Керамические материалы и изделия

     Иркутский Государственный Технический Университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     РЕФЕРАТ

     на  тему:

     Керамические  материалы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил:

     Студент гр. ПГС-07-4

     Созонов Павел 
 
 

    Иркутск 2009

    Общие сведения

    Обжиговые искусственные строительные конгломераты, так же как и безобжиговые, состоят из структурных элементов: вяжущего вещества, служащего матрицей, и заполнителей. В качестве вяжущего используют глины, стекломассу, каменное литье, расплавы шлака, стекломассу и другие вещества, называемые «высокотемпературными цементами».

    При отвердении вяжущего (на последних  стадиях производства) происходит переход более тугоплавких (огнеупорных) заполнителей в монолит (омоноличивание). В настоящее время большинство обжиговых строительных материалов являются микроконгломератами (стекло, металлы).

    Керамические  материалы и изделия получают до камневидного состояния различных глиняных и других порошкообразных веществ. Наибольшее применение при производстве строительной керамики получила глина (без добавок и с добавками). На древнегреческом языке слово «керамос» означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины. Глины содержат глинистые минералы и примеси, влияющие на ее цвет и свойства. Глину с высоким содержанием минерала каолинита, называют каолином, имеющим практически белый цвет. Кроме каолиновых глин разных цветов и оттенков при производстве керамики применяют монтмориллонитовые, гидрослюдистые и другие глины.

    В настоящее время в понятие  керамика входит большое количество материалов с разнообразными свойствами, применяемых в строительстве, машиностроении, электронной, ракетной и других отраслях промышленности. Для строительной керамики применяют глины, которые являются дешевым и широко распространенным в природе сырьем. Из глин с добавлением сырьевых материалов получают разнообразные керамические строительные материалы и изделия.

    По  температуре плавления глины  подразделяются на легкоплавкие (температура плавления ниже 1350°С). Они наиболее распространены в природе. Они содержат примеси песка, известняка, оксидов железа, слюды, органических веществ. Такие глины применяют для производства кирпича, черепицы, керамических камней и других материалов. Тугоплавкие глины (температура плавления 1350—1580 °С) содержат небольшое количество примесей и применяются для производства облицовочного кирпича, плиток для пола, канализационных труб. У огнеупорных глин (температура плавления выше 1580 °С), содержание А1₂0₃ составляет 35 — 40 % и более, они содержат незначительное количество легкоплавких примесей. Их применяют для изготовления огнеупорных изделий.

    Керамические  материалы и изделия выпускаются  в широком ассортименте, имеют сравнительно высокую прочность, малую деформативность, высокую химическую стойкость и долговечность. Отрицательным свойством керамики является ее хрупкость. Строительная керамика должна удовлетворять по форме, размерам, свойствам требованиям действующих стандартов и технических условий.

    Сырье для строительной керамики

    Для производства строительной керамики применяют  глины и добавочные вещества. Глина является главным структурообразующим веществом (каркасом) в керамических изделиях.

    Глины образуются главным образом в  результате выветривания магматических и некоторых других пород. В их составе преобладают глинистые минералы — водные алюмосиликаты различного состава (каолинит А1₂0₃- 2Si0₂- 2H₂0, монтмориллонит; А1₂0₃•4Si0₂•4Н₂0 и др.). Размер частиц глинистых минералов — не более 0,005 мм, преобладающая форма частиц — пластинчатая. Они содержатся в глинах в количестве 5 —90 %. Благодаря огромной поверхности и гидрофильности глинистых минералов глины обладают пластичностью при увлажнении, что является одним из главнейших ее свойств.

    Кроме глинистых минералов в глине  содержатся более крупные частицы: пыль (0,005 — 0,16 мм) и песок (0,16—5,00 мм). Они состоят из кварца, полевых шпатов, кальцита, магнезита и других минералов, которые также влияют на свойства глин и качество готовых изделий.

    Глины как сырье для строительной керамики оценивают главными свойствами: пластичностью, связующей способностью, отношением к сушке и высоким температурам (при обжиге). Эти свойства зависят от химического и минерального состава глин.

    Химический  состав глин характеризуют содержанием  оксидов (в процентах по массе). Главными оксидами, входящими в состав глин, являются кремнезем Si0₂ (40 — 70%), глинозем А1₂0₃ (15 — 35 %), а также К₂0 и Na₂0 (в сумме 1 — 15 %), химически связанная Н₂0 (5—15 %). Часто присутствует Fe₂0₃ (до 7 %). Встречаются в глинах и другие оксиды (Ti0₂, MgO, СаО), а также органические примеси в виде остатков растений и животных.

    В каолинитовых глинах содержание глинозема  и кремнезема почти одинаково, тогда  как в монтмориллонитовых возрастает количество кремнезема за счет снижения содержания глинозема. Большое содержание кремнезема обычно зависит от повышенного содержания песчаной примеси в глинах. С увеличением содержания А1₂0₃ повышаются пластичность и огнеупорность глин, а с повышением содержания кремнезема пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность и морозостойкость обожженных изделий. Наличие оксидов железа, тонкодисперсных карбонатов СаС0₃ и MgC0₃ снижает огнеупорность глин. Присутствие в глине щелочей ухудшает формуемость изделий, понижает огнеупорность и вызывает появление белых выцветов на изделиях.

    Пластичность  — это способность влажной глины под действием внешних сил принимать заданную форму и сохранять ее после устранения давления. Пластичность глин объясняется тем, что при увлажнении глины на поверхности глинистых частиц появляются тончайшие слои адсорбированной воды. Это обеспечивает возможность скольжения частиц друг относительно друга и в то же время связывает эти частицы силами поверхностного натяжения, что обеспечивает сохранение формы изделия после формования. Чем больше в сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка, так как при сушке теряется вода.

    В зависимости от этого различают  высокопластичные глины, содержащие 80 — 90% глинистых частиц с водопотребностью более 28 %, средне- и умеренно-пластичные глины, содержащие 30 — 60 % глинистых частиц с водопотребностью 20 —28 % и малопластичные глины, имеющие в своем составе 5 —30 % глинистых частиц с водопотребностью менее 20%. Глины, содержащие более 60 % глинистых частиц («жирные» глины) требуют больше воды при приготовлении формовочной массы и дают большую усадку. «Тощие» глины содержат до 15% глинистых частиц, имеют небольшую усадку, достаточно легко сушатся.

    Пластичность  глин можно увеличить вылеживанием глин на воздухе, механической обработкой, обработкой паром, переменным замораживанием и оттаиванием, добавлением другой, более пластичной глины. Уменьшают пластичность глин введением отощающих добавок, нагреванием. Наиболее пластичными являются монтмориллонитовые, а наименее пластичными — каолинитовые глины. С увеличением количества частиц размером менее 0,001 мм пластичность глин возрастает.

    Связующая способность глин выражается в том, что уплотненная влажная глина после высыхания не рассыпается, а сохраняет полученную форму, например изделия-сырца для последующего обжига. Эта способность выражается также в том, что глина связывает зерна непластичных материалов, например песка или других более крупных частиц.

    Водопоглощаемость некоторых глин достигает больших значений, причем вода проникает в глине не только по трещинам и капиллярам, но и между слоями в кристаллической решетке некоторых минералов, при этом набухание глин может достигать 40 % и более.

    При высыхании на воздухе или в  сушилках глиняный сырец уменьшается  в объеме, т.е. наблюдается воздушная усадка. Большая усадка может нередко сопровождаться трещинообразованием. Высокопластичные глины при высыхании дают усадку 10 — 15 %, глины средней пластичности — 7— 10 %, малопластичные — 5 — 7%, что необходимо учитывать при формовании изделий.

    При обжиге в глинах происходят химические и физико-химические процессы, в результате которых она переходит в камневидное состояние с большой прочностью и не размокает в воде. При температуре до 400 °С из глины удаляется свободная влага, выгорают органические примеси, при дальнейшем повышении температуры (650 —750 °С) из глинистых минералов удаляется химически связанная вода и глина теряет свою пластичность, при температуре 800 — 900 °С глинистые минералы разлагаются на оксиды А1₂0₃ и Si0₂. При температуре 900— 1100 °С эти оксиды приобретают химическую активность и, реагируя, образуют минерал силлиманит Al₂0₃Si0₂, при температуре 1100— 1250 °С образуется  минерал муллит ЗА1₂6₃ • 2Si0₂. Эти минералы являются прочными, водостойкими, тугоплавкими. При обжиге наиболее легкоплавкие соединения расплавляются (при температуре 900— 1200 °С) и поры обжигаемого материала заполняются этим расплавом, что приводит к сближению нерасплавившихся частиц и эффекту огневой  усадки, которую также необходимо учитывать при изготовлении керамических изделий. Сумма воздушной и огневой усадок (полная усадка) находится в пределах 6—18%.

    Огнеупорность — свойство глин выдерживать воздействие высоких температур, не расплавляясь и не деформируясь. Она определяется с помощью пироскопов (конусов Зегера).

    Другой, более низкой, является температура  спекания глины, когда возникает  заполнение пор расплавом, но без  деформации изделия, а только с его  уплотнением, т.е. когда расплава сравнительно немного и черепок получается пористым с водопоглощением по массе более 5 %. Полностью спекшийся глиняный черепок имеет водопоглощение по массе 2 — 5%.

    При нагревании выше температуры спекания количество расплава превышает объем пор, что приводит к деформированию изделий, а затем (при более высоких температурах) к постепенному расплавлению всей массы. Интервал между температурой спекания и началом деформирования (оплавления) глины называется интервалом спекания (иногда густоплавкостью). Чем больше этот интервал, тем меньше опасность деформирования изделий при обжиге. Для получения плотного черепка необходимо, чтобы интервал спекания был не менее 100 "С, для пористого — не менее 40-50°С.

    Огнеупорность зависит от химического и минерального состава глин, например, с увеличением содержания в глине каолинита повышается огнеупорность, а наличие минералов (полевых шпатов и др.) — плавно понижает ее.

    Добавочные  вещества вводят в глину (смеси) для  повышения или уменьшения ее пластичности, что важно при формовании изделий. При производстве легких пористых керамических изделий (кирпича, плитки и др.) в формовочную массу вводят выгорающие добавки (древесные опилки, торфяную крошку, угольную крошку). Для уменьшения пластичности глины применяют отощающие добавки: кварцевые пески, пылевидный кварц (маршаллит), молотый шамот (обожженная глина), золы ТЭС и др. Они ускоряют сушку сырца, уменьшают усадку изделий. Выгорающие добавки, которые образуют поры после их выгорания при обжиге изделий, также могут уменьшать пластичность глин. В качестве порообразующих добавок применяют молотый мел, доломит и вещества, которые при обжиге глин диссоциируют с выделением газа, например С0₂. Для снижения температуры обжига изделий в формовочную массу вводят плавни — легкоплавкие вещества, называемые иногда флюсами. В процессе обжига они взаимодействуют с глинистыми веществами, образуя более легкоплавкие соединения, чем чистое глинистое вещество. К ним относятся полевые шпаты, пегматит, мел, доломит, руды, содержащие оксиды железа, и др. Иногда в глину вводят специальные добавки, например в целях повышения кислотостойкости — песчаные смеси, затворенные жидким стеклом, для окрашивания изделий — оксиды металлов, для улучшения качества кирпича — пирофосфаты и полифосфаты натрия и др.

    Технология производства керамических изделий

    Производство  изделий строительной керамики состоит из следующих основных операций:

    добыча, транспортировка и хранение сырьевых материалов;

    их  переработка и обогащение;