Керамические материалы и изделия

     Иркутский Государственный Технический Университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     РЕФЕРАТ

     на  тему:

     Керамические  материалы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил:

     Студент гр. ПГС-07-4

     Созонов Павел 
 
 

    Иркутск 2009

    Общие сведения

    Обжиговые искусственные строительные конгломераты, так же как и безобжиговые, состоят из структурных элементов: вяжущего вещества, служащего матрицей, и заполнителей. В качестве вяжущего используют глины, стекломассу, каменное литье, расплавы шлака, стекломассу и другие вещества, называемые «высокотемпературными цементами».

    При отвердении вяжущего (на последних  стадиях производства) происходит переход более тугоплавких (огнеупорных) заполнителей в монолит (омоноличивание). В настоящее время большинство обжиговых строительных материалов являются микроконгломератами (стекло, металлы).

    Керамические  материалы и изделия получают до камневидного состояния различных глиняных и других порошкообразных веществ. Наибольшее применение при производстве строительной керамики получила глина (без добавок и с добавками). На древнегреческом языке слово «керамос» означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины. Глины содержат глинистые минералы и примеси, влияющие на ее цвет и свойства. Глину с высоким содержанием минерала каолинита, называют каолином, имеющим практически белый цвет. Кроме каолиновых глин разных цветов и оттенков при производстве керамики применяют монтмориллонитовые, гидрослюдистые и другие глины.

    В настоящее время в понятие  керамика входит большое количество материалов с разнообразными свойствами, применяемых в строительстве, машиностроении, электронной, ракетной и других отраслях промышленности. Для строительной керамики применяют глины, которые являются дешевым и широко распространенным в природе сырьем. Из глин с добавлением сырьевых материалов получают разнообразные керамические строительные материалы и изделия.

    По  температуре плавления глины  подразделяются на легкоплавкие (температура плавления ниже 1350°С). Они наиболее распространены в природе. Они содержат примеси песка, известняка, оксидов железа, слюды, органических веществ. Такие глины применяют для производства кирпича, черепицы, керамических камней и других материалов. Тугоплавкие глины (температура плавления 1350—1580 °С) содержат небольшое количество примесей и применяются для производства облицовочного кирпича, плиток для пола, канализационных труб. У огнеупорных глин (температура плавления выше 1580 °С), содержание А1₂0₃ составляет 35 — 40 % и более, они содержат незначительное количество легкоплавких примесей. Их применяют для изготовления огнеупорных изделий.

    Керамические  материалы и изделия выпускаются  в широком ассортименте, имеют сравнительно высокую прочность, малую деформативность, высокую химическую стойкость и долговечность. Отрицательным свойством керамики является ее хрупкость. Строительная керамика должна удовлетворять по форме, размерам, свойствам требованиям действующих стандартов и технических условий.

    Сырье для строительной керамики

    Для производства строительной керамики применяют  глины и добавочные вещества. Глина является главным структурообразующим веществом (каркасом) в керамических изделиях.

    Глины образуются главным образом в  результате выветривания магматических и некоторых других пород. В их составе преобладают глинистые минералы — водные алюмосиликаты различного состава (каолинит А1₂0₃- 2Si0₂- 2H₂0, монтмориллонит; А1₂0₃•4Si0₂•4Н₂0 и др.). Размер частиц глинистых минералов — не более 0,005 мм, преобладающая форма частиц — пластинчатая. Они содержатся в глинах в количестве 5 —90 %. Благодаря огромной поверхности и гидрофильности глинистых минералов глины обладают пластичностью при увлажнении, что является одним из главнейших ее свойств.

    Кроме глинистых минералов в глине  содержатся более крупные частицы: пыль (0,005 — 0,16 мм) и песок (0,16—5,00 мм). Они состоят из кварца, полевых шпатов, кальцита, магнезита и других минералов, которые также влияют на свойства глин и качество готовых изделий.

    Глины как сырье для строительной керамики оценивают главными свойствами: пластичностью, связующей способностью, отношением к сушке и высоким температурам (при обжиге). Эти свойства зависят от химического и минерального состава глин.

    Химический  состав глин характеризуют содержанием  оксидов (в процентах по массе). Главными оксидами, входящими в состав глин, являются кремнезем Si0₂ (40 — 70%), глинозем А1₂0₃ (15 — 35 %), а также К₂0 и Na₂0 (в сумме 1 — 15 %), химически связанная Н₂0 (5—15 %). Часто присутствует Fe₂0₃ (до 7 %). Встречаются в глинах и другие оксиды (Ti0₂, MgO, СаО), а также органические примеси в виде остатков растений и животных.

    В каолинитовых глинах содержание глинозема  и кремнезема почти одинаково, тогда  как в монтмориллонитовых возрастает количество кремнезема за счет снижения содержания глинозема. Большое содержание кремнезема обычно зависит от повышенного содержания песчаной примеси в глинах. С увеличением содержания А1₂0₃ повышаются пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания кремнезема пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность и морозостойкость обожженных изделий. Наличие оксидов железа, тонкодисперсных карбонатов СаС0₃ и MgC0₃ снижает огнеупорность глин. Присутствие в глине щелочей ухудшает формуемость изделий, понижает огнеупорность и вызывает появление белых выцветов на изделиях.

    Пластичность  — это способность влажной глины под действием внешних сил принимать заданную форму и сохранять ее после устранения давления. Пластичность глин объясняется тем, что при увлажнении глины на поверхности глинистых частиц появляются тончайшие слои адсорбированной воды. Это обеспечивает возможность скольжения частиц друг относительно друга и в то же время связывает эти частицы силами поверхностного натяжения, что обеспечивает сохранение формы изделия после формования. Чем больше в сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка, так как при сушке теряется вода.

    В зависимости от этого различают  высокопластичные глины, содержащие 80 — 90% глинистых частиц с водопотребностью более 28 %, средне- и умеренно-пластичные глины, содержащие 30 — 60 % глинистых частиц с водопотребностью 20 —28 % и малопластичные глины, имеющие в своем составе 5 —30 % глинистых частиц с водопотребностью менее 20%. Глины, содержащие более 60 % глинистых частиц («жирные» глины) требуют больше воды при приготовлении формовочной массы и дают большую усадку. «Тощие» глины содержат до 15% глинистых частиц, имеют небольшую усадку, достаточно легко сушатся.

    Пластичность  глин можно увеличить вылеживанием глин на воздухе, механической обработкой, обработкой паром, переменным замораживанием и оттаиванием, добавлением другой, более пластичной глины. Уменьшают пластичность глин введением отощающих добавок, нагреванием. Наиболее пластичными являются монтмориллонитовые, а наименее пластичными — каолинитовые глины. С увеличением количества частиц размером менее 0,001 мм пластичность глин возрастает.

    Связующая способность глин выражается в том, что уплотненная влажная глина после высыхания не рассыпается, а сохраняет полученную форму, например изделия-сырца для последующего обжига. Эта способность выражается также в том, что глина связывает зерна непластичных материалов, например песка или других более крупных частиц.

    Водопоглощаемость некоторых глин достигает больших значений, причем вода проникает в глине не только по трещинам и капиллярам, но и между слоями в кристаллической решетке некоторых минералов, при этом набухание глин может достигать 40 % и более.

    При высыхании на воздухе или в  сушилках глиняный сырец уменьшается  в объеме, т.е. наблюдается воздушная усадка. Большая усадка может нередко сопровождаться трещинообразованием. Высокопластичные глины при высыхании дают усадку 10 — 15 %, глины средней пластичности — 7— 10 %, малопластичные — 5 — 7%, что необходимо учитывать при формовании изделий.

    При обжиге в глинах происходят химические и физико-химические процессы, в результате которых она переходит в камневидное состояние с большой прочностью и не размокает в воде. При температуре до 400 °С из глины удаляется свободная влага, выгорают органические примеси, при дальнейшем повышении температуры (650 —750 °С) из глинистых минералов удаляется химически связанная вода и глина теряет свою пластичность, при температуре 800 — 900 °С глинистые минералы разлагаются на оксиды А1₂0₃ и Si0₂. При температуре 900— 1100 °С эти оксиды приобретают химическую активность и, реагируя, образуют минерал силлиманит Al₂0₃Si0₂, при температуре 1100— 1250 °С образуется  минерал муллит ЗА1₂6₃ • 2Si0₂. Эти минералы являются прочными, водостойкими, тугоплавкими. При обжиге наиболее легкоплавкие соединения расплавляются (при температуре 900— 1200 °С) и поры обжигаемого материала заполняются этим расплавом, что приводит к сближению нерасплавившихся частиц и эффекту огневой  усадки, которую также необходимо учитывать при изготовлении керамических изделий. Сумма воздушной и огневой усадок (полная усадка) находится в пределах 6—18%.

    Огнеупорность — свойство глин выдерживать воздействие высоких температур, не расплавляясь и не деформируясь. Она определяется с помощью пироскопов (конусов Зегера).

    Другой, более низкой, является температура  спекания глины, когда возникает  заполнение пор расплавом, но без  деформации изделия, а только с его  уплотнением, т.е. когда расплава сравнительно немного и черепок получается пористым с водопоглощением по массе более 5 %. Полностью спекшийся глиняный черепок имеет водопоглощение по массе 2 — 5%.

    При нагревании выше температуры спекания количество расплава превышает объем пор, что приводит к деформированию изделий, а затем (при более высоких температурах) к постепенному расплавлению всей массы. Интервал между температурой спекания и началом деформирования (оплавления) глины называется интервалом спекания (иногда густоплавкостью). Чем больше этот интервал, тем меньше опасность деформирования изделий при обжиге. Для получения плотного черепка необходимо, чтобы интервал спекания был не менее 100 "С, для пористого — не менее 40-50°С.

    Огнеупорность зависит от химического и минерального состава глин, например, с увеличением содержания в глине каолинита повышается огнеупорность, а наличие минералов (полевых шпатов и др.) — плавно понижает ее.

    Добавочные  вещества вводят в глину (смеси) для  повышения или уменьшения ее пластичности, что важно при формовании изделий. При производстве легких пористых керамических изделий (кирпича, плитки и др.) в формовочную массу вводят выгорающие добавки (древесные опилки, торфяную крошку, угольную крошку). Для уменьшения пластичности глины применяют отощающие добавки: кварцевые пески, пылевидный кварц (маршаллит), молотый шамот (обожженная глина), золы ТЭС и др. Они ускоряют сушку сырца, уменьшают усадку изделий. Выгорающие добавки, которые образуют поры после их выгорания при обжиге изделий, также могут уменьшать пластичность глин. В качестве порообразующих добавок применяют молотый мел, доломит и вещества, которые при обжиге глин диссоциируют с выделением газа, например С0₂. Для снижения температуры обжига изделий в формовочную массу вводят плавни — легкоплавкие вещества, называемые иногда флюсами. В процессе обжига они взаимодействуют с глинистыми веществами, образуя более легкоплавкие соединения, чем чистое глинистое вещество. К ним относятся полевые шпаты, пегматит, мел, доломит, руды, содержащие оксиды железа, и др. Иногда в глину вводят специальные добавки, например в целях повышения кислотостойкости — песчаные смеси, затворенные жидким стеклом, для окрашивания изделий — оксиды металлов, для улучшения качества кирпича — пирофосфаты и полифосфаты натрия и др.

    Технология производства керамических изделий

    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.

    Добывают  сырье в карьерах обычно экскаваторами, вывозят глину из карьера автосамосвалами, железнодорожным транспортом, вагонетками и ленточными транспортерами (при небольшой удаленности карьера). Добычу глины стремятся осуществлять в теплое время года, создавая запас материала для работы зимой. На многих керамических заводах имеются крытые механизированные глинохранилища.

    Переработку и обогащение глины производят на заводах. В целях получения более пластичной глины ее подвергают выветриванию и вымораживанию на открытом воздухе. На некоторых заводах глину непосредственно из карьера подают к дробильной и увлажняющей установке. Способ обработки сырья зависит от его свойств и вида изделий. Непластичные материалы обычно доставляют на завод необработанными и необогащенными.

    Подготовка  сырьевых материалов (приготовление формовочных масс) состоит в разрушении природной структуры глины, удалении или измельчении крупных включений (в камневыделительных вальцах), измельчении и просеивании глины и непластичных материалов, отделении железосодержащих и других вредных примесей, смешивании глин (жирной и тощей), введении в формовочную смесь добавок и в увлажнении. Для получения изделий с различной структурой черепка и различной конфигурации применяют следующие методы формования: литье, пластическое формование, полусухое и сухое прессование. В зависимости от способа формования производится соответствующая подготовка формовочной массы.

    Формование  сырца производится различными способами.

    Полусухой способ применяют, если шихта содержит большое количество отощающих материалов, а пластичное сырье трудно поддается размоканию, переработке и смешиванию с непластичными материалами. Формовочную массу приготовляют в виде пресс-порошка влажностью 8 —12 %, формуют изделия в гидравлических или механических прессах под давлением штампа до 14,5 МПа (при производстве кирпича) или 19,5 — 29,5 МПа (при производстве плиток для полов). Получение изделий обеспечивается сближением частиц, увеличением поверхности их контакта, проявлением межмолекулярных сил. Изделия имеют более точные размеры, дают меньшую усадку. При этом способе сокращаются сроки сушки и всего производственного процесса, требуются меньшие производственные площади.

    Однако  прессующее оборудование более сложное, требуются более высококвалифицированные  рабочие. Изделия, изготовленные таким способом, имеют меньшую морозостойкость, а кирпич хуже работает на изгиб. Производительность применяемых прессов (ротационных и ротационно-рычажных с двусторонним плавно нарастающим давлением) при производстве кирпича составляет 7000 — 8000 шт. в час. Отпрессованный сырец поступает иногда без предварительной сушки в кольцевую или туннельную печь, что позволяет сократить расход топлива и снизить стоимость продукции по сравнению с пластическим формованием. Средняя плотность изделий при полусухом способе несколько выше, чем при пластическом формовании.

    Сухой способ отличается от полусухого тем, что пресс-порошок имеет влажность 2 — 6 %, полностью исключается сушка сырца. Этим способом изготовляют плотные изделия — клинкерный кирпич, применяемый в дорожном строительстве, плитки для пола, фаянсовые изделия и др.

    При пластическом прессовании глину освобождают от каменных включений, измельчают и смешивают с отощающими, а иногда и с выгорающими и другими добавками до образования однородной керамической массы. Для измельчения глины применяют вальцовые дробилки с гладкими вальцами, дезинтеграторные вальцы, бегуны и другие. Приготовляют формовочную массу чаще всего в двухвальных глиномешалках, где ее увлажняют водой или паром до формовочной влажности 18 — 24% и тщательно перемешивают, при этом на твердых частицах образуются гидратные прослойки, толщина которых примерно равна двум молекулам воды.

    Формование  изделий осуществляется выдавливанием  бруса из ленточного пресса или ленточного вакуум-пресса, штамповкой в формах, лепкой сложных изделий. Наиболее распространено формование сырца на ленточных шнековых прессах, в которых формовочная масса уплотняется, интенсивно проминается и приобретает высокую однородность. При формовании на ленточном вакуум-прессе изделия имеют более высокую прочность за счет вакуумирования формовочной массы. Это позволяет укладывать сырец в более высокие штабеля при сушке и полнее использовать объем сушилок, при этом уменьшается трещинообразование и улучшается качество изделий.

    Ленточные вакуум-прессы (рис.1) состоят в основном из трех частей: подготавливающей, вакуумирующей  и прессующей. Подготавливающая часть  пресса (мешалка) находится или над  прессующей частью, или на одной  оси с ней. Шнек подготавливающей части пресса захватывает керамическую массу и проталкивает ее через перфорированную решетку 2 в вакуум-камеру 3, откуда освобожденная от воздуха глиняная масса, уплотненная шнековым винтом 5, продвигается к выходному отверстию мундштука, укрепленному на головке пресса. Мундштук придает глиняной ленте, выходящей из пресса, определенные форму и размеры. В мундштуке могут быть установлены керны, образующие каналы в выдавливаемой ленте (производство пустотелого кирпича и труб). Выдавленный из мундштука пресса непрерывный глиняный брус разрезается на отдельные изделия с помощью полуавтоматических и автоматических станков. После резки сырец укладывается автоматами-укладчиками на сушильные вагонетки. Способ пластического формования кирпича (полнотелого и пустотелого) наиболее распространен. Преимущество пустотелых кирпичей состоит в том, что они имеют меньшую массу и теплопроводность по сравнению с полнотелым кирпичом.

    При шликерном способе исходные сырьевые материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды. Умывальники, раковины, унитазы и др. изготовляют методом литья в гипсовых формах из шликера влажностью 30 —40 % с последующей их сушкой и обжигом. Этим способом изготовляют также мелкоразмерные облицовочные плитки.

    После формования следует важный и сложный этап — сушка. Главная трудность сушки полнотелого кирпича-сырца в том, что в глине перенос влаги затруднен, так как глина является водонепроницаемым материалом. При быстром высыхании глины с поверхности часто происходит растрескивание кирпича-сырца, поэтому сушить нужно по специальному режиму, при котором скорость испарения воды в поверхностных слоях не превышала бы скорости ее миграции из внутренних слоев, однако это приводит к снижению темпов производства. Ускорить сушку можно введением в формовочную массу отощающих добавок, облегчающих миграцию влаги из внутренних объемов к поверхности. 
 

    Рис. 1. Схема устройства ленточного вакуум-пресса «Кема»: 

    1 — главный цилиндр пресса; 2— перфорированная решетка; 3 — вакуум-камера с герметической крышкой; 4 — смотровое окно; 5 — шнековый винт; 6 — загрузочная коробка; 7— задний цилиндр пресса; 8 — коническая часть головки пресса 
 

    Рис. 2. Туннельная сушилка:

    1 — ворота; 2 — вагонетки с изделиями 
 
 
 

    Чаще  применяется искусственная сушка  в сушилках периодического (камерные) или непрерывного действия (туннельные, конвейерный). Наиболее совершенными и производительными являются туннельные сушилки непрерывного действия, в которых горячий воздух или дымовые газы обжигательных печей движутся с одного конца туннеля к другому, а навстречу горячему потоку на вагонетках перемещается сырец (рис.2). Таким образом, горячий теплоноситель встречает уже почти высушенный сырец, что уменьшает трещинообразование и коробление. Длина туннельных сушилок до 25 — 35 м, продолжительность сушки в них — 16 —24 ч. Суточная производительность одного туннеля емкостью 6 тыс. шт. кирпича составляет до 12 тыс. шт. высушенного кирпича-сырца.

    Естественная  сушка обычно осуществляется в сараях с легкими подъемными стенами. Естественная сушка зависит от погоды и составляет 7 — 20 сут. Для продолжения сушильного сезона устраивают навесы со стеклянной кровлей, вводят в керамическую массу электролиты, устанавливают переносные вентиляторы.

    После сушки сырец обжигают в печах.

    При производстве некоторых керамических изделий (трубы, плитки, санитарно-технические изделия) вводят дополнительную операцию — глазурование. Глазурованные изделия имеют меньшее водопоглощение и водопроницаемость, большую долговечность. Глазури приготовляют из каолина, кварца, мела или мрамора, доломита, глины, полевых шпатов, углекислого бария, свинца и др. Они бывают прозрачными и глухими (непрозрачными). Для получения цветных глазурей применяют оксиды металлов, шпинели, бораты и др. Наносят глазури на высушенные или обожженные изделия разными способами: пульверизацией, окуна нием изделий в глазурную суспензию, поливкой изделий этой суспензией, припудриванием поверхностей сухим составом глазури и др. После нанесения глазурей изделия обжигают.

    Иногда  на изделия наносят дополнительный слой — ангоб.

    Ангобом называется тонкий слой беложгущейся или цветной глины, нанесенный на изделие, который после обжига образует цветное матовое покрытие. Его  свойства должны быть максимально приближены к свойствам основного черепка.

    Обжиг — важнейший процесс в производстве керамики. Он ведется по специальному режиму: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение готовых изделий. Большое влияние на качество изделий оказывает и газовый режим печи в процессе обжига. Среда в печи подразделяется на восстановительную при избытке кислорода до 1 %, нейтральную — при избытке кислорода до 2%, окислительную — при избытке кислорода свыше 2%. Оптимальные температурные и газовые режимы при обжиге устанавливают опытным путем. В результате обжига изделия приобретают камне-видное состояние, высокие прочность, водостойкость, морозостойкость и другие необходимые свойства. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных и реже в кольцевых печах.

    Туннельные  печи (одинарные и — реже — спаренные) являются печами непрерывного действия, в которых изделия обжигаются на вагонетках, передвигающихся вдоль печи по рельсам. Обжиг продолжается 18 — 36 ч. Туннельная печь представляет собой обжигательный канал длиной до 160 м, высотой 1,7 м и шириной до 3,1 м (рис. 3). По длине канала печь подразделяется на зоны подогрева, обжига и охлаждения.

     Вагонетки с  сырцом движутся сначала навстречу  горячим газам, а затем поступают в зону холодного воздуха, нагнетаемого газовым вентилятором. В свою очередь, дымосос, устанавливаемый в начале зоны подогрева, обеспечивает поступление горячего воздуха в зону обжига. В туннельных печах применяют твердое, жидкое или газообразное топливо. Обжиг в туннельных печах идет значительно быстрее, чем в кольцевых. Если процессы садки сырца на вагонетки и выгрузки изделий механизированы, режим обжига автоматизирован, то качество изделий будет выше.

    Щелевые и роликовые печи являются разновидностью туннельных печей. Высота обжигательного канала в этих печах составляет 2 — 3 высоты обжигаемых изделий. Перепад температур по сечению канала должен быть не более 5 °С, что позволяет получать изделия однородными по структуре и повысить их качество. Продолжительность обжига сокращается до 6 ч, значительно снижается расход топлива.

     Кольцевая печь представляет собой замкнутый обжигательный канал длиной до 200, и высотой до 3 м и объемом 300 — 2500 м³ (рис.4). В наружной стене печи имеются проемы 6 — ходки для загрузки сырца и выгрузки кирпича. Ходки устраивают через 5 —6 м, количество ходков зависит от количества условных камер печи, отделенных друг от друга бумажными щитами, устанавливаемыми при загрузке сырца. Количество таких камер составляет 12 — 36 шт. Сверху через топливные трубочки в своде камер загружают кусковое или пылевидное топливо; внизу камер имеются отверстия, соединенные с центральным дымовым каналом 5 для отвода дымовых газов. В кольцевой печи садка сырца 2 остается неподвижной до момента выгрузки готовых изделий, а зоны подогрева, обжига и охлаждения перемещаются по обжигательному каналу по мере продвижения подачи топлива от одной условной камеры к другой. При приближении зоны обжига бумажные щиты сгорают. У этих печей имеются недостатки: трудность загрузки и выгрузки изделий при высоких температурах (до 80 °С), неравномерное распределение температуры по высоте печи, что приводит к «недожогу» и «пережогу» — деформации изделий. Это обусловливает постепенную замену кольцевых печей на туннельные.

    Рис.4. Кольцевая печь (гофманская): 

    1 — канал печи; 2 — садка сырца; 3 — устройство для регулировки дымовых

    конусов; 4 — отверстия для засыпки топлива; 5 — канал для отвода газов; 6 —

    проем в печи для загрузки сырца и  выгрузки кирпича 
 
 
 
 

    Виды  керамических материалов и изделий

    Строительные  керамические изделия классифицируют по структуре черепка на пористые и со спекшимся черепком, имеющим водопоглощение по массе менее 5 %. Спекшийся черепок обычно является водонепроницаемым. Различают изделия грубой и тонкой керамики. Грубая керамика в изломе имеет зернистое строение. Большинство строительных керамических материалов: строительный кирпич, черепица, канализационные трубы — являются изделиями грубой керамики. У изделий тонкой керамики излом черепка более однородный. Он может быть пористым (фаянсовые облицовочные плитки) и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфор). Фарфоровые изделия обладают просвечиваемостью.