Керамические строительные материалы
Технология керамики ‑ наука о совокупности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления керамических изделий, их практическом воплощении.
Керамика (гр. keramike ‑ гончарное искусство, keramos ‑ глина) ‑ искусственные изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками.
Керамические изделия характеризуются хорошими эксплуатационными, механическими, химическими свойствами. Эти свойства обусловливают долговечность керамических изделий в строительных конструкциях. Вместе с тем керамические изделия имеют следующие недостатки: сравнительно высокие плотность и теплопроводность.
Керамика является самым древним из искусственных материалов. Ее технология в последнее время бурно развивается ‑ на керамической основе создаются так называемые композиционные материалы (см. подробнее параграф 15.1).
Основными классификационными признаками керамических изделий являются их структура и назначение. По структуре керамика может быть:
• грубая (главным образом строительная керамика);
• тонкая с однородной мелкозернистой структурой (главным образом фарфор);
• пористая с мелкозернистой структурой (фаянс, майолика и др.);
• высокопористая (теплоизоляционные керамические материалы).
По назначениюкерамику подразделяют на следующие группы:
• строительная (кирпич, панели, перекрытия, черепица, об лицовочные плитки и др.);
• бытовая (посуда, художественные изделия и др.);
• санитарно-техническая (умывальники, ванны, унитазы и др.);
• химически стойкая (трубы, детали химической аппаратуры);
• электротехническая, радиотехническая (например, керамические конденсаторы и изоляторы);
• теплоизоляционная (пенокерамика, ячеистая керамика и др.);
• огнеупорная (например, шамотный кирпич для футеровки печей, вагранок);
• керамика для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы);
• заполнители легких бетонов (например, керамзит, аглопорит).
Сырьевые материалы, используемые для производства керамических изделий, подразделяют на пластичные и непластичные.
Основным пластичным материалом является глина - осадочная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.). Разновидности глины выделяют по преобладанию того или иного глинистого минерала. Главные компоненты глины: S1O2 (30‑ 70 %), А12О3 (10‑40 %) и Н2О (5‑10 %).
Основными непластичными материалами являются: отощающие материалы ‑ песок, шлак (для снижения пластичности и усадки глин); флюсы ‑ мрамор, доломит (для снижения температуры спекания глин); порообразугощие материалы ‑ мел, древесные опилки, зола (для снижения теплопроводности); специальные добавки (например, красители).
Вне зависимости от вида и назначения керамических изделий в технологии керамики выделяют следующие основные стадии:
• карьерные работы;
• подготовка глиняной массы;
• формование изделий;
• сушка отформованных изделий;
• обжиг высушенных изделий;
• поверхностная обработка керамических изделий.
Керамические заводы, как правило, строятся вблизи месторождений глины, поэтому карьер является составным элементом структуры предприятия.
Карьерные работы включают в себя добычу глины, транспортирование и хранение ее запаса на зимний период, когда добыча глины не производится. Таким образом, на данной стадии используются преимущественно механические процессы.
Подготовка глиняной массы заключается в разрушении естественной структуры глины, удалении твердых каменистых включений, измельчении и увлажнении для получения однородной массы с требуемыми формовочными свойствами. На этой стадии используются в основном механические и гидромеханические процессы.
В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции различают следующие способы подготовки глиняной массы: полусухой, пластический и мокрый (шликерный). При полусухом способе сырьевые материалы после предварительного дробления выдерживают в сушильном барабане (до остаточной влажности 6‑8 %), затем измельчают, просеивают, увлажняют (до влажности 8‑12 %) и тщательно перемешивают. Полусухой способ подготовки глиняной массы используется в основном при производстве плиток для облицовки стен, полов.
При пластическом способе подготовки глиняной массы исходное сырье дробят, тонко измельчают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18‑22 %. Этот способ применяется при производстве глиняного кирпича, черепицы, труб.
При шликерном способе подготовки глиняной массы высушенные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения однородной массы ‑ шликера, который используют для получения изделий способом литья (санитарно-технические изделия, декоративная керамика и др.).
Формование заключается в придании керамическим изделиям требуемых формы и размеров. При полусухом и пластическом способах подготовки глиняной массы оно осуществляется преимущественно на прессах, при шликерном ‑ в заранее подготовленных гипсовых формах методом литья.
При производстве бытовой керамики в условиях единичного производства используется вращающийся вокруг вертикальной оси гончарный круг, на котором формование асимметричных изделий осуществляется методом пластической деформации (под действием пальцев рук).
Сушка‑ обязательная промежуточная стадия технологического процесса производства керамических изделий, по своей сущности являющаяся массообменным процессом. Если сырые изделия сразу после формования подвергнуть обжигу, то они растрескаются. Сушка в естественных условиях производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. При серийном и массовом производстве ускорение процесса сушки керамических изделий достигается путем использования либо камерных сушилок периодического действия, либо туннельных сушилок непрерывного действия.
По мере удаления влаги при сушке частицы материала сближаются и происходит его усадка. Для получения высококачественных изделий процесс сушки должен осуществляться по строгому режиму согласно определенному графику в зависимости от вида керамических изделий. Продолжительность процесса сушки составляет от 24 ч до 3 сут. Изделия необходимо высушить до остаточной влажности, не превышающей 5 %, во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге.
Обжиг является наиболее ответственной стадией производства керамических изделий, так как в процессе обжига формируется их структура, определяющая наиболее важные свойства изделий: прочность, водостойкость, морозостойкость и др. В процессе обжига происходят сложные физико-химические превращения в исходном материале (см. параграф 4.3).
Обжиг производят преимущественно в туннельных печах непрерывного действия, в которых навстречу изделиям, перемещаемым вагонетками, подаются дымовые газы. Условно печь делят на три зоны ‑ подогрева, обжига и охлаждения.
Вначале происходит досушивание керамических изделий дымовыми газами, отходящими из зоны обжига (при 100‑200 °С). При температуре 200 - 800 ° С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав исходной сырьевой смеси. В интервале температур 550‑800 °С происходят дегидратация (полное обезвоживание) глинистых минералов и удаление химически связанной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка наиболее легкоплавких глинистых минералов, и глина теряет пластичность. Легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются, происходит усадка изделий. Дальнейший подъем температуры до максимальной обусловливает существенные необратимые изменения
в структуре керамики: глина необратимо переходит в камне-видное состояние. После достижения максимальной температуры обжига изделия подвергают изотермической выдержке для выравнивания температуры по всей их толщине. Последующее охлаждение ведут очень медленно, постепенно снижая температуру до 500‑600 °С. Затем вагонетки с изделиями обдувают холодным воздухом.
Поверхностная обработкакерамических изделий предназначена главным образом для придания им привлекательного вида, декорирования и повышения стойкости к внешним воздействиям. При этом поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывают глазурью ‑ стекловидным покрытием толщиной 0,15‑0,8 мм.
Для технологии керамики характерны высокая энергоемкость и капиталоемкость производства и в то же время высокий уровень его механизации и автоматизации.
Основными направлениями развития технологии керамики являются следующие:
• улучшение технологии производства керамических изделий за счет совершенствования процессов подготовки, сушки и обжига, разработки эффективных методов формования, использования малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии);
• увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству керамических изделий (эволюционное развитие технологии);
• повышение уровня механизации и автоматизации трудоемких стадий производства керамических изделий (рационалистическое развитие технологии).