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, 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).  Формовочная смесь через воронку 1 и нагнетательные валки 2 подается в камеру и на лопасти шнека 4. Шнек захватывает смесь и перемещает 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 250x120 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 в дезинтеграторе 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 в две 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). 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. Камерные сушилки периодического действия загружаются сырцом и производится подача нагретого воздуха. Температура и влажность теплоносителя непрерывно изменяются, обеспечивая сушку по заданному режиму. В сушилках непрерывного действия - конвейерных и тоннельных -сырец на вагонетках (или на конвейере) непрерывно и с фиксированной скоростью перемещается (рис. 3.4), при этом относительная влажность теплоносителя постепенно понижается, а его температура растет, обеспечивая высокую скорость сушки. Изменение парам теплоносителя обеспечивают его постоянной принудительной циркуляцией (отбором и подачей). В современных 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). 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 °C. 3. Обжига (взвар) - температура (800-1000) °C для грубой керамики. 4. Охлаждения - температура понижается от 1000 до 50 °С. В средней части печи расположены газовые горелки, природный газ сжигается, подогретый воздух поступает в зону обжига из зоны охлаждения. Продолжительность обжига зависит от типа изделий и достигает 36 ч (производство кирпича). Щелевые печи - сырец устанавливается в один ряд по высоте и перемещается по обжиговому каналу печи на роликовом или сетчатом конвейере, что обусловливает равномерный обжиг и сокращает его продолжительность. При соблюдении заданного режима обжига обеспечивается необходимый фазовый состав и спекание шихты. Содержание жидкой фазы при спекании может достигать 40-50 %. Процессы обжига определяют физические свойства керамики. Например, изменяя температуру и продолжительность обжига, можно получить как пористую, так и плотную керамику. Материалы и способы декоративной обработки поверхности керамики. При производстве керамики применяются различные способы декорирования поверхности изделия - глазурование, ангобирование, окрашивание керамическими красками и природными минеральными красителями, шелкография, декалькомания, двухслойное формование, офактуривание поверхности. Глазури и глазурование - покрытие поверхности изделия тонким слоем (толщиной 0,1-0,3 мм) бесцветного или окрашенного стекла, которое закрепляется на поверхности обжигом. Глазурный состав должен отвечать двум основным требованиям: - температура плавления глазури и требуемая температура спекания сырьевой смеси должны совпадать; - коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР) глазури и основы не должны сильно различаться. Для приготовления глазурей используются глина, кварц, полевой шпат, мел, мрамор, доломит, нефелиновый сиенит, туф, перлит, а также керамические оксидные пигменты - оксиды цинка, меди, железа, кобальта, никеля, диоксид титана и др. По способу приготовления глазури подразделяют на сырые и фриттованные. Сырые глазури получают помолом и смешиванием компонентов, фриттованные - сплавлением шихты с последующим помолом. По блеску различают глазури глянцевые и матовые. Глазурные покрытия наносятся окунанием в суспензию, поливкой, пульверизацией, кистью и припудриванием. При обжиге глазурная суспензия расплавляется, растекается, закрепляется на поверхности керамики. Назначение глазури - декорирование керамики, повышение ее прочности, химической стойкости. Глазурованная керамика - водонепроницаема. Ангобирование - покрытие поверхности сырца легкоплавкой смесью, закрепляемой последующим обжигом. В отличие от глазури ангоб при обжиге не образует расплава и поверхность получается матовой. Ангоб состоит из глины и различных добавок, в том числе керамических пигментов. Ангобы наносятся на поверхность сырца так же как и глазури. Ангобирование применяется в производстве лицевого кирпича и облицовочных плиток. Окрашивание керамическими красками - создание на поверхности керамики рисунка. Применяется надглазурная и подглазурная окраска. Подглазурные краски наносят на поверхность перед глазурованием и закрепляют на поверхности вместе с глазурью путем обжига. Надглазурные краски наносятся на глазурь и закрепляются дополнительным (муфельным) обжигом. Шелкография - нанесение декоративного рисунка на поверхность керамики с использованием трафарета. Трафарет имеет отверстия, воспроизводящие рисунок. Декалькомания - перевод на поверхность предварительно выполненных изображений (деколей). Деколь - изображение, нанесенное керамическими красками на бумагу, имеющую слой клея на поверхности. При смачивании водой клеевой слой с рисунком отделяется от бумаги и переносится на поверхность изделия с последующим закреплением обжигом. Окрашивание природными минеральными красителями. Керамика окрашивается либо по объему (напольная плитка), либо по поверхности с последующим обжигом. Двухслойное формование - применяется при производстве лицевого кирпича и керамических блоков. При формовании на поверхность сырца (ложковую и тычковую) наносится тонкий (5-8 мм) фактурный лицевой декоративный слой из окрашенных или неокрашенных глин. Воздушная усадка и КЛТР основы и фактурного слоя не должны сильно различаться. Офактуривание поверхности - нанесение на поверхность изделия рельефа вдавливанием, процарапыванием и другими способами. |
