Сировина, основи технології виробництва керамічних матеріалів.

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 шихто-запасниках 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 - дезінтегра-торні 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 формуваннявиробів 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 глинозмі-шувач, 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 - наЗ..4%, а водопоглинання зменшується на 10... 15%. Доцільно вакуумування

проводити з парозволоженням маси для запобігання утворенню тріщин при сушінні відформованих виробів. У стрічковому пресі керамічна маса продавлюється гвинтовим конвеєром крізь решітку у вакуумну камеру , де розбивається ножем , і за допомогою гвинтового вала подається у конусну головку преса, де ос­таточно ущільнюється і продавлюється крізь формувальну частину преса — мундштук . 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).

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 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. ти одно- чи двостороннім. Оптимальна величина пресового тиску залежить від виду сировини. Наприклад, для глин тиск становить 20...ЗО 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: повер-хневі 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. 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 , на які укладають сушильні рамки з відформованими виро­бами

Теплоносій надходить у камеру крізь нижні підвідні канали , а після охо­лодження й насичення парою опускається і відводиться крізь відвідний канал . 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°С, відпрацьованого теплоносія — 40...50°С, тривалість сушіння 30...72 год. Як теплоносій використо­вують гаряче повітря із зони охолодження печей або калориферів.

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 . 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°С, а при видаленні з сушарки - 30...45°С (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°С 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°С відбувається вигоряння органічних речовини та видалення летких сполук.

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

В інтервалі температур 700...1000°С 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. Процес випалювання поділяють умовно на три етапи: нагрівання до мак­симальної температури, ізотермічна витримка та охолодження. Режим випалю­вання для кожного температурного інтервалу й виду виробів визначають роз­рахунково-експериментальним методом.

Для випалювання керамічних виробів використовують спеціальні печі: кільцеві, тунельні, щілинні, роликові тощо. За принципом дії печі можуть бути неперервної та періодичної дії. У печах періодичної дії (кільцевих) процес ви­палювання відбувається періодично: випалювальну камеру завантажують сир­цем, підігрівають, потім випалюють сирець, охолоджують і вивантажують гото­ві вироби. Такі печі використовують тільки на невеликих підприємствах для виготовлення малотиражних або унікальних виробів, хімічно стійкої апаратури тощо. У цих печах палива витрачається у 2...З рази більше, ніж у печах постій­ної дії, де всі процеси випалювання відбуваються одночасно, не припиняючись у період завантаження й розвантаження.

Найбільшого поширення набули тунельні печі безперервної дії, в яких зо­на випалювання нерухома, а відформовані вироби пересуваються на вагонет­ках, стрічкових або роликових конвеєрах назустріч теплоносію. Тунельні печі бувають одно- і багатоканальними, щілинними. Нагрівання виробів може від­буватися безпосередньо відкритим полум'ям, за допомогою екранів-муфелів або електричним струмом.

Тунельна піч має три зони: підігрівання, випалювання та охолодження. Режим випалювання в тунельних печах призначають залежно від виду, форми, розмірів виробів і виду теплоносія.

Використання тунельної печі дає змогу механізувати та автоматизувати процес випалювання, забезпечує кращі санітарно-гігієнічні умови праці та ви­щу продуктивність порівняно з кільцевими печами. Процес випалювання поділяють умовно на три етапи: нагрівання до мак­симальної температури, ізотермічна витримка та охолодження. Режим випалю­вання для кожного температурного інтервалу й виду виробів визначають роз­рахунково-експериментальним методом.

Для випалювання керамічних виробів використовують спеціальні печі: кільцеві, тунельні, щілинні, роликові тощо. За принципом дії печі можуть бути неперервної та періодичної дії. У печах періодичної дії (кільцевих) процес ви­палювання відбувається періодично: випалювальну камеру завантажують сир­цем, підігрівають, потім випалюють сирець, охолоджують і вивантажують гото­ві вироби. Такі печі використовують тільки на невеликих підприємствах для виготовлення малотиражних або унікальних виробів, хімічно стійкої апаратури тощо. У цих печах палива витрачається у 2...З рази більше, ніж у печах постій­ної дії, де всі процеси випалювання відбуваються одночасно, не припиняючись у період завантаження й розвантаження.

Найбільшого поширення набули тунельні печі безперервної дії, в яких зо­на випалювання нерухома, а відформовані вироби пересуваються на вагонет­ках, стрічкових або роликових конвеєрах назустріч теплоносію. Тунельні печі бувають одно- і багатоканальними, щілинними. Нагрівання виробів може від­буватися безпосередньо відкритим полум'ям, за допомогою екранів-муфелів або електричним струмом.

Тунельна піч має три зони: підігрівання, випалювання та охолодження. Режим випалювання в тунельних печах призначають залежно від виду, форми, розмірів виробів і виду теплоносія.

Використання тунельної печі дає змогу механізувати та автоматизувати процес випалювання, забезпечує кращі санітарно-гігієнічні умови праці та ви­щу продуктивність порівняно з кільцевими печами. Процес випалювання поділяють умовно на три етапи: нагрівання до мак­симальної температури, ізотермічна витримка та охолодження. Режим випалю­вання для кожного температурного інтервалу й виду виробів визначають роз­рахунково-експериментальним методом.

Для випалювання керамічних виробів використовують спеціальні печі: кільцеві, тунельні, щілинні, роликові тощо. За принципом дії печі можуть бути неперервної та періодичної дії. У печах періодичної дії (кільцевих) процес ви­палювання відбувається періодично: випалювальну камеру завантажують сир­цем, підігрівають, потім випалюють сирець, охолоджують і вивантажують гото­ві вироби. Такі печі використовують тільки на невеликих підприємствах для виготовлення малотиражних або унікальних виробів, хімічно стійкої апаратури тощо. У цих печах палива витрачається у 2...З рази більше, ніж у печах постій­ної дії, де всі процеси випалювання відбуваються одночасно, не припиняючись у період завантаження й розвантаження.

Найбільшого поширення набули тунельні печі безперервної дії, в яких зо­на випалювання нерухома, а відформовані вироби пересуваються на вагонет­ках, стрічкових або роликових конвеєрах назустріч теплоносію. Тунельні печі бувають одно- і багатоканальними, щілинними. Нагрівання виробів може від­буватися безпосередньо відкритим полум'ям, за допомогою екранів-муфелів або електричним струмом.

Тунельна піч має три зони: підігрівання, випалювання та охолодження. Режим випалювання в тунельних печах призначають залежно від виду, форми, розмірів виробів і виду теплоносія.

Використання тунельної печі дає змогу механізувати та автоматизувати процес випалювання, забезпечує кращі санітарно-гігієнічні умови праці та ви­щу продуктивність порівняно з кільцевими печами. Для виготовлення керамічних виробів з малочутливої до сушіння глинистої сировини краще застосовувати теплові установки, в яких відбувається сушіння і випалювання в одному агрегаті. Це дозволяє знизити трудові витрати на 35%, витрати палива на 20...25%, собівартість виробів на 25...30%, повністю автоматизувати виробництво.