Сырье для производства керамических изделий

Основным сырьем для производства керамических изделий являются глинистые материалы, трепельные, аргиллитовые и диатомитовые породы, органические и минеральные добавки, плавни.

2.1. Глины, их состав и свойства

Термином «глина» обозначают тонкодисперсную фрак­цию горных пород, состоящих из глинообразующих минералов (водных алюмосиликатов) и примесей иных материалов, способную при затворении с водой образо­вывать пластичное тесто, которое в высушенном состоя­нии обладает некоторой прочностью, а после обжига приобретает камнеподобные свойства.

Глины образовывались в результате механического разрушения и химического разложения изверженных полевошпатовых и метаморфических горных пород (гранитов, гнейсов, порфиров, туфов и др.). Разрушение горных пород происходит под влиянием солнца, воды и резких перепадов температур, а химическое разложе­ние вызывается действием воды и углекислоты на поле­вой шпат, в результате чего образуется минерал каоли­нит — водный алюмосиликат А12О3 • 2SiO2 • 2Н2О. Глины, состоящие в основном из каолинита, называются каолинами. Размер частиц каолина менее 0,01 мм. После обжига эти глины сохраняют преимущественно белый цвет. Каолины относят к первичным глинам. Основные месторождения каолина — Полевское, Кыш-тымское, Астафьевское, Невьянское (РСФСР); Глуховецкое, Белая Балка, Лозовиковское, Пологское, Просяновское (Украина). .

Вторичными считают глины, которые отлагались в новых местах в результате перенбса продуктов раз­рушения горных пород дождевыми или <|неговыми водами, ледниками, ветрами. Вторичные глины:содержат различные примеси — кварц, известняк, гипс, соединения магния и железа, органические и другие вещества, влияющие на свойства глин. Глины с незначительным количеством примесей называют огнеупорными, а глины с большим содержанием примесей — легкоплавкими обыкновенными.

Основные месторождения огнеупорных глин: Латнен-ское, Трошковское, Ужельское, Часов-ярское, Ново­швейцарское и др.

Каолины применяют для производства фарфоровых и фаянсовых изделий; огнеупорные глины — для кера­мических труб и терракотовых изделий; легкоплавкие глины — для изготовления керамзита, гончарных и кир-пично-черепичных изделий.

Кроме каолинитовых, в природе встречаются гидро­слюдистые глины, образованные в результате выветри­вания силикатных пород в условиях повышенной влаж­ности, и бентонитовые, полученные в результате вывет­ривания туфов, вулканических пеплов и др. Бентони­товые глины добывают на Гумбрайском, Аксанском, Черкасском, Оглалинском и других месторождениях. Гидрослюдистые легкоплавкие глины широко применяют в производстве строительной керамики, а бентонито­вые — для изготовления фарфоровых изделий, промы­вочных растворов при бурении, обогащения железных руд, осветления жидкостей.

Глинистое сырье классифицируют по химико-минера­логическому составу (глины каолинитовые, монтморилло-нитовые, гидрослюдистые), по назначению (кирпичные, керамзитовые, фарфоро-фаянсовые и др.), по огне­упорности (огнеупорные, имеющие огнеупорность свыше 1580°С, тугоплавкие — от 1350 до 1580°С и легко­плавкие— до 1350 °С).

Пригодность глинистого сырья для производства того или иного вида изделий определяется его свой­ствами, зависящими от химико-минералогического и гранулометрического состава. Химический состав каоли­нитовых глин включает 39,5% А1₂О₃ (глинозема), 46,5% Si0₂ (кремнезема) и 14% Н₂О (химически связанной воды). Вторичные глины состоят из оксидов кремния, I алюминия, железа, титана, кальция, магния, натрия, калия и солей, а также органических веществ и воды.

В глинах наиболее характерных видов содержится, %: кремнезема — 46—85, глинозема — 10—35, оксида железа — 0,2—10, оксида кальция — 0,03—6, диоксида титана — 0,2—1,5, оксида щелочных металлов — 0,1—6, сернистого ангидрида — 0—0,5. Потери при прокали­вании составляют 8—14'.

Кремнезем в глинах может находиться как в свя­занном состоянии, входя в состав глинообразующих минералов, так и в свободном, представленном при­месями кварцевого песка. Сильно запесоченные глины обычно являются легкоплавкими. Они отличаются ухудшенными формовочными и обжиговыми свойствами, низкой пластичностью. Изделия из них имеют высокую пористость, малую механическую прочность и низкую морозостойкость.

Глинозем — основная часть глин. В составе глино­образующих минералов находится в связанном состоя­нии. С увеличением содержания глинозема в глинах повышается пластичность, огнеупорность и прочность изделий.

Диоксид титана в зависимости от соотношения с другими оксидами придает обожженным изделиям зеленоватую окраску.

¹ Потери при прокаливании (ППП) — вещества, способные испаряться, сгорать и т. д. (органические вещества, механически связанная и кристаллизационная вода).

• Помимо оксида железа Fe₂0₃ в виде примесей в глинах могут присутствовать закись железа Fed, пирит Fe₂S, гидроксид железа и карбонат железа, которые после обжига придают изделиям красноватый оттенок.

Закись железа FeO во время обжига изделий дейст­вует как плавень¹, а оксид железа Fe₂O₃ кристалли­зуется в гематит или при взаимодействии с органи­ческими примесями переходит в закись, оказывая, как и плавни, флюсующее действие и снижая огнеупор­ность глин. Это увеличивает опасность подвара изделий в процессе обжига в местах высоких температур (выше 1000 °С).

Оксиды кальция и магния находятся в глинах в виде СаС0₃ и MgCO₃. Оксид кальция понижает темпе­ратуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изде­лий, придавая им желтый или розовый цвет, снижает прочность и морозостойкость, повышает пористость. Оксид магния меньше влияет на качество керами­ческих изделий.

Оксиды щелочных металлов являются сильными плавнями, они понижают температуру обжига и повы­шают плотность и прочность изделий. Присутствие их в глинах ослабляет красящие свойства оксида железа и диоксида титана.

Органические вещества в глинах в виде остатков растений и гумусовых веществ снижают огнеупорность глин, повышают пластичность за счет большого коли­чества связанной воды и, следовательно, повышают воздушную усадку. С увеличением их содержания уве­личивается пористость и снижается механическая прочность изделий.

Гранулометрический состав глин— процентное со­держание зерен различной величины в глинистой породе. Характеризуется большим разнообразием.

Размеры частиц легкоплавких глин, мкм:

Менее 5................................................ 8—60%

5—50........................................................ 6—55%

50—250 . ............................................ 1—22%

Более 1000.............................................. 10%

Фракции с размером частиц 5 — 50 мкм относятся к пылевидным, от 50 мкм до 2 мм — к песчаным. Фрак­цию более 2 мм считают включениями.

Повышенное содержание частиц размером менее 5 мкм придает глинам высокую пластичность и чувст­вительность к сушке, увеличивает усадку изделий при обжиге. Повышенное содержание пылевидной фракции в глинах повышает чувствительность к сушке и обжигу, снижает прочность изделий. Глины, содержащие круп­нозернистый песок, менее чувствительны к сушке, чем глины, содержащие тонкодисперсный песок. Следова­тельно, зная гранулометрический и вещественный со­ставы глин, можно ориентировочно определять их при­годность для изготовления керамических изделий того или иного вида.

Так, для тонкостенных и крупноразмерных керами­ческих камней содержание фракций меньше 2 мкм должно быть в пределах 24 — 50%, фракци-й размером 2—20 мкм — 30—47%, более 20 мкм — 6—34%.

К основным технологическим свойствам глин отно­сят пластичность, воздушную и огневую усадку, огне­упорность, спекаемость и цвет изделий после обжига. Пластичностьюназывается свойство глин при смеши­вании с водой давать вязкое тесто, которому можно придать любую форму, сохраняющуюся после снятия нагрузок. Степень пластичности глин характеризуется числом пластичности П. Например, если абсолютная влажность глины при нижнем пределе текучести W_T — 45%, а на границе рас­катывания 1^_р = 25%, то степень пластичности составит 45 — 25 = 20%, а число пластичности будет 20. Оно опре­деляет интервал влажности, в котором глина сохра­няет пластическое состояние.

По числу пластичности П глины классифицируют (ГОСТ 9169 — 75) на высокопластичные с П более 25; среднепластичные с П=15...25; умереннопластичные. с П = 7...15; малопластичные с П = 3...7 и непластичные (теста из них не получается). Пластичность зависит от гранулометрического и минералогического состава, вида глинистых минералов. Пластичность можно уве­личить механическим измельчением, длительным выле­живанием, промораживанием, добавкой более пластич­ных глин и пластифицирующих добавок, например лигносульфоната технического (ЛСТ)¹.

Высокопластичные глины требуют больше воды для приготовления формовочных-масс, их влажность 25—30% и более; влажность среднепластичных глин 20—25%, а для малопластичных 15—20%. При этом глины с большей влажностью более чувствительны к сушке. Пластичность можно уменьшить введением отстающих материалов (песка, шлака, дегидратированной глины). Связующей способностьюглин называется способ­ность сохранять пластичность при введении в них не­пластичных материалов (песка, шамота и др.). Глина способна связывать частицы песка или шамота и обра­зовывать прочное изделие. Критерием связующей спо­собности является число пластичности массы. Измеря­ется связующая способность глин количеством нор­мального² (ГОСТ 6139—78) песка, при добавлении которого образуется масса с числом пластичности 7. Высокопластичные глины способны связывать 60— 80% нормального песка, пластичные — 20—60%, то­щие—до 20%.

Воздушной усадкойназывается уменьшение линей­ных размеров и объема изделий, отформованных и вы­сушенных при температуре до 110°С.Огневой усадкойназывается уменьшение линейных размеров и объема изделий после обжига вследствие того что легкоплавкие составляющие глины расплав­ляются и частицы глины в местах их контакта сбли­жаются. Определяется огневая усадка по формулам, %:

£обож= К/,— У/',] юо; Уа_бож = [(У, -.vy/yj юо,

где /, и у, — соответственно линейный размер и объем изделия до обжига; /₂ и у_г — то же, после обжига. Колеблется от 2 до 8% в зависимости от состава глин.

Полную усадку вычисляют по формулам, %:

L= 1(/о-/₂)/'о] ЮО; у= [(Уа-Уг)/У] ЮО.

Полная усадка может находиться в пределах от 2 до 15%.

Огнеупорностью называется свойство глин сопротив­ляться действию высоких температур, не расплавляясь. Показателем огнеупорности является температура, при которой пироскоп — образец из данного материала в виде трехгранной усеченной призмы определенных раз­меров — деформируется под влиянием собственной тя­жести, касаясь вершиной керамической подставки-. Огнеупорность зависит от химического состава глин, а также характера газовой среды при обжиге глин, содержащих оксиды железа.

Спекаемость— способность глин под действием вы­соких температур превращаться в плотный камне-подобный черенок с водопоглощением менее 5%. В за­висимости от степени спекания глины делят на сильно­спекающиеся, среднеспекающиеся и неспекающиеся. К сильноспекающимся относят глины, способные при обжиге давать черепок без признаков пережога с водо­поглощением не выше 2%. Водопоглощение черепка среднеспекающихся глин не выше 5%, а неспекающих­ся — свыше 5%.

По температуре спекания различают глины низко­температурного спекания (до 1100°С), среднетемпера-турного (от 1100 до 1300 °С) и высокотемпературного (свыше 1300°С).

Количественно степень спекаемости глин характери­зуется температурным интервалом спекания и интер­валом спекшегося состояния. Температурным интервалом спекания называют разность между температурой, при которой отмечаются признаки пережога (оплав­ление или вспучивание), и температурой началу спе­кания глины, при которой начинается интенсивное уплотнение обжигаемого материала. Разность между температурой, при которой отмечаются признаки пере­жога, и температурой, при которой водопоглощение материала равно 5% (ниже этой величины лежит область спекшегося состояния), называют интервалом спекшегося состояния.

' Интервал спекания — важнейший технологический показатель, он определяет режим конечной стадии обжига изделий, при котором они приобретают конди­ционные свойства. Наименьший интервал спекания у легкоплавких глин (50—100 °С), а наибольший (до 400 °С.) — у огнеупррных.

Спекаемость — одно из основных свойств, определя­ющих пригодность глин для производства изделий фасадной керамики.

Трепелы и диатомиты

Трепелы и диатомиты представляют собой рыхлые или землистые массы светлых тонов, богатые аморф­ным кремнеземом. Запасы этих пород в СССР много­численны. Образовались они из панцирей диатомитовых водорослей, которые после 'отмирания растений скап­ливались на дне водоемов и уплотнялись с прослойками ила и глины. Трепел более раннего происхождения, в нем панцири превратились в микроскопические зерна опаловидного кремнезема. Химический состав трепелов и диатомитов, %: SiO₂ — 70—96; А1₂О₃ — 5—15; Fe₂O₃ — 2—5; СаО^-0,5—5; MgO — 0,5—3; ППП — 4—8. Фи­зические свойства их тоже близки: средняя плотность 350—1270 кг/м³, пористость 50—85%, твердость 1—3, плотность 2—2,7 г/см³, теплопроводность 0,17—0,23 Вт/ / (м • °С). По гранулометрическому составу они схожи с глинами, обладают высокой пластичностью.

Трепелы и диатомиты применяются в производстве кирпича и пустотелых камней как основное сырье. Кирпич-сырец из этого сырья не трескается при быстрой сушке и не деформируется, дает малую усадку при обжиге. Однако изделия из них недостаточно морозо­стойки, поэтому для увеличения морозостойкости в формуемую массу вводят уголь или опилки, повышают' температуру обжига, подвергают массу вакуумированию для удаления из нее воздуха.

Добавки

Для получения керамических изделий с определен­ными свойствами в глину вводят различные добавки. Отощающие добавки(кварцевый песок, де*гидратиро-ванную глину¹, шамот², бой кирпича, измельченный шлак, золу и др.) вводят для уменьшения пластич­ности глин и, следовательно, линейной усадки при суШке. и обжиге за счет меньшей водопотребности глиняного теста.

Выгорающие добавки(древесные опилки, угольный порошок, торфяную пыль, коксовую мелочь, золы ТЭС и др.) вводят для получения изделий с меньшей средней плотностью и повышенной пористостью. Опилки улучшают формовочные свойства глиняной массы, но снижают прочность изделий и повышают водопогло­щение. Однако благодаря длинным волокнам они ар­мируют глиняную массу и повышают сопротивление разрыву и трещиностойкость в сушке.

Обогащающие и пластифицирующие добавки(высоко­пластичные глины, бентонитовые глины³, отходы при добыче угля, ЛСТ и др.) вводят в глины для обога­щения малоглиноземистого сырья, увеличения его плас­тичности, улучшения формовочных и сушильных свойств глин.

Плавнивводят в сырьевую смесь для того, чтобы повысить плотность изделий, получить сплавленную массу. Они способны при обжиге образовывать с SiO₂ и А1₂О₃ более легкоплавкие силикатные расплавы. Плавни представляют собой горные породы и минералы магматического (пегматит, сиенит, полевые шпаты, пор-

¹ Дегидратированная глина — обожженная до температуры, при
которой она теряет химически связанную воду и свойство пластич­
ности. Температура дегидратации обычно равна 700—750 °С.

² Шамот — керамический материал, полученный обжигом глины.

³ Бентонитовые глины — глины, в составе которых преобладают
монтмоиллонитовые минералы.

фиры, гранит) или осадочного (известняк, доломит, магнезит) происхождения.