Технология изготовления керамической кровли

Введение

В современном мире в строительстве очень широко применяются керамические материалы и изделия. Это обусловлено большой прочностью, значительной долговечностью, декоративностью многих видов керамики, а также распространенностью в природе сырьевых материалов.

Черепица - самый древний кровельный материал в мире. Красота формы, цвета, фактуры черепицы для многих народов на протяжении тысячелетней истории служили эстетическим идеалом архитектурного образа крыши дома. Дом под черепицей - это классика! Что может быть прекраснее? Только она способна покрыть дом нарядным каменным панцирем - прочным и долговечным. Натуральной черепицей сегодня принято считать как традиционную глиняную керамическую черепицу, так и цементно-песчаную. В данной курсовой работе речь пойдет о керамической черепице.

Керамическая черепица — один из старейших видов кровельных покрытий. Керамическая черепица является натуральным, экологически чистым материалом, что в наши дни очень ценится, технология производства такой черепицы почти не меняется. Несмотря на широкий ассортимент новых современных и недорогих кровельных материалов, популярность керамической черепицы остается на высоте. 
Срок службы качественной черепицы без необходимости проведения ремонта - более 100 лет. Причем все это время она сохраняет свои декоративные свойства.

Керамическая черепица обладает следующими свойствами:

• эстетичность внешнего вида
• огнестойкостью
• абсолютной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, кислотным дождям, резким перепадам температуры и другим климатическим факторам
• низкой теплопроводностью
• способностью поглощать шум и не накапливать статическое напряжение.

Современные технологии нанесения покрытий на черепицу обеспечивают богатейший выбор цветов и поверхностей матовых либо глянцевых (ангобированная или глазурованная черепица).

Поверхность заготовки черепицы покрывается специальным составом — ангобом, который представляет собой смесь порошкообразной глины с минеральными веществами и водой. Эти минеральные вещества и придают при обжиге черепице различные цвета и оттенки. Цвет ангобированной черепицы не изменяется со временем.

Существует еще один вариант покрытия черепицы — глазурирование. Глазурь — это стекловидная масса, которую, так же как и ангоб, перед обжигом наносят на заготовки черепицы. В процессе обжига глазурь затвердевает и образует на поверхности черепицы цветной защитный слой.

Покрытие не оказывает существенного влияния на срок службы черепицы, но может кардинально изменить ее внешний вид. Помимо огромного разнообразия цветов, существует богатый выбор форм моделей керамической черепицы.

Данная работа актуальна и в наше время, так как  подбор и анализ химического и минерального состава глинистого сырья очень важен для получения керамических материалов, обладающих наилучшими свойствами.

Целью работы является раскрытие основных технологий изготовления керамической кровли, ее положительных и отрицательных качеств.

В процессе работы будем выполнять следующие задачи:

• Рассмотрим основные свойства, состав сырьевых материалов для производства керамической черепицы.
• Выясним способы добычи глины.
• Назовем нормативные требования, предъявляемые к сырьевым материалам.
• Рассмотрим основные способы производства керамических кровельных материалов.
• Составим технологическую схему производства керамических кровельных материалов.
• Рассмотрим виды готовой керамической кровли и укажем ее основные технико-экономические показатели.
• Выявим области применения керамической кровли.
• Расскажем об основных производителях керамических кровельных материалов.

1 . Основные сырьевые материалы  для производства кровельных керамических материалов

1.1 Перечень, состав и свойства сырьевых материалов

Основным сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками - отощающими, породообразующими, плавнями, пластификаторами и др.

Глинистое сырье (глины и каолины) - продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород. Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность камня.

Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определенное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005-0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 0,16-2 мм.

Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга, без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, дает легко формуемую пластичную массу. При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объему. Этот процесс называется воздушной усадкой. Чем больше в глинистом сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка глин. В зависимости от этого глины подразделяются на высокопластичные, среднепластичные, глины умеренной пластичности, малопластичные и непластичные.

Высокопластичные глины имеют в своем составе до 80-90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28% и воздушную усадку 10-15%. Глины средней и умеренной пластичности имеют в своем составе 30-60% глинистых частиц, число пластичности 15-25, водопотребность 20-28% и воздушную усадку 7-10%.

Малопластичные глины имеют в своем составе от 5% до 30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7-15 и воздушную усадку 5-7%.

Непластичные глины не образуют пластичного теста.

Глины с содержанием глинистых частиц более 60% называют "жирными", отличаются высокой усадкой, для снижения которой в глины добавляют "отощающие" добавки. Глины с содержанием глинистых частиц менее 10-15% - "тощие" глины, в них при производстве изделий вводят тонкодисперсные добавки, например, бентонитовую глину.

Различное сочетание химического, минералогического и гранулометрического состава компонентов обуславливает различные свойства глинистого сырья и пригодность его для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения.

Гранулометрический состав глин тесно связан с минералогическим составом. Песчаные и пылевидные фракции представлены главным образом в виде остатков первичных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.). Глинистые частицы в большинстве своем состоят из вторичных минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюдистых и их смесей в различных сочетаниях.

Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, характеризуются тугоплавкостью.

Глины, содержащие монтмориллонит, весьма пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу с проявлением искривления изделий и растрескивания. Высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами. Содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85-90%.

Химический состав глин выражается содержанием и соотношением различных оксидов. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин. Наличие в составе глины тонкодисперсного известняка придает светлую окраску, понижает огнеупорность глин, а камневидные включения его являются причинами появления трещин в керамических изделиях. Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности. Наличие в глинистом сырье растворимых солей сульфатов и хлоридов натрия, кальция, магния и железа вызывает появление белых выцветов на поверхности изделий.

В настоящее время природные глины в чистом виде редко являются кондиционным сырьем для производства керамических изделий. В связи с этим их применяют с введением добавок различного назначения.  

Добавки к глинам.

В пластичные глины для уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также предотвращения деформаций и трещин в изделиях вводят отощающие добавки. К ним относятся: дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок.

Для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий вводят порообразующие добавки. К ним относятся: древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Эти добавки являются одновременно и отощающими.

С целью снижения температуры обжига керамических изделий вводят плавни. К ним относятся: полевые пшаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.

С целью повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды вводят пластифицирующие добавки. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.

Для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).

Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом.

Глазурь - стекловидное покрытие толщиной 0,1-0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными) различного цвета. Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом.

Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

1.2 Способы изготовления или добычи сырьевых материалов

В большинстве случаев глину добывают открытым способом, для чего используют одноковшовые 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 получения 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 производстве черепицы используется пластическое формование, поэтому  мы рассмотрим только этот способ обработки карьерной глины.

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают друг с другом с добавлением воды до получения теста. Влажность получаемой массы колеблется от 15 до 25 % и более. Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее простым, наименее металлоемким и потому наиболее распространенным. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу. 

1.3 Нормативные требования, предъявляемые к сырьевым материалам

Для производства керамической черепицы будем использовать высокопластичные «жирные» глины (с содержанием глинистых веществ более 60%) с добавлением в качестве отощающей добавки кварцевого песка для предотвращения появления в изделиях трещин.

Нормативные требования, предъявляемые к исходным сырьевым материалам, представлены в таблице. (табл. 1)

Таблица 1

Нормативные требования, предъявляемые к исходным сырьевым материалам

2. Технология производства кровельных керамических материалов

2.1 Основные способы производства кровельных керамических материалов

Технология производства натуральной черепицы практически не изменилась за много лет. Усовершенствованиям подвергалось только производственное оборудование. Главный принцип производства остается неизменным: из глины, смешанной со специальными добавками, в частности с пластификаторами, формуются черепки, которые затем подвергаются сушке и обжигу при температуре около 1000 °С. Очень важно как качество глины, так и тщательное следование технологии обжига, поскольку оба эти фактора определяют дальнейшую морозоустойчивость и водонепроницаемость керамической черепицы.

В настоящее время для производства керамической черепицы применяются следующие технологии: пластическое формование, метод полусухого прессования, жёсткое формование, шликерный способ.

Способ производства черепицы определяется способом приготовления массы и способом формования. Рассмотрим данные способы.

Пластический способ – исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста с влажностью от 15 до 25%. Этот способ производства керамических материалов является наиболее простым, наименее металлоёмким и поэтому наиболее распространённым. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умереннопластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу.

Полусухой способ производства распространён меньше, чем способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты влажностью 8 – 12% при давлениях 15 – 40 Мпа. Недостаток способа в том, что его металлоёмкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но в то же время он имеет и существенные преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства – золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1 – 3 мм. Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах.

Жесткий способ формования является разновидностью современного развития пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. В связи с тем, что "жесткое" формование осуществляется при относительно высоких 10-20 МПа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку, а получение изделия сырца с повышенной прочностью позволяет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе. Формование при пластическом и жестком способах завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах. Эти способы формования наиболее распространены при выпуске: сплошных и пустотелых кирпичей, камней, блоков и панелей; черепицы и т.п.

Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%. При этом устраняется полностью необходимость операции сушки. Недостатком данного способа является то,что сырье необходимо гранулировать перед сушкой и применять высокие давления при формовании.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, когда требуется подготовить массу для изготовления изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Шликер представляет собой суспензию — дисперсную систему влажностью 35—80%, в которой твердые частицы находятся во взвешенном состоянии. Качество отливки изделий зависит от свойств литейного шликера, который должен обладать хорошей текучестью, устойчивостью, хорошей фильтрующей способностью. 
Текучесть шликера характеризует его подвижность, т. е. способность при малом содержании воды равномерно заполнять гипсовые формы. 
Устойчивость шликера определяется способностью сохранять твердые частицы во взвешенном состоянии. 
Фильтрующая способность шликера определяет его водоотдачу при контакте с поверхностью формы. Шликер приготавливают двумя способами: беспрессовым и прессовым. При беспрессовом способе осуществляют совместный помол сырьевых материалов в шаровой  мельнице, электромагнитную очистку,  процеживание. В течение 5—6 суток шликер находится в мешалках при постоянном перемешивании и подогреве до 40 — 60 °С. Подготовленный таким образом шликер перекачивается мембранным насосом в расходные мешалки, из которых подается на отливку изделий. 
Качество шликера, полученного прессовым способом, выше, чем качество шликера, полученного беспрессовым способом. Поэтому его применяют для отливки особенно ответственных изделий. Готовят его следующим образом. Шликер, полученный беспрессовым способом, из сборного бассейна мембранным насосом подается в рамный фильтр-пресс для обезвоживания до влажности 22—23%. Полученные при этом коржи рекомендуется выдержать 2—4 недели в подвалах. Затем их загружают в горизонтальные мешалки для распускания, одновременно добавляя воду в количестве, необходимом для получения шликера влажностью 31—32%, и электролиты (соду кальцинированную до 0,1%, жидкое стекло до 0,07% по сухой массе). Далее шликер подвергают электромагнитной очистке, процеживают через сито  и перекачивают в пропеллерную мешалку. Из нее очищенный и процеженный через вибросито № 0071 (6400 отв/см2) шликер перекачивают в сборный бассейн с перемешивающим устройством, где он выдерживается в течение 3—5 суток. Далее шликер перекачивается в расходную мешалку. Этот способ подготовки формовочных литейных масс более дорог и сложен, чем беспрессовый, но позволяет получать шликер с лучшими свойствами.

2.2 Подробное изложение одного из эффективных способов производства кровельных керамических материалов, построение технологической схемы

В курсовой работе для производства керамической черепицы рассмотрим пластический способ производства керамической черепицы.

Качество выпускаемой продукции таким способом гораздо выше, чем способом полусухого прессования. Схема данного производства включает современное стандартное оборудование отечественных и зарубежных фирм, благодаря чему обеспечивается высокое качество формы и поверхности черепицы, поэтому мной и был выбран этот способ производства.

Преимущества пластического способа производства керамической черепицы:

• расход топлива и электроэнергии намного ниже по сравнению с другими технологическими схемами
• производительность оборудования достаточно высокая, что позволяет обеспечивать некоторое количество времени для ремонта оборудования
• при использовании данной технологической схемы существует возможность замены дефицитного сырья отходами
• существует возможность комплексной автоматизации и механизации
• высокое качество готовой продукции, минимальный брак

Производство керамической черепицы — практически полностью автоматизированный процесс, что позволяет существенным образом увеличить производительность, а главное, качество продукции.

Пластический способ применяется в случае использования наиболее широко распространенных пластичных, рыхлых глин и суглинков, содержащих свыше 30% частиц менее 0,001 мм, однородных или недостаточно однородных по качеству, имеющих малую и среднюю карьерную влажность, но размокающих в воде.

Глину для производства керамической черепицы добывают в карьерах, расположенных обычно недалеко от завода. Глины обычно залегают на небольшой глубине при мощности вскрыши 0,5 – 1,0 м. Мощность полезной толщины месторождений колеблется от одного до десятков метров. Добычу глин осуществляют открытым способом различными экскаваторами: одноковшовыми и многоковшовыми, роторными и реже скреперами. Методы добычи и оборудование для разработки месторождений выбирают в зависимости от мощности глиняного пласта, характера его залегания и других факторов. Транспортируют глину из карьера на завод рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках.

Для бесперебойной работы производства на заводе керамической черепицы должен быть определённый запас сырья. С этой целью на заводах создают склады для промежуточного запаса сырья. Добыча глины зимой, а также предохранение её от смерзания при транспортировании сильно усложняют производство, поэтому стремятся осуществить добычу в тёплое время года и создавать запасы глины на складах завода для работы зимой.

Добытая в карьере и доставленная на завод глина в естественном состоянии обычно непригодна для формования изделий и нужно разрушить природную структуру глины, удалить из неё вредные примеси, измельчить крупные включения, смешать глину с добавками, а также увлажнить её, чтобы получить удобоформуемую массу.

Глина подвергается последовательно грубому дроблению и тонкому измельчению. Первичное дробление глины осуществляют в глинорыхлителе, который представляет собой самоходную тележку, совершающую возвратно-поступательное движение над ящичным подавателем. Рабочим органом глинорыхлителя является вращающийся вал с насаженными на него фрезами. Дробление глины до кусков размером 10 – 15 мм осуществляют в дробилках. Вязкие пластичные глины дробят на гладких дифференциальных вальцах грубого помола.

Измельчённые глину и отощающие добавки дозируют для предварительного перемешивания в двухвальный смеситель. При необходимости сюда подают также воду или пар. Глину увлажняют паром и интенсивно обрабатывают на бегунах, дезинтеграторах и валках (все это в какой-то мере заменяет вылеживание) до получения пластичной удобоформуемой массы без крупных каменистых включений (кусочки СаС03 должны быть удалены или измельчены в порошок). Качество массы и будущих изделий зависит от тщательности проработки сырьевых компонентов.

Формование производится на прессе с вакуумированием и подогревом. Вакуумирование и подогрев массы при прессовании позволяет улучшить её

формовочные свойства, увеличить прочность обожжённого изделия до 2-х раз. В корпусе пресса  вращается шнек-вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке, уплотняется и выдавливается через мундштук в виде непрерывной ленты под давлением. Меняя мундштук, можно получать глиняный брус различных форм и размеров. Брус, непрерывно выходящий из пресса, разрезает автоматическое резательное устройство на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий. Пресс снабжён вакуум-камерой, в которой из глиняной массы частично удаляется воздух.

Изделия должны быть высушены перед обжигом до содержания влаги 5 – 6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания. Применяется искусственная сушка в камерных сушилках периодического действия в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя – отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха – 120 – 1500С.

Обжиг – важнейший и завершающий процесс в производстве керамической черепицы. Этот процесс включает в себя три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение. При нагреве сырца до 1200С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В температурном интервале от 4500С до 6000С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. При 8000С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твёрдой фазе на границах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева до 10000С возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al2O3·SiO2, а при нагреве до 12000С и муллита 3Al2O3·2SiO2. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает нерасплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом (огневой усадке). В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Интервал температур обжига для керамической черепицы лежит в пределах от 11000С до 13000С.

Обжиг керамической черепицы осуществляется в туннельных печах. Туннельная печь представляет собой сквозной канал длиной до 100 м, в котором по рельсам движутся вагонетки с обжигаемыми изделиями. В туннельной печи совершаются операции загрузки, подогрева, обжига, охлаждения, выгрузки.

Высушенную черепицу загружают на вагонетки. Толкатель подаёт загруженную вагонетку в печь, выталкивая при этом с противоположного конца вагонетку с обожжённой и охлаждённой черепицей. Туннельные печи работают на газе или тонкомолотом угле. В этих печах удобно механизировать процессы загрузки и выгрузки продукции, а также автоматизировать процесс обжига и его регулирование.

Наличие стабильных температурных зон и противоточное движение обжигаемого материала навстречу потоку газов позволяет получить в туннельных печах высокие температуры нагрева (до 17000С), что даёт возможность интенсифицировать процесс спекания. Туннельные печи значительно производительнее и экономичнее кольцевых печей, кроме того, количество брака изделий значительно ниже. Существенным недостатком туннельных печей является быстрый износ вагонеток.

Обожжённые изделия подлежат выбраковке и сортировке. Качество изделий устанавливают по степени обжига, внешнему виду, форме, размерам, а также по наличию в них различных дефектов.

Технологическая схема

производства кровельных керамических материалов

Хранение сырьевых материалов

(сырьевой склад; V, м3; T, сут)

Дробление глины

(дробилка щековая; T, мин; d, мм)

Дозирование и приготовление смеси

(весовой дозатор; отклонение по  массе, %)

Формование

(пресс с вакуумированием  и подогревом; P, Па;  t,° C)

Сушка глины

(сушильная камера; T, час; t,° C)

Обжиг