Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет будівництва і архітектури

Кафедра товарознавства та комерційної діяльності

Курсова робота

З дисципліни “ Будівельні матеріали”

на тему:

Асортимент сучасних керамічних матеріалів та виробів

Виконала

Студентка будівельно-технологічного

факультету, групи ТКД-41

Базалійська Іоланта

Перевірив професор

Купрієнко Петро Йосипович

Київ 2009

Зміст

Вступ

1. Особливості фізико-хімічних процесів формування структури керамічних матеріалів

2. Головні критерії класифікації керамічних матеріалів

3. Сировина для виробництва керамічних матеріалів

3.1 Пластична сировина

3.2 Непластична сировина (добавки)

4. Матеріали для декорування (глазур, ангоби, керамічні фарби)

5. Особливості технології виготовлення керамічних виробів

6. Асортимент керамічних виробів різного призначення

6.1 Стінові вироби

6.2 Вироби для облицювання фасадів

6.3 Плитки для внутрішнього облицювання

6.4 Плитки для підлог

6.5 Вироби спеціального призначення

7. Використання техногенної сировини для виробництва керамічних матеріалів

8. Довговічність кераміки та способи її підвищення

9. Визначення технічних характеристик керамічних матеріалів

Висновок

Література

Вступ

Керамічними називають матеріали й вироби, які одержують формуванням і подальшим випалюванням глинистої та інших видів мінеральної сировини з різними добавками або без них.

Керамічні матеріали - найдавніші з усіх штучних кам'яних матеріалів. Вік керамічної цегли становить понад 5000 років. Залишки будівель та споруд з керамічної цегли знайдені археологами на території Стародавнього Єгипту (ІІІ...І тисячоліття до н.е.). Керамічна цегла була відома також в Індії. У Китаї для покрівель використовували керамічну черепицю, а для оздоблення будівель - глазуровану кераміку, фарфор. У Стародавній Греції перший храм Гери в Олімпії (VI ст. до н.е.) мав дах з черепиці та прикраси з теракоти. З керамічної цегли у Стародавньому Римі будували 3...4-поверхові житлові будинки, а також арки і мости, деякі з них збереглися до нашого часу (на території Іспанії, Франції, Великої Британії) і вражають гармонійністю та красою архітектурних вирішень.

На території України знайдені вироби з кераміки, що датуються 3...2 тис. р. до н.е. (трипільська культура), а також збереглися історичні пам'ятники Київської Русі Х...ХІ ст. (залишки Десятинної церкви, Золотих воріт, Софійський Собор), які були збудовані з використанням керамічної цегли та керамічних плиток для підлоги. В Київській Русі та Візантії основним матеріалом для зведення стін, арок, бань, склепінь (Софійський собор і церква Спаса на Берестові у Києві) була плінфа. Це - плоска випалена великорозмірна цегла, яка мала ширину 30...40 см, товщину 2,5...5 см.

1. Особливості фізико-хімічних процесів формування структури керамічних матеріалів

Утворення штучного каменю відбувається не тільки за рахунок протікання реакцій за участю рідких компонентів (як це має місце при твердненні бетону), але й з використанням реакцій між речовинами у твердій фазі, що відбуваються при випалюванні штучного каменю.

Структура керамічних виробів, яку в загальному випадку можна визначити як взаєморозташування окремих елементів (кристалічна фаза, склофаза, пори) з урахуванням характеру взаємодії та взаємозв'язку між ними, формується на всіх етапах технологічного процесу, але остаточно виявляється і закріплюється при сушінні і випалюванні.

Реакції у твердих фазах часто супроводжуються спіканням - складним фізико-хімічним процесом, який відбувається при високих температурах і полягає у заповненні розплавом пор у керамічній масі, що приводить до підвищення щільності матеріалу без деформації його структури. Процес спікання твердих тіл є основою технології керамічних матеріалів і виробів.

Керамічні матеріали є композиційними, в яких на макрорівні матриця (безперервна фаза) представлена охолодженим розплавом з дрібнокристалічними включеннями новоутворень, а дисперсна фаза - залишками глинистих, піщаних та органічних частинок, що не прореагували, а також порами та пустотами, заповненими повітрям. В свою чергу, на мікрорівні матриця може бути розглянута як мікрокомпозиційний матеріал, який складається з безперервної склоподібної фази, утвореної внаслідок охолодження розплаву, та дисперсної фази - кристалічних новоутворень типу силіманіту, муліту, різних модифікацій кремнезему та інших речовин переважно алюмосилікатного складу.

У загальному випадку структура керамічного черепка складається з кристалічної, склоподібної та газової фаз, наявність та співвідношення між якими визначають фізико-технічні властивості керамічних виробів і галузі їхнього використання.

Наприклад, специфічні властивості багатьох видів технічної кераміки можна забезпечити тільки при відсутності в структурі матеріалу склоподібної фази, в той же час одержання виробів з високою щільністю і мінімальною пористістю досягається за рахунок реалізації процесу спікання з утворенням обмеженої кількості рідкої фази.

Співвідношення між фазами суттєво залежить від режиму випалювання, керуючи яким можна одержувати керамічні вироби зі щільним спіклим або пористим черепком.

У грубокерамічних виробах, випалених в інтервалі температур 950…1050^оС, кількість склофази становить лише 8…10%, а кількість кварцу майже не змінюється порівняно з його вмістом у керамічній масі. З підвищенням температури і тривалості випалювання інтенсифікується процес утворення склофази та збільшується її кількість. У спіклому фарфоровому черепку вона є основною (45…85%), інші фази дисперговані у ній, а кількість залишкового кварцу становить 8…24%. У фаянсовому черепку переважає кристалічна фаза, а склоподібна розподілена у вигляді найтонших плівок між кристалами, зв'язуючи їх між собою.

Наявність склофази знижує термостійкість виробів і підвищує їх крихкість. Кристалічна фаза, яка представлена переважно кварцом (в кількості 22…28%), сприяє підвищенню міцності керамічних виробів. При подальшому збільшенні вмісту кварцу має місце різке зниження їхньої термічної стійкості, що обумовлено різницею температурного коефіцієнта лінійного розширення між кварцом та склоподібною фазою.

При випалюванні виробів з керамічних мас, починаючи з температур вище 600^оС, відбуваються твердофазові реакції за участю рідкої фази, яка зазвичай представлена силікатами заліза, лужних та лужноземельних оксидів.

В результаті спікання утворюються муліт (3Al₂O₃2SiO₂) та тверді розчини алюмосилікатного складу. Одночасно можуть відбуватися поліморфні перетворення кварцу та його різновидів.

Основний мінерал глин - каолініт - втрачає хімічно зв'язану воду в інтервалі температур 500…550^оС. Процеси, що відбуваються при дегідратації каолініту, - складні, супроводжуються утворенням проміжних продуктів і, за даними деяких дослідників, можуть бути представлені такою схемою:

2[Al₂O₃2SiO₂2H₂O] (400...600^оС) (Al₂O₃2SiO₂)

метакаолініт

(Al₂O₃·2SiO₂) (925^оС) 2Al₂O₃3SiO₂

фази типу шпінелі

2Al₂O₃3SiO₂ (1100^оС) 2(Al₂O₃SiO₂) + SiO₂

псевдомуліт

3(Al₂O₃SiO₂) (1100...1400^оС) 3Al₂O₃2SiO₂ + SiO₂

муліт кристобаліт

Стійкою фазою у цьому ряду перетворень слід вважати мулітову. Муліт - кристалічне новоутворення, яке істотно впливає на міцність та термостійкість керамічних виробів.

У гідрослюдистих та монтморилонітових глинах поряд з мулітом при випалюванні в інтервалі температур 850…1200^оС утворюються шпінелі, які при 1300^оС розчинюються у скляному розплаві.

При підвищенні температури до 1200…1240^оС з аморфного кремнезему, що залишився після утворення муліту, кристалізується -кристобаліт (кубічна сингонія діоксиду кремнію). Цей процес супроводжується інтенсивною усадкою матеріалу і появою невеликого екзотермічного ефекту.

Кристобаліт перешкоджає спіканню керамічної маси, розрихлює утворюваний черепок, знижує термічну стійкість і підвищує водопоглинання готових виробів. Негативний вплив кристобаліту можна послабити за рахунок добавок до керамічної маси польових шпатів або нефелінового сієніту, які збільшують кількість склофази, що розчинює кристобаліт.

Газова фаза керамічного черепка заповнює закриті пори, які завжди є в матеріалі. Причинами її утворення є: повітря, газоподібні продукти, які утворилися під час дегідратації, декарбонізації, розкладу сульфатів та інших мінералів, відновлення оксидів заліза, окиснення органічних залишків у сировині. Вміст відкритих і закритих пор залежить від ступеня ущільнення матеріалу при випалюванні. Пористість матеріалу при його щільності до 85% залишається майже повністю відкритою, а при підвищенні щільності до 95% стає переважно закритою.

Наявність пор істотно погіршує механічну міцність виробів. Наприклад, збільшення пористості фарфорових виробів на 1% при певних умовах знижує міцність на 4%.

На етапі визначення складу сировини важливим є правильний вибір сировинних компонентів та їхнього співвідношення. Найголовнішим критерієм оцінки придатності глинистої сировини за хімічним складом є відношення Al₂O₃/SiO₂ і вміст плавнів. Наприклад, користуючись діаграмою А.І. Августиника (рис. 3.1), можна визначити придатність глинистої сировини для виготовлення тих чи інших керамічних виробів.

При виробництві стінових виробів, які повинні мати пористий черепок, застосовують в основному легкоплавку глинисту сировину і випалювання виконують при температурі 900…1100^оС. Для отримання виробів із нормованим обмеженим водопоглинанням, а отже, з більшою щільністю (облицювальні плитки, клінкерна цегла, санітарно-технічні вироби) використовують тугоплавкі глини і підвищують температуру випалювання до 1300…1400^оС. Для одержання вогнетривких виробів використовують спеціальну сировину (вогнетривку глину, магнезит, кварцити та ін.) і випалювання виконують при температурі 1300…1800^оС.

При отриманні фарфорових виробів як сировину використовують каолініти з відповідними коригуючими добавками. Регулювання складу керамічних мас, в тому числі відношення між кристалічною та склоподібною фазами, дозволяє змінювати їхні декоративні властивості. Просвічуваність черепка зростає зі збільшенням кількості склоподібної фази та зі зменшенням вмісту муліту, причому бажано щоб його кристали були якомога більшими.

Рис. 3.1. Діаграма визначення придатності глинистої сировини для виробництва:

1 - тонкої кераміки та вогнетривких виробів; 2 - каналізаційних труб, плиток для підлог, кислототривких виробів; 3 - теракотових виробів;4 - черепиці; 5 - клінкерної цегли; 6 - цегли і каменів

Таким чином, змінюючи склад керамічних мас і технологічні параметри виробництва, можна впливати на формування потрібної структури черепка, а отже, і регулювати властивостями готових виробів.

2. Головні критерії класифікації керамічних матеріалів

Керамічні матеріали і вироби класифікують за різними ознаками. Головними критеріями класифікації є характер будови черепка (матеріалу, з якого складається керамічний матеріал після випалювання), призначення, спосіб формування, характер поверхні.

За призначенням керамічні матеріали та вироби поділяють на такі види:

стінові (цегла, порожнисті камені);

покрівельні (черепиця);

елементи перекриттів;

вироби для облицювання фасадів (лицьові цегла і камені, плитки фасадні;

килимово-мозаїчні плитки;

архітектурно-художні деталі);

вироби для внутрішнього облицювання (глазуровані плитки і фасонні деталі до них - карнизи, кутники, пояски);

заповнювачі для бетонів (керамзит і його різновиди, аглопорит);

теплоізоляційні вироби (діатомітові, трепельні, перлітобентонітові вироби, ніздрювата кераміка);

вироби для підлог і дорожніх покриттів (плитки для підлог, дорожня (клінкерна) цегла);

санітарно-технічні вироби (умивальники, унітази, ванни, труби);

кислототривкі вироби;

вогнетривкі вироби.

За видом поверхні керамічні матеріали та вироби поділяють на:

глазуровані і неглазуровані;

однокольорові, багатокольорові і з малюнком;

з гладенькою поверхнею та рельєфні.

За структурою черепка керамічні матеріали і вироби поділяють на дві групи: пористі й щільні.

До пористих умовно відносять матеріали і вироби з водопоглинанням більше 5% за масою. Це - стінові вироби, черепиця, облицювальні плитки для стін, заповнювачі для легких бетонів, теплоізоляційні вироби, фаянсові санітарно-технічні вироби тощо. В середньому вони мають водопоглинання за масою 8…20%, або 14…36% за об'ємом. На зломі вони мають землистий вигляд, шорстку поверхню, непрозорі, при ударі видають глухий звук.

До щільних матеріалів відносять ті, що мають водопоглинання за масою менше 5%, або 4…8% за об'ємом. Це - плитки для підлог, клінкерна цегла, фарфорові санітарно-технічні вироби. Вони мають блискучий злом, гладеньку поверхню, при ударі видають чистий дзвінкий звук.

За будовою черепка, що характеризує його текстуру, розрізняють грубу (неоднорідну крупнозернисту) та тонку (однорідну дрібнозернисту) кераміку. Більшість будівельних керамічних матеріалів (цегла, камені, черепиця, дренажні труби) відносять до грубої пористої кераміки з водопоглинанням 5...15%. Дорожню та кислототривку цеглу, каналізаційні труби можна віднести до грубої щільної кераміки з водопоглинанням не вище 10%. За тонку пористу кераміку вважають вироби із фаянсу і майоліки, за тонку щільну - вироби з фарфору і деякі вогнетривкі, кислототривкі і електроізоляційні керамічні матеріали. Треба зауважити, що такий поділ є умовним, оскільки він визначається, головним чином, особливостями технологічної переробки сировини в процесі виготовлення виробів різного призначення.

За способом формування керамічні матеріали поділяють на матеріали, одержані пластичним формуванням, напівсухим пресуванням або шлікерним способом.

3. Сировина для виробництва керамічних матеріалів

керамічний декорування облицювання плитка

Сировину для виробництва будівельної кераміки поділяють на пластичну і непластичну.

До пластичної сировини відносять глинисті породи, які забезпечують одержання зв'язної, зручної до формування маси і міцного водостійкого черепка після випалювання.

Непластична сировина - це добавки, які покращують технологічні властивості формувальної суміші (полегшують сушіння, зменшують усадку, знижують температуру випалювання) і надають готовим виробам потрібних властивостей (пористості, теплопровідності, кольору тощо).

3.1 Пластична сировина

Основним пластичним сировинним компонентом будівельної кераміки є глини -полімінеральні осадові гірські породи, що утворилися внаслідок вивітрювання вивержених польовошпатових гірських порід і є природними водними алюмосилікатами, здатними при замішуванні з водою утворювати пластичне тісто, яке після випалювання переходить у каменеподібний стан.

Глинисту сировину для виробництва керамічних будівельних матеріалів залежно від фізико-хімічних і технологічних властивостей поділяють на окремі групи (див. у дод. 5).

Серед фізико-хімічних властивостей визначальними є мінералогічний, хімічний та гранулометричний склад.

Мінералогічний склад осадових гірських порід визначається переважно умовами їхнього формування. Глинисті мінерали зустрічаються в природі з найрізноманітнішим співвідношенням трьох складових компонентів і відповідають у загальному випадку за хімічним складом формулі Al₂O₃(0,3-8)SiO₂(0,5-19)H₂O. Основними мінералами глин є каолініт (Al₂O₃2SiO₂2H₂O), монтморилоніт (Al₂O₃4SiO₂nH₂O), а також гідрослюда. Залежно від переважаючої кількості (більше 50%) одного з цих мінералів виділяють каолінітові, гідрослюдисті та монтморилонітові групи сировини. До змішаних груп відносять гідрослюдисто-каолінітові, монтморилоніто-каолінітові, монтморилоніто-гідрослюдисті, в яких переважають два з названих мінералів. Сировина, що містить три і більше глинистих мінералів, називається полімінеральною.

Глинисті мінерали надають сировині пластичності при зволоженні, міцності при висиханні і здатності до спікання при випалюванні.

Крім глинистих мінералів, сировина містить також інші мінерали, що впливають на її технологічні властивості і на якість готової продукції. Це можуть бути: кварц (SiO₂); польові шпати; карбонати - кальцит (СаСО₃), доломіт (CaCO₃MgCO₃); залізисті мінерали - лимоніт (Fe₂O₃nH₂O), пірит (FeS₂), сидерит (FeCO₃) тощо.

У хімічному складі глинистої сировини переважають оксиди: Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O.

Найбільший вплив на глинисту сировину має глинозем (Al₂O₃), зі збільшенням його кількості підвищуються пластичність та вогнетривкість. Кремнезем (SiO₂) знаходиться у сировині у зв'язаному (у складі глинистих мінералів) та у вільному стані. Підвищений вміст вільного кремнезему свідчить про наявність відносно великої кількості піску в глинистій сировині, обумовлює її знижену пластичність, підвищену пористість черепка та меншу механічну міцність. Така сировина мало або взагалі непридатна для виготовлення виробів складної конфігурації.

Оксиди заліза (Fe₂O₃, FeO, Fe₃O₄) є сильними плавнями, знижують температурний інтервал спікання, надають виробам певного кольору (від світло-кремового до вишнево-червоного) залежно від виду оксиду і середовища у печі (окиснювального чи відновлювального) на кінцевій стадії випалювання.

Оксид кальцію СаО, що входить до глинистої сировини у складі карбонатів і сульфатів в тонкодисперсному стані, зменшує її зв'язуючу здатність, знижує температуру плавлення і скорочує інтервал спікання, підвищує пористість виробів та освітлює їх. Крупні включення карбонатів є причиною появи “дутиків” та тріщин в керамічних виробах при зволоженні їх, оскільки відбувається гідратація СаО, утвореного при випалюванні, і це супроводжується збільшенням об'єму новоутворень.

Оксид магнію MgO діє як плавень аналогічно СаО, але на інтервал спікання сировини впливає менше.

Оксиди лужних металів (Na₂O, K₂O) є сильними плавнями, сприяють підвищенню усадочних деформацій, зниженню температури утворення розплаву, ущільненню і зміцненню черепка керамічних виробів.

Водорозчинні солі у вигляді сульфатів і хлоридів натрію, кальцію, магнію, заліза є небажаними в глинистій сировині, оскільки вони погіршують зовнішній вигляд керамічних виробів через утворення вицвітів (білих нальотів) на поверхні і сприяють руйнуванню поверхневого шару.

Органічні домішки у вигляді залишків рослин і гумусових речовин знижують вогнетривкість, підвищують повітряну усадку сировини, надають випаленим виробам темного забарвлення. При випалюванні вони вигоряють, підвищуючи пористість виробів, а також створюють відновлювальне середовище в середині черепка. Тому вони є шкідливими при виготовленні біловипалюваних виробів, виробів зі щільним черепком і корисні при виготовленні стінової кераміки та пористих заповнювачів.

Гранулометричний склад глин тісно пов'язаний з мінералогічним та хімічним складом і суттєво впливає на їхні технологічні властивості - пластичність, зв'язуючу здатність, повітряну і вогневу усадку, спікливість, вогнетривкість (див. у дод. 5). Найдрібніші мінеральні частинки глин розмірами до 5 мкм називають глинистою фракцією, частинки від 5 до 50 мкм - пиловидною, від 50 мкм до 2 мм - піщаною.

Технологічні властивості. Від кількості і розміру глинистих та інших частинок залежить основна властивість глини - пластичність - здатність у вологому стані під дією зовнішніх сил набирати будь-якої форми без утворення тріщин і розривів і зберігати її після припинення дії цих сил. Технічним показником пластичності є число пластичності П_л:

П_л = W_т - W_р,

де W_т і W_р - вологості, які відповідають межі текучості і розкочування глиняного джгута, %.

За числом пластичності глинисту сировину поділяють на такі групи: високопластичні (П_л>25%), середньопластичні (П_л=15…25%), помірнопластичні (П_л=7…15%), малопластичні (П_л=3…7%), непластичні - ті, що не дають пластичного тіста (див. у дод. 6). Для виготовлення будівельних керамічних виробів застосовують переважно помірнопластичні глини. Малопластичні глини погано формуються, а високопластичні розтріскуються під час сушіння і потребують спіснювання.

Високопластичні глини містять 80…90% глинистих частинок, тоді як помірнопластичні - тільки 30…60%. Крупніші частинки пилу, зерна слюди і піску знижують пластичність глин.

Пластичність глин пояснюється тим, що при зволоженні на поверхні глинистих частинок з'являються найтонкіші шари адсорбованої води, які, з одного боку, забезпечують можливість сковзання частинок між собою, а з другого - зв'язують їх силами поверхневого натягу, забезпечуючи збереження форми виробів після формування. Превалювання того чи іншого ефекту залежить від кількості адсорбованої глиною води.

Пластичність глинистої сировини регулюють використанням добавок (спіснювальних чи пластифікуючих), тривалим вилежуванням і виморожуванням, відмулюванням, обробкою парою, механічною обробкою на глинопереробних машинах (бігунах, вальцях тощо).

Зв'язуюча здатність - властивість глини зв'язувати частинки непластичних матеріалів (піску, шамоту) і створювати після висушування досить міцний виріб - сирець. Її оцінюють за величиною міцності відформованих і висушених до сталої маси зразків. За цим показником глинисту сировину поділяють на 5 груп (див. у дод. 6). Зв'язуюча здатність має суттєве значення при укладанні виробів на пічні вагонетки і транспортуванні у випалювальні печі.

Повітряна усадка - зменшення лінійних розмірів та об'єму відформованих виробів у процесі сушіння. Вона обумовлена зменшенням товщини водних оболонок на поверхні частинок глини під дією сил капілярного тиску, а також сил осмотичного тиску і міжмолекулярного притягування при висушуванні. Для різних глин лінійна повітряна усадка коливається у межах 2…12%, збільшуючись з підвищенням вмісту тонкодисперсних фракцій. Повітряна усадка істотно впливає на тріщиностійкість виробів при сушінні. Для зменшення повітряної усадки до складу керамічної маси додають спіснювальні добавки, добавки поверхнево-активних речовин (ПАР), вакуумують глину, зрошують поверхню виробів при формуванні вологоутримувальними композиціями (наприклад, бітумною емульсією).

Вогнева усадка - це зменшення лінійних розмірів та об'єму виробів після випалювання (попередньо відформованих і висушених до повітряно-сухого стану). Вона обумовлена тим, що легкоплавкі складові глин розплавляються, і частинки глин в місцях їхнього контакту зближуються. Залежно від складу глин вогнева усадка становить 2…8%.

Повна усадка дорівнює сумі повітряної й вогневої усадки і коливається в межах 5…18%. Величину повної усадки необхідно враховувати при формуванні керамічних виробів, відповідно збільшуючи розміри форм, щоб одержувати готові вироби необхідних розмірів.

Чутливість до сушіння - здатність глинистої сировини утворювати при сушінні суцільне, без тріщин, тверде тіло. Її оцінюють за допомогою коефіцієнта чутливості до сушіння, який визначається тривалістю часу опромінювання (у секундах) постійним тепловим потоком свіжовідформованого зразка з глинистої сировини до появи на ньому тріщин (посічки). Залежно від цього існують групи глинистої сировини: високочутливі, середньочутливі, помірночутливі та малочутливі.

Спікливість - здатність глинистої сировини утворювати при випалюванні щільний каменеподібний водостійкий черепок. Залежно від ступеня спікливості глинисту сировину поділяють на групи: сильноспікливі, здатні при випалюванні утворювати черепок без ознак перепалу з водопоглинанням до 2%; середньоспікливі з водопоглинанням черепка від 2 до 5%; неспікливі, які дають черепок з водопоглинанням більше 5% за масою.

За температурою спікливості розрізняють глинисту сировину низькотемпературної (до 1100^оС), середньотемпературної (від 1100 до 1300^оС) та високотемпературної (вище 1300^оС) спікливості.

Температурний інтервал спікання - важливий технологічний показник глинистої сировини. Він визначає режим кінцевої стадії випалювання виробів, при якому вони набувають кондиційних властивостей. Його визначають як різницю між температурою, при якій починаються ознаки перепалу (оплавлення або спучування), і температурою початку спікання, при якій починається інтенсивне ущільнення виробу, який випалюється. Найменший інтервал спікання мають легкоплавкі глини (50…100^оС), а найбільший - вогнетривкі (до 400^оС).

Вогнетривкість - властивість глинистої сировини протистояти, не розплавляючись, впливу високих температур. Групи глинистої сировини за цим показником: легкоплавкі (вогнетривкість менше 1350^оС), тугоплавкі (вогнетривкість від 1350 до 1580^оС включно) та вогнетривкі (вогнетривкість більше 1580^оС).

У деяких випадках (наприклад, при виготовленні штучних пористих заповнювачів) важливою характеристикою глинистої сировини є спучуваність - здатність до істотного збільшення об'єму при випалюванні з утворенням черепка з великою пористістю.

При виробництві керамічної цегли і порожнистих каменів іноді як основну сировину використовують діатоміти і трепели - осадові органогенні породи, багаті на аморфний кремнезем (див. у 2.3.2). Хімічний склад діатомітів і трепелів, %: SiO₂ - 70…96; Al₂O₃ - 5…15; Fe₂O₃ - 2…5; CaO - 0,5…5; MgO - 0,5…3; втрати при прожарюванні (ВПП) - 4…8. За гранулометричним складом вони схожі з глинами, мають високу пластичність. Сирець з цієї сировини не тріскається при швидкому сушінні і не деформується, має невелику усадку при випалюванні, але готові вироби недостатньо морозостійкі. Для підвищення морозостійкості у формувальну суміш додають вугілля або тирсу, підвищують температуру випалювання, піддають масу вакуумуванню для видалення з неї повітря.

3.2 Непластична сировина (добавки)

Спіснювальні добавки вводять у керамічну масу, щоб знизити пластичність і зменшити повітряну та вогневу усадки за рахунок меншої водопотреби формувальної суміші. Для цього використовують шамот, дегідратовану глину, кварцовий пісок, гранульований шлак, золу ТЕС. Шамот - це зернистий порошок із зернами 0,16…2,5 мм, який отримують подрібненням попередньо випаленої до спікання глини. Шамот поліпшує сушильні й випалювальні властивості глин.

Дегідратовану глину одержують випалюванням її при температурі 700…750^оС з наступним подрібнюванням. Шамот та дегідратовану глину додають у глиняну масу в кількості 30…50%. Кварцовий пісок із зернами 0,63…2,5 мм додають у кількості 10…25%. Гранульований доменний шлак із зернами до 2 мм - ефективний спіснювач глини в процесі виробництва цегли. Золи ТЕС виконують роль спіснювача та, частково, вигоряючої добавки.

Плавні знижують температуру випалювання й спікання глини, підвищують щільність виробів. Як плавні використовують польові шпати, залізну руду, доломіт тощо. Вони здатні при випалюванні утворювати з SiO₂ та Al₂O₃ більш легкоплавкі силікатні розплави.

Пороутворювальні добавки вводять у сировинну масу для одержання легких керамічних виробів з підвищеною пористістю. Такими добавками є магнезит, крейда, доломіт, які під час випалювання виділяють СО₂, а також вигоряючі добавки - тирса, відходи вуглезбагачувальних фабрик, золи ТЕС, лігнін, подрібнене буре вугілля.

Пластифікуючі добавки сприяють підвищенню пластичності маси й поліпшенню її здатності до формування при отриманні виробів. До них належать високопластичні глини, бентоніти, а також поверхнево-активні речовини типу лігносульфонату технічного (ЛСТ).

4. Матеріали для декорування (глазур, ангоби, керамічні фарби)

Декорування виробів може бути здійснено різними методами, в тому числі за рахунок підбору складу керамічних мас, що забезпечує отримання черепка потрібного кольору та структури; покриттям готових виробів ангобами, глазурами, емалями, керамічними фарбами; декоративною обробкою при випалюванні; рельєфною та фактурною обробкою; металізацією.

Щоб поліпшити декоративний вигляд і стійкість до зовнішніх впливів, керамічні вироби покривають глазурами (поливою) чи ангобом.

Глазур (полива) - це склоподібне покриття, завтовшки 0,1…0,2 мм, яке наносять на поверхню керамічного виробу і закріплюють випалюванням. Крім підвищення декоративних властивостей, глазур знижує водопроникність, підвищує міцність та атмосферостійкість керамічних виробів. Основні компоненти глазурі: кварц, польовий шпат, каолін, солі лужних і лужноземельних металів. До їх складу можуть входити також пегматит, крейда, доломіт, перліт, бура, борна кислота, оксиди свинцю, цинку тощо. Склади глазурі можуть бути різноманітними, але в усіх випадках вони містять не менше 85…90% кремнезему та оксиду алюмінію.

Глазурі бувають прозорі і глухі (емалі), безбарвні і забарвлені, глянсові і матові, тугоплавкі і легкоплавкі.

При одноразовому випалюванні виробів склад глазурі розраховують таким чином, щоб температура її плавлення була близькою до температури спікання черепка і щоб вона мала однаковий з ним коефіцієнт термічного розширення (для запобігання утворенню цека - тонких тріщин на поверхні готових виробів).

За способом приготування глазурі поділяють на сирі (нефритовані) та сплавлені (фритовані). Нефритовані глазурі використовують для декорування виробів із напівфарфорових та фарфорових мас, а фритовані - для виробів із фаянсових мас.

Глазурі наносять методами занурення, поливання або пульверизацією на попередньо випалені або добре висушені вироби у вигляді тонкодисперсної водної суспензії. Вироби вбирають вологу, а тверда речовина поливи відкладається на поверхні щільним шаром, який при випалюванні розплавляється на ній у вигляді тонкої склоподібної плівки. Випалювання виконують за тим самим режимом, що й неглазурованих виробів, при підтриманні нейтрального або слабкоокиснювального газового середовища.

Ангоб виготовляють з білої або кольорової глини і наносять на поверхню невипаленого керамічного виробу (сирцю) тонким шаром (завтовшки 0,2…0,3 мм) у вигляді водної суспензії. На відміну від поливи, ангоб при випалюванні не розплавляється і надає виробу матової поверхні. Ангобування застосовують у виробництві лицьової цегли, при цьому ангоб наносять на довжикову і поперечикову поверхні глиняного бруса, що виходить зі стрічкового преса, методом розпилювання за допомогою форсунок, розташованих у пульверизаційній камері між мундштуком преса і різальним апаратом.

Керамічні фарби - це забарвлені мінеральні сполуки металів із керамічними масами і глазурами, утворені у процесі випалювання. Барвниками в них є природні або штучні пігменти різного кольору (наприклад, графіт - сірий, оксид заліза - коричневий, оксид хрому - зелений, оксид кобальту - синій, антимонат свинцю - жовтий тощо).

Керамічні фарби бувають надглазурні і підглазурні; надглазурні - це суміш пігментів з флюсами (легкоплавкими стеклами), а підглазурні - суміш пігментів з глазур'ю. Колір та інтенсивність забарвлення виробів залежать від температури випалювання, кількості і виду пігменту. Випалюють надглазурні фарби при 550…860^оС, а підглазурні - до 1450^оС.

5. Особливості технології виготовлення керамічних виробів

Незважаючи на широкий асортимент керамічних виробів, різноманітність їхніх форм, фізико-механічних властивостей та видів сировинних матеріалів, основні етапи виготовлення таких виробів спільні: добування сировинних матеріалів, підготовка керамічної маси (шихти), формування виробів (сирцю), сушіння, випалювання, обробка та пакування.

Сировину видобувають на кар'єрах відкритим способом - екскаваторами. Від кар'єру до заводу сировину перевозять автосамоскидами, вагонетками чи конвеєрами. Заводи керамічних виробів будують поблизу місця видобутку сировини, причому кар'єр є складовою частиною заводу.

Зазвичай глина з кар'єру непридатна для формування виробів. Тому попередньо необхідно приготувати керамічну (робочу) масу. Метою цього процесу є руйнування природної структури сировини, видалення шкідливих домішок, забезпечення рівномірного змішування всіх компонентів до одержання однорідної маси, придатної для формування.

Обробка глинистої сировини може бути природною (використання атмосферних процесів - зволоження і висихання, заморожування і відтавання, вивітрювання), механічною (рихлення, подрібнення з видаленням каміння, дозування з добавками, тонке подрібнення) та комбінованою, з фізико-хімічною обробкою (парозволоженням, вакуумуванням), введенням спеціальних добавок (пластифікуючих, спіснювальних, вигоряючих) та вилежуванням обробленої маси у шихтозапасниках чи механізованих силосах.

Природний спосіб обробки сировини вимагає багато часу, великих площ і не забезпечує повного видалення кам'янистих включень. Механічний спосіб є більш ефективним. Для одержання легкоукладальної гомогенної маси він передбачає використання різного технологічного обладнання залежно від властивостей сировини і виду виробів: для грубого помелу глинистої сировини - дезінтеграторні вальці, для видалення каміння - гвинтові вальці, для подрібнення - дробарки валкові, зубчасті, дискозубчасті, глинорізки (стругачі); для підготовки добавок - дробарки щокові, молоткові, комбіновані; для тонкого подрібнення глинистої сировини - бігуни сухого чи мокрого помелу; для помелу сухої глини, шамоту, дегідратованої глини - кульові млини; для просіювання подрібнених матеріалів - сито-бурат, інерційні грохоти тощо.

Переробку сировинної маси та формування виробів залежно від властивостей вихідної сировини й виду виробів, що виготовляються, виконують пластичним, напівсухим або шлікерним (мокрим) способами.

Пластичне формування застосовують тоді, коли глиниста сировина волога, пухка, добре розмокає у воді, утворюючи однорідну масу. Для цього використовують легкоплавкі середньо- та помірнопластичні глини, що містять 40…50% піску.

Основною умовою застосування пластичного способу є використання в'язких мас, в яких сили внутрішнього зчеплення (когезія) переважають над силами зчеплення з поверхнею формувального обладнання (адгезія).

Найчастіше методом пластичного формування виготовляють керамічну цеглу і камені, черепицю, труби і деякі види керамічних плиток.

Застосовуючи пластичний спосіб формування виробів (рис. 3.2), глину подрібнюють на вальцях грубого і тонкого помелу. Для ефективнішого подрібнення її ще піддають переробці в бігунах. Після подрібнення глину подають у глинозмішувач, де вона перемішується з добавками до однорідної пластичної маси й зволожується до вологості 20...25%. Такий спосіб передбачає формування виробів на стрічкових пресах, які можуть бути вакуумними (рис. 3.3) і безвакуумними.

За допомогою вакуумування з керамічної маси видаляється повітря, що призводить до збільшення щільності (на 6…8%) і міцності (у 1,5 рази) сирцю; міцність випалених виробів збільшується на 30…40%, середня густина - на 3…4%, а водопоглинання зменшується на 10…15%. Доцільно вакуумування проводити з парозволоженням маси для запобігання утворенню тріщин при сушінні відформованих виробів.

У стрічковому пресі (рис. 3.3) керамічна маса продавлюється гвинтовим конвеєром (8) крізь решітку (7) у вакуумну камеру (6), де розбивається ножем (5), і за допомогою гвинтового вала (1) подається у конусну головку (2) преса, де остаточно ущільнюється і продавлюється крізь формувальну частину преса - мундштук (3). При формуванні звичайної цегли мундштук має прямокутний переріз, а при виготовленні порожнистих виробів мундштук обладнують кернами, які надають порожнинам певного профілю (круглого, прямокутного, квадратного). Для формування черепиці використовують фасонні вставки у вигляді вузької щілини, а для керамічних труб - кільцеві.

З мундштука преса виходить під тиском 1,0…1,5 МПа безперервна керамічна маса певного профілю, яку розрізують автоматичним пристроєм на сирцеві вироби потрібного розміру (з урахуванням наступної усадки при сушінні і випалюванні).

Рис. 3.2. Технологічна схема виготовлення керамічної цегли пластичним способом



Рис. 3.3. Стрічковий вакуумний прес:

1 - шнековий вал; 2 - конусна головка; 3 - мундштук; 4 - глиняний брус; 5 - ніж; 6 - вакуумна камера; 7 - решітка; 8 - глинозмішувач

Сучасним різновидом пластичного способу є жорстке формування, яке дає змогу зменшити формувальну вологість керамічної маси до 13…18%. При цьому використовують глинозмішувачі й стрічкові преси більшої потужності, а також безшнекові роторні преси, які дозволяють формувати вироби при тиску 8…10 МПа і одержувати сирець підвищеної міцності (до 0,2…0,4 МПа), що забезпечує можливість укладання виробів відразу на вагонетки для сушіння і випалювання, які здійснюються в одному агрегаті.

Напівсухий спосіб передбачає пресування виробів з сипких порошкоподібних мас (прес-порошку) вологістю 8…12% під великим тиском (15…40 МПа). Різновидом його є сухий спосіб, що передбачає пресування керамічних порошків вологістю 2…8%.

За напівсухим способом виробництва (рис. 3.4) глину спочатку подрібнюють і підсушують до вологості 6…8%, потім подрібнюють у дезінтеграторах, просіюють, зволожують порошок парою до потрібної вологості і ретельно перемішують у глинозмішувачі.



Рис. 3.4. Технологічна схема виробництва цегли методом напівсухого пресування:

1 - ящиковий подавач; 2 - стрічкові конвеєри; 3 - дезінтеграторні вальці; 4 - циклон; 5 - сушильний барабан; 6 - бункер; 7 - тарілчастий живильник; 8 - дезінтегратор; 9 - елеватори; 10 - грохот; 11 - глинозмішувач із парозволожувачем; 12 - живильник; 13 - прес

Напівсухе пресування широко застосовується при виготовленні плоских тонкостінних виробів (плиток), а також для виробництва керамічної цегли і порожнистих каменів.

Цей спосіб має ряд переваг порівняно з пластичним формуванням, а саме: відкривається можливість використання малопластичних глин, більшої кількості спіснювальних добавок (золи, шлаку, відходів вуглезбагачення); відформовані вироби мають більш точні розміри і правильну геометричну форму; виключається з технологічного циклу складний та тривалий процес сушіння перед випалюванням, скорочується тривалість всього технологічного циклу майже вдвічі, зменшується потреба у виробничих площах і кількості працівників.

Пресування виробів відбувається в індивідуальних пресформах на пресах різних конструкцій: колінно-важільних, ротаційних і гідравлічних; воно може бути одно- чи двостороннім. Оптимальна величина пресового тиску залежить від виду сировини. Наприклад, для глин тиск становить 20…30 МПа, діатомітів - 15…25 МПа, аргілітів і відходів вуглезбагачення - 25…40 МПа.

До недоліків напівсухого пресування треба віднести необхідність використання більш складного пресового обладнання, підвищеної температури випалювання виробів та висококваліфікованого обслуговування. Крім того, цегла напівсухого пресування має меншу морозостійкість.

Шлікерний (мокрий) спосіб полягає в тому, що вихідні матеріали подрібнюють разом з водою в кульовому млині при вологості 45…60% до одержання однорідної маси - шлікера. Залежно від способу формування виробів шлікер використовують як безпосередньо для виробів, що отримують методом лиття, так і після його сушіння до порошкоподібного стану в розпорошувальних сушарках - для виготовлення виробів напівсухим пресуванням. Методом лиття виготовляють вироби складної конфігурації та тонкостінні, наприклад, санітарно-технічні, мозаїчні плитки; напівсухим пресуванням з порошку - облицювальні плитки та плитки для підлоги.

Проміжною операцією технологічного процесу виробництва керамічних виробів є сушіння. Воно необхідне для надання сирцю механічної міцності й підготовки його до випалювання. Це досить відповідальний етап технології, оскільки саме тут виникають тріщини, які остаточно виявляються при наступному випалюванні. Сирець, відформований пластичним способом, висушують до вологості 6…10%, а в разі використання напівсухого пресування залишкова вологість після сушіння залежить від виду виробу: для цегли - 4…6%, для плитки - до 1%. Сушіння сирцю напівсухого пресування може відбуватися одночасно з процесом випалювання у печі. Найскладнішим і найтривалішим є процес сушіння сирцю складної конфігурації, одержаного з шлікерної маси литтям у гіпсові форми (санітарно-технічні вироби).

Сушіння - це складний теплофізичний процес, пов'язаний з тепло- і масообміном між вологим сирцем і зовнішнім середовищем. У процесі сушіння відбувається переміщення вологи з середини до поверхні сирцю (внутрішня дифузія) і випаровування вологи з поверхні сирцю у зовнішнє середовище (зовнішня дифузія).

Внутрішня дифузія проходить значно повільніше, ніж зовнішня і в основному залежить від вологопровідності матеріалу, яка, в свою чергу, визначається пористістю і градієнтами вологості, температури та тиску на поверхні і в центрі сирцю. Зовнішня дифузія залежить від температури, вологості і швидкості переміщення теплоносія.

Невідповідність між внутрішньою і зовнішньою дифузією обумовлює перепад вологовмісту у виробах і відповідний перепад усадочних деформацій: поверхневі шари висушуються швидше і мають більшу усадку, ніж внутрішні. Це призводить до виникнення в процесі сушіння розтягувальних напружень у поверхневих шарах та стискувальних - у внутрішніх і у випадку перевищення границі міцності матеріалу - до утворення тріщин у поверхневих шарах.

Отже, регулювання процесів внутрішньої та зовнішньої дифузії дає змогу досягти основної задачі сушіння - забезпечити одержання виробів без тріщин і деформацій за короткий час з найменшими витратами палива і енергії.

Процеси внутрішньої дифузії регулюються введенням у керамічну масу спіснювальних та вигоряючих добавок, електролітів, умовами формування, прогріванням і вакуумуванням маси, а процеси зовнішньої дифузії - режимом сушіння, який характеризується трьома основними параметрами: температурою, відносною вологістю теплоносія та швидкістю його руху в сушарках.

Сушіння відформованих виробів може бути природним (на відкритому повітрі) та штучним (у спеціальних пристроях-сушарках). Процес природного сушіння використовується рідко, оскільки має ряд недоліків, в тому числі є досить тривалим (до 20-ти діб), суттєво залежить від кліматичних умов, потребує значних сушильних площ і робочої сили для обслуговування сушарок, важко піддається регулюванню, має обмежені можливості щодо механізації виробничих операцій.

Штучне сушіння відбувається в сушарках періодичної або безперервної дії.

До сушарок періодичної дії відносять камерні сушарки (рис. 3.5). За конструкцією - це камери завдовжки 10…18 м, завширшки 0,9…1,45 м, заввишки 2,1…3,0 м; зазвичай їх групують у блоки від 20 до 48 шт. Внутрішні стіни камери мають виступи (6), на які укладають сушильні рамки (7) з відформованими виробами (8).

Теплоносій надходить у камеру крізь нижні підвідні канали (1), а після охолодження й насичення парою опускається і відводиться крізь відвідний канал (3). Подача та відбір теплоносія відбувається за допомогою вентиляторів, які забезпечують інтенсивну циркуляцію теплоносія в середині камер.

Камерні сушарки працюють періодично - циклами: завантаження, сушіння, розвантаження.

Режим сушіння у камерних сушарках характеризується такими параметрами: температура теплоносія в центральному каналі 130…170^оС, відпрацьованого теплоносія - 40…50^оС, тривалість сушіння 30…72 год. Як теплоносій використовують гаряче повітря із зони охолодження печей або калориферів.

Рис. 3.5. Схема камерної сушарки:

Камерні сушарки використовують для сушіння керамічної цегли, санітарно-технічних виробів, каналізаційних труб.

Недоліки камерних сушарок: нерівномірне сушіння виробів через різницю температури теплоносія і його вологості по поперечному перерізу камери, невелика швидкість теплоносія, періодичність роботи, втрати часу (до 10%) на завантаження і вивантаження виробів. Однак в камерних сушарках можливе сушіння відформованих виробів за індивідуальним режимом.

До сушарок неперервної дії відносять тунельні, які працюють за принципом протитечії: назустріч сирцю рухається теплоносій, що надходить у тунель з розвантажувального кінця печі.

Тунельна сушарка - це камера завдовжки 24…26 м, заввишки 1,4…1,8 м, завширшки 1,0…3,6 м (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема тунельної сушарки:

1 - рейкова колія; 2 - канал для підведення теплоносія; 3 - вагонетки з сирцем; 4 - канал для відведення теплоносія

Тунелі об'єднують у блоки по 4…20 шт. із загальними каналами для подачі та відбору теплоносія. Сирець надходить до тунельних сушарок на вагонетках (сушильних або пічних), які пересуваються у тунелях по рейкових коліях за допомогою пересувних або канатних штовхачів.

Температура теплоносія, що подається у центральний підвідний канал, становить 100…140^оС, а при видаленні з сушарки - 30…45^оС (при відносній вологості 75…95%); тривалість сушіння 12…50 год. Як теплоносій використовують топкові або пічні гази. Тунельні сушарки використовують для сушіння керамічної цегли і каменів, облицювальних плиток, санітарно-технічних виробів, дренажних та каналізаційних труб.

Основні переваги тунельних сушарок: високий рівень механізації, висока продуктивність праці. Недоліками тунельних печей є потреба у великій кількості вагонеток та їхня корозія, нерівномірність сушіння виробів по поперечному перерізу тунелю.

До сушарок неперервної дії відносять також конвеєрні сушарки, які широко застосовують для сушіння керамічних плиток різних видів. Вони можуть бути радіаційними або радіаційно-конвективними з однорядним сушінням на роликових, сітчастих чи ланцюгових конвеєрах, що дозволяє скоротити термін сушіння до 7…9 хв. Використання таких сушарок у комплексі з шлікерним способом підготовки керамічної маси, одержанням прес-порошку у баштових розпорошувальних сушарках і однорядним випалюванням у щілинних печах дало змогу створити потоково-автоматизовані конвеєрні лінії для виготовлення плиток з різними джерелами теплопостачання і різною продуктивністю.

Конвеєрні сушарки використовують також для сушіння виробів стінової кераміки, санітарно-технічних виробів і труб.

Випалювання керамічних виробів є завершальною стадією виготовлення керамічних виробів, при якій формуються їхні основні властивості: щільність, міцність, водо-, кислото- і морозостійкість тощо. Режиму випалювання треба приділяти особливу увагу, оскільки дефекти виробів, що виникають на цій стадії, є необоротними.

Під час випалювання відбуваються тепло- і масообмінні процеси, а також складні фізико-хімічні процеси між складовими керамічної маси.

При нагріванні сирцевих виробів до 200^оС видаляється вільна гігроскопічна волога і відбувається досушування виробів. Цей процес характеризується поглинанням теплоти (ендотермічний ефект), а пара, що утворюється при цьому, при швидкому підйомі температури може розірвати виріб. При подальшому нагріванні до 300…400^оС відбувається вигоряння органічних речовини та видалення летких сполук.

Глинисті мінерали при температурі 450…700^оС дегідратуються (видаляється кристалізаційна вода), що супроводжується невеликою усадкою матеріалу і втратою пластичності.

В інтервалі температур 700…1000^оС утворюється в невеликій кількості рідка фаза, в якій частково розчиняються деякі складові глинистої сировини, і починається синтез штучних мінералів.

Рідка фаза обволікає нерозплавлені частинки, частково заповнюючи проміжки між ними, і внаслідок сил поверхневого натягу зближує їх, викликаючи ущільнення і усадку виробів. Після охолодження їх утворюється досить міцний та водостійкий черепок.

Таким чином, у процесі випалювання глинистих виробів формування їхньої структури відбувається внаслідок утворення рідкої фази, протікання реакцій у твердій фазі і зрощення новоутворених кристалічних форм, а також рекристалізації первинних сполук. Зі збільшенням кількості рідкої фази керамічна маса розм'якшується (переходить у піропластичний стан), але вироби не втрачають здатності зберігати свою форму. Подальше підвищення температури і збільшення кількості розплаву призводять до деформації виробів (перепал), а потім - до спучування внаслідок газоутворення в замкнених порах.

Фізико-хімічні процеси при випалюванні відбуваються також у домішках і добавках, що містяться у керамічній масі.

Так, піщані домішки, представлені в основному в-кварцом, піддаються модифікаційним перетворенням: при температурі 575^оС в-кварц переходить у б-кварц, який при 1050^оС трансформується у б-кристобаліт. Ці процеси супроводжуються збільшенням об'єму, величина якого зростає з підвищенням температури.