Производство керамического кирпича и керамических камней. 2

Содержание

Введение

Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком материалом. Время появления керамики относят к эпохе мезолита и неолита.

Отдельные виды керамики формировались  постепенно по мере совершенствования  производственных процессов, в зависимости  от свойств сырья и получаемых условий обработки.

Изделия строительной керамики применяются для постройки различных  сооружений, дорог, канализационных  и дренажных сетей, производства оборудования санитарных узлов, для  наружной и внутренней отделки зданий.

Строительный керамический кирпич является самым распространённым местным стеновым материалом, позволяющим  экономить дефицитные металлы, цемент, а также транспортные средства. Кирпич может быть, различным по составу сырьевой смеси, технологии производства и даже форме. Традиционно под кирпичом понимают брусок, изготовленный из глины. Кирпич обладает высокой прочностью и долговечностью, красивым внешним видом, также к достоинствам кирпича можно отнести огнестойкость, высокую звуконепроницаемость, способность сохранять тепло и уравновешивать колебания температур.

В данный момент в производстве строительного керамического кирпича  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 традиционный полнотелый кирпич. 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.

В настоящее время исследованиями установлено, что минерально-сырьевая база промышленности строительных материалов Казахстана позволяет создать предприятия по выпуску широкой номенклатуры строительных материалов и изделий из керамики. Совместно с сотрудниками Комитета геологии недропользования составлены карты размещения месторождений минерального сырья промышленности строительных материалов для всех областей РК. Выполнено размещение минерально-сырьевой базы по регионам и областям в виде таблиц и графиков, где сырье сгруппировано как компоненты и как сырье для производства отдельных видов строительных материалов.

На основе анализа Программ развития промышленности строительных материалов, изделий и конструкций, в целом по РК и в разрезе  областей на 2005 – 2014годы, собраны сведения о новых проектируемых к строительству предприятиях по производству различных видов строительных материалов и изделий. Планируется строительство новых производств по выпуску керамических плит в количестве четырех заводов.

Также немаловажно то, что  сейчас в значительных объёмах импортируются керамические облицовочные плиты и плитки. Несмотря на то, что производство керамического кирпича налажено практически во всех областях республики его импорт составил 2005 году 296,2 млн. шт. Не импортирует керамический кирпич только Актюбинская область. Импорт огнеупорных материалов и изделий связан в первую очередь с производством черных и цветных металлов, керамических материалов и цемента, где требуется футеровка плавильных и обжиговых печей.

Производство изделий  строительной керамики состоит из следующих  основных операций:

• добыча, транспортировка и хранение сырьевых материалов;
• их переработка и обогащение;
• приготовление формовочных масс;
• формование сырца;
• сушка;
• обжиг изделий.

В данной курсовой работе будут рассматриваться только некоторые из этих операций, но немаловажные, а именно – отделение подготовки глиняной массы и формование сырца.

1 Основные свойства сырья и  вспомогательных материалов

В качестве сырья для производства керамического кирпича и керамических камней применяют:

·          глинистые породы, встречающиеся  в природе в плотном, рыхлом и  пластическом состоянии, называемые в  целом легкоплавкими глинами, а  также трепельные и диатомитовые породы;

·          органические и минеральные добавки, корректирующие свойства природного сырья (кварцевый песок, шлаки, шамот, опилки, уголь, зола и другие.);

·          светложгущиеся огнеупорные и тугоплавкие глины, стекло, мел, отходы фарфорового производства, огнеупорного кирпича для получения офактуренного лицевого кирпича, изготавливаемого из легкоплавких глин.

Основным сырьём для производства кирпича являются легкоплавкие глины - горные землистые породы, способные  при затворении водой образовывать пластическое тесто, превращающееся после обжига при 800- 1000⁰С в камнеподобный материал.

Легкоплавкие глины относятся  к остаточным и осадочным породам. Для производства кирпича наибольшее применение нашли элювиальные, ледниково-моренные, гумидные, аллювиальные, морские и  некоторые другие глины и суглинки.

Для определения возможности  использования глин и суглинков  для производства стеновых материалов необходимо знать их зерновой, химический и минералогический состав, пластичность и технологические свойства.

Химический состав легкоплавких глин:

Очень важно для характеристики глины содержание в ней глинозёма Аl₂O₃, повышающего технологические свойства сырья: в легкоплавких глинах оно колеблется в пределах от 10 до 15%.

Содержание кремнезёма SiO₂ колеблется в пределах от 60 до 75%. В глинах часть кремнезёма находится в связанном виде в глинообразующих минералах и в несвязанном виде как примесь, обладающая свойством отощающих материалов.

Кальций содержится в глинах в виде карбонатов и сульфатов, а  магний – в виде доломита. В некоторых сортах глин наличие кальция и магния в пересчете на их оксиды (CaO и MgO) достигает 25%, но, как правило, общее их содержание не превышает 5-10%. Обычно соединения кальция и магния отрицательно влияют на спекаемость и прочность керамических изделий. При наличии в глинистых породах свыше 20% карбонатных примесей они не могут использоваться без соответствующей обработки или обогащения. Оксиды железа, титана, марганца и других металлов содержатся в глинах в количестве до 10-12% и оказывают существенное влияние на целый ряд важнейших свойств керамических изделий. Наибольшее влияние оказывают оксиды железа, находящиеся в глине в виде оксида Fe₂O₃ и гидроокиси Fe(OH)₃ и оксиды марганца MnO₂. Они улучшают спекаемость изделий и придают им окраску.

Калий и натрий входят в  глины в виде щелочных оксидов, содержание которых находится в пределах 3,5-5%.

Сера присутствует в глинах в различных соединениях, ее содержание не оказывает на качество стеновых керамических изделий.

Глинообразующие минералы, определяющие основные свойства глин, представляют собой в основном гидросиликаты  глинозема, содержащие кремнезем и  окислы железа, а также сульфаты, карбонаты и растворимые в воде соли различных металлов.

Минералогический  состав:

Химические соединения, однородные по строению, свойствам, образуют минералы. Глины состоят из основных и образующих минералов и минералов-примесей. Известно большое количество глинообразующих  минералов, которые обычно объединяются в четыре группы: каолинитовую, галлуазитовую, гидрослюдистую и монтмориллонитовую.

Каолинитовая группа включает наиболее часто встречающийся минерал-каолинит, а также накрит с одинаковым химическим составом: Al₂О₃ – 2SiО₂ – 2H₂О. Каолинит входит в основном в состав огнеупорных, тугоплавких глин и каолинов; он мало чувствителен к сушке и обжигу.

Галлуазитовая группа Al₂О₃ – 2SiО₂ – 4H₂О часто присутствует в каолинах и каолинитовых глинах, придавая им большую дисперсность, пластичность и адсорбционную способность.

Гидрослюды (иллит, гидромусковит) являются продуктом разной степени гидратации слюд. Гидрослюды в значительном количестве присутствуют в большинстве легкоплавких глин и в небольших количествах в огнеупорных глинах.

Монтмориллонитовая группа (монтмориллонит, нонтроиит, бейделлит) представляет собой сложные гидроалюмосиликаты (Al₂О₃ – 3-5SiО₂ – H₂О), в состав которых обычно входят Са, Mg, Na, Fe. Монтмориллонитовые минералы отличаются от остальных наиболее высокой степенью дисперсности, пластичности, сильно набухают, высыхают медленно и наиболее чувствительны к сушке и обжигу. Физическую влагу они теряют при температуре 140 — 170° С, гидратную — полностью при температуре около 900° С, которая совпадает с началом образования жидкой фазы и кристаллизацией новых фаз, что обусловливает чувствительность к обжигу, вызывающую вспучивание и деформацию изделий.

Глинообразующие минералы в основном представляют собой водные силикаты глинозема, содержащие окислы кремния и железа, а также сульфаты, карбонаты и растворимые в воде соли различных металлов. Глинообразующие минералы характеризуются размерами частиц менее 5 мкм (< 0,005 мм).

В состав глин может входить  только один минерал, что характерно в основном для огнеупорных глин. Такие глины называются мономинеральными. Если в состав глин входит несколько минералов, их называют полиминеральными. К таким глинам относятся легкоплавкие. Глины, сложенные из минерала каолинита, слабо набухают в воде и почти не реагируют на кислоту. Если в глине находится только каолинит, ее называют каолином. Содержание минералов каолинитовой группы характерно для огнеупорных и тугоплавких глин. Известны огнеупорные глины, сложенные в основном из минерала монотермита. Если в глинах содержатся только одни монтмориллонитовые минералы, глины называют бентонитом. Глины, сложенные из гидрослюды, характеризуются средней пластичностью. Они наиболее часто встречаются в природе.

Легкоплавкие глины обычно сложены из нескольких минералов, преимущественно  монтмориллонитовой и гидрослюдистой групп, а иногда с незначительной примесью минералов каолинитовой группы.

Гранулометрический (зерновой) состав глин:

Гранулометрическим составом глины называется процентное содержание зерен (частиц) различной величины в  глинистой породе. Ниже показан зерновой состав легкоплавких глин по фракциям (группам частиц одного размера). Наиболее ценные для производства керамических материалов — тонкие глинистые фракции с зернами размером менее 5 мкм (<0,005 мм). Кроме тонких частиц в глинах содержатся пылевидные фракции с зернами размером от 5 до 50 мкм (от 0,005 до 0,05 мм) и песчаные — от 50 мкм до 1 мм и более. Фракции размером более 2 мм считаются включениями.

Сырье по зерновому составу  разделяется на высокодисперсное, если оно содержит фракции размером менее 0,01 мм более 85% и фракций менее 0,001 больше 60%; дисперсное, если оно содержит фракций менее 0,01 мм от 40 до 85% и фракций  менее 0,001 мм от 20 до 60%; грубодисперсное, если соответственно тех же фракций менее 40% и менее 20%. Чем более дисперсное глиняное сырье, тем оно пластичнее.

В зависимости от размеров преобладающих включений различают  сырье с мелкими включениями — менее 2 мм, средними — от 1 до 0 мм и крупными — более 5 мм.

Немаловажно рассматривать  свойства глин, так как они определяют основные характеристики материала.

Важнейшие свойства кирпичных  глин, определяющие их применение в промышленности и обусловленные главным образом глинистыми минералами, содержащимися в них: высокая связность (для сухих образцов предел прочности при сжатии 3—50 кг/см², предел прочности при растяжении 0,8—9,5 кг/см²), клейкость, набухание в воде (4—41% от первоначального объема), способность в смеси с водой образовывать суспензии и вязкое тесто, пластичность глиняного теста, способность теста принимать любую форму в сыром виде я сохранять ее после сушки и обжига, легкоплавкость, огнеупорность кирпичных глин, как правило, 1100—1350°С, температура спекания 1000—1180°С. Некоторые кирпичные глины сильно вспучиваются при кратковременном нагревании их до температуры 1050—1250°С вследствие химических реакций, приводящих к образованию газовой фазы в условиях одновременного быстрого образования жидкой фазы.

Критерием связующей способности  служит число пластичности массы. При  этом связующая способность измеряется количеством нормального песка (ГОСТ 6139), при добавлении которого образуется масса с числом пластичности 7. Более пластичные глины обладают большей связующей способностью.

Глины разделяют на четыре группы в зависимости от их способности  связывать то или иное количество нормального песка, принимаемого за эталон, в процентном отношении:

• Высокопластичные 60—80%
• Пластичные 20—60%
• Низкопластичные (тощие) 20%

Камнеподобные (сланцы, сухарные глины) не образуют теста.

Воздушной усадкой глинистого сырья называют изменение линейных размеров и объема отформованных из этого сырья образцов под влиянием сушки. Воздушную усадку определяют в процентах по отношению к линейным размерам изделий. Установлено, что глины с К_ч = 0,5 и менее также относятся к высокочувствительным, так как отличаются очень низкой трещиностой костью. Четкой зависимости между чувствительностью глин к обжигу и величиной их огневой усадки не отмечается.

Спекание глины вызывается частичным сплавлением её составных частей и зависит от химического состава и температуры обжига. Чем больше в глине содержится глинозёма, тем выше температура её спекания и плавления; чем больше в ней примесей (полевой шпат, слюды, известь, соединения железа), тем ниже температура спекания и плавления глины. С повышением температуры спекание усиливается по мере того, как увеличивается количество составных частей глины, принимающих участие в плавлении. Плотность изделий увеличивается, а пористость сокращается. Разница между температурами начала спекания и плавления называется интервалом спекания. Чем больше интервал спекания, тем меньше брака при обжиге.

Для улучшения природных  свойств глины — уменьшения общей  усадки, чувствительности к сушке  и обжигу, улучшения формовочных  свойств — широко применяют добавки.

В данной курсовой работе будет  рассматриваться Айнабулакское  месторождение глин, в котором  содержатся высокопластичные глины. В высокопластичные глины, требующие для затворения большого количества воды (до 28%) и поэтому дающие большую линейную усадку при сушке и обжиге (до 15%), необходимо вводить отощающие добавки, т. е. непластичные вещества. При этом значительно уменьшается количество воды,  необходимой для затворения глиняного теста, что сокращает размер усадки  (до 2—6%).

B качестве отощающих добавок  чаще всего применяют вещества  неорганического происхождения  — кварцевый песок, шамот (обожженная  и измельченная глина), молотый шлак и золу. Эти добавки не только уменьшают усадку изделий, но и улучшают формовочные свойства массы, облегчают технологический процесс производства и устраняют брак. В ряде случаев они улучшают физические свойства изделий, например  термостойкость и   теплопроводность.

 В работе будут рассмотрены золы, привозимые из Карагандинской ГРЭС.

Золы ТЭС представляют собой отходы от сжигания в пылевидном состоянии каменных углей. Образующиеся зола и шлаки направляются от котельных теплоэлектростанций гидравлической системой в золоотвалы в виде пульпы. В кирпичном производстве в качестве добавки используют золы ТЭС с удельной поверхностью 2000—3000 см²/г. Теплотворная способность золы в зависимости от содержания несгоревших частиц топлива составляет от 1000 до 3200 ккал/кг. Добавка 10—15% золы ТЭС в смеси с опилками или шамотом делает кирпич менее чувствительным к сушке и повышает его прочности, по сравнению с добавкой, например, одного дробленого многозольного угля или одних опилок. Это происходит вследствие того, что предварительное смешивание с другими добавками обеспечивает определение золы и мелкодисперсной массу вводят от 15 до 45% золы ТЭС [1].

Для разработки технологической схемы производства и выполнения технологических расчетов необходимо знать состав и основные свойства сырья и вспомогательных  материалов. Эти данные представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Характеристика сырья для  получения керамического кирпича

2 Номенклатура выпускаемой продукции и её свойства

По своему назначению керамический кирпич делится  на рядовой, лицевой и специальный. Рядовой (он же строительный, обычный). Используется для возведения капитальных стен и межкомнатных перегородок. Внешне непривлекателен, не устойчив к воздействию окружающей среды, поэтому стены из строительного кирпича нуждаются в дополнительной обработке: штукатурке, облицовке. По цене это относительно недорогой материал.

Лицевой (он же облицовочный, отделочный, фасадный, фактурный, фасонный). Используется для всех видов фасадных и ландшафтных работ, а также для отделки интерьера. Лицевой кирпич обладает низким влагопоглощением, а, следовательно, высокой морозостойкостью. Отличается качественной лицевой поверхностью. Для него характерны разнообразность форм, расцветок, и даже рисунков. Качество лицевого кирпича не зависит от его цвета, поэтому можно смело выбирать любой понравившийся вам оттенок.

Кирпич специальный. Предназначен для использования в особых условиях. К нему в первую очередь относится огнеупорный кирпич. Чаще всего он используется для строительства печей, дымовых труб, каминов и т.п. и производится из термостойкой шамотной глины. Кислотоупорный кирпич отличается повышенной стойкостью к кислотам и щелочам. Технология его создания более сложная, а шихта состоит из смеси белой глины и различных силикатов [3].

Клинкерный кирпич или просто клинкер отличается высокой износостойкостью, поэтому используется при строительстве площадок, ступеней, пандусов и т.п. Он производится путём прессования сухой красной глины с последующим обжигом при температуре 1100⁰ С. Следует отметить, что все виды кирпича обладает удобным размером. Его удобно брать одной рукой. По длине кирпича укладываются два кирпича по ширине, с учётом 1 см на шов. А вот в зависимости от толщины кирпичи обладают более широкой номенклатурой и бывают:

1. Одинарные – размер 250 х 120 х 65 мм.

2. Полуторные  или утолщённые – размер 250 х 120 х 88 мм. Экономят расход раствора и время строительства.

3. Двойные (или камень керамический по ГОСТу) – размер 250 х 120 х 140 мм. Также экономят расход раствора и время строительства, а также деньги, так как стоят дороже одинарных на половину, а размер их в два раза больше. Но такие кирпичи выпускают только пустотелые.

4. Модульные – размер 288 х 138 х 63 мм.

В зависимости  от наличия пустот кирпичи делят  на:

1. Полнотелые, с малым объёмом пустот, менее  13%. Такой кирпич применяется для  постройки несущих элементов  и массивных конструкций, которые должны выдерживать большую нагрузку. Полнотелым может быть рядовой, лицевой кирпичи.

2. Пустотелые, с большим объёмом пустот, иногда  более 50%. Этот вид кирпича обладает  более высокой теплоизоляций  в сравнении с полнотелым, а  ещё он значительно легче, поэтому  стены из такого кирпича могут  быть тоньше, чем из полнотелого,  да к тому же ещё и более  лёгкими. Но при его использовании  могут возникнуть трудности: пустоты  могут забиться раствором, и  тогда его преимущество теплоизоляции теряется. Не допустить это можно, используя более густой раствор и кирпич с более мелкими пустотами. Пустотелый кирпич дешевле полнотелого, так как на его производство идёт меньше сырья. Пустотелым также может быть рядовой, лицевой кирпичи.

В особую группу выделяют поризованный кирпич. Он имеет пористую структуру Они обладают ещё более высокими теплоизоляционными свойствами, чем пустотелые. Чтобы сделать кирпич пористым, на этапе заготовки глины в неё добавляют уголь, солому, торф или опилки, которые выгорают при обжиге.

Марка кирпича  характеризует его прочность  и является одним из основных номенклатурных характеристик. Обозначается она буквой М и числом. Число – это предел прочности на сжатие, измеряется в кг/см². Существуют следующие марки керамического кирпича: М50, М75, М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300. Для жилых помещений особенно важна еще одна характеристика – морозостойкость. Она зависит от влагопоглощения изделия: чем влагопоглощение ниже, тем более долговечно данное изделие. Чем меньше воды будет накапливать кирпич, тем меньше он будет подвержен разрушению во время замерзания.

Влагопоглощение кирпича колеблется от 6% до 16%. Обозначается морозостойкость F и числом, характеризующим количество циклов замерзания. Существует следующая классификация кирпичей по морозостойкости: F-15, F-25, F-35, F-50, F-100. Современные стандарты регламентируют и менее значительные параметры. И это неудивительно, поскольку разрушение строения может привести к трагическим случаям. К счастью, на данный момент технологии достигли значительных успехов и необходимость ориентироваться в самым тонких мелочах возникает только при реализации сверхсложных проектах. Поэтому постройка частного дома, как правило, сводится к выбору одного типа основного кирпича и нескольких видов отделочного (табл.2) [4].

Таблица 2 – Номенклатура выпускаемой продукции

В данной работе будет рассматриваться производство только керамического камня.

Керамический камень – относительно новый материал для строительства, который подходит для сооружения как внешних, так и внутренних стен, дымоходов и мн. др. Он гораздо легче своего собрата кирпича и имеет ряд дополнительных преимуществ: повышенную прочность, тепло- и звукоизоляцию. Керамический камень изготавливается, как и обычный кирпич, из глины 'путем обжига при высоких температурах. Разница в большем количестве сквозных каналов и габаритах - по сути это тот же поризованный кирпич, только большего размера. Отверстия в керамическом камне имеют малую площадь сечения, они занимают более половины кирпича-гиганта. На внешней поверхности блока формируются выступы и канавки - при монтаже они выполняют функцию замка. Когда камни стыкуют в один сплошной ряд, гребни одного блока входят в пазы другого. Раствор используют, только чтобы соединять кладку по горизонтали.

Керамический  камень изготавливают различных  размеров – от стандартного кирпича до крупных блоков. Кратность размеров позволяет комбинировать керамический камень с другими материалами, например, с обычным кирпичом при отделке фасадов. Чтобы снизить вес и повысить теплоизоляционные свойства камня, в него при изготовлении добавляют опилки. При обжиге материала опилки выгорают, таким образом в толще формируются мелкие пустоты. Образовавшиеся микропоры и повышают тепло- и звукоизоляционные свойства материала, при этом общая масса конструкции снижается на 15-18 %. Такие стены будут сохранять тепло даже в очень холодные зимы, а летом дом не будет превращаться в печку. Кроме того, собственные теплоизоляционные свойства материала позволяют не использовать утеплитель, что снижает стоимость строительства.

Один  из наиболее важных параметров камня  при строительстве внешних стен – морозостойкость. В документации она обозначается литерой R_n. Число рядом показывает, какое количество циклов замерзания способен выдержать материал. К примеру, если камень планируют использовать для возведения наружных стен, то этот параметр должен составлять не менее 50 циклов. Прочность тоже имеет свои показатели. Маркировка указывает, какую нагрузку на 1 куб. см выдержит изделие. Данный показатель обозначается цифровым (от 100 до 300) и буквенным кодами (М). Кроме того, для керамических камней существует специальный индекс — NF. Он дает понять, сколько обычных кирпичей «вмещает» один блок. К примеру, маркировка NF 10,7 обозначает, что камень заменит собой почти 11 кирпичей.

Плотность керамического камня на треть  меньше, чем плотность обычного кирпича, при этом его теплоизоляционные  свойства в два раза выше. А прочность  на сжатие у керамического камня  составляет столько же, сколько у  полнотелого цокольного кирпича  марок М125-M150. Другие материалы с аналогичной теплопроводностью имеют меньшую прочность. За счет этого керамическим камнем можно заменять многослойные конструкции. В помещении, стены которого возводят из керамического камня, всегда есть свежий воздух, оно хорошо вентилируется, в нем создается благоприятный режим температуры и влажности. На поверхности керамических камней никогда не образуются плесень и грибок. Пористая структура в сочетании с крупными размерами обуславливает все описанные преимущества, к тому же дает возможность быстрее возводить конструкции и минимизировать расходы на строительство. От других стеновых материалов керамический камень отличают гребни и пазы, за счет которых стыки получаются более герметичными, а вертикальные швы не требуют заполнения раствором. Поэтому его расход снижается в несколько раз. В результате на строительство коробки дома затрачивается меньше не только материала, но и времени. Еще одно достоинство материала — его универсальность: из него можно строить здания высотой до 24 м,