Производство керамического камня
Введение
Строительная керамика – большая группа керамических изделий, применяющихся при строительстве жилых и промышленных зданий и сооружений. Керамические стеновые изделия – один из наиболее древних искусственных материалов, их возраст около 5 тыс. лет. Они отличаются своей долговечностью, высокими художественными характеристиками, кислотостойкостью и полным отсутствием токсичности. Применение глины для изготовления посуды и других керамических изделий было известно уже в глубокой древности, за несколько тысяч лет до нашей эры. Ассирийцы и египтяне уже были знакомы с обжигом керамических изделий и приготовлением цветной глазури. В древней Греции и Риме керамическое производство также было весьма развито. При археологических раскопках на территории Европы и Азии были найдены керамическая посуда, вазы, различные украшения, относящиеся к IV—V векам.
В данный момент в производстве строительных керамических изделий сосредоточено внимание на совершенствовании технологии, улучшении качества выпускаемой продукции и расширении ассортимента. При строительстве новых предприятий предусматривается установление автоматизированных и высокомеханизированных технологических линий на базе современного отечественного и импортного оборудования. Осваивается выпуск эффективной пустотелой продукции, которая должна постепенно заменять традиционные полнотелые изделия. Это позволит не только экономить сырьё, но и уменьшать толщину и массу наружных стен без снижения их теплозащитных свойств, а также создавать облегчённые конструкции панелей для индустриализации строительства.
Расширение ассортимента и, в частности, производство эффективных изделий с увеличением размеров и уменьшением средней плотности до 1250-1350 кг/м3 и менее за счёт рациональной формы и увеличения количества пустот снизит расход материалов на 1м2 наружных стен на 20-30%. На действующих заводах наряду с дальнейшей механизацией и автоматизацией производства изделий будут всемерно улучшаться их качества и повышаться прочностные свойства, требующиеся для строительства зданий повышенной этажности и специальных сооружений. Применение в строительстве кирпича, камней высоких марок в несущих конструкциях позволяет уменьшить их расход на 15-30%.
Улучшение качества продукции вызывает необходимость повышения культуры производства, более строгого соблюдения технологических параметров по всем переделам, улучшения обработки, рациональной шихтовки путём ввода различных добавок, в том числе отходов других отраслей промышленности.
Нашей промышленностью выпускаются камни следующих размеров: длина (250, 190 и 290) ±6 мм, ширина (120, 70, 90 и 190) ±4 мм, толщина (138, 188 и 288) ±4 мм. Объемный вес камней (брутто) находится в пределах 1300—1450 кг/мг, т. е соответствует классу В. По морозостойкости камни удовлетворяют требованиям, предъявляемым к обыкновенному кирпичу, водопоглощение их не менее 6% от веса камней, высушенных до постоянного веса.
Пустотелые камни поставляются на строительные объекты в комплекте с дополнительными отделочными камнями (для выкладки карнизов, поясов и т. п.). Не допускается применение пустотелых камней для кладки фундаментов и цоколей зданий, а также для наружных стен помещений с большой влажностью.
1 Основные свойства сырья и вспомогательных материалов
Сырьевую массу для изготовления керамических изделий обычно составляют из пластичных материалов (глины, каолины) и непластичных материалов (отощающих и выгорающих добавок/плавней). Глины и каолины объединяют общим названием — глинистые материалы. В производстве некоторых искусственных обжиговых материалов используют диатомиты, трепелы, а также шлаки, золы, сланцы в чистом виде или с добавкой глин, порообразующих и других добавок. Глины представляют собой осадочные горные породы тонкоземлистого' строения, которые независимо от их минерального и химического состава способны при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, переходящее после обжига в водостойкое и прочное кам-невидное тело. Образовавшись в результате выветривания главным образом полевошпатовых пород, глины состоят из плотной смеси различных глинистых минералов, представляющих собой водные алюмосиликаты со слоистой кристаллической структурой. Наиболее распространенными из них являются каолинитовые (каолинит и галлуазит), монтмориллонитовые (монтмориллонит, бейделлит ) и гидрослюдистые (в основном продукты разной степени гидратации слюд).
Керамические свойства глин характеризуются пластичностью, связностью и связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.
Пластичность — способность глиняного теста деформироваться под влиянием внешних механических воздействий без нарушения сплошности (без разрыва или образования трещин) и сохранять полученную форму после прекращения этих воздействий. На этом свойстве и основана возможность формования изделий.
Связность — усилие, необходимое для разъединения частиц глины. Как уже указывалось, связность глин обусловлена малой величиной и пластинчатой формой частиц глинистого вещества. Высокой связностью обладают глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций.
Связующая способность глины, выражается в том, что глина может связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие — сырец.
Воздушная усадка (усушка) глин —уменьшение размеров и объема сырцового изделия. В процессе сушки вода испаряется, толщина водных оболочек вокруг глинистых частиц сокращается и отдельные частицы глины сближаются между собой, в результате чего происходит воздушная усадка. Огневая усадка глин — изменение размеров и объема при обжиге изделия. При обжиге наиболее легкоплавкие соединения глины переходят в состояние жидкости, которая обволакивает нерасплавившиеся частицы и частично заполняет промежутки между ними. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения жидкой фазы вызывают сближение твердых частиц обжигаемой глины и объем ее уменьшается, т.е. происходит огневая усадка.
Огнеупорность — свойство глин выдерживать действие высокой температуры без деформации. Глины вследствие неоднородности состава не имеют определенной температуры плавления. При действии высоких температур они размягчаются и постепенно деформируются.
Наиболее эффективной добавкой в технологии керамического камня является каолинитовая глина. Каолинитовые глины или каолины в основном состоят из водных алюмосиликатов и кремнезема. Другие минералы обычно присутствуют в ничтожных количествах. Ее используют в качестве добавки для улучшения сушильных свойств керамических масс и сокращения сроков сушки сырца, позволяет предотвратить образование трещин. Каолинитовые глины менее дисперсны, чем монтмориллонитовые, содержат 20 - 25 % илистых частиц, из них 5 - 10 % коллоидных. Каолинит имеет небольшую набухаемость и липкость. Считается, что он преобладает в кислых (дерново-подзолистых) почвах. Из водных алюмосиликатов в каолин входит в основном каолинит в кристаллическом состоянии или в виде геля, а также диккит и накрит, имеющие тот же состав Al. В небольших количествах содержатся галлуазит, аллофан, пирофиллит и монтмориллонит. Кремнезем присутствует в каолинах главным образом в форме кварца; встречаются также опал и халцедон.
В данной работе для производства керамического камня в качестве основного компонента используем глину Темиртауского месторождения, основные свойства которой представлены в табл.1
Таблица 1 – Характеристика сырья для получения керамических изделий
Вид сырья |
Показатель |
Размерность |
Значение (норма) |
Источник информации |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1 Глина |
Химический состав: SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO TiO2 CaO MgO SO3 K2O Na2O Ппп Гигроскопическая Н2О CO2 Несвяз. SiO2 |
% |
56,08 13,4 4,03 0,22 0,7 4,9 2 0,39 1,7 0,8 4,96 4,04
3,4 34,2 | |
Минералогический состав: Глинистые минералы Кварц Полевой шпат Карбонаты Оксиды Слюды Хлориты Пироксены Примеси |
% |
20 30 25 15 5 - - - 2-3 |
||
Гранулометрический состав: Глинистые фракции Песчаные фракции Пылеватые фракции |
% |
37-76
10-32
4,5-39 |
||
Свойства: Влагоемкость Набухание Предел текучести Предел раскатывания №2 Степень пластичности Воздушная усадка Общая усадка Водопоглощение после обжига при 1300оС Температура спекания Огнеупорность Растяжимость |
% |
|
||
2 Добавка -
|
Химический состав: SiO2 Al2О3 Н2О (химически связанная вода). Свойства: Плотность Твердость
Температура спекания Огнеупорность |
%
кг/м3 по шкале Мооса
°С |
|
2 Номенклатура выпускаемой продукции и её свойства
Завод по производству керамического кирпича будет расположен в г.Темиртау вблизи Темиртауского месторождения глин. Производственная мощность 45 млн. шт. условного камня в год. Несмотря на обширный ассортимент керамических изделий, разнообразие их форм, физико-механических свойств и видов сырьевого материала, основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций: добычи сырьевых материалов; подготовки сырьевой массы; формования изделий (сырца); сушки сырца; обжига изделий; обработки изделий (обрезки, глазурования и пр.) и упаковки.
Разработку (добычу) сырья осуществляют на карьерах открытым способом — экскаваторами. Транспортировку сырья от карьера к заводу производят автосамосвалами, вагонетками или транспортерами при небольшой удаленности карьера от цеха формовки.
Подготовка сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до получения удобоформуемой глиняной массы.
Подготовка массы
Заключается в обогащении, дроблении, тонком помоле материалов, увлажнении и перемешивании массы. Подготовленные материалы керамической массы тщательно смешивают. Различают три способа приготовления керамической массы: пластический, полусухой и шликерный.
Полусухой способ прессования
Полусухой способ прессования применяется при плотной структуре глиняного сырья и низкой исходной влажности (8-12%). Из полусухих порошкообразных масс изделия формуют на прессах высокого давления (10-30 МПа и более). Изделия, спрессованные из порошков, обладают в сырце большой прочностью и точностью размеров, а также характеризуются низкой усадкой при обжиге. Из порошкообразных масс изготовляют обыкновенный пустотелый кирпич, керамические камни и плитки.
Основные параметры и размеры
Кирпич и камни керамические (далее - изделия) изготовляют в форме параллелепипеда и в зависимости от размеров подразделяют на виды, указанные в таблице 2.
Таблица 2
В миллиметрах
Вид изделия |
Номинальные размеры по | ||
|
|
длине |
ширине |
толщине |
Кирпич одинарный |
250 |
120 |
65 |
Кирпич утолщенный |
250 |
120 |
88 |
Кирпич модульных размеров одинарный |
288 |
138 |
63 |
Кирпич модульных размеров утолщенный |
288 |
138 |
88 |
Кирпич утолщенный с горизонтальным расположением пустот |
250 |
120 |
88 |
Камень |
250 |
120 |
138 |
Камень модульных размеров |
288 |
138 |
138 |
Камень модульных размеров укрупненный |
288 |
288 |
88 |
Камень укрупненный |
250 250 180 |
250 250 250 |
138 188 138 |
Камень укрупненный с горизонтальным расположением пустот |
250 250 |
250 200 |
120 80 |
Примечание - Допускается по согласованию с потребителем выпускать укрупненные камни размерами:
380 255 188 380 250 138 | |||
Предельные отклонения от номинальных размеров в миллиметрах не должны превышать:
- для изделий пластического формования из лессов, трепелов, диатомитов
±7 ...................... по длине
±5 ...................... по ширине
- для изделий пластического
формования и полусухого
±5 ..................... по длине
±4 ..................... по ширине
±3 ..................... по толщине - для кирпича
±-4 ..................... по толщине - для камня
Отклонение от перпендикулярности граней в миллиметрах не должно превышать:
±4 - для изделий пластического формования из лессов, трепелов, диатомитов;
±3 - для изделий пластического формования и полусухого прессования.
Типы и размеры
1. Одинарный и утолщенный кирпич
изготовляют полнотелым (без пустот
и с технологическими
Толщина наружных стенок пустотелого изделия должна быть не менее 12 мм.
Изделия могут быть изготовлены другой пустотности, с другим числом и расположением отверстий при условии соблюдения требований 3.5, 4.3.
2. Пустоты в изделиях должны располагаться перпендикулярно или параллельно постели и могут быть сквозными и несквозными.
Ширина щелевидных пустот должна быть не более 16 мм, а диаметр цилиндрических сквозных пустот и размер стороны квадратных пустот - не более 20 мм.
Для укрупненных камней допускаются пустоты (для захвата при кладке) с площадью сечения пустот не более 13% от площади основания.
Диаметр несквозных пустот и размеры горизонтальных пустот не регламентируют.
3.По прочности изделия с вертикально расположенными пустотами изготовляют марок: 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, а с горизонтально расположенными пустотами - 25, 35, 50, 100.
4. По морозостойкости изделия подразделяют на марки: F15, F25, F35, F50.
5.Условное обозначение керамических изделий должно состоять из названия, вида, марки по прочности и морозостойкости, обозначения настоящего стандарта.
Примеры условных обозначений
Кирпич керамический полнотелый одинарный марки по прочности 100, марки по морозостойкости F15:
Кирпич К - 100/1/15/ГОСТ 530-95
Кирпич керамический пустотелый одинарный марки по прочности 150, по морозостойкости F15:
Кирпич КП - 0 150/15/ГОСТ 530-95
Кирпич керамический утолщенный марки по прочности 125, по морозостойкости F25:
Кирпич КП - У 125/25/ГОСТ 530-95
Камень керамический марки по прочности 100, по морозостойкости F15:
Камень К -100/15/ГОСТ 530-95
Камень керамический укрупненный марки по прочности 150, по морозостойкости F15:
Камень КУК -150/15/ГОСТ 530-95
Камень керамический модульных размеров марки по прочности 175, по морозостойкости F15:
Камень КМ -175/15/ГОСТ 530-95
Камень керамический укрупненный с горизонтальным расположением пустот марки по прочности 50, по морозостойкости F15:
Камень КУГ- 50/15/ГОСТ 530-95
Кирпич керамический утолщенный с горизонтальным расположением пустот марки по прочности 100, по морозостойкости F15:
Кирпич КУГ -100/15/ГОСТ 530-95
3 Технологическая схема процесса
Добыча глины, подготовка керамической массы и формование изделий.
В большинстве случаев глину добывают открытым способом, для чего используют одно- или многоковшовые экскаваторы, скреперы и другие механизмы. На завод глину доставляют рельсовым транспортом, автотранспортом, ленточными транспортерами, подвесными дорогами, люлечными конвейерами.
Карьерная глина обычно непригодна для получении изделий. Поэтому технология любого керамического изделия начинается с приготовления так называемой керамической, или рабочей, массы. Цель этой стадии производства — разрушить природную структуру глиняного сырья, удалить из него вредные примеси, крупные куски измельчить, а затем обеспечить равномерное смешивание всех компонентов с водой до получения однородной и удобоформуемой керамической массы. В зависимости от вида изготовляемой продукции и свойств исходного сырья керамическую массу получают пластическим, полусухим и шликерным (мокрым) способами. В связи с этим выбирают и способ формования изделий — пластическое формование, полусухое или сухое прессование, литье.
При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают друг с другом с добавкой воды до получения теста. Влажность получаемой массы колеблется от 15 до 25 % и более. Подготовленная глиняная масса поступает в формующий пресс, чаще всего в ленточный обычный или снабженный вакуум-камерой (3.3). Разрежение способствует удалению воздуха из глины и сближению ее частиц, что повышает однородность и формуемость массы и прочность сырца. Глиняный брус требуемого сечения, выходящий через мундштук пресса, разрезают резательным аппаратом на изделия (сырцовые изделия). Пластический способ подготовки массы и формования наиболее распространен при выпуске массовых материалов (кирпича сплошного и пустотелого, камней, черепицы, облицовочных плиток и т. п).
При полусухом способе подготовки сырьевые материалы вначале подсушивают, дробят, размалывают в порошок, а затем перемешивают и увлажняют водой или, что лучше, паром, так как при этом облегчается превращение глины в однородную массу, улучшаются ее набухаемость и формовочная способность. Керамическая масса представляет собой малопластичный пресспорошок с небольшой влажностью: 8..Л2 % при полусухом и 2...8 % (чаще 4...6%) при сухом способе формования. Поэтому изделия из таких масс формуют под большим давлением (15...40 МПа) на специальных автоматических прессах. Изделия после прессования иногда можно сразу обжигать без предварительной сушки, что ведет к ускорению производства, сокращению расхода топлива и удешевлению продукции. В отличие от пластического способа формования можно использовать малопла-стнчные глины, что расширяет сырьевую базу производства. Полусухим способом прессования изготовляют кирпич сплошной и пустотелый, облицовочные плитки, а сухим способом — плотные керамические изделия (плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора).
По шликерному способу исходные материалы предварительно измельчают и тщательно смешивают с большим количеством воды (влажность смеси до 40 %) до получения однородной текучей массы (шликера). Шликер используют непосредственно для изготовления изделий (способ литья) или для приготовления пресспорош-ка, высушивая его в распылительных башенных сушилках. Шликерный способ применяют в технологии фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток.
Сушка изделия
Сушка — весьма ответственный этап технологии, так как трещины обычно возникают именно на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно выявляются. Обычно достаточным является высушивание сырца до остаточной влажности — 6...8%.
В процессе сушки продвижение влаги из толщи керамического изделия к наружным слоям происходит значительно медленнее, чем влагоотдача с поверхности, особенно это проявляется в ребрах и углах изделий. При этом возникает различная степень усадки внутренних и внешних слоев, а следовательно, создаются напряжения, которые могут привести к растрескиванию материала. Для предотвращения этого к жирным глинам прибавляют отощители, которые образуют жесткий скелет, препятствующий сближению глинистых частиц, увеличивают пористость изделия, что способствует продвижению воды из его внутренних слоев к наружным. Для уменьшения чувствительности глин к сушке применяют также паропрогрев и вакуумирование глин, используют некоторые органические вещества в малых дозах ЛСТ, дегтевые и битуминозные вещества и др. (см. гл. 5).
Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях (в сушильных сараях). Естественная сушка, хотя и не требует затрат топлива, но в значительной степени зависит от погоды и длится очень долго (10... 20 сут). В настоящее время сушку сырца, как правило, производят искусственно в специальных сушилках периодического или непрерывного действия. В качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигательных печей или горячий воздух из калориферов. Срок сушки сокращается до 2...3 сут, а иногда до нескольких часов.
Обжиг изделий
Обжиг — важная и завершающая стадия технологического процесса керамических изделий. Суммарные затраты на обжиг достигают 35...40 % себестоимости товарной продукции. При обжиге сырца образуется искусственный каменный материал, который в отличие от глины не размывается водой и обладает относительно высокой прочностью. Это объясняется физико-химическими процессами, происходящими в глине под влиянием повышенных температур.
При нагреве сырых керамических изделий до 110 °С удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы восстанавливаются. С повышением температуры до 500...700°С выгорают органические примеси и удаляется химически связанная вода, находящаяся в глинистых минералах и других соединениях керамической массы, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. Затем происходит разложение глинистых минералов вплоть до полного распада кристаллической решетки и образования аморфной смеси АЬОз и SiO2. При дальнейшем нагреве до 1000°С вследствие реакций в твердой фазе возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al2O3-SiO2, и далее при 1200...1300°С переход его в муллит 3Al2O3-2SiO2. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава (жидкой фазы). Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, частично заполняет поры между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает их, вызывая сближение и уплотнение. После остывания образуется камнеподобный черепок. Этот процесс называют спеканием. Результатом процесса спекания является уплотнение обжигаемого материала и, как следствие, уменьшение его открытой пористости.
Температурный интервал между огнеупорностью и началом спекания называют интервалом спекания глин (3.4). Интервал спекания зависит от состава глин. Чем он шире, тем меньше опасность деформации изделия при обжиге. Большинство легкоплавких глин имеет узкий интервал спекания. Обжиг изделий из них обычно ведут при температуре 900—1000 °С. Огнеупорные и тугоплавкие глины имеют большой интервал спекания (более 100°С) и применяются для получения изделий с плотным спекшимся черепком; обжигают их при 1150...1400 °С.
Для обжига керамических материалов используют специальные печи (кольцевые, туннельные, щелевые, роликовые и др.).
После обжига изделия охлаждают постепенно, чтобы предотвратить образование трещин.
Обожженные изделия могут различаться между собой как по степени обжига, так и по наличию внешних дефектов. После выгрузки из печи их сортируют с учетом ГОСТов.
Технологическая схема проектируемого производства.
Рисунок 1.
Рисунок 1 Продолжение
