическом прессовании глину освобождают от каменных включений, измельчают и смешивают с отощающими, а иногда и с выгорающими и другими добавками до образования однородной керамической массы. Для измельчения глины применяют вальцовые дробилки с гладкими вальцами, дезинтеграторные вальцы, бегуны и другие. Приготовляют формовочную массу чаще всего в двухвальных глиномешалках, где ее увлажняют водой или паром до формовочной влажности 18 — 24% и тщательно перемешивают, при этом на твердых частицах образуются гидратные прослойки, толщина которых примерно равна двум молекулам воды.

    Формование  изделий осуществляется выдавливанием  бруса из ленточного пресса или ленточного вакуум-пресса, штамповкой в формах, лепкой сложных изделий. Наиболее распространено формование сырца на ленточных шнековых прессах, в которых формовочная масса уплотняется, интенсивно проминается и приобретает высокую однородность. При формовании на ленточном вакуум-прессе изделия имеют более высокую прочность за счет вакуумирования формовочной массы. Это позволяет укладывать сырец в более высокие штабеля при сушке и полнее использовать объем сушилок, при этом уменьшается трещинообразование и улучшается качество изделий.

    Ленточные вакуум-прессы (рис.1) состоят в основном из трех частей: подготавливающей, вакуумирующей  и прессующей. Подготавливающая часть  пресса (мешалка) находится или над  прессующей частью, или на одной  оси с ней. Шнек подготавливающей части пресса захватывает керамическую массу и проталкивает ее через перфорированную решетку 2 в вакуум-камеру 3, откуда освобожденная от воздуха глиняная масса, уплотненная шнековым винтом 5, продвигается к выходному отверстию мундштука, укрепленному на головке пресса. Мундштук придает глиняной ленте, выходящей из пресса, определенные форму и размеры. В мундштуке могут быть установлены керны, образующие каналы в выдавливаемой ленте (производство пустотелого кирпича и труб). Выдавленный из мундштука пресса непрерывный глиняный брус разрезается на отдельные изделия с помощью полуавтоматических и автоматических станков. После резки сырец укладывается автоматами-укладчиками на сушильные вагонетки. Способ пластического формования кирпича (полнотелого и пустотелого) наиболее распространен. Преимущество пустотелых кирпичей состоит в том, что они имеют меньшую массу и теплопроводность по сравнению с полнотелым кирпичом.

    При шликерном способе исходные сырьевые материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды. Умывальники, раковины, унитазы и др. изготовляют методом литья в гипсовых формах из шликера влажностью 30 —40 % с последующей их сушкой и обжигом. Этим способом изготовляют также мелкоразмерные облицовочные плитки.

    После формования следует важный и сложный этап — сушка. Главная трудность сушки полнотелого кирпича-сырца в том, что в глине перенос влаги затруднен, так как глина является водонепроницаемым материалом. При быстром высыхании глины с поверхности часто происходит растрескивание кирпича-сырца, поэтому сушить нужно по специальному режиму, при котором скорость испарения воды в поверхностных слоях не превышала бы скорости ее миграции из внутренних слоев, однако это приводит к снижению темпов производства. Ускорить сушку можно введением в формовочную массу отощающих добавок, облегчающих миграцию влаги из внутренних объемов к поверхности. 
 

    Рис. 1. Схема устройства ленточного вакуум-пресса «Кема»: 

    1 — главный цилиндр пресса; 2— перфорированная решетка; 3 — вакуум-камера с герметической крышкой; 4 — смотровое окно; 5 — шнековый винт; 6 — загрузочная коробка; 7— задний цилиндр пресса; 8 — коническая часть головки пресса 
 

    Рис. 2. Туннельная сушилка:

    1 — ворота; 2 — вагонетки с изделиями 
 
 
 

    Чаще  применяется искусственная сушка  в сушилках периодического (камерные) или непрерывного действия (туннельные, конвейерный). Наиболее совершенными и производительными являются туннельные сушилки непрерывного действия, в которых горячий воздух или дымовые газы обжигательных печей движутся с одного конца туннеля к другому, а навстречу горячему потоку на вагонетках перемещается сырец (рис.2). Таким образом, горячий теплоноситель встречает уже почти высушенный сырец, что уменьшает трещинообразование и коробление. Длина туннельных сушилок до 25 — 35 м, продолжительность сушки в них — 16 —24 ч. Суточная производительность одного туннеля емкостью 6 тыс. шт. кирпича составляет до 12 тыс. шт. высушенного кирпича-сырца.

    Естественная  сушка обычно осуществляется в сараях с легкими подъемными стенами. Естественная сушка зависит от погоды и составляет 7 — 20 сут. Для продолжения сушильного сезона устраивают навесы со стеклянной кровлей, вводят в керамическую массу электролиты, устанавливают переносные вентиляторы.

    После сушки сырец обжигают в печах.

    При производстве некоторых керамических изделий (трубы, плитки, санитарно-технические изделия) вводят дополнительную операцию — глазурование. Глазурованные изделия имеют меньшее водопоглощение и водопроницаемость, большую долговечность. Глазури приготовляют из каолина, кварца, мела или мрамора, доломита, глины, полевых шпатов, углекислого бария, свинца и др. Они бывают прозрачными и глухими (непрозрачными). Для получения цветных глазурей применяют оксиды металлов, шпинели, бораты и др. Наносят глазури на высушенные или обожженные изделия разными способами: пульверизацией, окуна нием изделий в глазурную суспензию, поливкой изделий этой суспензией, припудриванием поверхностей сухим составом глазури и др. После нанесения глазурей изделия обжигают.

    Иногда  на изделия наносят дополнительный слой — ангоб.

    Ангобом называется тонкий слой беложгущейся или цветной глины, нанесенный на изделие, который после обжига образует цветное матовое покрытие. Его  свойства должны быть максимально приближены к свойствам основного черепка.

    Обжиг — важнейший процесс в производстве керамики. Он ведется по специальному режиму: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение готовых изделий. Большое влияние на качество изделий оказывает и газовый режим печи в процессе обжига. Среда в печи подразделяется на восстановительную при избытке кислорода до 1 %, нейтральную — при избытке кислорода до 2%, окислительную — при избытке кислорода свыше 2%. Оптимальные температурные и газовые режимы при обжиге устанавливают опытным путем. В результате обжига изделия приобретают камне-видное состояние, высокие прочность, водостойкость, морозостойкость и другие необходимые свойства. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных и реже в кольцевых печах.

    Туннельные  печи (одинарные и — реже — спаренные) являются печами непрерывного действия, в которых изделия обжигаются на вагонетках, передвигающихся вдоль печи по рельсам. Обжиг продолжается 18 — 36 ч. Туннельная печь представляет собой обжигательный канал длиной до 160 м, высотой 1,7 м и шириной до 3,1 м (рис. 3). По длине канала печь подразделяется на зоны подогрева, обжига и охлаждения.

     Вагонетки с  сырцом движутся сначала навстречу  горячим газам, а затем поступают в зону холодного воздуха, нагнетаемого газовым вентилятором. В свою очередь, дымосос, устанавливаемый в начале зоны подогрева, обеспечивает поступление горячего воздуха в зону обжига. В туннельных печах применяют твердое, жидкое или газообразное топливо. Обжиг в туннельных печах идет значительно быстрее, чем в кольцевых. Если процессы садки сырца на вагонетки и выгрузки изделий механизированы, режим обжига автоматизирован, то качество изделий будет выше.

    Щелевые и роликовые печи являются разновидностью туннельных печей. Высота обжигательного канала в этих печах составляет 2 — 3 высоты обжигаемых изделий. Перепад температур по сечению канала должен быть не более 5 °С, что позволяет получать изделия однородными по структуре и повысить их качество. Продолжительность обжига сокращается до 6 ч, значительно снижается расход топлива.

     Кольцевая печь представляет собой замкнутый обжигательный канал длиной до 200, и высотой до 3 м и объемом 300 — 2500 м³ (рис.4). В наружной стене печи имеются проемы 6 — ходки для загрузки сырца и выгрузки кирпича. Ходки устраивают через 5 —6 м, количество ходков зависит от количества условных камер печи, отделенных друг от друга бумажными щитами, устанавливаемыми при загрузке сырца. Количество таких камер составляет 12 — 36 шт. Сверху через топливные трубочки в своде камер загружают кусковое или пылевидное топливо; внизу камер имеются отверстия, соединенные с центральным дымовым каналом 5 для отвода дымовых газов. В кольцевой печи садка сырца 2 остается неподвижной до момента выгрузки готовых изделий, а зоны подогрева, обжига и охлаждения перемещаются по обжигательному каналу по мере продвижения подачи топлива от одной условной камеры к другой. При приближении зоны обжига бумажные щиты сгорают. У этих печей имеются недостатки: трудность загрузки и выгрузки изделий при высоких температурах (до 80 °С), неравномерное распределение температуры по высоте печи, что приводит к «недожогу» и «пережогу» — деформации изделий. Это обусловливает постепенную замену кольцевых печей на туннельные.

    Рис.4. Кольцевая печь (гофманская): 

    1 — канал печи; 2 — садка сырца; 3 — устройство для регулировки дымовых

    конусов; 4 — отверстия для засыпки топлива; 5 — канал для отвода газов; 6 —

    проем в печи для загрузки сырца и  выгрузки кирпича 
 
 
 
 

    Виды  керамических материалов и изделий

    Строительные  керамические изделия классифицируют по структуре черепка на пористые и со спекшимся черепком, имеющим водопоглощение по массе менее 5 %. Спекшийся черепок обычно является водонепроницаемым. Различают изделия грубой и тонкой керамики. Грубая керамика в изломе имеет зернистое строение. Большинство строительных керамических материалов: строительный кирпич, черепица, канализационные трубы — являются изделиями грубой керамики. У изделий тонкой керамики излом черепка более однородный. Он может быть пористым (фаянсовые облицовочные плитки) и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфор). Фарфоровые изделия обладают просвечиваемостью.