Производство керамических материалов и изделий

Можно выделить следующие общие технологические процессы: добыча глины, подготовка сырьевой массы, формование изделия (сырца), сушка, обжиг. Эти пять стадий производства являются об­щими для всех видов керамических изделий. Для отдельных видов изделий могут применять различные способы формования (кирпич пластического и полусухого формования), разные способы сушки (воз­душная или в сушильных камерах), а также дополнительные производственные. Бедственные процессы — покрытие изделий глазурью или ангобом.

Добыча глины. Глина обычно залегает на небольшой глубине. Разрабатывается сырье в карьерах открытым способом — экскавато­рами. Заводы по производству керамических изделий обычно строят вблизи месторождений глин, т. е. карьер является составной частью завода. Добычу глины стремятся осуществлять в теплое время года, создавая запас материала на складе для работы зимой. Транспорти­руют глину из карьера на заводы рельсовым транспортом в опрокид­ных вагонетках, ленточными транспортерами и автосамосвалами.

Подготовка сырьевой массы. Добытая в карьере и достав­ленная на завод глина непригодна для формования изделий, и нуж­но разрушить природную структуру глины, очистить ее от вредных примесей, измельчить крупные фракции, смешать с добавками, ув­лажнить ее, чтобы получилась удобоформуемая масса. Формовочную массу готовят пластическим, полусухим или мокрым способами. Выбор способа определяется исходными свойствами сырьевых мате­риалов и требованиями к качеству получаемого изделия.

Формование изделий. В зависимости от переработки сырья и подготовки массы формование керамических изделий производят пластическим, сухим и мокрым способами.

Пластический способ. Формование изделий осуществляется выдавливанием бруса (керамический кирпич), штамповкой в формах (пазовая черепица), лепкой сложных изделий (архитектурно-художественные изделия). Большинство керамических изделий из пластичной глиняной массы формуют в ленточных прессах (с вакуу­мом или без вакуума). Подготовленную массу подают в приемную коробку пресса. С помощью шнека масса дополнительно перемешива­ется, уплотняется и выдавливается в виде бруса через выходное от­верстие пресса, снабженного сменным мундштуком. Меняя мунд­штук, можно получить брус различных формы и размеров. Брус разрезают на отдельные части при помощи автоматических резатель­ных устройств.

Способ пластического формования наиболее распространен при изготовлении керамического кирпича. Для получения пустотелого кирпича пластического формования в мундштуки прессов устанавли­вают специальные приспособления — керны, позволяющие получить в сырце сквозные отверстия различной конфигурации.

Сухой способ формования применяют при изготовлении сырца прессованием пресс-порошка из глиняных масс. Этот способ подраз­деляется на полусухой, при котором сырец формуют при влажности пресс-порошков 8...12%, и сухой с влажностью 2...8%. Эти способы принципиально не отличаются друг от друга.

Использование сухого способа прессования значительно сокра­щает или даже исключает сушку сырца, при этом сокращается расход топлива на сушку, снижается стоимость продукции. Однако этот спо­соб имеет и недостатки: необходимость применения более сложного прессующего оборудования, процесс прессования сырца при этой тех­нологии сложнее, чем на ленточных прессах, применение более высо­кой температуры обжига изделий и высококвалифицированного об­служивания, плотность изделий несколько выше.

или способ литья осуществляется путем залив­ки глиняного шликера в Мокрый способ, гипсовые формы. Избыточная вода впитыва­ется стенками формы, на которых осаждается керамический черепок, создающий стенки формуемого изделия.

Избыток шликера сливают из форм, затем извлекают из нее из­делие и направляют в сушилку. Этот способ применяют для получе­ния санитарно-технических изделий (унитазы, мойки, биде, смывные бачки и др.). Способ литья также применяют при изготовлении мел­коразмерных цветных плиток для облицовки панелей стен.

Сушка сырца. Сушкой называют процесс удаления влаги из материалов испарением. Основное назначение сушки сырца — сни­жение его влажности, приобретение им механической прочности и подготовки его к обжигу.

Сушат изделия до влажности не более, %: кирпич — 5, плит­ка— 1, санитарно-технические изделия 1...2, канализационные тру­бы — 3...5. Сушка может быть естественной и искусственной.

Естественная сушка под навесами в сушильных сараях не тре­бует затрат топлива, однако она зависит от погоды и очень длительна (7...20 сут). Кроме того, для естественной сушки требуются помещения с большой площадью.

В основном на крупных заводах используют искусственную сушку, что значительно сокращает продолжительность производст­венного процесса (до 1...3 сут), для тонкостенных — несколько часов.

На современных кирпичных заводах сырец сушат в искусствен­ных сушилках камерного (периодического действия) или туннельного типа (непрерывного действия). В качестве теплоносителя при сушке изделий грубой строительной керамики используют дымовые газы обжигательных печей или специальных топок.

Обжиг керамических материалов. Обжиг является ответст­венным и завершающим этапом технологического процесса. В резуль­тате обжига керамические изделия приобретают основные физико-механические свойства: прочность, морозостойкость, плотность, водо­стойкость и др.; кроме этого изделия приобретают камневидное со­стояние.

Обжиг керамических изделий ведется по специальному режи­му, его можно разделить на три периода: подогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение готового изделия.

В начальный период до 200°С происходит досушивание и пол­ное обезвоживание сырца. Температура в это время должна подни­маться по возможности плавно, чтобы обеспечить равномерное удале­ние влаги. При температуре 200°С начинают выгорать органические примеси. В интервале температур 450...700°С глинистые минералы выделяют химически связанную воду, и глина теряет пластичность. Процесс сопровождается усадкой материала. Этот период допускает высокую скорость нагрева. При 700...1000 °С происходит разложение глинистых минералов вплоть до полного распада кристаллической решетки, образуется жидкая стеклофаза. При дальнейшем нагрева­нии интенсивно развиваются процессы спекания кристаллической массы, она уплотняется и отдельные зерна сливаются в монолит, в результате чего черепок приобретает прочность и водостойкость.

Решающее влияние на качество обожженных изделий оказыва­ет последняя стадия обжига (900...1100 °С).

Дальнейшее повышение температуры приводит к деформации изделий (пережогу). После обжига изделия охлаждают. Охлаждение готовых изделий — не менее ответственная операция, чем нагрев. При этом нельзя допускать резкой смены температур и доступа холодного воздуха, так как могут об­разоваться трещины на готовом изде­лии. Температуру снижают медленно, и лишь после достижения 650 °С про­цесс охлаждения можно ускорить.

 

Рис. 4.1. Туннельная печь для обжига кирпича (продольный разрез):

1 — корпус печи; 2 — вагонетка с кирпичом

 

Обжигают керамические изде­лия в туннельных и щелевых печах. Туннельные печи (рис. 4.1) — наиболее распространенный тепло­вой агрегат для обжига керамических изделий пластического формования.

Туннельная печь представляет собой обжигательный канал длиной до 160, высотой 1,7 и шириной до 3,1 м. Внутри печи по рельсам дви­жутся вагонетки с обжигаемым сыр­цом. Туннельные печи работают по принципу противотока. Сначала ва­гонетки с изделиями подогреваются отходящими из зоны обжига продуктами горения, затем проходят че­рез зону обжига, подвергаясь действию высоких температур, затем поступают в зону охлаждения, где остывают, отдавая тепло холодному воздуху, нагнетаемому газовым вентилятором. В туннельных печах можно применять разнообразное топливо (твердое, жидкое, газооб­разное). В этих печах легко механизировать процессы загрузки и выгрузки изделий, а также автоматизировать процесс обжига и его регулирование. Длительность обжига керамических кирпичей состав­ляет 18...36 ч.

Туннельная печь является наиболее экономичной и производи­тельной. В ней снижается брак, сокращается продолжительность обжига и создаются условия для автоматизации технологического процесса.

Щелевые печи используют при производстве керамических плиток. Щелевая печь открытого пламени представляет собой щелевидный канал прямоугольного сечения, внутри которого передвигает­ся сетчатая конвейерная лента из жаростойкой стали. Высокую тем­пературу обеспечивают инжекционные горелки, расположенные по обеим сторонам канала. Продолжительность обжига керамических плиток составляет 30...150 мин.

Для получения глазурованной поверхности используют двой­ной обжиг. Первый обжиг производят при 1240... 1250 °С в туннель­ных печах. После охлаждения плитки сортируют, наносят слой глазу­ри и обжигают вторично при 1140 °С.