Сырье для производства керамических материалов
В техническом понимании глинами называют горные землистые породы, способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает некоторой прочностью (связностью), а после обжига приобретает камнеподобные свойства.
Основным сырьем для производства керамических материалов служат глины и каолины.
Каолины состоят преимущественно из минерала белого цвета - каолинита Al2O3.2SiO2.2H2O, имеющего частицы менее 0,01 мм; они малопластичны, характеризуются тугоплавкостью, после обжига сохраняют белый цвет.
Глиныхарактеризуются разнообразным минеральным составом: помимо каолинита состоят из родственных ему минералов - монтмориллонита Al2O3.4SiO2.nH2O и галлуазита Al2O3.2SiO2.4H2O, а также минеральных и органических примесей.
Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита, имеющего частицы размером менее 0,005 мм, весьма пластичны, сильно набухают, чувствительны к сушке и обжигу. Такие глинистые породы называют бентонитами, содержание в них частиц размером менее 0,001 мм достигает 85-90% [1].
Согласно ГОСТ 9169-75 глинистое сырье классифицируют:
- по огнеупорности;
- по содержанию А12О3;
- по содержанию красящих оксидов (Fe2О3, ТiO2,);
- по содержанию водорастворимых солей;
- по минеральному составу;
- по содержанию тонкодисперсных фракций;
- по содержанию крупнозернистых включений;
- по пластичности;
- по механической прочности на изгиб в сухом состоянии;
- по спекаемости;
- по содержанию свободного кремнезема.
2.3Свойства глин как сырья для керамических изделий
Пластичность - свойство глины во влажном состоянии принимать под влиянием внешнего воздействия желаемую форму без образования разрывов и трещин и сохранять полученную форму после прекращения действия усилий. Пластичность обусловлена образованием тонких слоев воды между пластинчатыми частицами глины, способствующих набуханию глины и скольжению частиц друг относительно друга без потери связности. Степень пластичности зависит от гранулометрического, минерального состава глин, формы частиц, содержания примесей и количества воды. Чем больше в глине содержание мельчайших частиц (менее 0,005 мм), тем она пластичнее. Пластичность характеризуется числом пластичности - Пл (разность влажностей, соответствующих пределу текучести глины и пределу раскатывания глиняного жгута). Для производства хороши умеренно пластичные глины (Пл = 7-15%). Малопластичные глины (тощие) с Пл<7% плохо формуются, а средне - (Пл =15-25%) и высокопластичные (Пл>25%) глины дают большую усадку при сушке, растрескиваются и требуют отощения.
Связность- способность глиняного теста связывать зерна непластичных материалов (песка, шамота и др.), а также образовывать при высыхании достаточно прочное изделие – сырец. Характеризуется степенью связности – усилием, необходимым для разъединения частиц глины.
Воздушная усадка - уменьшение размеров и объема сырца при его сушке за счет испарения свободной воды; она колеблется от 2 до 12% и может быть уменьшена введением отощителей и поверхностно-активных веществ, сокращающих формовочную влажность глин.
Огневая усадка - изменение размеров и объема изделий в процессе обжига, обусловленное расплавлением легкоплавких составляющих глин и сближением частиц глины между собой; она составляет от 2 до 8 % и тем выше, чем больше температура обжига. Полная усадка равна сумме воздушной и огневой.
Огнеупорность - свойство глин (и изделий из них) выдерживать воздействие высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По огнеупорности различают огнеупорные (не ниже 15800С), тугоплавкие (1350-15800С) и легкоплавкие (ниже 13500С) глины.
Спекаемость - свойство уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок. Интервал между температурой начала спекания и температурой, при которой появляются первые признаки пережога, называется интервалом спекания. Чем он больше, тем легче управлять процессом обжига, тем меньше опасность деформаций изделий.
В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает глубокие физико-механические изменения. Сначала испаряется свободная вода (до 2000С), затем выгорают органические примеси (300-4000С). При температуре 500-6000С удаляется химически связанная вода из глинистых минералов, так из каолинита образуется безводный метакаолинит Al2O3.2SiO2, который при 700-8000С разлагается на отдельные оксиды (образуется так называемый твердый раствор). С повышением температуры до 9000С и выше оксиды SiO2 и Al2O3 вновь соединяются, но в других соотношениях, образуя новый искусственный минерал муллит 3Al2O3.2SiO2. Муллит придает обожженному керамическому черепку водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита переходят в расплав легкоплавкие составляющие глины, которые скрепляют кристаллы муллита, цементируют и упрочняют материал.
Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950-10500С. Дальнейшее повышение температуры ведет к появлению пережога («железняк»), характеризующегося повышенной плотностью изделий, темным фиолетово-бурым цветом, иногда оплавленной поверхностью и деформированием изделий. Соответственно недожог характеризуется незавершенностью процессов обжига, пониженной прочностью, водо- и морозостойкостью; изделия имеют алый оттенок [1].
Природные глины в чистом виде применяются редко, чаще - в смеси с добавками различного назначения:
- отощающие добавкивводятся для понижения пластичности и уменьшения усадки глины при сушке и обжиге:
Шамотизготовляют обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при температурах 1000…1400°С. Его применяют как отощитель керамических масс, при производстве облицовочных плиток, фарфора и фаянса, шамотных огнеупоров;
Дегидратированная глина получается нагреванием обычной глины до 600…700°С, когда та теряет пластичность при удалении химически связанной воды. Ее применяют чаще в производстве грубой строительной керамики. Это позволяет снизить сроки сушки без появления трещин на изделиях;
дегидратированная глина, шлаки, золы, кварцевый песок;
Кварцевые материалы –жильный кварц, кварцевые пески и кремень. Они состоят из кремнезема и являются отощителями из-за способности не давать усадку при сушке и обжиге;
- выгорающие добавкивыгорают в процессе обжига почти целиком (за исключением зольной части):
Древесные опилки вводятся в массу для улучшения сушильных свойств полуфабриката (сырца). В обжиге они выгорают, оставляя в керамике относительно крупные поры, увеличивающие водопоглощение кирпича, теплоизоляционные свойства, но снижающие морозостойкость.
Антрацит и тощие каменные угли добавляют в глину до 60% от требуемого на обжиг объема топлива, или 2…2,5% от объема глины. В таких количествах каменный уголь оказывает небольшое влияние на пористость кирпича. Основное его назначение – создать восстановительную среду в толще обжигаемого материала. Это интенсифицирует процесс спекания и упрочнения керамики. В изломе кирпича, полученного из глины и угля, видна темно-малиновая уплотненная зона, повышающая его прочность.
Бурые угли добавляют в глину с той же целью. При их использовании увеличивается недожог кирпича вследствие улетучивания горючих веществ при температурах ниже температуры их воспламенения. Выделение тепла и газов происходит более равномерно и в более широком температурном интервале, чем при вводе антрацита, поэтому почти не возникает пережог кирпича, и его обжиг можно вести более уверенно.
Золы ТЭЦ также используются в качестве добавок в глину при производстве кирпича. Они действуют как отощители, а при наличии в золе недожога – невыгоревшего остатка кокса – как выгорающие добавки.
- плавни– это материалы, взаимодействующие в обжиге с глинистыми минералами с образованием более легкоплавких соединений. Они улучшают степень спекания и снижают температуру обжига:
Полевые шпаты широко применяемые в производстве тонкой керамики.
Доломит–двойная соль СаСО3·МgСО3. Разновидности доломита используются как заменители мела и мрамора в производстве изделий тонкой керамики. Он оказывает на керамические массы более сильное флюсующее действие, чем чистые СаСО3 и МgСО3, что позволяет снизить температуру обжига масс и глазурей.
Тальк4SiО·3МgO·Н2O имеет огнеупорность 1500…1520°С. Чаще всего он применяется в тонкой керамике, включая изделия специального назначения;
- пластифицирующие добавкииспользуют для повышения пластичности сырьевых смесей без увеличения расхода воды. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.
На некоторые виды керамических изделий для улучшения технических свойств и в декоративных целях наносят различного рода покрытия.
Различают виды покрытий:
- Глазурь– это тонкое (0,1…0,3 мм)стекловидное покрытие поверхности керамического изделия. Разновидности глазурей: по цвету – бесцветные и окрашенные, одноцветные и многоцветные, прозрачные и глухие.
По степени блеска различают глазури глянцевые и матовые, по способу приготовления – сырые и фриттованные.
По температуре плавления (разлива) бывают легкоплавкие для – температур обжига 900…1100°С и тугоплавкие – до 1350°С, по назначению – фарфоровые, фаянсовые и майоликовые, соответственно виду керамических изделий, для покрытия которых они предназначены. Иногда глазури именуют по названию основных компонентов, входящих в их состав: полевошпатовые, свинцовые, борные, циркониевые, стронциевые.
- Ангоб– это светложгущееся керамическое покрытие, наносимое на сырец из легкоплавких глин для получения после обжига керамики белого и светлого тона. Ангобы наносят поливом или пульверизацией. Ангобирование применяют при изготовлении лицевого кирпича и в качестве подглазурного слоя, маскирующего цвет керамической основы, для изделий художественной керамики.