Технология получения тонкой керамики
Введение
Керамика (греч. keramike - гончарное искусство, от kramos - глина) - изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и др. неорганических соединений. Керамика получила широкое распространение во всех областях жизни - в быту (различная посуда), строительстве (кирпич, черепица, трубы, плитки, изразцы, скульптурные детали), в технике, на железнодорожном, водном и воздушном транспорте, в скульптуре и прикладном искусстве.
Изделия из керамики – произведения декоративно-прикладного искусства, известные с древнейших времен, величайшее культурное наследие человечества. В большинстве музеев мира хранятся экспонаты, принадлежащие мастерам гончарного искусства разных эпох.
Дожившая до наших дней древняя методика производства глиняных сосудов по существу не изменялась. Китайцы начали производить керамические изделия еще в эпоху неолита, уже тогда применяя гончарный круг; глазурь начали использовать египтяне, а римляне стали декорировать столовую посуду и керамические изделия чеканкой и штампованным орнаментом. В древнем понимании настоящего гончарного искусства и в современной оценке произведений из керамики не произошло существенных изменений. Художественная керамика во всех ее видах обладает высокой силой выражения, которая способна затмить другие формы произведений искусства, их представления и образы. Поэтому керамика с давних пор имеет наибольше признание в искусствоведческих и культурных кругах общества.
Различают грубую керамику, имеющую крупнозернистую, неоднородную в изломе структуру (например, строительный и шамотный кирпич, терракота, стенная майолика, плитки для пола, черепица), и тонкую керамику с однородным, мелкозернистым в изломе и равномерно окрашенным черепком (например, фарфор, фаянс). Основным сырьём в керамической промышленности являются глины и каолины вследствие их широкого распространения и ценных технологических свойств. Для того чтобы соединить отдельные частицы в одно целое прочное изделие, необходимо выполнить ряд операций: приготовить однородную массу, отформовать ее в полуфабрикат, высушить, обжечь изделие и возможно подвергнуть его дополнительной, в том числе механической, обработке. Совокупность таких операций называют технологией, а сами операции – технологическими стадиями (переделами).
- Общее сведение о технологии получения керамики
- Сырьевые материалы для получения керамики
Основным сырьем керамических изделий является глина и каолина.
Глины – несцементированные осадочные породы с преобладанием определенных минералов, которые по химическому составу являются гидроалюмосиликатами. Геологи различают около шестидесяти различных видов глин. В настоящее время считают, что для глинистых минералов характерно наличие слоев, включающих атомы кремния, окруженные четырьмя атомами кислорода [SiO4], и атомы алюминия, окруженные шестью атомами кислорода [AlO6]. Порошок глины, замешанный с водой, образует вязкое тесто, способное формоваться и сохранять приданную ему форму. Обожженное в огне тесто приобретает каменистую твердость и крепость. На этих двух свойствах глины зиждется керамическая промышленность – одна из самых древних на Земле и в прошлом одна из самых важных по своему значению для прогресса человека.
Глина – это вторичный продукт земной коры, осадочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания. Поэтому разработки породы ведутся не в местах ее образования, а среди различных отложений, слои которых имеют определенную окраску и чистоту. Для каждой работы требуется особая разновидность глины.
Наряду с глинами в качестве пластичных материалов используют каолины - разновидности глинистых пород, содержащие глинообразующий минерал каолинит (Al2O3·2SiO2·2H2O), который отличается белым цветом и высокой огнеупорностью. Каолин - непреложный компонент традиционных составов сырья для производства фарфора и фаянса.
Основными свойствами глин являются пластичность и огнеупорность. ( Керамисты - художники называют глиной любой исходный пластичный материал).
Пластичностью глины называется ее способность под воздействием внешних усилий принимать любую форму без разрыва сплошности и сохранять ту форму после прекращения действия усилий.
Огнеупорностью называют свойство керамических материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь.
Водные свойства глин проявляются при их свободном взаимодействии с водой.
Сушильные свойства отражают изменения, которые происходят в глиняной массе при ее сушке. К их числу относятся воздушная усадка, чувствительность глин к сушке и влагопроводные свойства глины.
- Карьерные работы.
Каолины,
огнеупорные и тугоплавкие
Комплекс
операций, связанных с добычей
и доставкой глины в
- Вскрышные работы
Под вскрышными работами понимают работы связанные с удалением пустых пород, покрывающих слой полезного ископаемого. Для этого используют специальные машины или снаряды, при помощи которых можно удалить покрытый слой до необходимого сырья.
- Добыча глины
Для добычи глин преимущественно используют многокопшовые, однокопшовые и роторные экскаваторы, и канатные скреперы. Выбор метода добычи должен быть увязан с мощностью глиняного паста и характером залегания глины.
- Транспорт глины
Карьерный транспорт глины осуществляется в основном двумя способами: наземным рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках емкостью 1 и 2,5 мотовозной или электровозной тягой и автосамосвалами. Надежным является рельсовый транспорт с электровозной тягой. Эксплуатация мотовозов особенно в зимнее время, вызывает много производственных неудобств и хозяйственных трудностей. Поэтому некоторые заводы своими силами переоборудуют мотовозы на электровозы. Недостатками рельсового транспорта являются большие трудозатраты на ремонт и обслуживание вагонеток, а также невозможность его использования на пересеченной местности и в городской черте.
- Подготовка пластичных глиняных масс
Пластичные глиняные массы с различными добавками и без них подготавливаются для формования из них изделий и заготовок.
Прямыми задачами подготовки пластичной глиняной массы является выделение из глины каменистых включений, достижение однородности массы по ее вещественному составу, влажности и структуре, а также придание массе надлежащих формовочных свойств. Косвенно обработка глиняной массы влияет также на ее сушильные свойства и на формирование структуры керамического черепка при ее обжиге.
Различают три группы методов обработки керамических масс: естественная, механическая и физико-химическая.
Естественными методами обработки называют такие , которые используют погодно-климатические факторы и фактор времени для изменения свойств глиняной массы. В соответствии с этим к методам относятся вымораживание и вылеживание глины в замоченном состоянии, а также вылеживание сформованных заготовок.
Метод вымораживания глины обладает сильнейшей технологической эффективностью: никакие методы механической работы практически не воспроизводят того технологического эффекта, который достигается вымораживанием. Сущность его заключается в том, что разрыхленную глину замачивают и в замоченном состоянии подвергают примерно годичному вылеживанию на открытом воздухе.
Под зумпфованием понимают вылеживание глины в замоченном состоянии. В отличие от вымораживания при этом не происходит столь глубокого диспергирования глинистых частиц, но процессы набухания глины, переход некоторой части воды из свободных форм в связанные, переориентация зерен глинообразующих материалов и дипольных молекул оды с увеличением общей прочности глиняной массы протекают довольно полно. В результате этого процесса также весьма заметно улучшаются формовочные и сушильные свойства глины и как следствие снижается брак не только при формовании и сушке изделий, но и при их обжиге.
Механическими методами обработки называются такие, при которых изменение свойств керамической массы достигается за счет механического воздействия рабочих органов глинообрабатывающих машин. Механическую обработку глины производят для выделения из нее каменистых включений, разрушения текстуры, гомогенизации массы и придания ей пластических свойств.
Для выделения из глины каменистых включений существуют специализированные машины: дезинтеграторные ребристые вальсы СМ-1500А, винтовые камневыделительные вальцы СМ-416А и глиноочистители СМ-472.
Грубое дробление необходимо для первичного измельчения относительно крупных кусков глины, поступающих из карьера, с тем чтобы облегчить работу последующих глиноперерабатыающих машин и обеспечить надлежащую технологическую эффективность их работы.
Тонкое измельчение пастообразной глины сводится к ее перетиранию. Целью этого процесса является разрушение водопрочных оболочек, цементирующих отдельные зерна глинообразующих минералов, частичное разрушение самих зерен и освобождение в конечном счете молекулярных связей, за счет которых глина будет гидратироваться, присоединяя к себе большее количество связанной воды.
В результате тонкого измельчения глиной массы она выходит из помольных машин в виде отдельных несвязанных между собой кусочков: лепешек, жгутов и т. п. До подачи на формование в пресс из них нужно образовать сплошную массу глиняного теста, с приданием ей влажности, при которой должны формоваться изделия. Для этого надо измельченную глину промять, что производт в глиномялках и тоншнейдерах. Приэтом изменяется свойство глиняного теста – его подвижность, прочность, однородность.
Методы, при которых обработки искусственно меняются соотношение между отдельными фазами глиняной массы, и условия их взаимодействия относятся к физико-химическим методам ее обработки. Условия взаимодействия между отдельными фазами глиняной массы могут изменяться или за счет изменения физических параметров самой ассы – температуры и давления, или за счет ввода химических реагентов. Важнейшими методами являются увлажнение, подогрев, вакуумирование и ввод химических добавок.
Увлажнять массу можно водой или паром; увлажнение может быть однократным и ступенчатым.
Вакуумирование глины улучшает ее пластичные свойства, благодаря чему резко снижается брак при формовании. О влиянии вакуума на формовочные свойства весьма наглядно свидетельствует такой опыт: в камеру футбольного мяча насыпается немного хорошо высушенного песка и через фильтр из нее откачивается вакуум насосом воздух. Затем. Исключая обратное поступление в камеру воздуха, ее сосок плотно перевязывают. После этого из камеры можно «лепить» фигуры, как из пластичного теста. В производстве изделий грубой керамики вакуумирование глины совмещают с формованием из нее изделий в вакуум-прессах.
- Формование керамических изделий из пластичных масс
Общая цель всех методов формования – заставить дисперсный материал принять нужную форму и сохранить эту форму без разрушения до обжига, при котором происходить образование единого прочного керамического тела.
Керамические изделия формуют из пластичных, порошкообразных и жидкотекучих масс (шликеров). Формование изделий из пластичного теста осуществляют ленточным формованием (протяжкой), штамповкой, вытачиванием и ручным формованием (лепкой).
Непрерывную ленту с последующей разрезкой на отдельные изделия формуют в шнековых прессах.
Штамповку называют также прессформовкой и применяют при производстве черепицы, электроизоляторов, капселей и некоторых других керамических изделий. Штамповать изделия из пластичной массы можно в гипсовых и металлических формах, укладывая в них предварительно заготовки.
При вытачивании формуют изделия, имеющие форму тел вращения (фарфоровые и фаянсовые изделия хозяйственного назначения) на станках с вращающимися столом и шпинделями с шаблонами.
Лепкой именуют ручное формование изделий из пластичных масс в гипсовых формах. Этот процесс трудоемок и примитивен только при изготовлении изделии особо сложной конфигурации, уникальных и малотиражного ассортимента.
- Прессование изделий из порошков
Способ прессования изделий из порошкообразных масс именуют также полусухим и сухим прессованием, хотя ни один из этих терминов не отличается научной строгостью. Изделия, спрессованные из порошков, обладает в сырце большой прочностью, точностью размеров и конфигурации.
Различают следующие типы прессов для формования керамических изделий из порошкообразных масс:
по направленности прессовых усилий – прессы одностороннего и двустороннего прессования;
по кратности воздействия прессовых усилий – прессы однократного и ступенчатого прессования;
по способу передачи прессующих усилий – прессы ударного действия, рычажные и гидравлические;
по основному назначению – прессы для производства кирпича и тонкостенных плиток.
Рис.1
Двустороннее прессование.
1-верхний
пуансон,2-матрица,3-нижний
- Формование керамических изделий литьем
Литьем керамических
изделий называется их формование путем
заливки шликера в форму, внутренняя
поверхность которой имеет
- Сушка керамических изделий
Сушка керамических
изделий может проходить как
в естественных условиях – на стеллажах
в мастерской, так и в принудительных
– в сушильных шкафах и сушилах.
Скорость сушки, т.е. скорость удаления
влаги из отформованного изделия, зависит
от температуры, влажности окружающей
среды и воздухообмена. Кроме
того, скорость сушки зависит от
формы и габаритов
- Обжиг керамических изделий
В технологии керамических изделий обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией их изготовления. В процессе обжига формируется наиболее важные свойства керамического материала, определяющего его техническую ценность: прочность, водостойкость, морозостойкость и др. Пороки обжига являются необратимыми дефектами в изделии. Обжиг изделий проводят в печах различной конструкции: в муфелях с рабочим пространством, защищенным от нагревателей огнеупорным коробом, в горнах печах с рабочиим пространство в виде шахты, в туннельных печах с рабочим пространством в виде туннеля и других. Печи различаются также по виду топлмва. Широко распространены печи электросоппротивления со сприральными нагревателями из меттелических славов или с нагревателями из керамических стрежней различной формы (карбидкремниевых, хроомитлантановых и других), а также печи с назовыми горелками.
- Декорирование керамических изделий
Для придания изделию окончательного вида его подвергают декорированию - процессу украшения рельефом, глазурью, росписью и т. д. Декорирование осуществляют разными методами (рис.7): скульптурными (созданием рельефа, контррельефа, гравировкой и т. д.), живописными (росписью керамическими красками, ангобами, глазурями и т. д.) и технологическими, которые не только украшают изделие, но и улучшают его свойства (покрытие изделий глазурями, ангобами, эмалями, люстрами). Декорирование скульптурными методами производят на свежеотформованном или подвяленном изделии, находящемся в кожетвердом состоянии. Декорирование живописными методами ведут на высушенном, обожженном, глазурованном изделиях.
Глазурованием называют процесс покрытия высушенного или обожженного изделия сырьевой суспензией - шликером, который в процессе обжига образует глазурь - стекловидное покрытие на поверхности изделия толщиной 0,1-0,3 мм. Глазурь придает изделию большую механическую прочность, защищает от загрязнений и служит одним из основных средств декора. Глазури могут быть прозрачными, непрозрачными (глушенными) - скрывающими цвет материала изделия, блестящими и матовыми, бесцветными и цветными. Глазурование проводят окунанием изделия в глазурный шликер, поливом изделия шликером, распылением шликера на изделие.
Чаще всего перед глазурованием изделие подвергают первому предварительному обжигу - утильному обжигу, после которого изделие набирает достаточную механическую прочность, чтобы не разрушиться при намокании глазурным шликером.
Крупногабаритные изделия
При политом обжиге на поверхности пористого керамического тела образуется плотная пленка стекла; при этом возможно возникновение на глазури различных дефектов, портящих внешний вид изделия. Часть дефектов связана с неправильным подбором состава глазури к материалу, из которого сделано изделие: это цек - сеть мелких волосяных трещин на глазури, а также отслаивание глазури. Другая группа дефектов связана с неправильно выбранной температурой обжига изделия. При завышенной температуре обжига наблюдается сухость глазури - снижение блеска и шероховатость, матовость - при заниженной или завышенной температуре, плохой разлив, волнистость, слабый блеск - при недожоге, т. е. заниженной температуре обжига. При неправильном нанесении глазурного шликера могут возникнуть натеки - утолщения глазури в отдельных местах изделия. При плохой очистке глазуруемого изделия от пыли и жира могут возникнуть плешины - отсутствие глазури в отдельных местах. С той же причиной связана сборка - стягивание глазури в капельки и складки. При заниженной температуре утельного обжига могут образоваться наколы - точечные впадины, при слишком быстром нагреве в интервале температур 800-1000°С - пузыри или прыщи.
Необходимо заметить, что каждый из перечисленных дефектов может иметь одну или несколько причин, связанных как с неправильным приготовлением глазури, так и с несоблюдением режима обжига или техники глазурования. Судить уверенно о том, какая из причин является определяющей, можно лишь после специально проведенных экспериментов. Для исключения возможных дефектов необходимо пользоваться специально подобранной для данного материала глазурью, тщательно соблюдать рекомендации по ее нанесению (не наносить толстый слой, не оставлять неглазурованных мест, добиваться равномерного покрытия, очищать изделие перед глазурованием от пыли, пятен жира и т. д.), соблюдать режим обжига и не торопиться извлекать глазурованное изделие из печи, не охладив его до 60-80°С. Глазурные дефекты иногда служат также элементами декора, так цек используют для создания глазурей типа кракле, оттеняя сеть волосяных трещин. Используют также декоративную сборку.
Долгое время глазури готовили с использованием соединений свинца, придающих глазурям хороший блеск, растекаемость и легкоплавкость. Однако в последнее время, учитывая токсичность свинца, для многих керамических изделий (посуда), стали использовать бессвинцовые глазури.
Приготавливая глазури для фаянса и майолики, смесь их компонентов предварительно расплавляют, затем выливают в холодную воду. Этот процесс называют фриттованием. Образовавшуюся фритту подвергают помолу. Фриттование необходимо для перевода водорастворимых соединений, которые присутствуют во многих исходных составах глазурей, в нерастворимую форму. Нефриттованные глазури, называемые сырыми, приготавливают из природных компонентов и используют для глазурования фарфора.
Глухие глазури, чаще белого цвета, называют эмалями и используют для маскировки цвета керамики, а также в качестве сырого фона для росписи красками и солями металлов.
Ангобом называют матовое, белое или цветное покрытие, наносимое на керамическое изделие для маскировки цвета изделия, создания рисунка и т. д.. В отличие от глазури нанесенный на поверхность ангоб при обжиге не образует стекловидного слоя, а создает плотный декоративный слой, обладающий некоторой пористостью. В состав ангоба входит глина. Ангоб наносится в виде более густой, чем глазурный шликер, суспензии и всегда на необожженное изделие. Благодаря пористости ангобного покрытия газы, образующиеся в керамическом теле при обжиге, могут выйти через него. Если ангоб наносят несплошным слоем, его называют барботином. Ангобы, образующие тонкие глинистые покрытия в виде глянцевых пленок, иногда называют лаками.
Керамические краски, используемые для декорирования керамики, разделяют на подглазурные, надглазурные и внутриглазурные. Для их производства используют керамические пигменты - соединения переходных металлов (оксиды и некоторые другие), сохраняющие или образующие цвет при обжиге и мало взаимодействующие с расплавом глазури.
Подглазурные краски наносят на высушенное или прошедшее утильный обжиг изделие. Для этого подглазурную краску, содержащую помимо пигмента глазурь, смешивают со связкой (глицерином, раствором сахара и т. п.). После растирания краски ее наносят кистью на поверхность изделия по намеченному контуру рисунка. Иногда используют в качестве подглазурных красок растворы солей металлов в воде или глицерине. Такой способ росписи называют росписью солями. После нанесения краски изделие глазуруют и обжигают.
Надглазурные краски наносят на изделия, прошедшие политой обжиг. Для этого надглазурную краску, содержащую помимо пигмента флюсы - легкоплавкие стекла, придающие блеск краскам и хорошее сцепление с глазурью, смешивают со скипидаром и скипидарным маслом. После быстрой сушки изделия подвергают декоративному обжигу.
- Технология получения грубой керамики.
2.1. Технология кирпича
К стеновым керамическим изделиям относят глиняный строительный кирпич и керамические камни. Обыкновенный глиняный кирпич представляет собой искусственный камень, имеющий форму параллелепипеда размером 250×120 ×65мм, изготовленный из глины, с добавками и без них, и обожженный. Все керамические изделия конструктивного назначения, имеющие размеры больше кирпича, называют керамическими камнями.
Кирпич является одним из наиболее древних искусственных материалов, его возраст составляет примерно 5000 лет.
Производство кирпича осуществляется двумя способами: формованием из пластичной массы и прессованием из порошкообразной массы. Иногда применяют так называемый комбинированный способ, заключающийся в сухой подготовке массы и в пластичном формовании изделий.
В производство строительного кирпича применяется пластическое и полусухое формование. Наиболее применим пластический способ, как менее трудоемкий.
Пластический способ формования обеспечивает более высокую водостойкость, но менее качественную поверхность граней, чем полусухой. Он состоит из операций подготовки массы, формовки, сушки сырца и обжига.
При подготовке массы глину для разрушения естественной структуры и измельчения пропускают через вальцы грубого, среднего и тонкого помола, затем через глиномешалку. В ней глина увлажняется (до 18…25%) и перемешивается до получения однородной пластичной массы, хорошо поддающейся формованию. Каменистые включения предварительно удаляют вальцами.
Формование кирпича производитс
Глиняный брус, выходящий из пресса, разрезается на отдельные кирпичи-сырцы полуавтоматическими струнами или автоматическими резательными станками. Производительность вакуум-прессов – до 10 000 шт./ч.
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 непрерывного
бруса или ленты под давлением
1,6 – 7 МПа. Мундштук ленточного пресса
для производства обыкновенного
кирпича имеет прямоугольное
сечение. Для формования пустотелого
кирпича и керамических камней в
мундштуке пресса устанавливается
пустотообразующий сердечник, состоящий
из скобы с прикрепленными к ней
стержнями-
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 глины с низкой естественной влажностью.
Формование при пластическом и жестком способах завершается разрезкой непрерывной ленты (бруса) отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах.
Сушка кирпича производится в естественных условиях (в сушильных сараях) или в искусственных сушилках до остаточной влажности не более 5%. Для искусственной сушки применяются конвейерные, туннельные или камерные сушилки. Влага из кирпича-сырца удаляется потому, что он омывается воздухом, не насыщенным водяными парами. Вследствие разницы во влажности поверхностных и внутренних слоев сырца влага по капиллярам диффундирует из глубины к поверхности. В качестве теплоносителя чаще применяют отходящие газы из зоны охлаждения обжиговой печи.
Обжиг кирпича является завершающей операцией технологического процесса производства. Его условно делят на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение. Процессы, происходящие в каждом из них, изложены в главе 2. Отличие состоит лишь в том, что выгорающие добавки повышают температуру в печи и формируют пористую структуру кирпича. Печи для обжига кирпича применяются кольцевые или туннельные. В кольцевой печи постепенность нагрева кирпича-сырца и замедленное охлаждение обожженного продукта достигаются благодаря тому, что в ней при неподвижном обжигаемом материале передвигается зона горения (путем переноса места загрузки топлива), а в туннельной печи – вследствие того, что при неизменном положении зоны обжига передвигаются на вагонетках обжигаемые изделия. В настоящее время кольцевые печи из-за больших затрат ручного труда почти не применяют. Туннельные печи легче автоматизировать, они более производительны, чем кольцевые. Температура обжига кирпича в зависимости от состава глины – 900…1050°С.
Полусухой способ производства глиняного кирпича имеет преимущество перед пластическим методом, так как дает возможность использовать малопластичные глины, за счет чего расширяется сырьевая база. Кроме того, при формовании применяют массу значительно меньшей влажности, поэтому сушка упрощается, сокращается расход топлива (кирпич можно не сушить, а сразу направлять в обжиг). Недостатки этого способа – более сложный процесс прессования и немного большая плотность получаемого материала. При полусухом прессовании глина и отощающие добавки, высушенные и измельченные в порошок, тщательно перемешиваются и увлажняются до 8…12%. Прессование производят на специальных прессах под давлением 15…25 МПа. Этот способ применяют чаще для лицевого кирпича с шликерной подготовкой массы, обеспечивающей однотонность цвета и четкость граней. Кирпич полусухого формования имеет почти такие же показатели свойств, что и кирпич, изготовленный пластическим формованием.